某輕型客車采暖系統(tǒng)邊界條件的研究

呂永樓，張炳力，曹皇親，鐘 凌

Lü Yonglou1，Zhang Bingli1，Cao Huangqin2，Zhong Ling2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽江淮汽車技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

0 前 言

汽車采暖系統(tǒng)[1]是汽車冬季運(yùn)行時供車內(nèi)采暖的設(shè)備總稱，通過將車外新鮮空氣或者液體介質(zhì)送入熱交換器，吸收其中某種熱源的熱量，從而提高空氣或者液體介質(zhì)的溫度，并將熱空氣或被加熱的液體送入車內(nèi)，直接或間接地供車內(nèi)人員取暖、車窗玻璃除霜，從而達(dá)到舒適性的要求。冬季里，為了提高車輛采暖性能，很多車輛不得不通過添加輔助裝置來增強(qiáng)采暖性能，這些裝置雖能提高車輛采暖效果，但增加了能源消耗，增加成本的同時也加劇了對環(huán)境的污染[2]。在發(fā)動機(jī)工作過程中，有 15%～30%[3]的能量被冷卻液帶走，如果車輛采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理[4]，能夠充分利用這部分能量，可以很好地提高車輛采暖性能。

針對某輕型客車在寒冷環(huán)境中采暖性能不達(dá)標(biāo)的問題，根據(jù)該款樣車寒帶試驗數(shù)據(jù)和采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，從能量方面對其滿足采暖性能的邊界條件進(jìn)行了理論分析。針對分析結(jié)果，對該輕型客車采暖系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，最后通過環(huán)境艙采暖試驗，驗證了優(yōu)化方案是可行的。

1 樣車采暖系統(tǒng)分析

1.1 車輛采暖性能國標(biāo)要求

按照國標(biāo)GB/T 12782—2007[5]要求，在環(huán)境溫度（-25±3）℃下試驗進(jìn)行至40 min時，汽車采暖性能應(yīng)達(dá)到以下要求：1）駕駛員、副駕駛員足部溫度不低于15℃；2）乘員足部溫度不小于12℃；3）駕駛員、副駕駛員頭部溫度比足部溫度低2～5℃。按照此標(biāo)準(zhǔn)要求，該款樣車在開啟外循環(huán)、吹腳—除霜模式下冷啟動至穩(wěn)定工況40 min后，駕駛員頭部和足部溫度要分別達(dá)到12℃和15℃，乘員頭部和足部溫度要分別達(dá)到10℃和12℃。

1.2 車輛寒帶采暖試驗數(shù)據(jù)采集

該輕型客車?yán)鋮s系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]如圖1所示，主要由發(fā)動機(jī)，節(jié)溫器，水泵，散熱器，前、后暖風(fēng)換熱器和機(jī)油濾清器等組成，前、后暖風(fēng)換熱器串聯(lián)在同一管路中，從發(fā)動機(jī)流出的冷卻液先流進(jìn)前暖風(fēng)換熱器，流出后經(jīng)過機(jī)油濾清器再流進(jìn)后暖風(fēng)換熱器。

按照國標(biāo)GB/T 12782—2007要求，該輕型客車在采暖標(biāo)定工況（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 250 r/min、變速器為直接擋、車速60 km/h）并且試驗時車內(nèi)乘坐3人條件下，發(fā)動機(jī)冷啟動至標(biāo)定工況穩(wěn)定后，測得40 min時流經(jīng)暖風(fēng)換熱器冷卻液流量為7.24 L/min，車內(nèi)各測溫點溫度如圖2雷達(dá)圖所示。

通過圖 2可以看出，在寒冷環(huán)境中，該輕型客車車廂內(nèi)各測溫點溫度普遍偏低，車廂內(nèi)駕駛員足部位置溫度最高，為7.3℃，第4排左邊乘客足部位置溫度最低，為-4.8℃，車內(nèi)平均溫度為0.7℃，低于采暖標(biāo)準(zhǔn)要求，采暖性能不達(dá)標(biāo)。

1.3 車輛采暖供給熱量分析

提取部分試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行供給熱量理論計算，部分試驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果如表1所示。

前、后暖風(fēng)換熱器空氣側(cè)換熱量計算：

其中，Q為換熱量，kW；Cp為空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；M為經(jīng)過暖風(fēng)換熱器的空氣流量，kg/s；tin、tout分別為流進(jìn)、流出暖風(fēng)換熱器的空氣溫度，℃。采暖試驗開啟外循環(huán)、吹腳—除霜模式，前暖風(fēng)換熱器空氣側(cè)進(jìn)氣溫度為環(huán)境溫度，后暖風(fēng)換熱器布置在車內(nèi)第4排座椅下面，鼓風(fēng)機(jī)把車廂內(nèi)空氣送入換熱器，進(jìn)氣溫度近似為車廂內(nèi)平均溫度。按照式（1）計算得前、后暖風(fēng)換熱器換熱總量為10.1 kW。車輛采暖、除霜需求的熱量通過暖風(fēng)芯體空氣側(cè)的換熱量提供，所以該輕型客車采暖系統(tǒng)向車廂內(nèi)提供的總熱量為10.1 kW。

1.4 車輛采暖需求熱量分析

車輛采暖需求熱量[7]包括維持車身結(jié)構(gòu)散熱量Qh、冷空氣滲透耗熱量Qe和除霜耗熱量Qs3部分，其中維持車身結(jié)構(gòu)散熱量Qh包括車身頂部換熱量Qa、玻璃門、窗換熱量Qb、車身側(cè)部換熱量Qc和車內(nèi)地板換熱量Qd，各部分能量計算式如下：

車身頂部換熱量：

其中，Ka為車身頂部傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；Aa為車身頂部傳熱面積，m2；ΔT為車內(nèi)外空氣溫差，℃。其中車身頂部傳熱系數(shù)Ka為

其中，a1為車內(nèi)空氣對頂部的傳熱系數(shù)，車內(nèi)空氣流速較低，一般小于3 m/s，可取為常數(shù)29 W/（m2·k）；a0為車外空氣對頂部的傳熱系數(shù)，W（/m2·k）；為車頂圍護(hù)材料隔熱層導(dǎo)熱熱阻。

玻璃門、窗換熱量：

其中，Kb為玻璃門、窗傳熱系數(shù)，一般取為6.4 W /（m2·k）；Ab為玻璃門、窗總的傳熱面積，m2。

車身側(cè)部換熱量：

其中，Kc為車身側(cè)部傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；Ac為車身側(cè)部總的傳熱面積，m2。

車內(nèi)地板換熱量：

其中，Kd為車內(nèi)地板傳熱系數(shù)，W /（m2·k）；Ad為車內(nèi)地板總的傳熱面積，m2。

冷空氣滲透耗熱量：

其中，Qe為冷空氣滲透耗熱量，kW；M為漏風(fēng)量，kg/h；CP為空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；t2、t1分別為車內(nèi)外的溫度，℃。其中通過縫隙進(jìn)入車內(nèi)的通風(fēng)量M為

其中，a′為與縫隙有關(guān)的系數(shù)，車門處取2，玻璃門處取 0.65，車廂其他縫隙處取 2；m1為通過每米縫隙長的空氣滲漏量，kg/(m·h)，此值與風(fēng)速有關(guān)：當(dāng)風(fēng)速大于2.56 m/s時，取m1=15～30 kg/(m·h)；當(dāng)風(fēng)速小于 2.56 m/s時，取m1=3～15 kg/(m·h)；L為縫隙長度，m；對于空調(diào)汽車車廂而言，一般取縫隙長度為門窗縫隙長度的 10%～12%[8]。

車輛采暖時，有一部分熱量用于擋風(fēng)玻璃除霜，按照除霜熱量理論計算出用于擋風(fēng)玻璃除霜的耗熱量為

其中，Gf為用于擋風(fēng)玻璃除霜的風(fēng)量，m3/h；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；ΔT為車內(nèi)外空氣溫差，℃。

結(jié)合該輕型客車車身結(jié)構(gòu)特點和采暖試驗工況，計算出該輕型客車滿足采暖性能時各部分需求熱量，如表2所示。

表2 該輕型客車采暖除霜各部分需求熱量（kW）

由表 2可知，為滿足該輕型客車采暖需求，采暖系統(tǒng)至少需要向車內(nèi)提供15.2 kW的能量。

2 采暖系統(tǒng)邊界條件分析

2.1 邊界條件計算理論

水暖式采暖系統(tǒng)在車輛采暖過程中，通過暖風(fēng)換熱器把從發(fā)動機(jī)流出的一部分高溫冷卻液的熱量傳遞給冷空氣，并通過鼓風(fēng)機(jī)將加熱的空氣送到車廂內(nèi)進(jìn)行采暖，用以提高車廂內(nèi)的溫度。在求解車輛采暖系統(tǒng)采暖邊界條件時，可通過聯(lián)解暖風(fēng)換熱器傳熱方程和熱平衡方程來求得相應(yīng)的邊界流量和溫度值。

暖風(fēng)換熱器的傳熱方程為

其中，hw為水側(cè)的傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；ha為空氣側(cè)的傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；Fw為水側(cè)的傳熱面積，m2；Fa為空氣側(cè)傳熱面積，m2；Δtm為換熱器進(jìn)出口的對數(shù)平均溫差，℃，其表達(dá)式為

其中，tw、ta分別表示水側(cè)和空氣側(cè)的溫度；下標(biāo)1和2分別表示進(jìn)口和出口。

暖風(fēng)換熱器的熱平衡方程式為

其中：qmw為冷卻液質(zhì)量流量，kg/s；qma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；Cpa為空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；Cpw為冷卻液比熱容，kJ/（kg·℃）。

2.2 確定邊界條件計算參數(shù)值

在暖風(fēng)換熱器正常工作過程中，冷卻液經(jīng)過暖風(fēng)換熱器后溫差變化范圍為 5～16℃，從該輕型客車多組寒帶采暖試驗數(shù)據(jù)顯示：前暖風(fēng)換熱器進(jìn)出水口冷卻液溫差接近12℃，后暖風(fēng)換熱器進(jìn)出水口冷卻液溫差接近 6℃。為簡化計算，取前、后暖風(fēng)換熱器進(jìn)出水口冷卻液溫差分別為12℃和6℃。

該輕型客車在整個采暖過程中，前、后暖風(fēng)換熱器的換熱量之比約為11：9，計算時設(shè)前、后暖風(fēng)換熱器換熱量為總需求熱量的55%和45%，圖 3為該輕型客車在多次寒帶采暖試驗時前、后暖風(fēng)換熱器換熱量對比。

該輕型客車的其他性能參數(shù)如下：hw=29 232 W/（m2·k），ha=26 309 W/（m2·k），前暖風(fēng)換熱器Fa=0.289 m2，F(xiàn)w=1.74 m2，qma=0.134 kg/s，ta1=-25℃；后暖風(fēng)換熱器Fa=0.315 m2，F(xiàn)w=1.79 m2；qma=0.101 kg/s，ta2=18℃。

2.3 邊界條件計算結(jié)果

結(jié)合以上參數(shù)，聯(lián)解方程（2）、（3）、（4）、（5），分別得到流經(jīng)前、后暖風(fēng)換熱器的冷卻液的邊界流量qw1、qw2和進(jìn)水口溫度T1、T2，如表3所示。通過表 3可以看出，該輕型客車采暖系統(tǒng)在不更換任何部件情況下滿足采暖性能的邊界條件為：前暖風(fēng)冷卻液流量qw1＞11.05 L/min，后暖風(fēng)冷卻液流量qw2＞9.04 L/min，發(fā)動機(jī)出水口溫度T＞73.13℃。

表3 邊界條件計算結(jié)果

3 采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過邊界條件分析可知，該輕型客車原來的采暖系統(tǒng)中，暖風(fēng)換熱器因串聯(lián)結(jié)構(gòu)，使經(jīng)過后暖風(fēng)換熱器冷卻液的溫度偏低，換熱量相應(yīng)地變?。煌瑫r串聯(lián)結(jié)構(gòu)使采暖系統(tǒng)管路過長，導(dǎo)致系統(tǒng)冷卻液流量變小。因此，需要對該輕型客車采暖系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足采暖性能需求。

針對原采暖系統(tǒng)采暖性能不達(dá)標(biāo)的問題，在不更換發(fā)動機(jī)、不增加輔助加熱裝置的前提下，將原來采暖系統(tǒng)的暖風(fēng)換熱器串聯(lián)結(jié)構(gòu)改為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 4所示，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行相關(guān)分析后，在發(fā)動機(jī)缸蓋上優(yōu)選了一個取水口，供后暖風(fēng)換熱器用，使前、后暖風(fēng)換熱器并聯(lián)，這樣既可以提高后暖風(fēng)換熱器的冷卻液溫度，同時由于系統(tǒng)阻力減小，又增大了 2條采暖管路中冷卻液的流量，使供給熱量增大。

4 整車環(huán)境艙采暖試驗

按照優(yōu)化方案，將該輕型客車采暖系統(tǒng)暖風(fēng)換熱器改為并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，按照采暖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行環(huán)境艙采暖試驗。各試驗儀器和傳感器布置好后，將整車送入環(huán)境艙中冷凍，使車輛與環(huán)境艙溫度相同，然后進(jìn)行采暖試驗，如圖 5所示，環(huán)境艙內(nèi)溫度為-25℃。

環(huán)境艙中車輛發(fā)動機(jī)冷啟動至標(biāo)定工況穩(wěn)定后，采集40 min時流經(jīng)前、后暖風(fēng)換熱器的冷卻液流量分別為11.7 L/min和10.1 L/min，車內(nèi)各測溫點溫度如圖6雷達(dá)圖所示。

通過圖 6可以看出，車內(nèi)各測溫點溫度高于標(biāo)注要求，車內(nèi)測溫點最高溫度為 22.9℃，測溫點最低溫度為12.2℃，滿足了車輛采暖性能要求。

為了進(jìn)一步驗證優(yōu)化后的采暖效果，提取部分試驗數(shù)據(jù)按公式（1）進(jìn)行理論計算，部分試驗數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化后的采暖系統(tǒng)在環(huán)境艙中部分試驗數(shù)據(jù)

通過表 4可以看出：優(yōu)化后的采暖系統(tǒng)在采暖標(biāo)定工況40 min時，前、后暖風(fēng)換熱器換熱總量為 15.3 kW，即向車廂內(nèi)提供的總熱量為 15.3 kW。同時，流經(jīng)前、后暖風(fēng)換熱器的冷卻液流量比優(yōu)化前分別提高了4.46 L/min與2.86 L/min，滿足該輕型客車采暖需求時采暖系統(tǒng)的邊界條件值，并驗證了優(yōu)化后的采暖系統(tǒng)能夠滿足該輕型客車在寒冷環(huán)境中的采暖需求。

5 結(jié) 論

針對某輕型客車在寒冷環(huán)境中采暖性能不達(dá)標(biāo)的問題，詳細(xì)分析了該款樣車在寒帶采暖時系統(tǒng)的供給熱量、滿足采暖性能的需求熱量及邊界條件值，總結(jié)了在寒冷環(huán)境中采暖性能不達(dá)標(biāo)的原因，并提出了采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案。通過環(huán)境艙試驗驗證了優(yōu)化后的該輕型客車采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加合理，能夠滿足整車采暖國標(biāo)要求，車內(nèi)溫度提升明顯，同時說明了這種采暖系統(tǒng)邊界條件計算方法的可行性。

[1]劉占峰，宋力，趙丹平.汽車空調(diào)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[2]毛華永，李國祥，王偉，等.車用燃油加熱器燃燒性能的實驗研究[J].汽車工程，2006，28（12）：1137-1138.

[3]Uhl Bemhard，Brotz Friedrich，F(xiàn)anser Jrgen，et al.Development of Engine Cooling System by Coupling CFD Simulation and Heat Exchanger Analysis Programs[C].SAE Paper 2001-01-1695.

[4 ]葉茂盛.通過熱平衡試驗探討冷卻系統(tǒng)的設(shè)計改善[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，（30）：26-32.

[5]GB/T 12782-2007汽車采暖性能要求和實驗方法[S].

[6]羊拯民，高玉華.汽車車身設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[7]張萬里.大客車采暖系統(tǒng)的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[8]陳家瑞，張建文.汽車構(gòu)造第2版（上冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.