基于环境模拟的汽车热平衡试验研究

袁建军，于津涛，吴 展

（1.中国汽车技术研究中心，北京 100176；2.北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

基于环境模拟的汽车热平衡试验研究

袁建军1，于津涛1，吴 展2

Yuan Jianjun1，Yu Jintao1，Wu Zhan2

（1.中国汽车技术研究中心，北京 100176；2.北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

以环境模拟试验中的热平衡试验为主要研究对象，对该试验的国标及企标进行对比研究，利用试验室的环境仓和转鼓等硬件设施，进行了多车型的整车热平衡环境模拟试验。从热平衡、环境温度对试验结果影响、光照对试验结果影响、环境模拟试验与道路试验的比对等方面进行分析，进而对目前的热平衡试验标准提出了改进意见。

环境模拟；热平衡试验；光照；阻力

0 引 言

生产企业和用户都会关心汽车是否可以在所销售区域的气候环境条件下无故障运行，达到汽车设计的性能并可实现舒适的驾驶，因此必须有合适的方法和标准来验证汽车的环境适应性。环境适应性试验通常以整车在环境试验室和场地测试2种方式进行，因场地测试条件无法精确控制，通常仅作为实用性判定及环境试验室测试结果的参考。环境试验室模拟测试方法因为环境条件恒定可控，具有试验结果重复性好、便于量化分析等优点，越来越受到各厂家研发及试验部门的认可，作为整车环境适应能力的主要评定方式。

1 汽车热平衡试验标准

GB/T 12542—2009《汽车热平衡能力道路试验方法》在实践过程中由于可操作性和评价工况有所欠缺，很多厂家没有直接采用国标，而是结合国标或合资企业标准进行修改，制定出可操作性更强的企业标准。

1.1 国家标准

该标准简要描述如下：

1）该标准为道路试验方法，并没有针对利用环境仓的试验方法说明；

2）环境要求：30℃以上，对湿度、光照强度等无要求；

3）所需特殊设备：负荷拖车；

4）试验过程中打开空调，外循环、最大冷却模式、风量调节开关置于最大位置；

5）热平衡判定标准：连续4 min各冷却介质温度与环境温度的差值无升高趋势且变化均在±1℃以内；

6）测试工况：包括极限使用工况和常规使用工况2部分[1]。

1.2 企业标准

由于各发动机转速区间不同、速比不同等原因，国标在操作上不易于车型间横向比较，而且极端工况过于恶劣因而在实际行驶中出现概率极低，因此许多企业根据自身需要使用自己的企业标准，以下列举3个厂家的典型试验方法。

1.2.1 企业标准1

环境温度为30℃，空调开，强制节温器打开，工况如表1所示。

1.2.2 企业标准2

环境温度30℃，光照强度700 W/m2；空调为内循环模式，工况如表2所示。

表2 企标2规定试验工况

1.2.3 企业标准3

环境条件分为38℃、35℃和33℃ 3种，相对湿度40%，光照强度1000 W/m2。空调状态为开，且为外循环，最大制冷，最大风速，工况如表 3所示。

表3 企标3规定试验工况

1.3 小结

不同厂家热平衡试验方法和标准各不相同。

1）环境方面：温度30～43℃，湿度40%～50%或者不作要求，光照强度700～1 000 W/m2或者不作要求。

2）热平衡判定：各厂家的热平衡判定条件不同，一般的判定条件为油液温度变化率小于1 ℃/ min ，也有的比较严格，要求小于1 ℃ /3m in甚至1 ℃/8m in；也有按时间要求的，例如从工况开始延续30 min，只要油液温度均未超过最高许用温度则算通过。

3）工况要求：工况是各标准间差别最大的项目，有些厂家要求测试最大功率或最大扭矩工况；而大多厂家倾向于模拟常用不利工况，如高速、低速爬坡、中速爬坡、城市拥堵路况、长时间怠速和高负荷后熄火浸置等。

各厂家均采用环境模拟的方法进行热平衡试验，而不采用道路试验的方法。工况方面，企业标准较国家标准更接近用户使用的实际极限工况。

2 试验结果分析

汽车在环境、工况均稳定状态下，各冷却介质温度将达到恒定，冷却系统吸收热量等于其放出热量，因此考察汽车在不同工况时的平衡状态就是考察汽车冷却液或机油等在该工况下达到的最高值。

热平衡试验过程中主要测试点包括环境温度、进气格栅前后温度、散热器进出口冷却液温度、发动机机油温度、变速箱油温度、空调系统压力、发动机转速和车速等。

2.1 热平衡分析

图1～图4为某车型在不同工况下从试验开始到平衡状态的温度变化图，分别为高速行驶、低速爬坡和中速爬坡 3个工况。图中曲线分别代表水温、机油温度、变速箱油温、车速以及空调高压压力。从工况1～工况3看，3种油液温度均从快速升高转为渐趋平稳，以 3种油液变化率均小于1℃/ min 作为平衡标志并停止该工况试验。

工况 4是熄火浸置工况，模拟的是汽车大负荷行驶后突然熄火，由于油液的积热效应引起温度继续升高的工况。从图 4中可以看出，汽车以40 km/h车速爬7.2%坡度行驶到14 m in时突然停车熄火，机油和变速箱油温度很快下降，而发动机冷却液温度却持续上升，最高达到120℃，如果汽车没有适当的措施进行保障则可能出现“开锅”故障。不同于工况1～工况3，该工况结束的标志是所有油液的温度均开始下降。

汽车热平衡试验中，通常用许用环境温度 T来衡量汽车的环境适应性。T计算公式如下

T（℃）=冷却介质许用最高温度-热平衡时冷却介质温度+环境温度

式中，冷却介质许用最高温度无特殊规定，为（1）～（3）之中的最小值：

（1）沸点；（2）动力总成要求；（3）空调系统要求。

该车沸点为120℃；动力总成要求和空调系统要求为140℃。对工况1～工况3进行SAC（System Ambient Capacity，系统环境能力）计算。

工况1：冷却液、机油、变速箱油最高温度分别为90.6℃、99.8℃、77.8℃，则：

工况2：冷却液、机油、变速箱油最高温度分别为99.5℃、114.9℃、80.4℃，则：

工况3：冷却液、机油、变速箱油最高温度分别为97.5℃、111.6℃、78.0℃，则：

综合以上结果，取所有结果中最小值作为整车许用环境温度，即该车在环境温度低于 58.5℃的条件下，3种工况可正常使用。

2.2 环境温度对试验结果影响分析

对于许用环境温度和冷却介质许用最高温度恒定的冷却液，散热器进水口温度和环境温度差值应该恒定，即环境温度升高x℃，则相应散热器进水口温度也应升高x℃，为此进行相关试验。

1）汽车工况不变，100 km/h匀速行驶，改变环境温度，观察各油液平衡温度。

从表4及图5～图7可以看出，随着环境温度的升高，冷却液和机油的热平衡温度均升高。环境温度升高 10℃，机油平衡温度也上升接近10℃，而冷却液由于有冷却风扇调控，因此上升量小于环境温度上升量，发动机电控单元通过调节风扇功率保持冷却液温度在85～95℃之间。

表4 环境温度、冷却液平衡温度及机油平衡温度关系℃

由于上述工况对于该款汽车发动机来说负荷较小，因此发动机 ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）可以通过冷却风扇进行主动调控，为此更换为大负荷工况进行观察。车速40 km/h，满载7.2%坡度，结果如表5及图8～图9所示。℃

表5 环境温度、冷却液平衡温度及机油平衡温度关系

当汽车负荷较大，超出了发动机电控系统调节范围（即节温器全部开启、冷却风扇高速运转）时，冷却液与机油平衡温度升高值与环境温度升高值基本相等。

2.3 光照对试验结果影响

光照会引起发动机舱温度逐渐升高，从而降低发动机舱的散热量，同时空调压力也会相应提高，压缩机负荷变大，由此导致同一汽车在相同环境温度和相同工况下，无光照时冷却液和机油平衡温度为93.5℃和104.7℃（图10～图11），而光照为 1 000 W/m2时冷却液和机油平衡温度为94.5℃和107.2℃，分别上升了1℃和2.5℃。

2.4 环境模拟试验与道路试验的比对

在相同环境温度25℃下，同一辆车分别在道路上和环境舱中使用同一工况 100 km/h匀速行驶，环境舱中转鼓阻力用推荐值，比较热平衡试验结果。

如图12～图13所示，道路试验中冷却液和机油平衡温度为 85.5℃和 90.0℃，在试验室中通过滑行法加载后试验冷却液和机油平衡温度为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驶阻力小于转鼓上的行驶阻力，道路试验节气门开度为23.5%，而试验室转鼓上节气门开度达到37.3%，这主要与滑行阻力系数设定有关，因此设定准确的行驶阻力是保证环境模拟试验精度的前提。有些厂家允许试验室转鼓上的负荷大于道路上，这样相当于在更恶劣的工况中对汽车进行考核。

3 结论和建议

结合其他标准和实际工作，对我国现有热平衡方法 GB/T12542—2009《汽车热平衡能力道路试验方法》提出以下改进建议。

1）环境要求：结合我国大部分城市最高气温，建议将环境要求设置为：40℃，1 000 W/m2光照；

2）工况设置：在原有工况中，增加城市拥堵工况模拟：反复加速减速（最高30 km/h），20次循环，期间没有迎面风；

3）试验间隔：建议在每个工况结束后加入怠速冷却和小负荷稳定工况，可以保证每个工况起始的状态一致，不受上一个工况影响；

4）平衡判定：建议修改为油、液温度变化率小于 1℃/min，同时每个工况时间最长不超过 30 m in，如果出现空调循环切断则保持30 min试验工况即可，这样以便于车型间横向比较。

[1]GB/T12542—2009 汽车热平衡能力道路试验方法[S].

U467.1+3

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.010

1002-4581（2015）02-0038-05

2015−01−05