汽車散熱器與中冷器性能測試系統和方法

張冰　李承國　王超

摘 要：汽車發動機需要冷卻系統散熱來保持其在正常的工作溫度，汽車散熱器和中冷器散熱性能的水平直接影響發動機燃燒充分性，決定了燃油消耗排放指數和，嚴重影響發動機的使用壽命。因此，散熱器和中冷器散熱性能平衡至關重要。如何模擬汽車發動機實際工作狀態對散熱器和中冷器進行準確的性能測試是汽車散熱器和中冷器研究的重要內容。本文通過對散熱器和中冷器性能測試系統結構、原理和測試方法的研究介紹，形成了散熱器與中冷器獨立和組合測試的測試系統以及測試方案，測試結果在行業臺架測試現有水平下最接近于整車狀態，處于行業領先水平。

關鍵詞：散熱器 中冷器 性能 系統

Car Radiator and Intercooler Performance Test System and Method

Zhang Bing，Li Chengguo，Wang Chao

Abstract：Automobile engines need cooling system heat to keep it at normal operating temperature. The level of heat dissipation performance of automobile radiators and intercoolers directly affects the adequacy of engine combustion， determines the fuel consumption and emission index， and seriously affects the service life of the engine. Therefore， the balance between the heat dissipation and the heat dissipation performance of the intercooler is very important. How to simulate the actual working state of automobile engine to carry out accurate performance test of radiator and intercooler is an important content of the research of automobile radiator and intercooler. Through the research and introduction of the structure， principle and test method of the radiator and intercooler performance test system， this paper has formed a test system and test plan for the independent and combined test of the radiator and intercooler. The test results are tested on the industry bench. The level is closest to the state of the whole vehicle， and it is at the leading level in the industry.

Key words：radiator， intercooler， performance， system

1 引言

1.1 汽車散熱器和中冷器換熱原理

汽車散熱器換熱途徑為：發動機燃燒產生的熱量通過發動機缸套傳遞給缸套里面的防凍液，高溫防凍液通過冷卻系統水泵和管路循環傳遞給散熱器，散熱器把防凍液的熱量通過芯體傳遞給空氣，換熱處于熱平衡狀態，通過熱平衡保持發動機在需求的溫度下持續工作。

汽車中冷器換熱途徑為：通過增壓器增壓后的高溫壓縮空氣通過冷卻系統管路循環傳遞給中冷器，中冷器把高溫壓縮空氣的熱量通過芯體傳遞給空氣，換熱處于熱平衡狀態，保持發動機在需求的溫度下持續工作。

1.2 汽車散熱器和中冷器行業散熱性能測試背景

當前涉及汽車散熱器、中冷器的國家級標準有：《汽車、拖拉機散熱器風筒試驗方法《JB/T 2293-1978》》（第一機械工業部部標準）、《中冷器中國兵器工業總公司部標準-裝甲車輛柴油機中冷器規范《WJ 2429-1997》》。兩標準中關于散熱器、中冷器的性能試驗是獨立完成的。目前國標中還沒出現將散熱器、中冷器組合試驗的試驗裝置和試驗方法，散熱器、中冷器等汽車零部件組成的冷卻模塊組合試驗是急需突破和研究的方向。

專利號CN 104458280 A提出了一種關于汽車散熱器、中冷器等冷卻模塊組合試驗的實驗裝置及實驗方法，專利中包含一臺水平軸連續吸氣式風洞實驗裝置，風洞由兩個錐形筒對接后焊接而成，兩個錐形筒大小相同，外形是兩端小中間大的錐形體，實驗中模擬裝車狀態在風洞過渡段自左至右依次是散熱器、中冷器組成的冷卻模塊;散熱器單體裝配有進、出水管，盡可能的保留實際裝車狀態;中冷器單體裝配有進、出氣管，亦盡可能的保留實際裝車狀態;進、出水管和進、出氣管處安置溫度、壓力傳感器，實時監測實驗進程中的溫度和壓力變化。上述風洞實驗臺，可獨自進行單體性能試驗，亦可對冷卻模塊進行模擬試驗。

但是在上述試驗方案中，對換熱器單體的測試中，并沒有涉及散熱器水阻和中冷器氣阻的監測，沒有建立完整的水路和氣路循環系統，上述方案中并沒有涉及散熱器水阻和中冷器氣阻的測試裝置及驗證方法，所以專利中提及試驗方式和試驗方法獲得的試驗數據可能會存在精確度不高的問題。

2 主要內容

2.1 測試系統研究目的

本文提供了一種汽車散熱器、中冷器散熱性能的測試方法，解決當前試驗過程中監測不全面、測試精確度不高的問題。

2.2 測試系統主要結構

汽車散熱器和中冷器散熱性能測試系統及方法，屬于汽車散熱性能測試領域，要解決的技術問題為現有測試過程中測試不全面、測試精確度不高。其結構包括風洞，進風筒分為具有集流作用的進風端部及具有穩流作用的出風端部;出風筒為具有穩流作用的出風筒;進風筒的出風端部上安裝有風速測量裝置、進風溫度檢測器和風阻測量器，出風筒上安裝有風阻測量器、出風溫度檢測器和風機;進氣管、出氣管、進水管和出水管上均連接有測壓管，進氣管上還連通有空氣壓縮加熱裝置，進水管和出水管之間連通有熱介質循環裝置。汽車散熱性能測試方法包括對水冷式散熱件和氣冷式散熱件單獨進行性能測試，以及對水冷式散熱件和氣冷式散熱件整體進行性能測試。

2.3 測試系統工作原理

測試系統模式散熱器和中冷器在整車中工作狀態，通過冷風供應系統、高溫壓縮空氣供應系統和高溫防凍液供應系統，采用吸熱側和放熱側平衡的采集計算方式，測量和記錄散熱器和中冷器散熱性能。

2.3.1 水冷式散熱件的熱平衡判定標準

計算水冷式散熱件的熱平衡誤差計算公式為：，水冷式散熱件的熱平衡誤差小于等5%時判定滿足熱平衡，其中，Qw為水冷式散熱件放熱量，Qa為空氣的吸熱量。

2.3.2 氣冷式散熱件的熱平衡判定標準

計算氣冷式散熱件的熱平衡誤差計算公式為：，氣冷式散熱件的熱平衡誤差小于等于5%時判定滿足熱平衡，其中，QA為氣冷式散熱件放熱量，Qa為空氣的吸熱量。

2.3.3 水冷式散熱件和氣冷式散熱件組合熱平衡判定標準

計算水冷式散熱件和氣冷式散熱件整體的總熱平衡誤差計算公式為：，水冷式散熱件和氣冷式散熱件整體的總熱平衡誤差小于等于5%時判定滿足熱平衡，其中，Qw為水冷式散熱件放熱量，QA為氣冷式散熱件放熱量，Qa為空氣的吸熱量;

2.4 測試系統測試方法

2.4.1 實驗通用要求

（1）試驗在常溫下進行，試驗前后時間內進風溫度波動不得超過±5℃。

（2）試驗前應檢查水冷式散熱件13上下水室、循環水路及水冷式散熱件13與氣冷式散熱件6與左端的進風筒1和右端的出風筒31的銜接處不得漏水、漏氣。

（3）試驗前應檢查測試氣冷式散熱件6的連接可靠性，保證在試驗允許的壓力、溫度下不出現漏氣、爆管現象。

（4）試驗前開啟水側加熱裝置、熱水泵27、風機26，并調節風速、水流量，待進水溫度達到規定值時，排除水路中的氣體，待工況穩定后，再逐一開啟熱側裝置，直至達到試驗工況測試條件開始試驗。

（5）測量參數包括：水冷式散熱件13的水側水流量、水側進口溫度、水側出口溫度、水側進出口溫度差、水側進口水阻壓力、水側出口水阻壓力和水側進出口水阻壓力差及氣冷式散熱件6的熱側空氣流量、熱側進口壓力、熱側出口壓力、熱側進出口壓力差、進口溫度、出口溫度和進出口溫度差以及冷側空氣入口環境相對濕度、冷側空氣入口環境大氣壓力、冷側空氣入口環境溫度、冷側空氣進口溫度、冷側空氣出口溫度、冷側空氣進出口壓力差和通過風速測量裝置3測得的風速。

2.4.2 單獨對水冷式散熱件13進行測試時

（1）試驗工況的基本固定包括：上述測試過程中，試驗工況的基本規定包括：確定水冷式散熱件13實際應用最大的水側水流量，在水冷式散熱件13實際應用最大的水側水流量范圍內選取3個水側水流量工況點。

（2）水冷式散熱件13的水流阻力測試條件包括：依次變更上述水側水流量工況點，測取各水側水流量工況點的水側進出口水阻壓力差。

（3）熱平衡判定標準包括：計算水冷式散熱件13的熱平衡誤差計算公式為：，水冷式散熱件13的熱平衡誤差小于等5%時判定滿足熱平衡，其中，Qw為水冷式散熱件13放熱量，Qa為空氣的吸熱量。

2.4.3 單獨對氣冷式散熱件6進行測試時

（1）試驗工況的基本規定包括：確定氣冷式散熱件6實際應用的熱側空氣流量、熱側進口壓力和進口溫度，在氣冷式散熱件6實際應用的熱側空氣流量、熱側進口壓力和進口溫度范圍內組合出至少兩個熱側空氣流量、熱側進口壓力和進口溫度對應搭配的工況點。

（2）氣冷式散熱件6的熱側空氣阻力測試條件包括：依次變更熱側空氣流量和進口溫度，測取各熱側空氣流量和進口溫度工況點下的熱側進出口壓力差。

（3）熱平衡判定標準包括：計算氣冷式散熱件6的熱平衡誤差計算公式為：，氣冷式散熱件6的熱平衡誤差小于等于5%時判定滿足熱平衡，其中，QA為氣冷式散熱件6放熱量，Qa為空氣的吸熱量。

2.4.4 對水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6整體進行性能測時

2.4.4.1 試驗工況的基本規定包括：

（1）水冷式散熱件13的液-氣溫差為60°，氣冷式散熱件6的氣-氣溫差120°，液-氣溫差和氣-氣溫差的變動范圍為±5℃;液-氣溫差為水冷式散熱件13進水溫度與水冷式散熱件13冷側進風溫度之差;氣-氣溫差：氣冷式散熱件6熱側進口空氣溫度與氣冷式散熱件6冷側進風溫度之差;冷側為水冷式散熱件13或氣冷式散熱件6與冷卻介質接觸的表面。

（2）確定水冷式散熱件13實際應用最大水側水流量，在水冷式散熱件13實際應用最大水側水流量范圍內選取3個水流量工況點。

（3）確定氣冷式散熱件6實際應用的熱側空氣流量、熱側進口壓力和進口溫度，在氣冷式散熱件6實際應用的熱側空氣流量、熱側進口壓力和進口溫度范圍內組合出至少兩個熱側空氣流量、熱側進口壓力和進口溫度對應搭配的空氣流量工況點。

（4）選取五個風速測量裝置3測量的風量工況點，分別為2M/S、4M/S、6 M/S、8 M/S、10 M/S和12 M/S。

（5）試驗時，先調整風量，再調整水冷式散熱件13的一個水流量工況點，待水冷式散熱件13工況穩定3～5分鐘后，最后調整氣冷式散熱件6的熱側空氣流量、熱側進口壓力和進口溫度，穩定3～5分鐘后，測試水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6的測試參數，進行熱平衡判定和測量結果偏差的判定。

（6）變更試驗工況的優先順序為：氣冷式散熱件6的熱側進口壓力和熱側空氣流量為第一優先，水冷式散熱件13的水側水流量為第二優先，風速測量裝置3測量的的風量為第三優先。

2.4.4.2 測試條件包括：

（1）進行水冷式散熱件13的水流阻力測試時：依次變更上述水側水流量工況點，測取各水側水流量工況點的水側進出口水阻壓力差。

（2）進行氣冷式散熱件6的熱側空氣阻力測試時，依次變更熱側空氣流量和進口溫度，測取各熱側空氣流量和進口溫度工況點下的熱側進出口壓力差。

（3）熱平衡判定標準包括。

（A）熱平衡判定：計算水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6整體的總熱平衡誤差計算公式為：，水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6整體的總熱平衡誤差小于等于5%時判定滿足熱平衡，其中，Qw為水冷式散熱件13放熱量，QA為氣冷式散熱件6放熱量，Qa為空氣的吸熱量;

（B）測試偏差的判定：在同一工況下，水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6整體的散熱量小于或等于水冷式散熱件13單獨測試的散熱量，氣冷式散熱件6組合實驗的散熱量小于或等于氣冷式散熱件6單獨測試的散熱量。

3 結論

3.1 汽車散熱器與中冷器性能測試系統和方法的總體優點

對散熱器和中冷器的單獨測試中，實現了對散熱器的水阻和中冷器的氣阻進行測試，且具體明確了測試裝置及方法，重復性和再現性高，同時實現了散熱器和中冷器獨立測試和組合測試的綜合性能測試能力，如：水冷式散熱件單獨進行散熱性能測試和水流阻力測試，或單獨對氣冷式散熱件進行散熱性能測試和熱側空氣阻力測試，或對水冷式散熱件和氣冷式散熱件整體性能測試。

此汽車散熱器和中冷器散熱性能測試系統及方法具有以下優點：

（1）可對水冷式散熱件和氣冷式散熱件單獨進行性能測試，對水冷式散熱件的性能測試包括散熱性能測試和水流阻力測試，對氣冷式散熱件的性能測試包括散熱性能測試和熱側空氣阻力測試，也可對水冷式散熱件和氣冷式散熱件整體進行組合測試，且在實驗過程中各工況點可人為控制。

（2）進風筒的進風端部為雙扭曲線狀，從而風可平直進入進風筒內，不會產生渦流現象，使風場更加均勻、穩定。

（3）在進風筒和出風筒之間設置有擴散過渡段和收斂過渡段，擴散過渡段和收斂過渡段配合可用于固定不同型號的散熱器和中冷器，增加了該性能測試系統的應用范圍。

（4）風機為可調節風速的風機，便于試驗過程中風量的調節。

（5）在出風筒和風機之間連接有柔性連接管，可減輕風機振動，使得出風筒內風平直、穩定。

（6）通過畢托管裝置進行風速測量，且畢托管裝置中的畢托管測壓傳感器位于進風筒的出風端部的中心處、與氣流方向的偏斜角為0～5°，便于精確測得進風筒的出風端部內風速，減少了試驗誤差。

（7）進水測壓管、出水測壓管、進氣測壓管以及出氣測壓管均垂直插入與其對應的管壁內，增加了試驗數據的精確度。

（8）進水管、出水管、進氣管以及出氣管內的溫度檢測器的感溫頭均位于其管腔內部的中心處，進風筒內安裝有多個分散分布的進風溫度檢測器，出風筒內安裝有多個分散分布的出風溫度檢測器，試驗過程中溫度數據的準確性和精確度。

參考文獻：

[1]張志建.汽車、拖拉機散熱器風筒試驗方法《JB/T 2293-1978》.桂林：廣西師范大學出版社，1989.

[2]中冷器中國兵器工業總公司部標準- 裝甲車輛柴油機中冷器規范《WJ 2429-1997》.CN 104458280 A的中國專利.

[3]汽車散熱器QC/T468-2010.內燃機增壓空氣冷卻器技術條件GB/T23338-2018.