黄旭 陈楠 马东元 张伟 许伟利

中国北方发动机研究所 天津市 300400

汽车冷却系统是调控发动机温度、实现整车热平衡的关键。近年来，微型汽车的市场需求量和销售量均呈现出上涨趋势，国内自主汽车企业在微型汽车研发设计方面也加大了投入力度。其中，整车热平衡试验是汽车研发环节的重要内容，通过试验设计和验证，更加直观地评价冷却系统的散热能力，从而为设计优化提供依据，确保冷却系统发挥维持汽车热平衡的功能，实现汽车发动机性能的最优化和保障汽车行驶安全性。

1 微型汽车发动机整车热平衡试验设计

1.1 试验条件

参考《汽车热平衡能力道路试验方法》（GB/T 12542-2020），热平衡试验的条件布置如下：选择一处平坦、清洁的沥青公路，试验路段长度不低于500m，纵坡度不得超过0.2%。在环境温度不低于25℃的晴朗天气下进行试验。试验用车的轮胎充气压力应控制在标准胎压的±10KPa 以内，燃料、机油、冷却液等材料均选择主流品牌。正式开始试验前，要求进行“热车”，保证燃料雾化良好，使车辆各项性能（如轮胎热状态等）达到正常工况，以提高试验结果的准确性。预热完毕后，发动机出水温度应在80-90℃之间、润滑油温度在60-80℃之间。

1.2 试验内容及方法

试验中，选择能够反映发动机性能的6项指标分别进行测试。指标名称与要求如下：

（1）高速行驶试验。在最高档下以140km/h 速度行驶30s。

（2）熄火浸置试验。在最高档下以140km/h 运行60min 后停车、熄火。

（3）最大扭矩转速工况。在II 档下使油门处于全开状态，发动机达到最大扭矩转速后维持30s。

（4）怠速试验。以60km/h 速度行驶20min 后，将汽车停在挡风墙前，使散热器的迎风面正对风向，发动机怠速运转。

（5）额定功率转速试验。在II 档下时油门处于全开状态，发动机转速达到额定功率转速后维持30s。

（6）模拟爬坡试验。选择坡度为8%的路段，以额定转速的70%爬坡。由负荷拖车提供等同于爬坡阻力的牵引力。牵引力F=0.08×汽车总重量。

上述各项试验结束后，将传感器采集的数据导出，做进一步分析。

1.3 传感器的选型

整车热平衡试验中使用到的传感器主要有5 种类型。其数量、量程、精度等基本信息如表1 所示。

表1 传感器型号及相关参数

（1）冷却液质量流量计可对流经该仪器的冷却液流量进行精准检测，计算机根据流量信号和温度调控需要，灵活调节阀门的开闭，让冷却液能够带走多余热量，维持热平衡。由于本次试验测试的是微型汽车发动机，冷却液管径较小，因此在流量计的选型上优先考虑管锥螺纹型流量计。安装方向与冷却液流动方向一致，并且保证流量计的管道口与两端冷却液管道口同轴水平，保证液体流动的平顺性，避免因为流体状态突变带来误差。（2）压力传感器用于监测散热器进出口的水压。（3）风压传感器用于监测散热器、冷凝器前后风压，发动机舱局部风压。（4）温度传感器布置在冷凝器、散热器和风扇的前方，每种设备的迎风面各布置2 台，用于采集表面温度。除此之外，在发动机舱内、发动机出水管道等处，也分别放置了温度传感器。（5）风速仪用于监测发动机舱、散热器的进气风速。

1.4 数据采集系统设计

对于传感器采集到的各类数据，暂时存储在数据采集卡中。由于数据来源不同，因此数据格式并不统一，数据采集卡除了暂存数据外，还能进行格式转换，将所有数据均转化成统一格式。在热平衡试验结束后，利用USB 数据线将所有数据导入到计算机中。为保证采集数据的精确、全面，基于LabVIEW 平台设计了数据采集系统，数据采集流程如图1 所示。

图1 数据采集系统的运行流程

系统显示页面可提供各项指标的实时参数，例如冷却液流量、冷却液出口温度等。支持手动输入数据采集和查询的起止时间；如果数据采集过程中出现错误，在“错误号”中查找原因。数据采集流程结束后，结束指示灯亮起，提醒试验人员及时终止系统程序。

2 微型汽车发动机整车热平衡试验结果分析

2.1 散热性能试验分析

在整车热平衡试验中，冷却系统的散热能力是展示试验结果的直观指标。其中，冷却液的温度是决定冷却系统散热能力的核心因素。在散热性能试验中，选取以下4 个评价指标，判断冷切系统的散热能力：（1）保证冷却液在冷却系统中顺畅、循环流动，保证发动机各个受热部件与冷却液之间进行稳定的热量交换，达到理想的散热效果。（2）水套与散热器的热交换面积必须满足散热要求，提供足够大的热交换面积。（3）合理设置节温器的开闭临界温度，并且能够在大、小循环之间自由切换，避免发动机过冷或过热的极端情况。（4）散热器的冷却空气量要足够。同时，结合上文中提到的试验内容，6种试验环境下冷却液的温度以不超过105℃为合格，试验结果如表2 所示。

表2 冷却系统性能考核标准

2.2 冷却系统的优化

为更好满足整车热平衡需要，结合上述试验结果，对汽车冷却系统提出以下两种优化建议：（1）提高车速风利用率。汽车在正常行驶时，将迎面风作为冷却风；当汽车怠速时，由冷却风扇提供冷却风。目前微型汽车的冷却系统对车速风的利用率不高，可通过改进冷却系统布置形式的方式提高对迎面风的利用率。例如使用分布式布置，相当于增加了散热器的面积，可以接收更多的迎面风。或者是适当增加进气格栅的开口面积，也能取得同样的效果。（2）提高进风系数。进风系数与散热器空气流量之间呈正比关系，在散热器与发动机前舱之间增加隔离密封装置，避免热空气回流。这样就能持续不断的从外界吸入冷风，既提高了进风系数，又增强了冷却效果。或者是调整风扇位置，使风扇能够始终对准散热器的芯部，提高冷却风的利用率。

3 结语

在汽车发动机的研发中，通过整车热平衡试验可以找到适合发动机运转的最佳温度区间，从而避免因为发动机过冷导致能耗增加或发动机过热导致烧毁的极端情况。在整车热平衡试验中，使用LabVIEW 平台调节变量，让发送机分别处于高速行驶、怠速、爬坡、熄火浸置等不同的运行工况，然后通过调节冷却系统的冷却液流量、压力，以及风速、风压等参数，利用风冷或水冷等方式与散热器完成热交换，带走多余热量，降低发动机温度，从而使汽车发动机平稳运行。