某國Ⅵ整車發動機艙熱空氣擾流對冷卻系統的影響探究

楊賽 徐鑫 朱桂昌 董慶齊

中機科（北京）車輛檢測工程研究院有限公司 北京 102100

1 前言

對于整車來說，冷卻系統的功能是否匹配是保障車輛的“心臟”——發動機是否能夠正常工作的重要影響因素。同時隨著GB 17691-2018《 重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》商用車國六排放標準的逐步深化推進，國六階段對整車冷卻系統的工作效率提出更高的要求（見表1），由此在整車方面如何提升冷卻能力相關的研究也逐漸增多。

表1 商用車國六整車發動機系統技術條件

目前國內外研究者針對如何提升冷卻系統的冷卻能力方面進行了大量的研究。例如，國內學者從風扇自身結構方面，采用CFD仿真技術模擬風扇風洞模型，對風扇輪轂比、葉片安裝角、葉片數量等方面對氣動性能的影響；通過探究護風圈結構對冷卻性能的影響；通過探究風扇安裝角度等因素探討對風扇噪聲的影響；國外學者采用風筒試驗方法探究多個安裝參數對于冷卻能力的影響。

本文在基于GBT/12542-2009《 汽車熱平衡能力道路試驗方法》，探究商用車整車在底盤測功機臺架試驗方面熱平衡管理的過程中，發現發動機艙內中冷器至駕駛室底部空隙較大，由此提出猜想：在發動機艙內中冷器至駕駛室底部空隙產生的熱空氣擾流可能會影響冷卻能力。基于此猜想，在現有的試驗條件下，通過改變發動機艙中冷器至駕駛室底部空隙的大小，探究其對于冷卻系統冷卻能力的影響情況。

2 確定研究路線

基于現有試驗條件，試驗團隊通過控制某車型發動機艙中冷器至駕駛室底部空隙的大小單一變量，對中冷器冷卻效率進行探究驗證，具體研究路線見圖1。

圖1 研究路線圖

2 確定試驗方法

GBT/12542-2009《 汽車熱平衡能力道路試驗方法》中采用的是道路負荷拖車法，用拖車施力模擬坡度阻力。但是此方法為室外實際道路試驗方法，受到風速、環境溫度、以及試驗道路的影響較大，從而導致數據重復性較差。因此本文探究方法修改為整車底盤測功機臺架試驗，使用底盤測功機臺架模擬道路阻力，探究發動機最大扭矩轉速工況（扭矩點）和發動機額定功率轉速工況（功率點）的冷卻效率、冷卻常數等反應冷卻系統冷卻能力相關參數，從而更好的控制試驗變量，并且保證數據的一致性。

4 驗證過程

4.1 確定該樣車試驗狀態參數

a.節溫器強制全開；

b.發動機冷卻系統達到熱平衡，熱平衡狀態判斷依據為《GBT 12542-2009 汽車熱平衡能力道路試驗方法》；

c.冷卻液許用最高溫度105℃，機油許用最高溫度120℃；

d.額定功率點發動機轉速為3200 rpm，最大扭矩點發動機轉速1900 r/min；

e.確定摩擦系數值并輸入底盤測功機模擬數值。

4.2 確定最大扭矩點以及最大功率點動力性

4.2.1 變速器各擋的速度特性

式中，uat為汽車速度，km/h；

rk為車輪滾動半徑，m；ne為發動機轉速，r/min；igt為 變速箱各擋速比；i0為后橋主減速速比。

4.2.2 發動機扭矩對應車輪牽引力

式中，F為汽車車輪牽引力，N；T為發動機扭矩，m；rk為車輪滾動半徑，m；igt為變速箱各擋速比；i0：后橋主減速速比。

經過計算，該樣車最大扭矩點：發動機轉速1900 r/min，強制3檔，車速固定在25.88 km/h；最大功率點：發動機轉速3200 rpm，強制3檔，車速固定在43.59 km/h。

4.3 控制變量

通過在中冷器至駕駛室底部空隙之間增加不同高度阻流板的方式（圖2、3），控制中冷器至駕駛室底部空隙大小，逐步消除發動機艙擾流的影響。通過施加不同高度阻流裝置改變中冷器至駕駛室底部空隙的情況見表2。

圖2 阻流裝置示位置

表2 阻流裝置高度與中冷器至駕駛室底部空隙關系

圖3 阻流裝置實物示意

4.4 測量參數

根據車輛動力性公式計算，分別加裝不同高度阻流裝置，測量對應的發動機最大扭矩轉速工況（扭矩點工況）以及發動機額定功率轉速工況（功率點工況）下，熱平衡狀態下的環境溫度、機油溫度、風扇前溫度、空濾器空氣入口溫度、空濾器后溫度、發動出水溫度、中冷器進口溫度、中冷器出口溫度、中冷器進口壓力、中冷器出口溫度等試驗數據。

4.5 結果處理

根據冷卻常數公式計算不同狀態下的冷卻常數：

式中為Kc為冷卻常數，℃；Tb2為中冷器出口溫度，℃；Ta為環境溫度，℃。

根據最高環境許用溫度公式計算不同狀態下的最高環境許用溫度：

式中，Kc為冷卻常數，℃；Td為最高許用冷卻液溫度，℃；T為最高環境許用溫度，℃；以及中冷器冷卻效率公式計算不同狀態下的冷卻效率：

式中，ξ為中冷器冷ξ=卻效率，%；Tb1為中冷器進口溫度，℃；Tb2為 中冷器出口溫度，℃；Ta為環境溫度，℃。

5 試驗結果

在進行結果處理后，通過分析不同間隙對應的扭矩點卻常數、冷卻效率結果見下圖4、圖5。

圖4 間隙與冷卻效率變化關系（扭矩點）

圖5 間隙與冷卻常數變化關系（扭矩點）

通過分析圖4～7數據可得明顯結果：

圖6 間隙與冷卻效率變化關系（功率點）

圖7 間隙與冷卻常數變化關系（功率點）

扭矩點數據：中冷器至駕駛室底部空隙調整前，中冷器冷卻效率為85.55%，調整后中冷器最高冷卻效率為87.92%；冷卻常數最高61.94 ℃，下降至60.07 ℃；按照已冷卻液最高許用溫度為105 ℃計算，該樣車最高許用溫度由43.06℃上升至44.93℃。

功率點數據：中冷器至駕駛室底部空隙調整前，中冷器冷卻效率為83.83%，調整后中冷器最高冷卻效率為89.26%；冷卻常數最高64.09 ℃，下降至60.31 ℃；按照已冷卻液最高許用溫度為105 ℃計算，該樣車最高許用溫度由40.91 ℃上升至44.69 ℃。

6 結論

通過調整中冷器至駕駛室底部空隙，扭矩點冷卻效率提升2.8%，冷卻常數下降幅度達1.87 ℃，樣車最高許用溫度上升1.87 ℃；同時，功率點冷卻效率提升6.5%，冷卻常數下降幅度達3.78 ℃，樣車最高許用溫度上升3.78 ℃。兩種工況下的冷卻能力均有較為明顯的提升，驗證了最初的猜想。

通過在底盤測功機上的整車熱平衡探究試驗得出結論，目前整車的冷卻能力的提升，在發動機艙設計布置方面仍有改進空間。可通過增加阻流裝置，進一步降低發動機艙熱空氣擾流，從而達到提升整車的冷卻能力的效果。