商用車整車環(huán)境模擬試驗(yàn)室能力匹配設(shè)計(jì)方法

王奕睿 郭虎 吳慧敏 周新偉 劉柳

摘要：整車環(huán)境模擬試驗(yàn)室包括高低溫環(huán)境艙和重型轉(zhuǎn)轂兩套主要的設(shè)備，這兩套設(shè)備能力的規(guī)劃不僅關(guān)系到投資成本、基建成本、運(yùn)營成本、項(xiàng)目實(shí)施的難度等，更決定了未來商品開發(fā)的試驗(yàn)?zāi)芰Α１疚膹纳唐烽_發(fā)的需求出發(fā)，結(jié)合重要設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)、特性、成本，合理的規(guī)劃了轉(zhuǎn)轂電機(jī)、環(huán)境艙制冷系統(tǒng)、陽光模擬系統(tǒng)以及環(huán)境艙新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備能力，以保障設(shè)備投資項(xiàng)目在順利開展的前提下，降低各項(xiàng)成本，提高效率。

關(guān)鍵詞：設(shè)備投資;能力規(guī)劃;轉(zhuǎn)轂;高低溫環(huán)境艙

中圖分類號(hào)：U462.3+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J

文章編號(hào)：1005-2550（2019）06-0052-06

Capability matching design method of commercial vehicle

environmental laboratory

WANG Yi-rui， GUO Hu， WU Hui-min， ZHOU Xin-wei， LIU Liu

（ 1.DongFeng Commercial Vehicle CO.， LTD. Vehicle Test Department of Technical Center，?Shiyan 442000 China ）

Abstract： The vehicle environment test laboratory consists of two sets of main equipment，?high and low temperature environment camber and heavy Dyno. The planning of these two?sets of equipment is not only related to the investment cost， infrastructure cost， operation cost，?difficulty of project implementation， but also determines the test capacity of future commodity development. In this paper， The equipment capacity of Dyno motor， refrigeration system，?sunlight simulation system and fresh air system has been planned based on the demand of the development?of the commodity ， the principle， structure， property of the equipment and the cost. All of the work is to ensure the investment project， to reduce costs and to improve efficiency.

Key Words： Investment of equipment; Capacity planning; Dyno; High and low temperature environment camber

王奕睿

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車有限公司商用車技術(shù)中心車輛試驗(yàn)部，整車試驗(yàn)性能研究工程師主要研究方向?yàn)檎囆阅苎芯浚寻l(fā)表論文7篇。

1引言

整車環(huán)境模擬試驗(yàn)室能完成的試驗(yàn)包括：熱管理、動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性、整車排放法規(guī)、輔助制動(dòng)、新能源、高低溫試驗(yàn)、寒區(qū)模擬試驗(yàn)等。因此，整車環(huán)境模擬試驗(yàn)室的主要設(shè)備（包括轉(zhuǎn)轂、環(huán)境倉、風(fēng)機(jī)、太陽頂?shù)龋┬枰獫M足目前大部分商用車開發(fā)車型的性能需求和尺寸需求，并滿足未來的商品規(guī)劃，部分試驗(yàn)對(duì)象參數(shù)如下表1所示：

2轉(zhuǎn)轂電機(jī)能力規(guī)劃

2.1轉(zhuǎn)轂電機(jī)特性介紹

重型轉(zhuǎn)轂的幾個(gè)主要的性能特征參數(shù)，包括有模擬慣量、最大牽引力、最大功率以及最高車速。最能表征重型轉(zhuǎn)轂性能的是其電機(jī)外特性。

如圖8所示為某轉(zhuǎn)轂電機(jī)的牽引力外特性，從圖中可以看出，該轉(zhuǎn)轂電機(jī)在吸收功率模式下，0到40km/h時(shí)的牽引力為最大為50000N，隨后轉(zhuǎn)轂在40到70km/h由恒力變成恒功率，功率為556kW，由于電機(jī)的特性，車速超過70km/h后轉(zhuǎn)轂功率持續(xù)下降。

2.2基于CHTC工況的轉(zhuǎn)轂技術(shù)規(guī)格

轉(zhuǎn)轂是對(duì)道路工況的模擬，重型轉(zhuǎn)轂的主要技術(shù)參數(shù)為最大牽引力、最大吸收功率以及模擬慣量，這三項(xiàng)數(shù)值決定了重型轉(zhuǎn)載轂?zāi)軌蚰M的范圍。指標(biāo)過大，則會(huì)使的投資成本無意義的增加，同時(shí)大轉(zhuǎn)轂電機(jī)也會(huì)增加日常運(yùn)行時(shí)的公共.動(dòng)力開支;而指標(biāo)過小，則會(huì)使的轉(zhuǎn)轂技術(shù)指標(biāo)迅速被淘汰，喪失投資意義。本文通過CHTC工況中對(duì)車輛動(dòng)力性的要求來得出轉(zhuǎn)轂電機(jī)的外特性范圍。

汽車行駛阻力F，包括滾動(dòng)阻力Ff、加速阻力Fj、坡度阻力Fi、空氣阻力Fw組成，其中：

其中滾動(dòng)阻力與空氣阻力等于汽車在平直路面上滑行阻力。故整車行駛阻力為加速阻力、坡道阻力及滑行阻力之和。

目前中汽研制定的CHTC中國工況為對(duì)轉(zhuǎn)轂技術(shù)規(guī)格要求最高的工況，其粉為”CHTC-B（城市客車）”CHTC-C（客車）”CHTC-D（自卸）””CHTC-S（半掛）”"'CHTC-LT（貨車3.5t5.5t）6種車型，對(duì)轉(zhuǎn)轂?zāi)芰π枨笞罡叩臑闋恳嚬r，如圖2所示。

根據(jù)CHTC中國工況最大質(zhì)量車，按照50t計(jì)算得到的工況點(diǎn)分布散點(diǎn)圖。由GB/T27840中滑行阻力的推薦計(jì)算方法，可以得到Fcoastdown最大不超過5kN。中國工況中不包含坡道阻力，故F;為0。而F可由該工況中的加速度和總質(zhì)量計(jì)算得到。從而可以通過CHTC中國工況得車速-牽引力的散點(diǎn)圖。根據(jù)該圖可以看出如要轉(zhuǎn)轂電機(jī)能滿足.50t車輛的CHTC中國工況試驗(yàn)需求，轉(zhuǎn)轂的電機(jī)外特性至少在0-50km/h時(shí)需保持外特性最大牽引力不小于50kN，才能滿足CHTC試驗(yàn)中50t車的阻力需求。

3環(huán)境艙制冷能力規(guī)劃

3.1環(huán)境艙制冷原理介紹

環(huán)境艙的制冷將由一個(gè)制冷系統(tǒng)來完成，該制冷系統(tǒng)使用螺桿壓縮機(jī)。制冷系統(tǒng)會(huì)在必要的基礎(chǔ)上運(yùn)行壓縮機(jī)，從而提高效率。整個(gè)環(huán)境艙通過環(huán)境艙蒸發(fā)器、壓縮機(jī)組、水冷冷凝器以及冷卻水塔，將環(huán)境艙中熱量帶人室外。制冷系統(tǒng)包含以下部件：壓縮機(jī)、水冷冷凝器、過濾器、干燥過濾器、膨脹閥、電磁閥、蒸發(fā)器、必要的傳感器及安全部件。制冷是一個(gè)循環(huán)閉路系統(tǒng)。壓縮機(jī)從蒸發(fā)器吸人氣態(tài)制冷劑，把氣態(tài)制冷劑壓縮至液化點(diǎn)，壓縮制冷劑產(chǎn)生的熱由水冷冷凝器帶走。高壓液態(tài)制冷劑在膨脹閥處達(dá)到蒸發(fā)壓力。接著，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，壓縮機(jī)再吸人氣態(tài)制冷劑，水冷冷凝器中的熱水再流人冷卻水塔，冷卻之后重新流入水冷冷凝器，新的循環(huán)開始。

環(huán)境艙壓縮機(jī)的配置是按照環(huán)境艙需求的最大制冷量進(jìn)行配置的，當(dāng)環(huán)境艙需求的制冷量變小時(shí)，控制軟件會(huì)根據(jù)制冷量需求選擇運(yùn)行單臺(tái)或者多臺(tái)壓縮機(jī)，另外，每臺(tái)壓縮機(jī)都帶有能級(jí)調(diào)節(jié)閥，可調(diào)節(jié)運(yùn)行壓縮機(jī)的50%或75%的功率，即整個(gè)環(huán)境艙壓縮機(jī)的運(yùn)行可以在最?。▎闻_(tái)壓縮機(jī)的50%）到最大（所有壓縮機(jī)同時(shí)按100%功率運(yùn)行）之間進(jìn)行控制;再配合電動(dòng)膨脹閥的控制，能很精確的實(shí)現(xiàn)溫度控制。

3.2環(huán)境艙制冷能力規(guī)劃及壓縮機(jī)匹配選型

環(huán)境艙的制冷量決定了在環(huán)境倉中運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)馬力大小、工況、發(fā)動(dòng)機(jī)排量，是環(huán)境艙極為重要的指標(biāo)。環(huán)境艙制冷量的選擇應(yīng)該根據(jù)實(shí).際發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱量、迎面風(fēng)機(jī)熱負(fù)荷、陽光模擬熱負(fù)荷、轉(zhuǎn)轂電機(jī)熱負(fù)荷以及熱泄露等進(jìn)行核算。于此同時(shí)要考慮到與其匹配的壓縮機(jī)組、艙內(nèi)換熱器等匹配情況。

壓縮機(jī)制冷能力受制于制冷劑的特性，因此制冷量隨蒸發(fā)溫度的降低（相對(duì)應(yīng)倉內(nèi)溫度）呈指數(shù)下降。因此整車在環(huán)境艙中的工況必須經(jīng)濟(jì)使用，并能與壓縮機(jī)的制冷特性良好匹配。如表為環(huán)境艙制冷平衡表，從發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)溫度下功率出發(fā)，環(huán)境艙制冷量應(yīng)滿足：在-109C下能滿足700馬力車輛滿負(fù)荷運(yùn)行，-20°C下能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)500馬力的功率輸出，-309C下能滿足700馬力半載負(fù)荷運(yùn)行。則根據(jù)該功率值出發(fā)，換算得到發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量，按照柴油機(jī)熱效率為40%～45%，則采用1.3倍的發(fā)動(dòng)機(jī)馬力作為車輛熱負(fù)荷。轉(zhuǎn)轂迎面風(fēng)機(jī)熱量按照最大追蹤車速120km/h時(shí)的散熱量為150kW，在各車速下線性插值得到各個(gè)工況點(diǎn)的迎面風(fēng)機(jī)散熱量。熱泄露按照經(jīng)驗(yàn)值給出70或60kW得到，最終總計(jì)得到整個(gè)環(huán)境艙在各溫度工況點(diǎn)下的總體熱負(fù)荷。

根據(jù)上表計(jì)算得到的制冷量，選擇合適的壓縮機(jī)配置，最終選擇4臺(tái)HSN8591-160型壓縮機(jī)完成環(huán)境艙的制冷。如表為最終選擇壓縮機(jī)配置在各個(gè)溫度下的制冷量，和超出需求量。整體看來，該配置滿足環(huán)境艙制冷需求，并保留適當(dāng)余量。

（注：壓縮機(jī)在各蒸發(fā)溫度、冷凝溫下制冷量計(jì)算通過比澤爾官方網(wǎng)站計(jì)算程序計(jì)算得到。）

4陽模擬系統(tǒng)能力規(guī)劃

陽光模擬分為紅外日照模擬系統(tǒng)和全光譜日照模擬系統(tǒng)，本試驗(yàn)室主要目的是通過陽光模擬產(chǎn)生熱輻射，從而產(chǎn)生表面熱效應(yīng)，紅外日照模擬系統(tǒng)就可以滿足要求。

4.1整車環(huán)境艙陽光模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

陽光模擬是由一組對(duì)稱陣列布置的紅外太陽燈組成，通常橫向至少布置6個(gè)，縱向根據(jù)駕駛室面積確定布置的排數(shù)，以保證陽光模擬能覆蓋到整個(gè)駕駛范圍。轎車或長頭卡車駕駛室由于其風(fēng)窗玻璃與豎直方向具有角度，其太陽燈模擬結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整設(shè)計(jì)以保證足夠的光照強(qiáng)，度。而平頭卡車駕駛室風(fēng)窗玻璃通常保持豎直或與豎直方向很小較低，太陽燈只需布置一組陣列即可。太陽燈燈架采用鋁型材設(shè)計(jì)，能前后或上下移動(dòng)，以覆蓋不同軸距、高度的車型及駕駛室。通常太陽燈距駕駛室頂部高度為1m到1.5m，以保證光照模擬的效果。

4.2陽光模擬設(shè)備能力規(guī)劃

太陽輻射強(qiáng)度是表示太陽輻射強(qiáng)弱的物理量，稱為太陽輻射強(qiáng)度。單位是W/m2，即點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量。紅外陽光模擬系統(tǒng)通常用PLC系統(tǒng)控制，其操作可在控制面板完成，也可在環(huán)境艙控制軟件中設(shè)定。陽光模擬系統(tǒng)控制的是光照強(qiáng)度，其調(diào)節(jié)范圍為最大為1200W/m，最小為滿量程的30%到50%。紅外燈的輻射強(qiáng)度對(duì)成本影響不大，選擇最大輻射強(qiáng)度能滿足試驗(yàn)需求。通過調(diào)節(jié)車輛表面的照度，從而為空調(diào)性能、空調(diào)標(biāo)定等試驗(yàn)提供一個(gè)良好的模擬試驗(yàn)環(huán)境。

整套陽光模擬系統(tǒng)中除紅外燈外，成本最高的為用于紅外燈框架前后移動(dòng)的移動(dòng)設(shè)備的作業(yè)空間，其作業(yè)空間約大，成本越高。由于商用車進(jìn)行空調(diào)試驗(yàn)時(shí)，其模擬光照只需覆蓋駕駛室區(qū)域即可，則根據(jù)最大駕駛室面積選擇輻射面積為5m（長）x3m（寬）。商用車車型較多，但都為后驅(qū)車，后輪位置與轉(zhuǎn)轂位置一致，則其駕駛室決定了陽光模擬的位置。根據(jù)所有開發(fā)車型的軸距數(shù)值，得到陽光模擬移動(dòng)距離為2.5m。

5環(huán)境艙新風(fēng)系統(tǒng)能力規(guī)劃

5.1整車環(huán)境艙新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

室外抽取的新風(fēng)會(huì)經(jīng)過過濾器、新風(fēng)風(fēng)機(jī)、一級(jí)表冷降溫除濕，后分成兩路，一路處理風(fēng)經(jīng)過干燥轉(zhuǎn)輪除濕和后表冷器調(diào)節(jié)溫度后進(jìn)人環(huán)境艙;另外一路再生空氣經(jīng)過加熱器后進(jìn)人干燥轉(zhuǎn)輪，帶走轉(zhuǎn)輪中的濕氣后排出到建筑外。

表冷除濕是冷卻盤管執(zhí)行，空氣流經(jīng)盤管時(shí)在5C露點(diǎn)下冷凝除濕，再流進(jìn)干燥轉(zhuǎn)輪。干燥轉(zhuǎn)輪的原理圖可參見下圖6，是一個(gè)按照一定慢轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的大轉(zhuǎn)輪。經(jīng)過表冷除濕的空氣分為兩路，一路通過干燥轉(zhuǎn)輪下部干燥部分被吸收大量水分，變成干燥的新鮮空氣;一路經(jīng)過加熱，變成熱風(fēng)后經(jīng)過干燥轉(zhuǎn)輪，將干燥轉(zhuǎn)輪中的大量濕氣排出帶到室外。在經(jīng)過冷凝除濕和化學(xué)除濕兩級(jí)除濕后，以保證環(huán)境艙進(jìn)人的新風(fēng)的絕對(duì)濕度滿足需求。

在低溫工況運(yùn)行，如-40°C工況時(shí)，環(huán)境艙內(nèi)需求的新風(fēng)量比較小，因此一部分處理過的新風(fēng)會(huì)旁通到新風(fēng)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)，再經(jīng)過處理之后就能達(dá)到更低的露點(diǎn)溫度，以保證在任何工況下，新風(fēng)不會(huì)帶濕氣到環(huán)境艙內(nèi)。由于新風(fēng)不會(huì)帶濕氣到環(huán)境艙內(nèi)，環(huán)境艙內(nèi)的濕氣就是環(huán)境艙運(yùn)行前艙內(nèi)的絕對(duì)含濕量。在環(huán)境艙從常溫降溫過程中，會(huì)有大量的濕氣以蒸發(fā)器冷凝水的形式排出;另外的濕氣會(huì)隨著尾排風(fēng)慢慢排出室外，在環(huán)境艙保持微正壓的情況下，環(huán)境艙的絕對(duì)含濕量會(huì)降低到一個(gè)比較低的水平。人員進(jìn)出、平衡窗等部分產(chǎn)生的少量濕氣會(huì)以結(jié)霜的形式凝結(jié)在蒸發(fā)器表面，但由于新風(fēng)進(jìn)人環(huán)境艙的露點(diǎn)溫度低，即使長時(shí)間運(yùn)行-40度低溫工況，蒸發(fā)器表面可能會(huì)有些結(jié)霜，但不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰影響運(yùn)行的情況。為減少進(jìn)人環(huán)境艙的濕氣，在人員進(jìn)出門設(shè)置過渡間，并保持環(huán)境艙為微正壓。

環(huán)境艙加濕系統(tǒng)將無礦物，無氣味的蒸汽加濕調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)。加濕器安裝在靠近噴嘴處，從而避免蒸汽和冷凝水經(jīng)過一個(gè)長的管路傳遞。加濕水經(jīng)過過濾軟化后到達(dá)加濕器。加濕器中水位可以監(jiān)控，當(dāng)水位到達(dá)最低點(diǎn)的時(shí)候，閥門自動(dòng)打開，重新充滿水。蒸汽是由加濕器里面的電阻加熱器加熱水產(chǎn)生，然后進(jìn)人蒸汽噴射管路。所有的冷凝水自動(dòng)流回蒸汽發(fā)生器。通常蒸汽噴嘴與循環(huán)風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)集成以確保與循環(huán)空氣混合均勻。

5.2整車環(huán)境艙新風(fēng)能力規(guī)劃

進(jìn)人環(huán)境艙的新風(fēng)，主要起到兩個(gè)作用，第一是補(bǔ)充環(huán)境艙內(nèi)由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行消耗掉的新風(fēng);第二是用于混合發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣，從而使的進(jìn)人排氣系統(tǒng)的尾氣溫度降低到300°C以下，以保證排氣風(fēng)機(jī)的可靠性。

發(fā)動(dòng)機(jī)需要的新風(fēng)量按照16L柴油機(jī)700馬力3.7增壓比進(jìn)行計(jì)算，估算方法如下：

其中，Qm為最大空氣流量（m2/min）;V為發(fā)動(dòng)機(jī)排量（L），按16L計(jì)算;n為發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速（1rpm.通常為1900rpm;V。為充氣效率，考慮到進(jìn)氣溫升，按3計(jì)算;K為常數(shù)，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為2000。

通過以上公式計(jì)算的到新風(fēng)量約為45.6m^i/min，即2736m2/h。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口溫度按經(jīng)驗(yàn)值為700°C，需降低到300°C以下，至少需要3000m2/h新風(fēng)量，故總計(jì)約6000m/h新風(fēng)量能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)消耗及尾氣降溫需求。

根據(jù)上述計(jì)算公式（3）及表1中工況，再增加600m7/h，可以得到各個(gè)溫度下新風(fēng)需求量：

6結(jié)論

本文結(jié)合商用車整車環(huán)境模擬試驗(yàn)室投資項(xiàng).目需求，基于商品開發(fā)需要和設(shè)備原理，總結(jié)了包括轉(zhuǎn)轂電機(jī)、環(huán)境艙制冷系統(tǒng)、陽光模擬系統(tǒng)以及新風(fēng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)備能力規(guī)劃方法，并對(duì)相應(yīng)設(shè)備能力進(jìn)行規(guī)劃。在保障未來商品開發(fā)需求的同時(shí)，降低了投資項(xiàng)目的采購成本，提高了效率。

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[14]比澤爾官方網(wǎng)站：www.bitzer.cn.

專家推薦

盧冶：

本文對(duì)整車環(huán)境模擬轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架能力匹配進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從轉(zhuǎn)鼓、環(huán)境倉、日照模擬系統(tǒng)、冷卻風(fēng)機(jī)、新風(fēng)系統(tǒng)方面進(jìn)行了較為詳細(xì)地闡述，提出了一套能力匹配方法，合理的設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)鼓電機(jī)、環(huán)境艙制冷系統(tǒng)、陽光模擬系統(tǒng)以及環(huán)境艙新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備能力，以保障設(shè)備投資項(xiàng)目在順利開展的前提下，降低各項(xiàng)成本的.同時(shí)也能滿足商品開發(fā)需求。在立項(xiàng)初期、有很好的指導(dǎo)意義。

文章內(nèi)容思路清晰、邏輯性清楚、結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，可在同類設(shè)備能力匹配中參考應(yīng)用。