商用車整車環境模擬試驗室能力匹配設計方法

王奕睿 郭虎 吳慧敏 周新偉 劉柳

摘要：整車環境模擬試驗室包括高低溫環境艙和重型轉轂兩套主要的設備，這兩套設備能力的規劃不僅關系到投資成本、基建成本、運營成本、項目實施的難度等，更決定了未來商品開發的試驗能力。本文從商品開發的需求出發，結合重要設備的原理、結構、特性、成本，合理的規劃了轉轂電機、環境艙制冷系統、陽光模擬系統以及環境艙新風系統的設備能力，以保障設備投資項目在順利開展的前提下，降低各項成本，提高效率。

關鍵詞：設備投資;能力規劃;轉轂;高低溫環境艙

中圖分類號：U462.3+4

文獻標識碼：J

文章編號：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

畢業于武漢理工大學，碩士研究生，現就職于東風商用車有限公司商用車技術中心車輛試驗部，整車試驗性能研究工程師主要研究方向為整車性能研究，已發表論文7篇。

1引言

整車環境模擬試驗室能完成的試驗包括：熱管理、動力性經濟性、整車排放法規、輔助制動、新能源、高低溫試驗、寒區模擬試驗等。因此，整車環境模擬試驗室的主要設備（包括轉轂、環境倉、風機、太陽頂等）需要滿足目前大部分商用車開發車型的性能需求和尺寸需求，并滿足未來的商品規劃，部分試驗對象參數如下表1所示：

2轉轂電機能力規劃

2.1轉轂電機特性介紹

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

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

2.2基于CHTC工況的轉轂技術規格

轉轂是對道路工況的模擬，重型轉轂的主要技術參數為最大牽引力、最大吸收功率以及模擬慣量，這三項數值決定了重型轉載轂能夠模擬的范圍。指標過大，則會使的投資成本無意義的增加，同時大轉轂電機也會增加日常運行時的公共.動力開支;而指標過小，則會使的轉轂技術指標迅速被淘汰，喪失投資意義。本文通過CHTC工況中對車輛動力性的要求來得出轉轂電機的外特性范圍。

汽車行駛阻力F，包括滾動阻力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中國工況為對轉轂技術規格要求最高的工況，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，對轉轂能力需求最高的為牽引車工況，如圖2所示。

根據CHTC中國工況最大質量車，按照50t計算得到的工況點分布散點圖。由GB/T27840中滑行阻力的推薦計算方法，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量計算得到。從而可以通過CHTC中國工況得車速-牽引力的散點圖。根據該圖可以看出如要轉轂電機能滿足.50t車輛的CHTC中國工況試驗需求，轉轂的電機外特性至少在0-50km/h時需保持外特性最大牽引力不小于50kN，才能滿足CHTC試驗中50t車的阻力需求。

3環境艙制冷能力規劃

3.1環境艙制冷原理介紹

環境艙的制冷將由一個制冷系統來完成，該制冷系統使用螺桿壓縮機。制冷系統會在必要的基礎上運行壓縮機，從而提高效率。整個環境艙通過環境艙蒸發器、壓縮機組、水冷冷凝器以及冷卻水塔，將環境艙中熱量帶人室外。制冷系統包含以下部件：壓縮機、水冷冷凝器、過濾器、干燥過濾器、膨脹閥、電磁閥、蒸發器、必要的傳感器及安全部件。制冷是一個循環閉路系統。壓縮機從蒸發器吸人氣態制冷劑，把氣態制冷劑壓縮至液化點，壓縮制冷劑產生的熱由水冷冷凝器帶走。高壓液態制冷劑在膨脹閥處達到蒸發壓力。接著，制冷劑在蒸發器中蒸發，壓縮機再吸人氣態制冷劑，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，新的循環開始。

環境艙壓縮機的配置是按照環境艙需求的最大制冷量進行配置的，當環境艙需求的制冷量變小時，控制軟件會根據制冷量需求選擇運行單臺或者多臺壓縮機，另外，每臺壓縮機都帶有能級調節閥，可調節運行壓縮機的50%或75%的功率，即整個環境艙壓縮機的運行可以在最小（單臺壓縮機的50%）到最大（所有壓縮機同時按100%功率運行）之間進行控制;再配合電動膨脹閥的控制，能很精確的實現溫度控制。

3.2環境艙制冷能力規劃及壓縮機匹配選型

環境艙的制冷量決定了在環境倉中運轉的發動機馬力大小、工況、發動機排量，是環境艙極為重要的指標。環境艙制冷量的選擇應該根據實.際發動機發熱量、迎面風機熱負荷、陽光模擬熱負荷、轉轂電機熱負荷以及熱泄露等進行核算。于此同時要考慮到與其匹配的壓縮機組、艙內換熱器等匹配情況。

壓縮機制冷能力受制于制冷劑的特性，因此制冷量隨蒸發溫度的降低（相對應倉內溫度）呈指數下降。因此整車在環境艙中的工況必須經濟使用，并能與壓縮機的制冷特性良好匹配。如表為環境艙制冷平衡表，從發動機在各個溫度下功率出發，環境艙制冷量應滿足：在-109C下能滿足700馬力車輛滿負荷運行，-20°C下能滿足發動機500馬力的功率輸出，-309C下能滿足700馬力半載負荷運行。則根據該功率值出發，換算得到發動機散熱量，按照柴油機熱效率為40%～45%，則采用1.3倍的發動機馬力作為車輛熱負荷。轉轂迎面風機熱量按照最大追蹤車速120km/h時的散熱量為150kW，在各車速下線性插值得到各個工況點的迎面風機散熱量。熱泄露按照經驗值給出70或60kW得到，最終總計得到整個環境艙在各溫度工況點下的總體熱負荷。

根據上表計算得到的制冷量，選擇合適的壓縮機配置，最終選擇4臺HSN8591-160型壓縮機完成環境艙的制冷。如表為最終選擇壓縮機配置在各個溫度下的制冷量，和超出需求量。整體看來，該配置滿足環境艙制冷需求，并保留適當余量。

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

4陽模擬系統能力規劃

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

4.1整車環境艙陽光模擬系統結構及原理

陽光模擬是由一組對稱陣列布置的紅外太陽燈組成，通常橫向至少布置6個，縱向根據駕駛室面積確定布置的排數，以保證陽光模擬能覆蓋到整個駕駛范圍。轎車或長頭卡車駕駛室由于其風窗玻璃與豎直方向具有角度，其太陽燈模擬結構還需要進行相應的調整設計以保證足夠的光照強，度。而平頭卡車駕駛室風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計，能前后或上下移動，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陽光模擬設備能力規劃

太陽輻射強度是表示太陽輻射強弱的物理量，稱為太陽輻射強度。單位是W/m2，即點輻射源在給定方向上發射的在單位立體角內的輻射通量。紅外陽光模擬系統通常用PLC系統控制，其操作可在控制面板完成，也可在環境艙控制軟件中設定。陽光模擬系統控制的是光照強度，其調節范圍為最大為1200W/m，最小為滿量程的30%到50%。紅外燈的輻射強度對成本影響不大，選擇最大輻射強度能滿足試驗需求。通過調節車輛表面的照度，從而為空調性能、空調標定等試驗提供一個良好的模擬試驗環境。

整套陽光模擬系統中除紅外燈外，成本最高的為用于紅外燈框架前后移動的移動設備的作業空間，其作業空間約大，成本越高。由于商用車進行空調試驗時，其模擬光照只需覆蓋駕駛室區域即可，則根據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，但都為后驅車，后輪位置與轉轂位置一致，則其駕駛室決定了陽光模擬的位置。根據所有開發車型的軸距數值，得到陽光模擬移動距離為2.5m。

5環境艙新風系統能力規劃

5.1整車環境艙新風系統結構及原理

室外抽取的新風會經過過濾器、新風風機、一級表冷降溫除濕，后分成兩路，一路處理風經過干燥轉輪除濕和后表冷器調節溫度后進人環境艙;另外一路再生空氣經過加熱器后進人干燥轉輪，帶走轉輪中的濕氣后排出到建筑外。

表冷除濕是冷卻盤管執行，空氣流經盤管時在5C露點下冷凝除濕，再流進干燥轉輪。干燥轉輪的原理圖可參見下圖6，是一個按照一定慢轉速旋轉的大轉輪。經過表冷除濕的空氣分為兩路，一路通過干燥轉輪下部干燥部分被吸收大量水分，變成干燥的新鮮空氣;一路經過加熱，變成熱風后經過干燥轉輪，將干燥轉輪中的大量濕氣排出帶到室外。在經過冷凝除濕和化學除濕兩級除濕后，以保證環境艙進人的新風的絕對濕度滿足需求。

在低溫工況運行，如-40°C工況時，環境艙內需求的新風量比較小，因此一部分處理過的新風會旁通到新風風機進風側，再經過處理之后就能達到更低的露點溫度，以保證在任何工況下，新風不會帶濕氣到環境艙內。由于新風不會帶濕氣到環境艙內，環境艙內的濕氣就是環境艙運行前艙內的絕對含濕量。在環境艙從常溫降溫過程中，會有大量的濕氣以蒸發器冷凝水的形式排出;另外的濕氣會隨著尾排風慢慢排出室外，在環境艙保持微正壓的情況下，環境艙的絕對含濕量會降低到一個比較低的水平。人員進出、平衡窗等部分產生的少量濕氣會以結霜的形式凝結在蒸發器表面，但由于新風進人環境艙的露點溫度低，即使長時間運行-40度低溫工況，蒸發器表面可能會有些結霜，但不會出現結冰影響運行的情況。為減少進人環境艙的濕氣，在人員進出門設置過渡間，并保持環境艙為微正壓。

環境艙加濕系統將無礦物，無氣味的蒸汽加濕調節循環風。加濕器安裝在靠近噴嘴處，從而避免蒸汽和冷凝水經過一個長的管路傳遞。加濕水經過過濾軟化后到達加濕器。加濕器中水位可以監控，當水位到達最低點的時候，閥門自動打開，重新充滿水。蒸汽是由加濕器里面的電阻加熱器加熱水產生，然后進人蒸汽噴射管路。所有的冷凝水自動流回蒸汽發生器。通常蒸汽噴嘴與循環風調節系統集成以確保與循環空氣混合均勻。

5.2整車環境艙新風能力規劃

進人環境艙的新風，主要起到兩個作用，第一是補充環境艙內由于發動機運行消耗掉的新風;第二是用于混合發動機排出的尾氣，從而使的進人排氣系統的尾氣溫度降低到300°C以下，以保證排氣風機的可靠性。

發動機需要的新風量按照16L柴油機700馬力3.7增壓比進行計算，估算方法如下：

其中，Qm為最大空氣流量（m2/min）;V為發動機排量（L），按16L計算;n為發動機最高轉速（1rpm.通常為1900rpm;V。為充氣效率，考慮到進氣溫升，按3計算;K為常數，四沖程發動機為2000。

通過以上公式計算的到新風量約為45.6m^i/min，即2736m2/h。

發動機排氣出口溫度按經驗值為700°C，需降低到300°C以下，至少需要3000m2/h新風量，故總計約6000m/h新風量能滿足發動機消耗及尾氣降溫需求。

根據上述計算公式（3）及表1中工況，再增加600m7/h，可以得到各個溫度下新風需求量：

6結論

本文結合商用車整車環境模擬試驗室投資項.目需求，基于商品開發需要和設備原理，總結了包括轉轂電機、環境艙制冷系統、陽光模擬系統以及新風系統的規劃設備能力規劃方法，并對相應設備能力進行規劃。在保障未來商品開發需求的同時，降低了投資項目的采購成本，提高了效率。

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[14]比澤爾官方網站：www.bitzer.cn.

專家推薦

盧冶：

本文對整車環境模擬轉鼓臺架能力匹配進行了設計，從轉鼓、環境倉、日照模擬系統、冷卻風機、新風系統方面進行了較為詳細地闡述，提出了一套能力匹配方法，合理的設計了轉鼓電機、環境艙制冷系統、陽光模擬系統以及環境艙新風系統的設備能力，以保障設備投資項目在順利開展的前提下，降低各項成本的.同時也能滿足商品開發需求。在立項初期、有很好的指導意義。

文章內容思路清晰、邏輯性清楚、結構性較強，可在同類設備能力匹配中參考應用。