商用车整车环境模拟试验室能力匹配设计方法
2019-12-31王奕睿郭虎吴慧敏周新伟刘柳
王奕睿 郭虎 吴慧敏 周新伟 刘柳
摘要：整车環境模拟试验室包括高低温环境舱和重型转毂两套主要的设备，这两套设备能力的规划不仅关系到投资成本、基建成本、运营成本、项目实施的难度等，更决定了未来商品开发的试验能力。本文从商品开发的需求出发，结合重要设备的原理、结构、特性、成本，合理的规划了转毂电机、环境舱制冷系统、阳光模拟系统以及环境舱新风系统的设备能力，以保障设备投资项目在顺利开展的前提下，降低各项成本，提高效率。
关键词：设备投资;能力规划;转毂;高低温环境舱
中图分类号：U462.3+4
文献标识码：J
文章编号：1005-2550（2019）06-0052-06
Capability matching design method of commercial vehicle
environmental laboratory
WANG Yi-rui， GUO Hu， WU Hui-min， ZHOU Xin-wei， LIU Liu
（ 1.DongFeng Commercial Vehicle CO.， LTD. Vehicle Test Department of Technical Center， Shiyan 442000 China ）
Abstract： The vehicle environment test laboratory consists of two sets of main equipment， high and low temperature environment camber and heavy Dyno. The planning of these two sets of equipment is not only related to the investment cost， infrastructure cost， operation cost， difficulty of project implementation， but also determines the test capacity of future commodity development. In this paper， The equipment capacity of Dyno motor， refrigeration system， sunlight simulation system and fresh air system has been planned based on the demand of the development of the commodity ， the principle， structure， property of the equipment and the cost. All of the work is to ensure the investment project， to reduce costs and to improve efficiency.
Key Words： Investment of equipment; Capacity planning; Dyno; High and low temperature environment camber
王奕睿
毕业于武汉理工大学，硕士研究生，现就职于东风商用车有限公司商用车技术中心车辆试验部，整车试验性能研究工程师主要研究方向为整车性能研究，已发表论文7篇。
1引言
整车环境模拟试验室能完成的试验包括：热管理、动力性经济性、整车排放法规、辅助制动、新能源、高低温试验、寒区模拟试验等。因此，整车环境模拟试验室的主要设备（包括转毂、环境仓、风机、太阳顶等）需要满足目前大部分商用车开发车型的性能需求和尺寸需求，并满足未来的商品规划，部分试验对象参数如下表1所示：
2转毂电机能力规划
2.1转毂电机特性介绍
重型转毂的几个主要的性能特征参数，包括有模拟惯量、最大牵引力、最大功率以及最高车速。最能表征重型转毂性能的是其电机外特性。
如图8所示为某转毂电机的牵引力外特性，从图中可以看出，该转毂电机在吸收功率模式下，0到40km/h时的牵引力为最大为50000N，随后转毂在40到70km/h由恒力变成恒功率，功率为556kW，由于电机的特性，车速超过70km/h后转毂功率持续下降。
2.2基于CHTC工况的转毂技术规格
转毂是对道路工况的模拟，重型转毂的主要技术参数为最大牵引力、最大吸收功率以及模拟惯量，这三项数值决定了重型转载毂能够模拟的范围。指标过大，则会使的投资成本无意义的增加，同时大转毂电机也会增加日常运行时的公共.动力开支;而指标过小，则会使的转毂技术指标迅速被淘汰，丧失投资意义。本文通过CHTC工况中对车辆动力性的要求来得出转毂电机的外特性范围。
汽车行驶阻力F，包括滚动阻力Ff、加速阻力Fj、坡度阻力Fi、空气阻力Fw组成，其中：
其中滚动阻力与空气阻力等于汽车在平直路面上滑行阻力。故整车行驶阻力为加速阻力、坡道阻力及滑行阻力之和。
目前中汽研制定的CHTC中国工况为对转毂技术规格要求最高的工况，其粉为”CHTC-B（城市客车）”CHTC-C（客车）”CHTC-D（自卸）””CHTC-S（半挂）”"'CHTC-LT（货车3.5t
根据CHTC中国工况最大质量车，按照50t计算得到的工况点分布散点图。由GB/T27840中滑行阻力的推荐计算方法，可以得到Fcoastdown最大不超过5kN。中国工况中不包含坡道阻力，故F;为0。而F可由该工况中的加速度和总质量计算得到。从而可以通过CHTC中国工况得车速-牵引力的散点图。根据该图可以看出如要转毂电机能满足.50t车辆的CHTC中国工况试验需求，转毂的电机外特性至少在0-50km/h时需保持外特性最大牵引力不小于50kN，才能满足CHTC试验中50t车的阻力需求。
3环境舱制冷能力規划
3.1环境舱制冷原理介绍
环境舱的制冷将由一个制冷系统来完成，该制冷系统使用螺杆压缩机。制冷系统会在必要的基础上运行压缩机，从而提高效率。整个环境舱通过环境舱蒸发器、压缩机组、水冷冷凝器以及冷却水塔，将环境舱中热量带人室外。制冷系统包含以下部件：压缩机、水冷冷凝器、过滤器、干燥过滤器、膨胀阀、电磁阀、蒸发器、必要的传感器及安全部件。制冷是一个循环闭路系统。压缩机从蒸发器吸人气态制冷剂，把气态制冷剂压缩至液化点，压缩制冷剂产生的热由水冷冷凝器带走。高压液态制冷剂在膨胀阀处达到蒸发压力。接着，制冷剂在蒸发器中蒸发，压缩机再吸人气态制冷剂，水冷冷凝器中的热水再流人冷却水塔，冷却之后重新流入水冷冷凝器，新的循环开始。
环境舱压缩机的配置是按照环境舱需求的最大制冷量进行配置的，当环境舱需求的制冷量变小时，控制软件会根据制冷量需求选择运行单台或者多台压缩机，另外，每台压缩机都带有能级调节阀，可调节运行压缩机的50%或75%的功率，即整个环境舱压缩机的运行可以在最小（单台压缩机的50%）到最大（所有压缩机同时按100%功率运行）之间进行控制;再配合电动膨胀阀的控制，能很精确的实现温度控制。
3.2环境舱制冷能力规划及压缩机匹配选型
环境舱的制冷量决定了在环境仓中运转的发动机马力大小、工况、发动机排量，是环境舱极为重要的指标。环境舱制冷量的选择应该根据实.际发动机发热量、迎面风机热负荷、阳光模拟热负荷、转毂电机热负荷以及热泄露等进行核算。于此同时要考虑到与其匹配的压缩机组、舱内换热器等匹配情况。
压缩机制冷能力受制于制冷剂的特性，因此制冷量随蒸发温度的降低（相对应仓内温度）呈指数下降。因此整车在环境舱中的工况必须经济使用，并能与压缩机的制冷特性良好匹配。如表为环境舱制冷平衡表，从发动机在各个温度下功率出发，环境舱制冷量应满足：在-109C下能满足700马力车辆满负荷运行，-20°C下能满足发动机500马力的功率输出，-309C下能满足700马力半载负荷运行。则根据该功率值出发，换算得到发动机散热量，按照柴油机热效率为40%～45%，则采用1.3倍的发动机马力作为车辆热负荷。转毂迎面风机热量按照最大追踪车速120km/h时的散热量为150kW，在各车速下线性插值得到各个工况点的迎面风机散热量。热泄露按照经验值给出70或60kW得到，最终总计得到整个环境舱在各温度工况点下的总体热负荷。
根据上表计算得到的制冷量，选择合适的压缩机配置，最终选择4台HSN8591-160型压缩机完成环境舱的制冷。如表为最终选择压缩机配置在各个温度下的制冷量，和超出需求量。整体看来，该配置满足环境舱制冷需求，并保留适当余量。
（注：压缩机在各蒸发温度、冷凝温下制冷量计算通过比泽尔官方网站计算程序计算得到。）
4阳模拟系统能力规划
阳光模拟分为红外日照模拟系统和全光谱日照模拟系统，本试验室主要目的是通过阳光模拟产生热辐射，从而产生表面热效应，红外日照模拟系统就可以满足要求。
4.1整车环境舱阳光模拟系统结构及原理
阳光模拟是由一组对称阵列布置的红外太阳灯组成，通常横向至少布置6个，纵向根据驾驶室面积确定布置的排数，以保证阳光模拟能覆盖到整个驾驶范围。轿车或长头卡车驾驶室由于其风窗玻璃与竖直方向具有角度，其太阳灯模拟结构还需要进行相应的调整设计以保证足够的光照强，度。而平头卡车驾驶室风窗玻璃通常保持竖直或与竖直方向很小较低，太阳灯只需布置一组阵列即可。太阳灯灯架采用铝型材设计，能前后或上下移动，以覆盖不同轴距、高度的车型及驾驶室。通常太阳灯距驾驶室顶部高度为1m到1.5m，以保证光照模拟的效果。
4.2阳光模拟设备能力规划
太阳辐射强度是表示太阳辐射强弱的物理量，称为太阳辐射强度。单位是W/m2，即点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。红外阳光模拟系统通常用PLC系统控制，其操作可在控制面板完成，也可在环境舱控制软件中设定。阳光模拟系统控制的是光照强度，其调节范围为最大为1200W/m，最小为满量程的30%到50%。红外灯的辐射强度对成本影响不大，选择最大辐射强度能满足试验需求。通过调节车辆表面的照度，从而为空调性能、空调标定等试验提供一个良好的模拟试验环境。
整套阳光模拟系统中除红外灯外，成本最高的为用于红外灯框架前后移动的移动设备的作业空间，其作业空间约大，成本越高。由于商用车进行空调试验时，其模拟光照只需覆盖驾驶室区域即可，则根据最大驾驶室面积选择辐射面积为5m（长）x3m（宽）。商用车车型较多，但都为后驱车，后轮位置与转毂位置一致，则其驾驶室决定了阳光模拟的位置。根据所有开发车型的轴距数值，得到阳光模拟移动距离为2.5m。
5环境舱新风系统能力规划
5.1整车环境舱新风系统结构及原理
室外抽取的新风会经过过滤器、新风风机、一级表冷降温除湿，后分成两路，一路处理风经过干燥转轮除湿和后表冷器调节温度后进人环境舱;另外一路再生空气经过加热器后进人干燥转轮，带走转轮中的湿气后排出到建筑外。
表冷除湿是冷却盘管执行，空气流经盘管时在5C露点下冷凝除湿，再流进干燥转轮。干燥转轮的原理图可参见下图6，是一个按照一定慢转速旋转的大转轮。经过表冷除湿的空气分为两路，一路通过干燥转轮下部干燥部分被吸收大量水分，变成干燥的新鲜空气;一路经过加热，变成热风后经过干燥转轮，将干燥转轮中的大量湿气排出带到室外。在经过冷凝除湿和化学除湿两级除湿后，以保证环境舱进人的新风的绝对湿度满足需求。
在低温工况运行，如-40°C工况时，环境舱内需求的新风量比较小，因此一部分处理过的新风会旁通到新风风机进风侧，再经过处理之后就能达到更低的露点温度，以保证在任何工况下，新风不会带湿气到环境舱内。由于新风不会带湿气到环境舱内，环境舱内的湿气就是环境舱运行前舱内的绝对含湿量。在环境舱从常温降温过程中，会有大量的湿气以蒸发器冷凝水的形式排出;另外的湿气会随着尾排风慢慢排出室外，在环境舱保持微正压的情况下，环境舱的绝对含湿量会降低到一个比较低的水平。人员进出、平衡窗等部分产生的少量湿气会以结霜的形式凝结在蒸发器表面，但由于新风进人环境舱的露点温度低，即使长时间运行-40度低温工况，蒸发器表面可能会有些结霜，但不会出现结冰影响运行的情况。为减少进人环境舱的湿气，在人员进出门设置过渡间，并保持环境舱为微正压。
环境艙加湿系统将无矿物，无气味的蒸汽加湿调节循环风。加湿器安装在靠近喷嘴处，从而避免蒸汽和冷凝水经过一个长的管路传递。加湿水经过过滤软化后到达加湿器。加湿器中水位可以监控，当水位到达最低点的时候，阀门自动打开，重新充满水。蒸汽是由加湿器里面的电阻加热器加热水产生，然后进人蒸汽喷射管路。所有的冷凝水自动流回蒸汽发生器。通常蒸汽喷嘴与循环风调节系统集成以确保与循环空气混合均匀。
5.2整车环境舱新风能力规划
进人环境舱的新风，主要起到两个作用，第一是补充环境舱内由于发动机运行消耗掉的新风;第二是用于混合发动机排出的尾气，从而使的进人排气系统的尾气温度降低到300°C以下，以保证排气风机的可靠性。
发动机需要的新风量按照16L柴油机700马力3.7增压比进行计算，估算方法如下：
其中，Qm为最大空气流量（m2/min）;V为发动机排量（L），按16L计算;n为发动机最高转速（1rpm.通常为1900rpm;V。为充气效率，考虑到进气温升，按3计算;K为常数，四冲程发动机为2000。
通过以上公式计算的到新风量约为45.6m^i/min，即2736m2/h。
发动机排气出口温度按经验值为700°C，需降低到300°C以下，至少需要3000m2/h新风量，故总计约6000m/h新风量能满足发动机消耗及尾气降温需求。
根据上述计算公式（3）及表1中工况，再增加600m7/h，可以得到各个温度下新风需求量：
6结论
本文结合商用车整车环境模拟试验室投资项.目需求，基于商品开发需要和设备原理，总结了包括转毂电机、环境舱制冷系统、阳光模拟系统以及新风系统的规划设备能力规划方法，并对相应设备能力进行规划。在保障未来商品开发需求的同时，降低了投资项目的采购成本，提高了效率。
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卢冶：
本文对整车环境模拟转鼓台架能力匹配进行了设计，从转鼓、环境仓、日照模拟系统、冷却风机、新风系统方面进行了较为详细地阐述，提出了一套能力匹配方法，合理的设计了转鼓电机、环境舱制冷系统、阳光模拟系统以及环境舱新风系统的设备能力，以保障设备投资项目在顺利开展的前提下，降低各项成本的.同时也能满足商品开发需求。在立项初期、有很好的指导意义。
文章内容思路清晰、逻辑性清楚、结构性较强，可在同类设备能力匹配中参考应用。
