整車(chē)熱管理道路試驗(yàn)驗(yàn)證工況優(yōu)化分析

莫偉標(biāo)，趙培生，李澤藝

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

關(guān)鍵字：整車(chē)熱管理；道路試驗(yàn)；試驗(yàn)工況；城市工況

前言

隨著汽車(chē)技術(shù)水平的發(fā)展，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙集成大量的零部件，使得發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能提出更高的要求。因此，在乘用車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，確保發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的任何部件都不超過(guò)設(shè)計(jì)溫度限值，且能穩(wěn)定的工作越來(lái)越重要。整車(chē)熱管理道路試驗(yàn)主要驗(yàn)證動(dòng)力總成的冷卻系統(tǒng)性能，和發(fā)動(dòng)機(jī)艙及排氣管周邊受熱輻射零部件的熱傷害情況是否滿(mǎn)足車(chē)輛的技術(shù)要求[1-3]。熱管理試驗(yàn)最?lèi)毫拥墓r包括高速工況和爬坡工況，而城市工況在用戶(hù)日常用車(chē)過(guò)程中也占據(jù)較多的時(shí)間，車(chē)輛在城市低速行駛時(shí)迎面風(fēng)速較低，可能產(chǎn)生熱風(fēng)回流導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度過(guò)高而引起的起步動(dòng)力不足問(wèn)題。因此為了驗(yàn)證是否有必要開(kāi)展城市工況試驗(yàn)，本文選取了多個(gè)車(chē)型高速、爬坡和城市工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 整車(chē)熱管理道路試驗(yàn)

整車(chē)熱管理試驗(yàn)主要包括環(huán)境艙試驗(yàn)和真實(shí)的道路試驗(yàn)，環(huán)境艙試驗(yàn)不受場(chǎng)地、時(shí)間的限制，且能準(zhǔn)確地控制艙內(nèi)環(huán)境條件，廣泛地應(yīng)用于車(chē)輛的各種試驗(yàn)。但相較于環(huán)境艙試驗(yàn)，道路試驗(yàn)更能真實(shí)地反映環(huán)境對(duì)車(chē)輛性能的影響。因此，選取多個(gè)車(chē)型進(jìn)行高速、爬坡和城市工況進(jìn)行道路試驗(yàn)分析[4-5]。

1.1 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證整車(chē)高溫冷卻系統(tǒng)及熱傷害的最大性能，選擇環(huán)境溫度35 ℃以上，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)太陽(yáng)輻射大于815 W/m2，風(fēng)速小于3 m/s時(shí)開(kāi)展道路試驗(yàn)，空調(diào)設(shè)置如表1所示。

表1 空調(diào)設(shè)定

1.2 試驗(yàn)儀器、測(cè)點(diǎn)

試驗(yàn)過(guò)程中用于熱性能數(shù)據(jù)采集的設(shè)備包括：K型熱電偶、壓力傳感器、日光強(qiáng)度傳感器、環(huán)境濕度傳感器、多通道數(shù)據(jù)記錄儀和車(chē)輛總線(xiàn)工具，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1 Hz，儀器描述及測(cè)點(diǎn)如表2所示。

表2 試驗(yàn)儀器清單

1.3 試驗(yàn)工況

在車(chē)輛滿(mǎn)載狀態(tài)下，選擇用戶(hù)最常用工況以及最嚴(yán)苛的工況，來(lái)驗(yàn)證動(dòng)力總成冷卻及其和排氣管周邊零部件的熱傷害性能，如果在這些工況下車(chē)輛熱管理性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，那么車(chē)輛也能滿(mǎn)足用戶(hù)正常使用的大多數(shù)場(chǎng)景。

1.3.1 高速工況

高速路是用戶(hù)常用的場(chǎng)景之一，選擇吐魯番京新高速的一段作為高速工況的試驗(yàn)路線(xiàn)，如圖1所示。該路線(xiàn)是高溫干旱地區(qū)、低坡度高車(chē)速道路的代表，容易影響車(chē)輛動(dòng)力性和空調(diào)舒適性，對(duì)車(chē)輛動(dòng)力冷卻及熱傷害性能要求較高。

圖1 高速工況試驗(yàn)路線(xiàn)

試驗(yàn)開(kāi)始前，將車(chē)輛移至試驗(yàn)道路起點(diǎn)，確認(rèn)車(chē)輛狀態(tài)及相關(guān)采集設(shè)備工作正常。空調(diào)系統(tǒng)按表1設(shè)定，以可行駛最高車(chē)速（不超過(guò)120 km/h）行駛45 min，然后停車(chē)怠速30 min，試驗(yàn)過(guò)程中全程記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.2 爬坡工況

爬坡工況在用戶(hù)實(shí)際用車(chē)過(guò)程中屬于較嚴(yán)苛的場(chǎng)景，選擇吐魯番某長(zhǎng)爬坡路線(xiàn)作為爬坡工況的試驗(yàn)路線(xiàn)，如圖2所示。此路線(xiàn)處于高溫干旱地區(qū)，坡度中等且路線(xiàn)較長(zhǎng)，對(duì)車(chē)輛動(dòng)力冷卻及熱傷害性能要求非常高，極易影響車(chē)輛動(dòng)力性、空調(diào)舒適性以及零部件的熱可靠性，該工況對(duì)熱管理性能考核的嚴(yán)苛程度能覆蓋用戶(hù)多數(shù)的使用場(chǎng)景。

圖2 爬坡工況試驗(yàn)路線(xiàn)

試驗(yàn)開(kāi)始前，確認(rèn)車(chē)輛狀態(tài)及相關(guān)采集設(shè)備工作正常，空調(diào)系統(tǒng)按表1設(shè)定。車(chē)輛以60～100 km/h的車(chē)速預(yù)熱15 min，再以可行駛的最高車(chē)速（不超過(guò) 120 km/h）在爬坡工況試驗(yàn)路線(xiàn)行駛30 min，然后停車(chē)怠速30 min，試驗(yàn)過(guò)程中全程記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.3 城市工況

城市工況是大部分用戶(hù)日常用車(chē)中最常用的場(chǎng)景，車(chē)輛在城市道路低速行駛，由于迎面風(fēng)速較低產(chǎn)生熱風(fēng)回流導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度過(guò)高，而引起的起步動(dòng)力不足的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，為此增加城市工況試驗(yàn)，在吐魯番城區(qū)規(guī)劃城市工況的試驗(yàn)路線(xiàn)，如圖3所示。城市工況用于模擬用戶(hù)常用工況，考察機(jī)艙前端模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的冷卻性能，以及該冷卻性能對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性和空調(diào)舒適性的影響。

圖3 城市工況試驗(yàn)路線(xiàn)

試驗(yàn)開(kāi)始前，確認(rèn)車(chē)輛狀態(tài)及相關(guān)采集設(shè)備工作正常，空調(diào)系統(tǒng)按表1設(shè)定。車(chē)輛以60～100 km/h的車(chē)速預(yù)熱15 min，選擇車(chē)流量較大以及建筑相對(duì)密集的城市道路進(jìn)行城市工況試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)車(chē)速按照道路限速規(guī)定，不超過(guò)40 km/h行駛，中途遇交通燈停車(chē)后以50%以上的油門(mén)深度起步，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)性能，試驗(yàn)行駛45 min后停車(chē)怠速30 min，試驗(yàn)過(guò)程中全程記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)要求整備車(chē)輛，分別記錄高速、爬坡和城市工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別統(tǒng)計(jì)三個(gè)工況下行駛階段和怠速階段的溫度最值，然后進(jìn)行超溫判斷。通過(guò)分析過(guò)往兩年多個(gè)車(chē)型的夏季整車(chē)熱管理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)高速和爬坡工況的試驗(yàn)結(jié)果可以覆蓋城市工況的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要以表3和表4的形式分布。

表3 車(chē)型1測(cè)點(diǎn)溫度最值及超溫判斷統(tǒng)計(jì)（℃）

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，如果城市工況下測(cè)點(diǎn)溫度超溫，則在高速或者爬坡工況下相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)超溫，如表 3所示。如果高速或爬坡工況下測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)超溫，城市工況可能出現(xiàn)超溫也可能正常，如表4所示。分析過(guò)往兩年開(kāi)展的夏季整車(chē)熱管理道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共44臺(tái)樣車(chē)開(kāi)展了城市工況的試驗(yàn)，其中部分車(chē)輛的城市工況出現(xiàn)了個(gè)別測(cè)點(diǎn)超溫的情況，同時(shí)這些測(cè)點(diǎn)在高速或爬坡工況中也都出現(xiàn)了超溫情況，且超溫的幅值以及超溫持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)都比城市工況要更為嚴(yán)重。相反同一車(chē)輛的部分測(cè)點(diǎn)在高速或爬坡工況出現(xiàn)超溫情況，但并未在城市工況出現(xiàn)超溫，由此得到高速和爬坡工況的試驗(yàn)結(jié)果可以覆蓋城市工況。通過(guò)研究不同工況的嚴(yán)苛性，發(fā)現(xiàn)相比于高速和爬坡工況，城市工況整車(chē)熱負(fù)荷較低。因此，在進(jìn)行整車(chē)熱管理道路試驗(yàn)時(shí)，城市工況可以不作為必測(cè)工況，僅作為參考工況，為試驗(yàn)工況的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)高速、爬坡和城市工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)前兩種工況更為嚴(yán)苛，典型的高速和爬坡工況的試驗(yàn)結(jié)果可以覆蓋城市工況的試驗(yàn)結(jié)果，所以城市工況可以不作為整車(chē)熱管理道路試驗(yàn)的必須測(cè)試項(xiàng)目。但是，本文試驗(yàn)中的城市工況沒(méi)有考慮到交通極擁堵時(shí)超低速的情況，后續(xù)的工況研究中可以引入極擁堵城市工況的試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化整車(chē)熱管理道路試驗(yàn)，完善驗(yàn)證體系。