某国Ⅵ整车发动机舱热空气扰流对冷却系统的影响探究

杨赛 徐鑫 朱桂昌 董庆齐

中机科（北京）车辆检测工程研究院有限公司 北京 102100

1 前言

对于整车来说，冷却系统的功能是否匹配是保障车辆的“心脏”——发动机是否能够正常工作的重要影响因素。同时随着GB 17691-2018《 重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》商用车国六排放标准的逐步深化推进，国六阶段对整车冷却系统的工作效率提出更高的要求（见表1），由此在整车方面如何提升冷却能力相关的研究也逐渐增多。

表1 商用车国六整车发动机系统技术条件

目前国内外研究者针对如何提升冷却系统的冷却能力方面进行了大量的研究。例如，国内学者从风扇自身结构方面，采用CFD仿真技术模拟风扇风洞模型，对风扇轮毂比、叶片安装角、叶片数量等方面对气动性能的影响；通过探究护风圈结构对冷却性能的影响；通过探究风扇安装角度等因素探讨对风扇噪声的影响；国外学者采用风筒试验方法探究多个安装参数对于冷却能力的影响。

本文在基于GBT/12542-2009《 汽车热平衡能力道路试验方法》，探究商用车整车在底盘测功机台架试验方面热平衡管理的过程中，发现发动机舱内中冷器至驾驶室底部空隙较大，由此提出猜想：在发动机舱内中冷器至驾驶室底部空隙产生的热空气扰流可能会影响冷却能力。基于此猜想，在现有的试验条件下，通过改变发动机舱中冷器至驾驶室底部空隙的大小，探究其对于冷却系统冷却能力的影响情况。

2 确定研究路线

基于现有试验条件，试验团队通过控制某车型发动机舱中冷器至驾驶室底部空隙的大小单一变量，对中冷器冷却效率进行探究验证，具体研究路线见图1。

图1 研究路线图

2 确定试验方法

GBT/12542-2009《 汽车热平衡能力道路试验方法》中采用的是道路负荷拖车法，用拖车施力模拟坡度阻力。但是此方法为室外实际道路试验方法，受到风速、环境温度、以及试验道路的影响较大，从而导致数据重复性较差。因此本文探究方法修改为整车底盘测功机台架试验，使用底盘测功机台架模拟道路阻力，探究发动机最大扭矩转速工况（扭矩点）和发动机额定功率转速工况（功率点）的冷却效率、冷却常数等反应冷却系统冷却能力相关参数，从而更好的控制试验变量，并且保证数据的一致性。

4 验证过程

4.1 确定该样车试验状态参数

a.节温器强制全开；

b.发动机冷却系统达到热平衡，热平衡状态判断依据为《GBT 12542-2009 汽车热平衡能力道路试验方法》；

c.冷却液许用最高温度105℃，机油许用最高温度120℃；

d.额定功率点发动机转速为3200 rpm，最大扭矩点发动机转速1900 r/min；

e.确定摩擦系数值并输入底盘测功机模拟数值。

4.2 确定最大扭矩点以及最大功率点动力性

4.2.1 变速器各挡的速度特性

式中，uat为汽车速度，km/h；

rk为车轮滚动半径，m；ne为发动机转速，r/min；igt为 变速箱各挡速比；i0为后桥主减速速比。

4.2.2 发动机扭矩对应车轮牵引力

式中，F为汽车车轮牵引力，N；T为发动机扭矩，m；rk为车轮滚动半径，m；igt为变速箱各挡速比；i0：后桥主减速速比。

经过计算，该样车最大扭矩点：发动机转速1900 r/min，强制3档，车速固定在25.88 km/h；最大功率点：发动机转速3200 rpm，强制3档，车速固定在43.59 km/h。

4.3 控制变量

通过在中冷器至驾驶室底部空隙之间增加不同高度阻流板的方式（图2、3），控制中冷器至驾驶室底部空隙大小，逐步消除发动机舱扰流的影响。通过施加不同高度阻流装置改变中冷器至驾驶室底部空隙的情况见表2。

图2 阻流装置示位置

表2 阻流装置高度与中冷器至驾驶室底部空隙关系

图3 阻流装置实物示意

4.4 测量参数

根据车辆动力性公式计算，分别加装不同高度阻流装置，测量对应的发动机最大扭矩转速工况（扭矩点工况）以及发动机额定功率转速工况（功率点工况）下，热平衡状态下的环境温度、机油温度、风扇前温度、空滤器空气入口温度、空滤器后温度、发动出水温度、中冷器进口温度、中冷器出口温度、中冷器进口压力、中冷器出口温度等试验数据。

4.5 结果处理

根据冷却常数公式计算不同状态下的冷却常数：

式中为Kc为冷却常数，℃；Tb2为中冷器出口温度，℃；Ta为环境温度，℃。

根据最高环境许用温度公式计算不同状态下的最高环境许用温度：

式中，Kc为冷却常数，℃；Td为最高许用冷却液温度，℃；T为最高环境许用温度，℃；以及中冷器冷却效率公式计算不同状态下的冷却效率：

式中，ξ为中冷器冷ξ=却效率，%；Tb1为中冷器进口温度，℃；Tb2为 中冷器出口温度，℃；Ta为环境温度，℃。

5 试验结果

在进行结果处理后，通过分析不同间隙对应的扭矩点却常数、冷却效率结果见下图4、图5。

图4 间隙与冷却效率变化关系（扭矩点）

图5 间隙与冷却常数变化关系（扭矩点）

通过分析图4～7数据可得明显结果：

图6 间隙与冷却效率变化关系（功率点）

图7 间隙与冷却常数变化关系（功率点）

扭矩点数据：中冷器至驾驶室底部空隙调整前，中冷器冷却效率为85.55%，调整后中冷器最高冷却效率为87.92%；冷却常数最高61.94 ℃，下降至60.07 ℃；按照已冷却液最高许用温度为105 ℃计算，该样车最高许用温度由43.06℃上升至44.93℃。

功率点数据：中冷器至驾驶室底部空隙调整前，中冷器冷却效率为83.83%，调整后中冷器最高冷却效率为89.26%；冷却常数最高64.09 ℃，下降至60.31 ℃；按照已冷却液最高许用温度为105 ℃计算，该样车最高许用温度由40.91 ℃上升至44.69 ℃。

6 结论

通过调整中冷器至驾驶室底部空隙，扭矩点冷却效率提升2.8%，冷却常数下降幅度达1.87 ℃，样车最高许用温度上升1.87 ℃；同时，功率点冷却效率提升6.5%，冷却常数下降幅度达3.78 ℃，样车最高许用温度上升3.78 ℃。两种工况下的冷却能力均有较为明显的提升，验证了最初的猜想。

通过在底盘测功机上的整车热平衡探究试验得出结论，目前整车的冷却能力的提升，在发动机舱设计布置方面仍有改进空间。可通过增加阻流装置，进一步降低发动机舱热空气扰流，从而达到提升整车的冷却能力的效果。