非均勻氣流與溫度分布對汽車空調(diào)性能的影響

郭凱 陳明 張小矛

（上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心）

非均勻氣流與溫度分布對汽車空調(diào)性能的影響

郭凱 陳明 張小矛

（上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心）

受低溫散熱器、中冷器等散熱元件布置位置的影響，流經(jīng)散熱元件的部分區(qū)域進風溫度會升高、流速會降低，從而使冷凝器外側(cè)風速和風溫形成非均勻的分布狀態(tài)。通過建立空調(diào)系統(tǒng)模型，從制冷量、排氣壓力、壓縮機功耗等方面對比分析了這種非均勻氣流與溫度分布對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，研究了風速、風溫、散熱元件布置位置等因素對空調(diào)性能的影響程度。

1 前言

通常，空調(diào)系統(tǒng)冷凝器布置在冷卻模塊的最前端，因此在進行前期仿真時一般采用均勻的進風風速和溫度作為邊界條件。文獻[1]～文獻[3]基于這種均勻流動來進行仿真原理和建模方法等方面的研究，但對于某些車型（如混合動力車型），冷凝器之前還會布置低溫散熱器或中冷器等散熱部件，當空氣流經(jīng)該散熱部件時會產(chǎn)生空氣溫度升高、流速降低的變化，從而在冷凝器表面形成非均勻的流動分布，對空調(diào)系統(tǒng)性能產(chǎn)生一定影響。為了研究這種前端布置形式對空調(diào)性能的影響程度，本文首先建立了均勻流動情況下的空調(diào)系統(tǒng)模型，并通過臺架試驗對模型的可靠性進行了驗證。基于該模型，研究了非均勻進風風速、進風溫度及前端散熱部件布置位置（居下、居中、居上）對空調(diào)系統(tǒng)制冷量、排氣壓力、壓縮機功耗等性能的影響規(guī)律，以期為空調(diào)系統(tǒng)和前端冷卻模塊的設(shè)計提供指導依據(jù)。

2 均勻流動空調(diào)模型

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置，建立了空調(diào)系統(tǒng)一維仿真模型，模型中包含壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和連接管路。

壓縮機為系統(tǒng)提供循環(huán)動力，其性能體現(xiàn)在容積效率、等熵效率和機械效率3方面。壓縮機效率通過單體性能試驗獲得，在模型中以map形式輸入壓縮機效率隨轉(zhuǎn)速和壓比的變化關(guān)系，模擬壓縮機性能。

膨脹閥根據(jù)蒸發(fā)器出口壓力和溫度控制針閥開度，進而控制通過蒸發(fā)器的制冷劑流量。模型中輸入膨脹閥的四象限特性曲線，包括感溫包壓力-溫度曲線、針閥開度-壓力曲線和制冷劑流量-針閥開度曲線。

冷凝器和蒸發(fā)器是空調(diào)系統(tǒng)中的兩個換熱元件，建模時基于其幾何形狀參數(shù)和性能試驗數(shù)據(jù)進行模擬。由于冷凝器和蒸發(fā)器的建模過程類似，此處僅介紹本文重點關(guān)注的冷凝器建模過程。冷凝器內(nèi)的制冷劑流通管路共由64個平行扁管組成，并分為4排，每一排管路中的扁管數(shù)目和制冷劑流動方向如圖1所示。制冷劑在進入第1排管路前為氣態(tài)，隨著冷凝過程的進行，制冷劑逐漸液化并處于氣液兩相混合狀態(tài)，經(jīng)過儲液器后，在第4排管路內(nèi)完全處于液態(tài)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)分布，對冷凝器模型進行單元離散，如圖2所示。基于冷凝器單體性能試驗環(huán)境，包括環(huán)境溫度、風速、制冷劑流量、壓力等，對模型的制冷量和壓降進行校核，調(diào)節(jié)模型中的換熱因子與壓降因子，使冷凝器單體的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致，然后將校核后的冷凝器加入系統(tǒng)模型中進行空調(diào)性能模擬。

3 均勻流動模型驗證

搭建空調(diào)系統(tǒng)臺架試驗裝置，系統(tǒng)布置如圖3所示。冷凝器和蒸發(fā)器布置在兩個環(huán)境室內(nèi)，環(huán)境室1模擬車輛外部自然環(huán)境，環(huán)境室2模擬車內(nèi)乘員艙環(huán)境，環(huán)境室可控制并提供恒定的風速（Vc，Ve）、溫度（Tc，Te）和相對濕度（rhe）條件，壓縮機由電機驅(qū)動且轉(zhuǎn)速可調(diào)，在管路中布置壓力傳感器（P1～P6）與溫度傳感器（T1～T6），流量計測量制冷劑在系統(tǒng)中的循環(huán)流量。根據(jù)壓力P3～P6、溫度T3～T6及制冷劑流量測量結(jié)果，可計算出蒸發(fā)器制冷量、冷凝器散熱量等換熱數(shù)值，以便與計算結(jié)果進行對比。

結(jié)合車輛試驗規(guī)范，選取4個典型工況進行模擬計算和臺架試驗，工況如表1所示。

表1 空調(diào)系統(tǒng)分析與試驗工況

通過運行仿真模型得到了表1所給的4個工況下空調(diào)系統(tǒng)運行的壓焓圖，如圖4所示。

提取模型中的制冷量、冷凝器散熱量、壓縮機進排氣壓力、制冷劑循環(huán)流量及壓縮機功率的計算結(jié)果，并與試驗值對比，得到系統(tǒng)模擬與試驗偏差如表2所示?？芍?，制冷量和散熱量的計算偏差在5%以內(nèi)，低速時誤差略大；制冷劑循環(huán)流量偏差較大，因為試驗中測得的流量為制冷劑和潤滑油的總流量，而模型中只計算制冷劑流量，但該項誤差并不影響制冷性能的計算。壓縮機功率與壓縮機效率的map數(shù)據(jù)相關(guān)，可通過調(diào)整壓縮機效率數(shù)據(jù)進一步提高計算精度。經(jīng)驗證，模型計算趨勢與試驗結(jié)果相同，關(guān)鍵參數(shù)的整體計算誤差在7%以內(nèi)，部分工況誤差在3%以內(nèi)，認為可以滿足對比分析需求。

表2 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果偏差 %

4 非均勻流動建模分析

4.1 非均勻風速與溫度的影響比較

以均勻流動模型為基礎(chǔ)，考慮在冷凝器前端布置其他散熱部件后產(chǎn)生的非均勻氣流和溫度分布對空調(diào)系統(tǒng)的影響，設(shè)置散熱部件的布置位置如圖5所示，當氣流流經(jīng)散熱部件后，被遮擋區(qū)域的風速下降，同時由于其散熱作用，被遮擋區(qū)域的風溫升高，因此，散熱部件對空調(diào)系統(tǒng)的影響分為風速降低和風溫升高兩個方面。

以工況2為例，比較風速和風溫的影響程度。散熱部件的散熱量為2～4 kW，則對應的進風溫度升高約30%～50%，比較風速降低30%～50%時兩者影響程度的大小。圖6a表示只考慮進風溫度升高50%后的冷凝器邊界設(shè)置，圖6b表示只考慮風速降低50%后的冷凝器邊界設(shè)置。運行模型后得到系統(tǒng)壓焓圖比較如圖7所示。與均勻流場結(jié)果相比，降低風速與升高風溫均使排氣壓力升高，過冷度降低，蒸發(fā)器前后焓差即制冷量減小，制冷性能降低。同時，風溫升高的影響程度高于風速降低的影響程度。

圖8表示風溫和風速對制冷量和壓縮機功耗的影響，與均勻流場相比，非均勻風速與風溫均使空調(diào)制冷量下降，且壓縮機功耗升高。當風溫升高50%時，制冷量降低15%，同時壓縮機功率升高12.6%；而當風速降低50%時，制冷量降低4.8%，壓縮機功率升高4.6%。因此風溫的影響程度更明顯，即空調(diào)系統(tǒng)性能受環(huán)境溫度的敏感度更高，環(huán)境風速的影響相對較小。對其他工況的分析顯示出相同趨勢。

4.2 散熱元件布置位置的影響比較

由于冷凝器內(nèi)部制冷劑產(chǎn)生從氣態(tài)到液態(tài)的相變過程，冷凝器表面的熱流密度也隨之變化，因此不同散熱部件布置位置會對空調(diào)性能產(chǎn)生不同程度的影響。比較研究散熱部件3種布置位置對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響程度，如圖9所示，分別稱之為“居下”、“居中”、“居上”位置。當散熱部件布置在居下位置時，遮擋第2、3、4排扁管，其中第4排內(nèi)為液態(tài)制冷劑；當位于居中位置時，遮擋第1、2排扁管（氣態(tài)制冷劑）；當位于居上位置時，遮擋第1排扁管（氣態(tài)制冷劑）。

按照表1所示的運行工況，設(shè)置散熱部件散熱量為3 kW，風速降低30%，以均勻流動模型為基準，分析散熱部件分別處于居下、居中、居上3種位置時非均勻流動對空調(diào)性能的影響。冷凝器外側(cè)出風溫度的變化云圖如圖10所示，可知被散熱部件遮擋區(qū)域的溫度明顯升高，處于居上位置時高低溫差別最大，分布最不均勻；居中與居上位置時最低溫度均對應第4排管路，且溫度相近；但當處于居下位置時，第3、4排管路對應的溫度明顯升高，甚至高于第1、2排的大部分區(qū)域，而第4排為制冷劑過冷區(qū)域，這種溫度分布將對過冷度產(chǎn)生嚴重影響，進而影響系統(tǒng)制冷性能。

圖11顯示了3種布置位置下的制冷量、過冷度、排氣壓力、壓縮機功率4項指標的變化情況。

由圖11可見，當散熱部件處于居下位置時，制冷量降低最多，因為此時冷凝器的第4排管路被遮擋，該段冷凝器處于過冷狀態(tài)，散熱部件的散熱作用使冷凝器出口過冷度明顯減小，蒸發(fā)器制冷量顯著降低，最高可達12.1%；而當位于居中和居上位置時，由于排氣壓力升高，使過冷度略有提高，制冷量降低1.1%～3.4%，降低程度較小。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，制冷量降低幅度有所降低，因為高轉(zhuǎn)速時對應壓縮機轉(zhuǎn)速高，系統(tǒng)制冷量較大，風速和風溫的影響程度被減弱。

無論散熱部件處于何種位置，系統(tǒng)排氣壓力均升高約15%左右，排氣壓力升高使壓縮機壓比增大，效率降低，功耗增大約10%。因此散熱部件的存在使空調(diào)系統(tǒng)功耗增加，對發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性造成一定影響。當散熱部件處于居中位置時，排氣壓力和壓縮機功率升高比例最大。

綜合制冷量和壓縮機功率的影響程度，居下位置時制冷量顯著降低，居中與居上位置對制冷量影響程度接近，而居上位置對系統(tǒng)排氣壓力和壓縮機功率的影響較小，因此，在冷凝器前端布置散熱元件時應盡量選擇居上位置，以減小對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。

5 結(jié)束語

a.冷凝器前端散熱部件的布置導致流經(jīng)冷凝器的風速和風溫為非均勻分布狀態(tài)，該狀態(tài)使空調(diào)系統(tǒng)制冷量降低、排氣壓力升高、壓縮機功耗增大。被散熱部件遮擋部分的風速降低和風溫升高是影響空調(diào)系統(tǒng)性能的兩個方面，其中風溫的影響程度高于風速。

b.冷凝器前端散熱部件的布置位置對空調(diào)系統(tǒng)的影響程度不同，當布置于居下位置時制冷量降低程度最大，對于文中所給的工況分析結(jié)果顯示制冷量最高降低12.1%；當布置于居中和居上位置時，對制冷量影響程度較小，約1.1%～3.4%。

c.冷凝器前端散熱部件的存在使空調(diào)系統(tǒng)排氣壓力升高15%左右，壓縮機功率升高10%左右，處于居上位置時對壓縮機功率和排氣壓力的影響相對較小。因此，為了減小冷凝器前端散熱部件對空調(diào)系統(tǒng)的綜合影響，散熱部件應盡量選擇布置在居上位置。

1 劉向農(nóng)，唐景春，吳寶志.基于Simulink的汽車空調(diào)穩(wěn)態(tài)仿真研究.流體機械，2003,31（z1）：318～321.

2 祁照崗，陳江平，陳芝久.汽車空調(diào)系統(tǒng)熱力性能仿真與驗證.系統(tǒng)仿真學報，2005,17（9）:2251～2254.

3 Shankar Natarajan,Sathish Kumar S,Ricardo Amaral,et al.1D Modeling of AC Refrigerant Loop and Vehicle Cabin to Simulate Soak and Cool Down.SAE Paper 2013-01-1502.

4 Andreas Kemle,Ralf Manski,Harald Riegel,et al.Reduc?tion of Fuel Consumption in Air Conditioning Systems.SAE Paper 2008-28-0025.

5 William Hill,Stella Papasavva.Life Cycle Analysis Frame?work;A Comparison of HFC-134a,HFC-134a Enhanced, HFC-152a,R744,R744 Enhanced,and R290 Automotive Refrigerant Systems.SAE Paper 2005-01-1511.

6 Luigi Orofino,Fabrizio Amante,Stefano Mola,et al.An Inte?grated Approach for Air Conditioning and Electrical System Impact on Vehicle Fuel Consumption and Performances Analysis:DrivEM 1.0.SAE Paper 2007-01-0762.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年2月1日。

通常只需要圖19中的這9個極限工況點即可完成驅(qū)動半軸長度設(shè)計，若擺角和位移工況點不在邊界曲線中部，而是距離某一側(cè)邊界過近或超出某一側(cè)邊界曲線，需要重新調(diào)整驅(qū)動軸長度，即調(diào)整移動三球銷節(jié)在差速器中心線上的位置。用同樣方法可以求出其他非極限工況的三球銷節(jié)擺角和位移，得到的曲線如圖20所示。工況越多，圖中點越密集。

采用同樣方法得到左驅(qū)動半軸移動節(jié)的擺角和位移如圖21所示。

某車型的擺角和位移計算結(jié)果如圖20和圖21所示。該車輛經(jīng)過底盤道路強化耐久試驗后，拆解驅(qū)動軸移動節(jié)可以看出，移動節(jié)滾道磨損痕跡位于滾道中間部位，與匹配設(shè)計完全一致。

5 結(jié)束語

根據(jù)懸架運動模型得出驅(qū)動軸移動節(jié)擺角-位移V形曲線，從而確定驅(qū)動軸長度的方法，是一種通用的匹配設(shè)計方法，其簡單、方便、準確，不僅適用于三球銷式移動節(jié)，對交叉槽式移動節(jié)、雙偏置式移動節(jié)以及其他型式的移動節(jié)同樣適用。根據(jù)移動節(jié)擺角-位移V形曲線，還可以指導驅(qū)動軸移動節(jié)選型，且構(gòu)成擺角-位移V形曲線的點與車輛實際運行工況容易對應。應用該設(shè)計方法在整車概念設(shè)計階段即可準確的設(shè)計驅(qū)動軸長度，避免了整車試驗階段的零件返工，縮短了零件開發(fā)周期。

參考文獻

1 石寶樞.三球銷式移動節(jié)結(jié)構(gòu)主參數(shù)的標準化與系列化設(shè)計.軸承，2008（12）：9～15.

2 石寶樞.雙偏置式等速移動節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計.軸承，2008（8）：6～11.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年2月1日。

Influences of Non-uniform Airflow and Temperature Distribution on Performance of Automotive Air Conditioning

Guo Kai,Chen Ming,Zhang Xiaomao
（SAIC Motor Technical Center）

Under the influence of layout position of some cooling components,such as low temperature radiator and intercooler,the inlet air temperature increases and the velocity decreases in part of the region of the cooling component that air flows through,so that the air velocity and temperature distribution outside the condenser are nonuniform.In this research,an air conditioning system model is established,and the influences of this non-uniform airflow and temperature distribution on performance of automotive air conditioning are analyzed and compared in term of cooling capacity,discharge pressure,and compressor power consumption,and the influences of airflow velocity,temperature and the cooling component layout on the air conditioning performance are studied.

Automotive air conditioning,Non-uniform air,Cooling capacity,Cooling component arrangement

汽車空調(diào) 非均勻氣流 制冷量 散熱元件布置

U463.85

A

1000-3703（2015）06-0035-05