整車除霜除霧影響因素研究

趙軍，張海燕，潘華

(蕪湖博耐爾汽車電器系統(tǒng)有限公司，安徽蕪湖241000)

由于受汽車內(nèi)部空間限制、模具、獨(dú)特性等要求，空氣處理系統(tǒng)的許多組件必須具有獨(dú)特性，特別是整車除霜/除霧系統(tǒng)，并且與整車的其他多個(gè)部件都有耦合關(guān)系。整車除霜除霧功能是安全考核項(xiàng)目，對(duì)整車的駕駛安全性能至關(guān)重要，設(shè)計(jì)中需要考慮的因素更多、更復(fù)雜，筆者將對(duì)此作詳細(xì)介紹。

1 除霜/除霧原理

如圖1所示，整車除霜除霧系統(tǒng)一般是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱水，通過空調(diào)系統(tǒng)的暖風(fēng)水箱，把空氣加熱成高溫的干空氣，然后從空調(diào)除霜風(fēng)口送出，通過整車的除霜風(fēng)道和出風(fēng)口，吹到擋風(fēng)玻璃和側(cè)玻璃后視鏡區(qū)域。通過熱空氣將玻璃加熱，融化掉霜層或利用干空氣將霧驅(qū)散掉。

2 除霜/除霧的影響因素

要想達(dá)到良好的除霜/除霧效果，整個(gè)除霜/除霧系統(tǒng)的組成零部件和相關(guān)影響因素都必須設(shè)計(jì)良好，運(yùn)行正常。下面，分別從冷卻系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)兩方面來(lái)分析一下對(duì)除霜除霧有影響的因素。

2.1 整車?yán)鋮s系統(tǒng)對(duì)除霜除霧的影響因素

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的影響

除霜除霧所需的熱風(fēng)熱量是來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)熱水的，因此熱水的水溫、流量發(fā)生變化時(shí)，暖風(fēng)水箱的換熱量就會(huì)變化，影響除霜出風(fēng)溫度。目前這個(gè)地方存在一個(gè)很難解決的問題，就是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的提高，其效率不斷提高，導(dǎo)致余熱下降，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升慢，水溫低。特別是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)問題更加明顯，導(dǎo)致除霜效果差。

現(xiàn)在低檔車一般是通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的控制，增加低溫時(shí)的供油量，以此迅速將水溫升高。但隨著排放指標(biāo)和節(jié)能環(huán)保的要求，這個(gè)方法已經(jīng)不適用于將來(lái)的新車型了。

比較高檔的汽車，一般可以增加燃油輔助加熱，蓄熱裝置或電加熱方式，以此來(lái)彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)熱量不足和升溫過慢的問題。另外還有通過加熱玻璃洗滌液的方式，直接用熱的洗滌液來(lái)融化掉玻璃表面的霜層，迅速除霜。

2.1.2 暖風(fēng)水箱水流量的影響

冷卻系統(tǒng)常見影響除霜除霧的因素是暖風(fēng)水箱的水流量問題，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，正常的車在進(jìn)行低溫除霜試驗(yàn)時(shí)，其暖風(fēng)水箱的進(jìn)出水溫差在7～10℃左右。一但水溫差異過大，則說(shuō)明通過暖風(fēng)水箱的熱水流量低，產(chǎn)生這個(gè)問題的原因一般有如下幾種:

(1)節(jié)溫器泄漏或失效;

(2)水泵有效揚(yáng)程不足;

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)部泄漏;

(4)小循環(huán)水路流阻過大、堵塞;

(5)發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液不足，水位過低;

(6)水路設(shè)計(jì)不好，分流不均。

另外水路排氣不好，暖風(fēng)水箱中存在空氣也會(huì)影響采暖效果。

這些問題一般比較容易發(fā)現(xiàn)，處理方法也比較成熟，在此就不繼續(xù)討論了，下面，著重分析一下除霜除霧裝置空氣系統(tǒng)的一些影響因素。

2.2 整車空氣系統(tǒng)對(duì)除霜除霧的影響

除霜/除霧狀態(tài)時(shí)，空調(diào)是調(diào)整到全暖外循環(huán)模式，風(fēng)量的要求是不一樣的，一般要求鼓風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)能保證除霜要求，而在低速運(yùn)行時(shí)能滿足除霧需求。常規(guī)轎車的推薦值為:鼓風(fēng)機(jī)高速擋，除霜模式下，出風(fēng)口的出風(fēng)量≥300 m3/h，出風(fēng)風(fēng)速為5 m/s左右;除霧模式下，出風(fēng)口的出風(fēng)量≥17 m3/h即可。

這個(gè)要求對(duì)于目前的汽車空調(diào)HVAC總成來(lái)說(shuō)很容易做到，現(xiàn)在的鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量在滿足噪音要求的情況下，基本都可以達(dá)到0 Pa背壓時(shí)，500 m3/h以上風(fēng)量。

而兩器也大量采用高效的層疊式或平行流式換熱器，厚度薄，風(fēng)阻小，全暖時(shí)的風(fēng)阻總和在200 Pa左右也基本都能達(dá)到，所以除霜風(fēng)量對(duì)于HVAC來(lái)說(shuō)是可以滿足的，在此就不論述了。

2.2.1 除霜風(fēng)道對(duì)除霜/除霧的影響

首先簡(jiǎn)單介紹一下整車的除霜風(fēng)道系統(tǒng)，如圖2所示。

從圖2可以看出，除霜風(fēng)道主要可以分成3部分:

1——中央除霜風(fēng)道:將風(fēng)導(dǎo)到前擋風(fēng)玻璃除霜出風(fēng)口;

2 /3——左/右側(cè)除霜風(fēng)道:將風(fēng)導(dǎo)到左/右側(cè)玻璃除霜出風(fēng)口。

由于車廂內(nèi)空間有限，而且風(fēng)道在儀表臺(tái)下方布置，要考慮避讓其他零部件和滿足安裝需求，基本上風(fēng)道就是哪里有空間就從哪里走，所以風(fēng)道經(jīng)常設(shè)計(jì)得外型彎曲，粗細(xì)不均。這樣就導(dǎo)致風(fēng)道的風(fēng)阻增大，氣流分配不均等問題，會(huì)使除霜出風(fēng)量減少，出風(fēng)不均勻，特別是側(cè)除霜風(fēng)量小，后視鏡區(qū)域難以除掉霜層或霧氣。

筆者曾經(jīng)遇到過這樣一個(gè)案例，某車廠設(shè)計(jì)的一款轎車，由于HVAC布置得稍微偏副駕側(cè)，所以中央除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)流片將大部分氣流導(dǎo)向主駕側(cè)，經(jīng)CFD模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)副駕側(cè)除霜效果很差，如圖3、4所示。

為了解決此問題，對(duì)此車的中央除霜風(fēng)道進(jìn)行了優(yōu)化整改工作，大致過程如下:

在原風(fēng)道導(dǎo)流片角度的基礎(chǔ)上，根據(jù)CFD計(jì)算的結(jié)果，依次調(diào)整各個(gè)導(dǎo)流片的角度，并導(dǎo)入CFD進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，最終從很多種優(yōu)化方案中得到一個(gè)效果比較理想的方案，其CFD模擬結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，此車的前擋風(fēng)玻璃主要除霜/除霧區(qū)域速度分布已大于0.6 m/s，有利于除霜效果的提高。并且在設(shè)計(jì)車輛的環(huán)模試驗(yàn)中，此車的除霜/除霧效果也可以順利通過試驗(yàn)要求。

2.2.2 除霜出風(fēng)口對(duì)除霜/除霧效果的影響

另外一個(gè)對(duì)除霜/除霧有重要影響的因素——出風(fēng)口布置和結(jié)構(gòu)，也是我們業(yè)內(nèi)比較難處理的一個(gè)問題。主要是出風(fēng)口布置是由整車內(nèi)飾儀表臺(tái)的造型決定，其大小和形狀要符合造型的整體需求。但它又對(duì)氣流的風(fēng)速、風(fēng)量和風(fēng)向起到很大的影響作用，所以必須要注意幾個(gè)原則性的設(shè)計(jì)要求，否則就會(huì)產(chǎn)生不好的影響。

下面介紹筆者搜集的一些汽車廠和設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，希望可以給相關(guān)設(shè)計(jì)人員一些參考，避免初期設(shè)計(jì)不當(dāng)，給后期帶來(lái)整改麻煩。

2.2.2.1 出風(fēng)口位置

除霜風(fēng)道出口與擋風(fēng)玻璃在水平方向平行，出風(fēng)口中心距前擋玻璃跟部 (擋風(fēng)玻璃和儀表盤交點(diǎn))的水平距離推薦值如圖7和表1所示。

表1 除霜出風(fēng)口位置與玻璃角度關(guān)系

2.2.2.2 出風(fēng)口形狀

出風(fēng)口形狀常見的主要有如圖8所示幾種形式。

圖8和圖9中的出風(fēng)口形式進(jìn)行組合，可以有多種不同的具體效果形式。具體形式的確定主要依賴于整車儀表臺(tái)下零部件的布置需要及儀表臺(tái)外觀設(shè)計(jì)要求而綜合確定的。

2.2.2.3 出風(fēng)口大小

除霜/除霧出風(fēng)口開口大小需要依據(jù)一定設(shè)計(jì)原則:開口過大，氣流速度過小，氣流發(fā)散，部分氣流將直接貼附儀表臺(tái)流向車廂內(nèi);開口過小，氣流速度過大，導(dǎo)致明顯的氣流噪音，影響整車舒適性。除霜出風(fēng)口大小可以通過除霜出風(fēng)量及出風(fēng)速度計(jì)算得到。

出風(fēng)口設(shè)計(jì)中需要注意以下問題:

(1)出風(fēng)口最小面積為90～116 cm2，縱向最短距離為1.8 cm;

(2)兩個(gè)格柵或支撐肋片之間的間距不得大于17.5 mm，以使硬幣不會(huì)落入風(fēng)道 (國(guó)外設(shè)計(jì)要求，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)僅作參考);

(3)格柵的作用不在于對(duì)除霜?dú)饬鲗?dǎo)流作用，它主要用于避免異物從除霜風(fēng)道出風(fēng)口掉入風(fēng)道內(nèi)，且格柵不能限制氣流的流動(dòng)，同時(shí)格柵的設(shè)計(jì)還要盡可能減小對(duì)氣流的紊亂度;

(4)格柵葉片的最厚部分的厚度不得大于2 mm，葉片底部 (面向氣流的面)的半徑不得超過0.5 mm，格柵葉片的厚度從底部向上遞增;

(5)儀表盤上的開口面積要略大于除霜出風(fēng)口的面積，且上邊緣需要作倒角處理，以防止除霜出風(fēng)口氣流的方向受其影響而發(fā)生改變。

2.2.2.4 除霜風(fēng)口氣流方向

除霜?dú)饬鞯姆较?，?duì)于整車除霜/除霧性能的影響是非常關(guān)鍵的。設(shè)計(jì)中必須保證從除霜/除霧風(fēng)道內(nèi)吹出來(lái)的熱氣流是吹向擋風(fēng)玻璃的要求除霜/除霧區(qū)域，而不是吹向其他地方。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮如下幾點(diǎn):

(1)除霜風(fēng)道的出風(fēng)不能直接吹入司機(jī)或乘客的眼睛;

(2)除霜風(fēng)道的設(shè)計(jì)應(yīng)保證除霜?dú)饬骶o貼擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面流動(dòng);

(3)為了避免擋風(fēng)玻璃因氣流沖擊力的作用而破碎，從出風(fēng)在玻璃上的噴射點(diǎn)到擋風(fēng)玻璃底部的最短距離為18 cm;

(4)保證有足夠的除霜?dú)饬鞔迪驌躏L(fēng)玻璃上雨刮器下部的區(qū)域，以避免該區(qū)域堆積過多的霜層;

(5)除霜/除霧風(fēng)道出風(fēng)口氣流方向與擋風(fēng)玻璃的夾角一般取值范圍為30～60°。在MVSS 103規(guī)范的氣流方向如圖10所示，氣流吹向擋風(fēng)玻璃“C”區(qū)的底部。依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，推薦除霜/除霧風(fēng)道出風(fēng)口氣流初始設(shè)計(jì)方向取30°～35°，后期可以通過CFD分析進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與調(diào)整。

2.2.2.5 側(cè)除霜/除霧風(fēng)口布置

除霜模式時(shí)，除霜/除霧風(fēng)道的左/右端應(yīng)引導(dǎo)熱氣流吹向側(cè)窗玻璃。除霜/霧出風(fēng)口的最佳位置是位于A柱區(qū)域或儀表臺(tái)的外側(cè)邊緣，如圖11所示;不宜將除霜/霧出口布置在側(cè)窗玻璃以下的門飾內(nèi)，因?yàn)檫@樣不能使氣流完全覆蓋整個(gè)側(cè)窗玻璃。

另外，如果側(cè)除霜/除霧出風(fēng)口布置在儀表臺(tái)上，則應(yīng)盡可能地布置在儀表臺(tái)的邊緣，以減小熱氣流的流通路徑。

3 結(jié)論

(1)筆者通過常年對(duì)整車除霜/除霧系統(tǒng)的問題研究，總結(jié)了一些常見的問題現(xiàn)象和產(chǎn)生原因，對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和處理問題可以起到一定的幫助作用。

(2)影響除霜/除霧的因素中，風(fēng)道和出風(fēng)口設(shè)計(jì)問題是比較重要而且難以處理的，一定要在設(shè)計(jì)初期充分利用CFD模擬計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，避免后期整改帶來(lái)的麻煩。

(3)從目前的整車技術(shù)水平發(fā)展來(lái)看，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱采暖除霜除霧設(shè)計(jì)存在弊端，新的除霜除霧安全裝置存在很大的需求空間。