基于環(huán)境模擬的汽車(chē)熱平衡試驗(yàn)研究

袁建軍，于津濤，吳 展

（1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，北京 100176；2.北京汽車(chē)研究總院有限公司，北京 101300）

基于環(huán)境模擬的汽車(chē)熱平衡試驗(yàn)研究

袁建軍1，于津濤1，吳 展2

Yuan Jianjun1，Yu Jintao1，Wu Zhan2

（1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，北京 100176；2.北京汽車(chē)研究總院有限公司，北京 101300）

以環(huán)境模擬試驗(yàn)中的熱平衡試驗(yàn)為主要研究對(duì)象，對(duì)該試驗(yàn)的國(guó)標(biāo)及企標(biāo)進(jìn)行對(duì)比研究，利用試驗(yàn)室的環(huán)境倉(cāng)和轉(zhuǎn)鼓等硬件設(shè)施，進(jìn)行了多車(chē)型的整車(chē)熱平衡環(huán)境模擬試驗(yàn)。從熱平衡、環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響、光照對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響、環(huán)境模擬試驗(yàn)與道路試驗(yàn)的比對(duì)等方面進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)目前的熱平衡試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

環(huán)境模擬；熱平衡試驗(yàn)；光照；阻力

0 引 言

生產(chǎn)企業(yè)和用戶都會(huì)關(guān)心汽車(chē)是否可以在所銷(xiāo)售區(qū)域的氣候環(huán)境條件下無(wú)故障運(yùn)行，達(dá)到汽車(chē)設(shè)計(jì)的性能并可實(shí)現(xiàn)舒適的駕駛，因此必須有合適的方法和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)證汽車(chē)的環(huán)境適應(yīng)性。環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)通常以整車(chē)在環(huán)境試驗(yàn)室和場(chǎng)地測(cè)試2種方式進(jìn)行，因場(chǎng)地測(cè)試條件無(wú)法精確控制，通常僅作為實(shí)用性判定及環(huán)境試驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果的參考。環(huán)境試驗(yàn)室模擬測(cè)試方法因?yàn)榄h(huán)境條件恒定可控，具有試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性好、便于量化分析等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到各廠家研發(fā)及試驗(yàn)部門(mén)的認(rèn)可，作為整車(chē)環(huán)境適應(yīng)能力的主要評(píng)定方式。

1 汽車(chē)熱平衡試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 12542—2009《汽車(chē)熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》在實(shí)踐過(guò)程中由于可操作性和評(píng)價(jià)工況有所欠缺，很多廠家沒(méi)有直接采用國(guó)標(biāo)，而是結(jié)合國(guó)標(biāo)或合資企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，制定出可操作性更強(qiáng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

該標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)要描述如下：

1）該標(biāo)準(zhǔn)為道路試驗(yàn)方法，并沒(méi)有針對(duì)利用環(huán)境倉(cāng)的試驗(yàn)方法說(shuō)明；

2）環(huán)境要求：30℃以上，對(duì)濕度、光照強(qiáng)度等無(wú)要求；

3）所需特殊設(shè)備：負(fù)荷拖車(chē)；

4）試驗(yàn)過(guò)程中打開(kāi)空調(diào)，外循環(huán)、最大冷卻模式、風(fēng)量調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)置于最大位置；

5）熱平衡判定標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)4 min各冷卻介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度的差值無(wú)升高趨勢(shì)且變化均在±1℃以內(nèi)；

6）測(cè)試工況：包括極限使用工況和常規(guī)使用工況2部分[1]。

1.2 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

由于各發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間不同、速比不同等原因，國(guó)標(biāo)在操作上不易于車(chē)型間橫向比較，而且極端工況過(guò)于惡劣因而在實(shí)際行駛中出現(xiàn)概率極低，因此許多企業(yè)根據(jù)自身需要使用自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以下列舉3個(gè)廠家的典型試驗(yàn)方法。

1.2.1 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1

環(huán)境溫度為30℃，空調(diào)開(kāi)，強(qiáng)制節(jié)溫器打開(kāi)，工況如表1所示。

1.2.2 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2

環(huán)境溫度30℃，光照強(qiáng)度700 W/m2；空調(diào)為內(nèi)循環(huán)模式，工況如表2所示。

表2 企標(biāo)2規(guī)定試驗(yàn)工況

1.2.3 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3

環(huán)境條件分為38℃、35℃和33℃ 3種，相對(duì)濕度40%，光照強(qiáng)度1000 W/m2?？照{(diào)狀態(tài)為開(kāi)，且為外循環(huán)，最大制冷，最大風(fēng)速，工況如表 3所示。

表3 企標(biāo)3規(guī)定試驗(yàn)工況

1.3 小結(jié)

不同廠家熱平衡試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)各不相同。

1）環(huán)境方面：溫度30～43℃，濕度40%～50%或者不作要求，光照強(qiáng)度700～1 000 W/m2或者不作要求。

2）熱平衡判定：各廠家的熱平衡判定條件不同，一般的判定條件為油液溫度變化率小于1 ℃/ min ，也有的比較嚴(yán)格，要求小于1 ℃ /3m in甚至1 ℃/8m in；也有按時(shí)間要求的，例如從工況開(kāi)始延續(xù)30 min，只要油液溫度均未超過(guò)最高許用溫度則算通過(guò)。

3）工況要求：工況是各標(biāo)準(zhǔn)間差別最大的項(xiàng)目，有些廠家要求測(cè)試最大功率或最大扭矩工況；而大多廠家傾向于模擬常用不利工況，如高速、低速爬坡、中速爬坡、城市擁堵路況、長(zhǎng)時(shí)間怠速和高負(fù)荷后熄火浸置等。

各廠家均采用環(huán)境模擬的方法進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，而不采用道路試驗(yàn)的方法。工況方面，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更接近用戶使用的實(shí)際極限工況。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

汽車(chē)在環(huán)境、工況均穩(wěn)定狀態(tài)下，各冷卻介質(zhì)溫度將達(dá)到恒定，冷卻系統(tǒng)吸收熱量等于其放出熱量，因此考察汽車(chē)在不同工況時(shí)的平衡狀態(tài)就是考察汽車(chē)?yán)鋮s液或機(jī)油等在該工況下達(dá)到的最高值。

熱平衡試驗(yàn)過(guò)程中主要測(cè)試點(diǎn)包括環(huán)境溫度、進(jìn)氣格柵前后溫度、散熱器進(jìn)出口冷卻液溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度、變速箱油溫度、空調(diào)系統(tǒng)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速等。

2.1 熱平衡分析

圖1～圖4為某車(chē)型在不同工況下從試驗(yàn)開(kāi)始到平衡狀態(tài)的溫度變化圖，分別為高速行駛、低速爬坡和中速爬坡 3個(gè)工況。圖中曲線分別代表水溫、機(jī)油溫度、變速箱油溫、車(chē)速以及空調(diào)高壓壓力。從工況1～工況3看，3種油液溫度均從快速升高轉(zhuǎn)為漸趨平穩(wěn)，以 3種油液變化率均小于1℃/ min 作為平衡標(biāo)志并停止該工況試驗(yàn)。

工況 4是熄火浸置工況，模擬的是汽車(chē)大負(fù)荷行駛后突然熄火，由于油液的積熱效應(yīng)引起溫度繼續(xù)升高的工況。從圖 4中可以看出，汽車(chē)以40 km/h車(chē)速爬7.2%坡度行駛到14 m in時(shí)突然停車(chē)熄火，機(jī)油和變速箱油溫度很快下降，而發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度卻持續(xù)上升，最高達(dá)到120℃，如果汽車(chē)沒(méi)有適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行保障則可能出現(xiàn)“開(kāi)鍋”故障。不同于工況1～工況3，該工況結(jié)束的標(biāo)志是所有油液的溫度均開(kāi)始下降。

汽車(chē)熱平衡試驗(yàn)中，通常用許用環(huán)境溫度 T來(lái)衡量汽車(chē)的環(huán)境適應(yīng)性。T計(jì)算公式如下

T（℃）=冷卻介質(zhì)許用最高溫度-熱平衡時(shí)冷卻介質(zhì)溫度+環(huán)境溫度

式中，冷卻介質(zhì)許用最高溫度無(wú)特殊規(guī)定，為（1）～（3）之中的最小值：

（1）沸點(diǎn)；（2）動(dòng)力總成要求；（3）空調(diào)系統(tǒng)要求。

該車(chē)沸點(diǎn)為120℃；動(dòng)力總成要求和空調(diào)系統(tǒng)要求為140℃。對(duì)工況1～工況3進(jìn)行SAC（System Ambient Capacity，系統(tǒng)環(huán)境能力）計(jì)算。

工況1：冷卻液、機(jī)油、變速箱油最高溫度分別為90.6℃、99.8℃、77.8℃，則：

工況2：冷卻液、機(jī)油、變速箱油最高溫度分別為99.5℃、114.9℃、80.4℃，則：

工況3：冷卻液、機(jī)油、變速箱油最高溫度分別為97.5℃、111.6℃、78.0℃，則：

綜合以上結(jié)果，取所有結(jié)果中最小值作為整車(chē)許用環(huán)境溫度，即該車(chē)在環(huán)境溫度低于 58.5℃的條件下，3種工況可正常使用。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響分析

對(duì)于許用環(huán)境溫度和冷卻介質(zhì)許用最高溫度恒定的冷卻液，散熱器進(jìn)水口溫度和環(huán)境溫度差值應(yīng)該恒定，即環(huán)境溫度升高x℃，則相應(yīng)散熱器進(jìn)水口溫度也應(yīng)升高x℃，為此進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1）汽車(chē)工況不變，100 km/h勻速行駛，改變環(huán)境溫度，觀察各油液平衡溫度。

從表4及圖5～圖7可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，冷卻液和機(jī)油的熱平衡溫度均升高。環(huán)境溫度升高 10℃，機(jī)油平衡溫度也上升接近10℃，而冷卻液由于有冷卻風(fēng)扇調(diào)控，因此上升量小于環(huán)境溫度上升量，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇功率保持冷卻液溫度在85～95℃之間。

表4 環(huán)境溫度、冷卻液平衡溫度及機(jī)油平衡溫度關(guān)系℃

由于上述工況對(duì)于該款汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)負(fù)荷較小，因此發(fā)動(dòng)機(jī) ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）可以通過(guò)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控，為此更換為大負(fù)荷工況進(jìn)行觀察。車(chē)速40 km/h，滿載7.2%坡度，結(jié)果如表5及圖8～圖9所示?！?/p>

表5 環(huán)境溫度、冷卻液平衡溫度及機(jī)油平衡溫度關(guān)系

當(dāng)汽車(chē)負(fù)荷較大，超出了發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍（即節(jié)溫器全部開(kāi)啟、冷卻風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)）時(shí)，冷卻液與機(jī)油平衡溫度升高值與環(huán)境溫度升高值基本相等。

2.3 光照對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響

光照會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度逐漸升高，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱量，同時(shí)空調(diào)壓力也會(huì)相應(yīng)提高，壓縮機(jī)負(fù)荷變大，由此導(dǎo)致同一汽車(chē)在相同環(huán)境溫度和相同工況下，無(wú)光照時(shí)冷卻液和機(jī)油平衡溫度為93.5℃和104.7℃（圖10～圖11），而光照為 1 000 W/m2時(shí)冷卻液和機(jī)油平衡溫度為94.5℃和107.2℃，分別上升了1℃和2.5℃。

2.4 環(huán)境模擬試驗(yàn)與道路試驗(yàn)的比對(duì)

在相同環(huán)境溫度25℃下，同一輛車(chē)分別在道路上和環(huán)境艙中使用同一工況 100 km/h勻速行駛，環(huán)境艙中轉(zhuǎn)鼓阻力用推薦值，比較熱平衡試驗(yàn)結(jié)果。

如圖12～圖13所示，道路試驗(yàn)中冷卻液和機(jī)油平衡溫度為 85.5℃和 90.0℃，在試驗(yàn)室中通過(guò)滑行法加載后試驗(yàn)冷卻液和機(jī)油平衡溫度為87.0℃和91.0℃，二者基本一致，但存在一定差值。有很大一部分原因是由于道路上的行駛阻力小于轉(zhuǎn)鼓上的行駛阻力，道路試驗(yàn)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為23.5%，而試驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓上節(jié)氣門(mén)開(kāi)度達(dá)到37.3%，這主要與滑行阻力系數(shù)設(shè)定有關(guān)，因此設(shè)定準(zhǔn)確的行駛阻力是保證環(huán)境模擬試驗(yàn)精度的前提。有些廠家允許試驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓上的負(fù)荷大于道路上，這樣相當(dāng)于在更惡劣的工況中對(duì)汽車(chē)進(jìn)行考核。

3 結(jié)論和建議

結(jié)合其他標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工作，對(duì)我國(guó)現(xiàn)有熱平衡方法 GB/T12542—2009《汽車(chē)熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》提出以下改進(jìn)建議。

1）環(huán)境要求：結(jié)合我國(guó)大部分城市最高氣溫，建議將環(huán)境要求設(shè)置為：40℃，1 000 W/m2光照；

2）工況設(shè)置：在原有工況中，增加城市擁堵工況模擬：反復(fù)加速減速（最高30 km/h），20次循環(huán)，期間沒(méi)有迎面風(fēng)；

3）試驗(yàn)間隔：建議在每個(gè)工況結(jié)束后加入怠速冷卻和小負(fù)荷穩(wěn)定工況，可以保證每個(gè)工況起始的狀態(tài)一致，不受上一個(gè)工況影響；

4）平衡判定：建議修改為油、液溫度變化率小于 1℃/min，同時(shí)每個(gè)工況時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò) 30 m in，如果出現(xiàn)空調(diào)循環(huán)切斷則保持30 min試驗(yàn)工況即可，這樣以便于車(chē)型間橫向比較。

[1]GB/T12542—2009 汽車(chē)熱平衡能力道路試驗(yàn)方法[S].

U467.1+3

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.010

1002-4581（2015）02-0038-05

2015?01?05