微型汽車發(fā)動機整車熱平衡試驗設(shè)計及試驗結(jié)果分析

黃旭 陳楠 馬東元 張偉 許偉利

中國北方發(fā)動機研究所 天津市 300400

汽車冷卻系統(tǒng)是調(diào)控發(fā)動機溫度、實現(xiàn)整車熱平衡的關(guān)鍵。近年來，微型汽車的市場需求量和銷售量均呈現(xiàn)出上漲趨勢，國內(nèi)自主汽車企業(yè)在微型汽車研發(fā)設(shè)計方面也加大了投入力度。其中，整車熱平衡試驗是汽車研發(fā)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容，通過試驗設(shè)計和驗證，更加直觀地評價冷卻系統(tǒng)的散熱能力，從而為設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)，確保冷卻系統(tǒng)發(fā)揮維持汽車熱平衡的功能，實現(xiàn)汽車發(fā)動機性能的最優(yōu)化和保障汽車行駛安全性。

1 微型汽車發(fā)動機整車熱平衡試驗設(shè)計

1.1 試驗條件

參考《汽車熱平衡能力道路試驗方法》（GB/T 12542-2020），熱平衡試驗的條件布置如下：選擇一處平坦、清潔的瀝青公路，試驗路段長度不低于500m，縱坡度不得超過0.2%。在環(huán)境溫度不低于25℃的晴朗天氣下進行試驗。試驗用車的輪胎充氣壓力應控制在標準胎壓的±10KPa 以內(nèi)，燃料、機油、冷卻液等材料均選擇主流品牌。正式開始試驗前，要求進行“熱車”，保證燃料霧化良好，使車輛各項性能（如輪胎熱狀態(tài)等）達到正常工況，以提高試驗結(jié)果的準確性。預熱完畢后，發(fā)動機出水溫度應在80-90℃之間、潤滑油溫度在60-80℃之間。

1.2 試驗內(nèi)容及方法

試驗中，選擇能夠反映發(fā)動機性能的6項指標分別進行測試。指標名稱與要求如下：

（1）高速行駛試驗。在最高檔下以140km/h 速度行駛30s。

（2）熄火浸置試驗。在最高檔下以140km/h 運行60min 后停車、熄火。

（3）最大扭矩轉(zhuǎn)速工況。在II 檔下使油門處于全開狀態(tài)，發(fā)動機達到最大扭矩轉(zhuǎn)速后維持30s。

（4）怠速試驗。以60km/h 速度行駛20min 后，將汽車停在擋風墻前，使散熱器的迎風面正對風向，發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)。

（5）額定功率轉(zhuǎn)速試驗。在II 檔下時油門處于全開狀態(tài)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到額定功率轉(zhuǎn)速后維持30s。

（6）模擬爬坡試驗。選擇坡度為8%的路段，以額定轉(zhuǎn)速的70%爬坡。由負荷拖車提供等同于爬坡阻力的牽引力。牽引力F=0.08×汽車總重量。

上述各項試驗結(jié)束后，將傳感器采集的數(shù)據(jù)導出，做進一步分析。

1.3 傳感器的選型

整車熱平衡試驗中使用到的傳感器主要有5 種類型。其數(shù)量、量程、精度等基本信息如表1 所示。

表1 傳感器型號及相關(guān)參數(shù)

（1）冷卻液質(zhì)量流量計可對流經(jīng)該儀器的冷卻液流量進行精準檢測，計算機根據(jù)流量信號和溫度調(diào)控需要，靈活調(diào)節(jié)閥門的開閉，讓冷卻液能夠帶走多余熱量，維持熱平衡。由于本次試驗測試的是微型汽車發(fā)動機，冷卻液管徑較小，因此在流量計的選型上優(yōu)先考慮管錐螺紋型流量計。安裝方向與冷卻液流動方向一致，并且保證流量計的管道口與兩端冷卻液管道口同軸水平，保證液體流動的平順性，避免因為流體狀態(tài)突變帶來誤差。（2）壓力傳感器用于監(jiān)測散熱器進出口的水壓。（3）風壓傳感器用于監(jiān)測散熱器、冷凝器前后風壓，發(fā)動機艙局部風壓。（4）溫度傳感器布置在冷凝器、散熱器和風扇的前方，每種設(shè)備的迎風面各布置2 臺，用于采集表面溫度。除此之外，在發(fā)動機艙內(nèi)、發(fā)動機出水管道等處，也分別放置了溫度傳感器。（5）風速儀用于監(jiān)測發(fā)動機艙、散熱器的進氣風速。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

對于傳感器采集到的各類數(shù)據(jù)，暫時存儲在數(shù)據(jù)采集卡中。由于數(shù)據(jù)來源不同，因此數(shù)據(jù)格式并不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)采集卡除了暫存數(shù)據(jù)外，還能進行格式轉(zhuǎn)換，將所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一格式。在熱平衡試驗結(jié)束后，利用USB 數(shù)據(jù)線將所有數(shù)據(jù)導入到計算機中。為保證采集數(shù)據(jù)的精確、全面，基于LabVIEW 平臺設(shè)計了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運行流程

系統(tǒng)顯示頁面可提供各項指標的實時參數(shù)，例如冷卻液流量、冷卻液出口溫度等。支持手動輸入數(shù)據(jù)采集和查詢的起止時間；如果數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)錯誤，在“錯誤號”中查找原因。數(shù)據(jù)采集流程結(jié)束后，結(jié)束指示燈亮起，提醒試驗人員及時終止系統(tǒng)程序。

2 微型汽車發(fā)動機整車熱平衡試驗結(jié)果分析

2.1 散熱性能試驗分析

在整車熱平衡試驗中，冷卻系統(tǒng)的散熱能力是展示試驗結(jié)果的直觀指標。其中，冷卻液的溫度是決定冷卻系統(tǒng)散熱能力的核心因素。在散熱性能試驗中，選取以下4 個評價指標，判斷冷切系統(tǒng)的散熱能力：（1）保證冷卻液在冷卻系統(tǒng)中順暢、循環(huán)流動，保證發(fā)動機各個受熱部件與冷卻液之間進行穩(wěn)定的熱量交換，達到理想的散熱效果。（2）水套與散熱器的熱交換面積必須滿足散熱要求，提供足夠大的熱交換面積。（3）合理設(shè)置節(jié)溫器的開閉臨界溫度，并且能夠在大、小循環(huán)之間自由切換，避免發(fā)動機過冷或過熱的極端情況。（4）散熱器的冷卻空氣量要足夠。同時，結(jié)合上文中提到的試驗內(nèi)容，6種試驗環(huán)境下冷卻液的溫度以不超過105℃為合格，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 冷卻系統(tǒng)性能考核標準

2.2 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化

為更好滿足整車熱平衡需要，結(jié)合上述試驗結(jié)果，對汽車冷卻系統(tǒng)提出以下兩種優(yōu)化建議：（1）提高車速風利用率。汽車在正常行駛時，將迎面風作為冷卻風；當汽車怠速時，由冷卻風扇提供冷卻風。目前微型汽車的冷卻系統(tǒng)對車速風的利用率不高，可通過改進冷卻系統(tǒng)布置形式的方式提高對迎面風的利用率。例如使用分布式布置，相當于增加了散熱器的面積，可以接收更多的迎面風。或者是適當增加進氣格柵的開口面積，也能取得同樣的效果。（2）提高進風系數(shù)。進風系數(shù)與散熱器空氣流量之間呈正比關(guān)系，在散熱器與發(fā)動機前艙之間增加隔離密封裝置，避免熱空氣回流。這樣就能持續(xù)不斷的從外界吸入冷風，既提高了進風系數(shù)，又增強了冷卻效果。或者是調(diào)整風扇位置，使風扇能夠始終對準散熱器的芯部，提高冷卻風的利用率。

3 結(jié)語

在汽車發(fā)動機的研發(fā)中，通過整車熱平衡試驗可以找到適合發(fā)動機運轉(zhuǎn)的最佳溫度區(qū)間，從而避免因為發(fā)動機過冷導致能耗增加或發(fā)動機過熱導致燒毀的極端情況。在整車熱平衡試驗中，使用LabVIEW 平臺調(diào)節(jié)變量，讓發(fā)送機分別處于高速行駛、怠速、爬坡、熄火浸置等不同的運行工況，然后通過調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的冷卻液流量、壓力，以及風速、風壓等參數(shù)，利用風冷或水冷等方式與散熱器完成熱交換，帶走多余熱量，降低發(fā)動機溫度，從而使汽車發(fā)動機平穩(wěn)運行。