基于環(huán)境模擬的汽車熱平衡試驗研究

袁建軍，于津濤，吳 展

（1.中國汽車技術研究中心，北京 100176；2.北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

基于環(huán)境模擬的汽車熱平衡試驗研究

袁建軍1，于津濤1，吳 展2

Yuan Jianjun1，Yu Jintao1，Wu Zhan2

（1.中國汽車技術研究中心，北京 100176；2.北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

以環(huán)境模擬試驗中的熱平衡試驗為主要研究對象，對該試驗的國標及企標進行對比研究，利用試驗室的環(huán)境倉和轉鼓等硬件設施，進行了多車型的整車熱平衡環(huán)境模擬試驗。從熱平衡、環(huán)境溫度對試驗結果影響、光照對試驗結果影響、環(huán)境模擬試驗與道路試驗的比對等方面進行分析，進而對目前的熱平衡試驗標準提出了改進意見。

環(huán)境模擬；熱平衡試驗；光照；阻力

0 引 言

生產企業(yè)和用戶都會關心汽車是否可以在所銷售區(qū)域的氣候環(huán)境條件下無故障運行，達到汽車設計的性能并可實現舒適的駕駛，因此必須有合適的方法和標準來驗證汽車的環(huán)境適應性。環(huán)境適應性試驗通常以整車在環(huán)境試驗室和場地測試2種方式進行，因場地測試條件無法精確控制，通常僅作為實用性判定及環(huán)境試驗室測試結果的參考。環(huán)境試驗室模擬測試方法因為環(huán)境條件恒定可控，具有試驗結果重復性好、便于量化分析等優(yōu)點，越來越受到各廠家研發(fā)及試驗部門的認可，作為整車環(huán)境適應能力的主要評定方式。

1 汽車熱平衡試驗標準

GB/T 12542—2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》在實踐過程中由于可操作性和評價工況有所欠缺，很多廠家沒有直接采用國標，而是結合國標或合資企業(yè)標準進行修改，制定出可操作性更強的企業(yè)標準。

1.1 國家標準

該標準簡要描述如下：

1）該標準為道路試驗方法，并沒有針對利用環(huán)境倉的試驗方法說明；

2）環(huán)境要求：30℃以上，對濕度、光照強度等無要求；

3）所需特殊設備：負荷拖車；

4）試驗過程中打開空調，外循環(huán)、最大冷卻模式、風量調節(jié)開關置于最大位置；

5）熱平衡判定標準：連續(xù)4 min各冷卻介質溫度與環(huán)境溫度的差值無升高趨勢且變化均在±1℃以內；

6）測試工況：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)標準

由于各發(fā)動機轉速區(qū)間不同、速比不同等原因，國標在操作上不易于車型間橫向比較，而且極端工況過于惡劣因而在實際行駛中出現概率極低，因此許多企業(yè)根據自身需要使用自己的企業(yè)標準，以下列舉3個廠家的典型試驗方法。

1.2.1 企業(yè)標準1

環(huán)境溫度為30℃，空調開，強制節(jié)溫器打開，工況如表1所示。

1.2.2 企業(yè)標準2

環(huán)境溫度30℃，光照強度700 W/m2；空調為內循環(huán)模式，工況如表2所示。

表2 企標2規(guī)定試驗工況

1.2.3 企業(yè)標準3

環(huán)境條件分為38℃、35℃和33℃ 3種，相對濕度40%，光照強度1000 W/m2。空調狀態(tài)為開，且為外循環(huán)，最大制冷，最大風速，工況如表 3所示。

表3 企標3規(guī)定試驗工況

1.3 小結

不同廠家熱平衡試驗方法和標準各不相同。

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 ，也有的比較嚴格，要求小于1 ℃ /3m in甚至1 ℃/8m in；也有按時間要求的，例如從工況開始延續(xù)30 min，只要油液溫度均未超過最高許用溫度則算通過。

3）工況要求：工況是各標準間差別最大的項目，有些廠家要求測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、長時間怠速和高負荷后熄火浸置等。

各廠家均采用環(huán)境模擬的方法進行熱平衡試驗，而不采用道路試驗的方法。工況方面，企業(yè)標準較國家標準更接近用戶使用的實際極限工況。

2 試驗結果分析

汽車在環(huán)境、工況均穩(wěn)定狀態(tài)下，各冷卻介質溫度將達到恒定，冷卻系統(tǒng)吸收熱量等于其放出熱量，因此考察汽車在不同工況時的平衡狀態(tài)就是考察汽車冷卻液或機油等在該工況下達到的最高值。

熱平衡試驗過程中主要測試點包括環(huán)境溫度、進氣格柵前后溫度、散熱器進出口冷卻液溫度、發(fā)動機機油溫度、變速箱油溫度、空調系統(tǒng)壓力、發(fā)動機轉速和車速等。

2.1 熱平衡分析

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

工況 4是熄火浸置工況，模擬的是汽車大負荷行駛后突然熄火，由于油液的積熱效應引起溫度繼續(xù)升高的工況。從圖 4中可以看出，汽車以40 km/h車速爬7.2%坡度行駛到14 m in時突然停車熄火，機油和變速箱油溫度很快下降，而發(fā)動機冷卻液溫度卻持續(xù)上升，最高達到120℃，如果汽車沒有適當的措施進行保障則可能出現“開鍋”故障。不同于工況1～工況3，該工況結束的標志是所有油液的溫度均開始下降。

汽車熱平衡試驗中，通常用許用環(huán)境溫度 T來衡量汽車的環(huán)境適應性。T計算公式如下

T（℃）=冷卻介質許用最高溫度-熱平衡時冷卻介質溫度+環(huán)境溫度

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

（1）沸點；（2）動力總成要求；（3）空調系統(tǒng)要求。

該車沸點為120℃；動力總成要求和空調系統(tǒng)要求為140℃。對工況1～工況3進行SAC（System Ambient Capacity，系統(tǒng)環(huán)境能力）計算。

工況1：冷卻液、機油、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、機油、變速箱油最高溫度分別為97.5℃、111.6℃、78.0℃，則：

綜合以上結果，取所有結果中最小值作為整車許用環(huán)境溫度，即該車在環(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)境溫度對試驗結果影響分析

對于許用環(huán)境溫度和冷卻介質許用最高溫度恒定的冷卻液，散熱器進水口溫度和環(huán)境溫度差值應該恒定，即環(huán)境溫度升高x℃，則相應散熱器進水口溫度也應升高x℃，為此進行相關試驗。

1）汽車工況不變，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，冷卻液和機油的熱平衡溫度均升高。環(huán)境溫度升高 10℃，機油平衡溫度也上升接近10℃，而冷卻液由于有冷卻風扇調控，因此上升量小于環(huán)境溫度上升量，發(fā)動機電控單元通過調節(jié)風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油平衡溫度關系℃

由于上述工況對于該款汽車發(fā)動機來說負荷較小，因此發(fā)動機 ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）可以通過冷卻風扇進行主動調控，為此更換為大負荷工況進行觀察。車速40 km/h，滿載7.2%坡度，結果如表5及圖8～圖9所示。℃

表5 環(huán)境溫度、冷卻液平衡溫度及機油平衡溫度關系

當汽車負荷較大，超出了發(fā)動機電控系統(tǒng)調節(jié)范圍（即節(jié)溫器全部開啟、冷卻風扇高速運轉）時，冷卻液與機油平衡溫度升高值與環(huán)境溫度升高值基本相等。

2.3 光照對試驗結果影響

光照會引起發(fā)動機艙溫度逐漸升高，從而降低發(fā)動機艙的散熱量，同時空調壓力也會相應提高，壓縮機負荷變大，由此導致同一汽車在相同環(huán)境溫度和相同工況下，無光照時冷卻液和機油平衡溫度為93.5℃和104.7℃（圖10～圖11），而光照為 1 000 W/m2時冷卻液和機油平衡溫度為94.5℃和107.2℃，分別上升了1℃和2.5℃。

2.4 環(huán)境模擬試驗與道路試驗的比對

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

如圖12～圖13所示，道路試驗中冷卻液和機油平衡溫度為 85.5℃和 90.0℃，在試驗室中通過滑行法加載后試驗冷卻液和機油平衡溫度為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鼓上的行駛阻力，道路試驗節(jié)氣門開度為23.5%，而試驗室轉鼓上節(jié)氣門開度達到37.3%，這主要與滑行阻力系數設定有關，因此設定準確的行駛阻力是保證環(huán)境模擬試驗精度的前提。有些廠家允許試驗室轉鼓上的負荷大于道路上，這樣相當于在更惡劣的工況中對汽車進行考核。

3 結論和建議

結合其他標準和實際工作，對我國現有熱平衡方法 GB/T12542—2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》提出以下改進建議。

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

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

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

4）平衡判定：建議修改為油、液溫度變化率小于 1℃/min，同時每個工況時間最長不超過 30 m in，如果出現空調循環(huán)切斷則保持30 min試驗工況即可，這樣以便于車型間橫向比較。

[1]GB/T12542—2009 汽車熱平衡能力道路試驗方法[S].

U467.1+3

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.010

1002-4581（2015）02-0038-05

2015?01?05