整車熱管理道路試驗驗證工況優(yōu)化分析

莫偉標，趙培生，李澤藝

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

關(guān)鍵字：整車熱管理；道路試驗；試驗工況；城市工況

前言

隨著汽車技術(shù)水平的發(fā)展，汽車發(fā)動機艙集成大量的零部件，使得發(fā)動機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越緊湊，這就對發(fā)動機艙的散熱性能提出更高的要求。因此，在乘用車的開發(fā)過程中，確保發(fā)動機艙內(nèi)的任何部件都不超過設(shè)計溫度限值，且能穩(wěn)定的工作越來越重要。整車熱管理道路試驗主要驗證動力總成的冷卻系統(tǒng)性能，和發(fā)動機艙及排氣管周邊受熱輻射零部件的熱傷害情況是否滿足車輛的技術(shù)要求[1-3]。熱管理試驗最惡劣的工況包括高速工況和爬坡工況，而城市工況在用戶日常用車過程中也占據(jù)較多的時間，車輛在城市低速行駛時迎面風(fēng)速較低，可能產(chǎn)生熱風(fēng)回流導(dǎo)致發(fā)動機進氣溫度過高而引起的起步動力不足問題。因此為了驗證是否有必要開展城市工況試驗，本文選取了多個車型高速、爬坡和城市工況的試驗數(shù)據(jù)進行分析。

1 整車熱管理道路試驗

整車熱管理試驗主要包括環(huán)境艙試驗和真實的道路試驗，環(huán)境艙試驗不受場地、時間的限制，且能準確地控制艙內(nèi)環(huán)境條件，廣泛地應(yīng)用于車輛的各種試驗。但相較于環(huán)境艙試驗，道路試驗更能真實地反映環(huán)境對車輛性能的影響。因此，選取多個車型進行高速、爬坡和城市工況進行道路試驗分析[4-5]。

1.1 試驗條件

為了驗證整車高溫冷卻系統(tǒng)及熱傷害的最大性能，選擇環(huán)境溫度35 ℃以上，試驗開始時太陽輻射大于815 W/m2，風(fēng)速小于3 m/s時開展道路試驗，空調(diào)設(shè)置如表1所示。

表1 空調(diào)設(shè)定

1.2 試驗儀器、測點

試驗過程中用于熱性能數(shù)據(jù)采集的設(shè)備包括：K型熱電偶、壓力傳感器、日光強度傳感器、環(huán)境濕度傳感器、多通道數(shù)據(jù)記錄儀和車輛總線工具，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1 Hz，儀器描述及測點如表2所示。

表2 試驗儀器清單

1.3 試驗工況

在車輛滿載狀態(tài)下，選擇用戶最常用工況以及最嚴苛的工況，來驗證動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輛熱管理性能滿足設(shè)計要求，那么車輛也能滿足用戶正常使用的大多數(shù)場景。

1.3.1 高速工況

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

圖1 高速工況試驗路線

試驗開始前，將車輛移至試驗道路起點，確認車輛狀態(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，以可行駛最高車速（不超過120 km/h）行駛45 min，然后停車怠速30 min，試驗過程中全程記錄試驗數(shù)據(jù)。

1.3.2 爬坡工況

爬坡工況在用戶實際用車過程中屬于較嚴苛的場景，選擇吐魯番某長爬坡路線作為爬坡工況的試驗路線，如圖2所示。此路線處于高溫干旱地區(qū)，坡度中等且路線較長，對車輛動力冷卻及熱傷害性能要求非常高，極易影響車輛動力性、空調(diào)舒適性以及零部件的熱可靠性，該工況對熱管理性能考核的嚴苛程度能覆蓋用戶多數(shù)的使用場景。

圖2 爬坡工況試驗路線

試驗開始前，確認車輛狀態(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。車輛以60～100 km/h的車速預(yù)熱15 min，再以可行駛的最高車速（不超過 120 km/h）在爬坡工況試驗路線行駛30 min，然后停車怠速30 min，試驗過程中全程記錄試驗數(shù)據(jù)。

1.3.3 城市工況

城市工況是大部分用戶日常用車中最常用的場景，車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)動機進氣溫度過高，而引起的起步動力不足的問題時有發(fā)生，為此增加城市工況試驗，在吐魯番城區(qū)規(guī)劃城市工況的試驗路線，如圖3所示。城市工況用于模擬用戶常用工況，考察機艙前端模塊和發(fā)動機進氣的冷卻性能，以及該冷卻性能對車輛動力性和空調(diào)舒適性的影響。

圖3 城市工況試驗路線

試驗開始前，確認車輛狀態(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。車輛以60～100 km/h的車速預(yù)熱15 min，選擇車流量較大以及建筑相對密集的城市道路進行城市工況試驗。試驗時車速按照道路限速規(guī)定，不超過40 km/h行駛，中途遇交通燈停車后以50%以上的油門深度起步，驗證發(fā)動機性能，試驗行駛45 min后停車怠速30 min，試驗過程中全程記錄試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗要求整備車輛，分別記錄高速、爬坡和城市工況下的試驗數(shù)據(jù)。對試驗數(shù)據(jù)進行分析，分別統(tǒng)計三個工況下行駛階段和怠速階段的溫度最值，然后進行超溫判斷。通過分析過往兩年多個車型的夏季整車熱管理試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)高速和爬坡工況的試驗結(jié)果可以覆蓋城市工況的試驗結(jié)果，試驗數(shù)據(jù)主要以表3和表4的形式分布。

表3 車型1測點溫度最值及超溫判斷統(tǒng)計（℃）

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，如果城市工況下測點溫度超溫，則在高速或者爬坡工況下相應(yīng)的測點也會出現(xiàn)超溫，如表 3所示。如果高速或爬坡工況下測點出現(xiàn)超溫，城市工況可能出現(xiàn)超溫也可能正常，如表4所示。分析過往兩年開展的夏季整車熱管理道路試驗數(shù)據(jù)，共44臺樣車開展了城市工況的試驗，其中部分車輛的城市工況出現(xiàn)了個別測點超溫的情況，同時這些測點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)的時長都比城市工況要更為嚴重。相反同一車輛的部分測點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結(jié)果可以覆蓋城市工況。通過研究不同工況的嚴苛性，發(fā)現(xiàn)相比于高速和爬坡工況，城市工況整車熱負荷較低。因此，在進行整車熱管理道路試驗時，城市工況可以不作為必測工況，僅作為參考工況，為試驗工況的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

3 結(jié)論與展望

通過對高速、爬坡和城市工況試驗數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)前兩種工況更為嚴苛，典型的高速和爬坡工況的試驗結(jié)果可以覆蓋城市工況的試驗結(jié)果，所以城市工況可以不作為整車熱管理道路試驗的必須測試項目。但是，本文試驗中的城市工況沒有考慮到交通極擁堵時超低速的情況，后續(xù)的工況研究中可以引入極擁堵城市工況的試驗，進一步優(yōu)化整車熱管理道路試驗，完善驗證體系。