国产某皮卡热平衡能力试验研究

张志国，高吉强，郭 勇，苑 林，李 卓

（1. 中国汽车技术研究中心，天津 300300；2. 北京交通运输职业学院 汽车工程系，北京 102618）

0 引 言

汽车发动机工作时，有时候出现燃烧不正常的现象，究其原因是高温燃气使接触的零部件温度急剧升高，且未得到及时适当的冷却，使发动机过热，造成充气系数下降；该状况加剧了发动机零部件磨损，严重时会导致发动机不能正常工作，致使发动机性能全面恶化，影响其可靠性和耐久性。若发动机冷却能力过剩将导致热损失增加，发动机零部件会因为润滑油的温度过低引起磨损加剧，燃油经济性也会因为冷却液的温度过低而下降。因此，发动机能否在各工况下处于适宜的温度、可靠的工作，是衡量汽车冷却系统优劣的重要标准。汽车热平衡能力试验是评价汽车冷却系统的重要手段，2010年1月1日国家开始实施的GB/T 12542-2009《汽车热平衡能力道路试验方法》详细规定了在道路试验中如何评价汽车冷却系统热平衡能力。下面将基于 GB/T 12542-2009对国产某皮卡热平衡能力试验进行研究与分析。

1 试验准备

首先按照标准要求进行车辆试验准备，检查轮胎气压是否符合规定值，准备灭火器并保证其工作正常，按照汽车使用说明书规定的型号、数量更换发动机冷却液、润滑油（发动机、变速箱、驱动桥处的）。试验测点布置如表1所示。温度传感器采用K型热电偶，传感器安装时要注意密封，不能出现油水泄漏现象，水温传感器安装时可以采用在进、出水软管上打孔或者在接口处直接埋入，油温传感器是在放油螺栓处打孔埋入，传感器的埋入深度要掌握好，避免碰到旋转件。

表1 试验测点布置

2 试验过程及结果

试验是在环境舱进行的，为模拟道路试验中的各个试验工况，通过舱内的底盘测功机对试验车辆进行加载。整车热平衡试验的试验工况有常规使用工况和极限使用工况，其中常规使用工况主要考察汽车在常规行驶过程中各冷却系的冷却能力，包括怠速行驶工况、高速行驶工况、熄火浸置工况和模拟爬坡工况；极限使用工况包括发动机最大扭矩转速工况和发动机额定功率转速工况，主要考察汽车在低挡位、高扭矩（高转速）下冷却系的冷却能力。试验过程中，各个工况的试验顺序可以自由选择，一个试验工况结束后，要等各冷却液的温度恢复后再进行另一项试验，试验过程中要记录空调和风扇的工作状态，不要在高于各冷却介质许用温度下长时间地进行试验。各个试验工况开始后，通过数据采集仪器实时记录各测点的温度，当连续4 min内各测点的温度均无明显上升且变化范围在1℃以内，可认为汽车达到热平衡，该工况试验结束。试验环境温度选择在40℃。

2.1 高速行驶与熄火浸置工况

高速行驶工况试验条件是汽车在无负荷状态下，用最高挡，90%最高车速或者140 km/h（两者取较小值）匀速行驶；该试验样车的最高车速为150 km/h，因此在此工况下使用车速135 km/h进行试验。该工况结束后迅速停车并熄火，进入熄火浸置工况，观察冷却介质是否达到其许用最高温度，汽车是否出现冒烟、有异响等现象。试验曲线如图 1所示。可以看出，高速行驶工况过程中，空调一直没有自动关闭，冷却液最先达到平衡，平衡时发动机出水温度为103℃左右，大约3 min后机油也达到平衡要求，机油平衡温度为126℃。发动机熄火浸置后，各个冷却介质温度没有上升趋势，无异响、冒烟等现象。

2.2 模拟爬坡工况

模拟爬坡工况是汽车在3/4额定转速状态下，爬上7%坡度所选用的最高挡。该工况试验利用转鼓来实现，逐步对试验样车施加坡度阻力，最后稳定在7%坡度左右。通过试验确定出该车选用Ⅲ挡，试验结果如图2所示。从图2可以看出，该工况下机油和冷却液的温度变化与高速行驶工况类似，先是发动机冷却液达到平衡，发动机出水温度为102℃，继而机油达到平衡，平衡时温度为119℃。

2.3 发动机怠速工况

该工况是指汽车在直接挡下，以50 km/h的车速行驶20 min后停放在“十”字挡风墙内，大灯全开，散热器迎风面正对风向，发动机怠速运转。由于本次试验是在环境舱内进行，没有外界风的影响，只要保证发动机怠速运转时舱内冷却风扇不工作就可以。图3显示，在20 min匀速行驶过程中，发动机进、出水温度达到稳定平衡，其他冷却介质的温度也没有上升的趋势；怠速之后，各冷却介质的温度没有上升的趋势，进、出水温差加大，说明此工况下冷却能力更加充足。

2.4 极限使用工况

极限使用工况是指汽车加速踏板完全踩下并以Ⅱ挡行驶，汽车逐步被施加的负荷通过底盘测功机（负荷拖车）来完成，使得汽车发动机转速稳定在最大扭矩转速（最大扭矩转速工况）和额定功率转速（额定功率转速工况），偏差在±2%或者±50r/min（取二者中较大值）以内。本次试验极限工况下各测点的温度随时间变化曲线如图4和图5所示。从曲线可以看出，在最大扭矩工况下，机油温度在116℃左右达到平衡，发动机的进、出水温度由于受空调开闭和发动机转速变化的影响，也实现了动态平衡，最高出水温度为 102℃；发动机额定功率转速工况下，各冷却介质的温度上升较快，空调自动关闭，发动机出水温度不到4 min上升到112℃，超过了企业规定许用温度（105℃），试验停止。

3 试验结果分析

汽车热平衡的试验结果最终是以许用环境温度的形式体现，计算所有冷却介质在极限工况和常规工况下的许用环境温度，以各冷却介质中的最小值作为其许用环境温度。许用环境温度的计算公式

式中，TL为冷却介质的许用最高温度；KC为冷却常数（热平衡时冷却介质的平衡温度与环境温度的差值）。

综上几个工况来看，变速箱油和驱动桥油的温度均没有达到平衡，随着试验的进行，温度缓慢上升，但是由于变速箱油和驱动桥油的许用温度较高，试验过程中均离许用温度还有较大的温差，再加上环境舱内流场的限制，对变速箱和驱动桥的冷却要比实际道路差很多，所以这两处的冷却介质不会成为该车许用温度的限制因素，计算过程中可以不予考虑。企业提供的冷却液和机油的许用最高温度分别为105℃和130℃，依据试验结果计算得到各工况下许用温度，如表2所示。

表2 各试验工况下许用温度

4 结束语

综合以上的试验结果分析可以看出：常规使用工况下的许用温度为42℃，高速行驶工况和模拟爬坡工况得出的许用环境温度较接近，冷却液的温度仅相差 1℃，但由于模拟爬坡工况下发动机的转速相对较低，机油的平衡温度比高速行驶工况下要低7℃，结合最大扭矩工况下机油和冷却液的温度变化可以看出，机油的温度主要跟发动机转速相关，车辆负荷的影响相对较小。而发动机冷却液的温度跟车辆负荷和发动机转速都有很大的相关性。在极限使用工况下，由于额定功率工况下发动机不仅是全负荷运转，更是在高转速下工作，再加上该车的后备功率比较大，极限工况下附加的载荷较高，在额定功率工况下的附加载荷为13%的坡度，该车未能达到平衡，许用的环境温度低于33℃，说明该车不能在此极限工况长时间运转。

[1]GB/T 12542-2009，汽车热平衡能力道路试验方法[S].

[2]姚仲鹏，王新国． 车辆冷却传热[M]. 北京：北京理工大学出版社，2001.

[3]周龙保，刘巽俊，高宗英. 内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，1998.