商用車暖風(fēng)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)

韓殿熒，張凌露，宋偉（南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，南京210028）

商用車暖風(fēng)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)

韓殿熒，張凌露，宋偉
（南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，南京210028）

結(jié)合南京依維柯某款商用車改型開發(fā)項(xiàng)目，對暖風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，同時對技術(shù)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)。

商用車；暖風(fēng)系統(tǒng)；匹配設(shè)計(jì)

目前商用車正朝著專用化和市場區(qū)域化方向發(fā)展，其中根據(jù)發(fā)動機(jī)性能和成本差異，同款車配備不同型號的發(fā)動機(jī)，就非常有代表性。針對不同型號的發(fā)動機(jī)，對暖風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配，是暖風(fēng)設(shè)計(jì)人員必須掌握的設(shè)計(jì)技能。暖風(fēng)效果好壞對整車的舒適性影響很大。本公司某款17座輕型客車選用滿足排放法規(guī)的F型發(fā)動機(jī)。通過性能參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)F型發(fā)動機(jī)工作水溫比原型車選用的S型發(fā)動機(jī)工作水溫低約11℃，兩款發(fā)動機(jī)的水套容量及水泵功率基本相同。發(fā)動機(jī)水溫特性對于利用發(fā)動機(jī)余熱的非獨(dú)立式暖風(fēng)系統(tǒng)而言，對暖風(fēng)性能起著至關(guān)重要的作用。按設(shè)計(jì)原則，首先應(yīng)確保暖風(fēng)性能；其次要有效地控制成本；再次要考慮市場的差異性及特殊需求。因此，暖風(fēng)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)面臨著諸多困難與挑戰(zhàn)。本文以對F型發(fā)動機(jī)被選用后，暖風(fēng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)為實(shí)例進(jìn)行介紹。

1　防凍液余熱式暖風(fēng)系統(tǒng)性能提升

1.1暖風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)

原型車采用防凍液余熱式暖風(fēng)系統(tǒng)。暖風(fēng)系統(tǒng)由5 kW前暖風(fēng)串聯(lián)4 kW后暖風(fēng)的方式構(gòu)成。其中前暖風(fēng)與空調(diào)制冷模塊集成在一起，布置于儀表板下方；后暖風(fēng)布置在乘客區(qū)第一排雙人座椅與第二排雙人座椅之間。

為盡量控制開發(fā)成本和了解原型車暖風(fēng)系統(tǒng)與F型發(fā)動機(jī)匹配的實(shí)際情況，對現(xiàn)暖風(fēng)系統(tǒng)不進(jìn)行任何調(diào)整，參照GB/T 12782-2007《汽車采暖性能要求和試驗(yàn)方法》［1］，進(jìn)行原型車和改型車暖風(fēng)性能摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1（試驗(yàn)環(huán)境溫度是-15℃）。

表1　采暖摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對比

由上面數(shù)據(jù)可知，原型車的暖風(fēng)性能是能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的；改型車采用F型發(fā)動機(jī)配暖風(fēng)系統(tǒng)，暖風(fēng)性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其是乘員腳部平均溫度比標(biāo)準(zhǔn)及原型車明顯偏低。

1.2原因分析

1）冷負(fù)荷計(jì)算。通常用車身冷負(fù)荷來確定采暖系統(tǒng)的放熱功率。由于理論計(jì)算過于復(fù)雜和不確定因素較多，在實(shí)際應(yīng)用中一般按下式［2］計(jì)算冬天穩(wěn)定狀態(tài)下的車身冷負(fù)荷：功率Pe=500×n（W），式中：n為額定乘員數(shù)。

車身冷負(fù)荷主要由從車身鈑金熱傳導(dǎo)傳出的熱量、從玻璃傳出的熱量、由于新風(fēng)的進(jìn)入等需補(bǔ)償?shù)臒崃咳糠謽?gòu)成［3-4］。計(jì)算時設(shè)定如下條件：外部氣溫-15℃，車內(nèi)溫度希望控制在16℃。目前此車型額定乘員數(shù)是17人，那么對暖風(fēng)系統(tǒng)的理論放熱功率要求是Pe=500 n=500×17=8.5 kW，即冷負(fù)荷功率是8.5 kW。

2）造成性能不足的原因。影響暖風(fēng)性能的因素主要有整車密封隔熱性、發(fā)動機(jī)水溫特性、發(fā)動機(jī)防凍液流量、暖風(fēng)系統(tǒng)放熱功率、暖風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)。因原型車的暖風(fēng)性能是能達(dá)標(biāo)的，改型車的整車密封隔熱性、暖風(fēng)系統(tǒng)額定放熱功率、暖風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)與原型車均相同，只是改型車的F型發(fā)動機(jī)的水溫特性與原型車的S型發(fā)動機(jī)不同，所以影響改型車暖風(fēng)性能的最主要因素是發(fā)動機(jī)水溫特性。通過發(fā)動機(jī)水溫曲線可知，改型車發(fā)動機(jī)水溫最高只有68℃，平均水溫約63℃；另可知暖風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)氣溫度在10℃左右。因此，進(jìn)水與進(jìn)氣溫差約為63℃-10℃=53℃，明顯低于設(shè)計(jì)狀態(tài)下進(jìn)水與進(jìn)氣溫差（65℃）。而進(jìn)水與進(jìn)氣溫差是影響暖風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際功率的最直接因素。經(jīng)計(jì)算，實(shí)際暖風(fēng)性能只發(fā)揮出額定功率的81%。因此，暖風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際所發(fā)揮出的功率低于額定功率，從而致使改型車（摸底試驗(yàn)）的暖風(fēng)性能不及原型車。

3）提升方向。前暖風(fēng)主要控制駕駛員區(qū)域的溫度，后暖風(fēng)主要控制乘員區(qū)域的溫度。通過摸底試驗(yàn)可知，改型車駕駛員腳部溫度基本能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，乘員腳部平均溫度與標(biāo)準(zhǔn)和原型車相差較多。雖然提高發(fā)動機(jī)水溫是提升暖風(fēng)性能最直接的措施，但因發(fā)動機(jī)水溫是發(fā)動機(jī)固有的特性，從技術(shù)角度很難進(jìn)行調(diào)整，即使能調(diào)整，但成本很高，周期過長?；谠O(shè)計(jì)原則，要考慮開發(fā)成本及零部件的通用化。因此，為補(bǔ)償因水溫低而未發(fā)揮出的放熱功率，可通過加大后暖風(fēng)的放熱功率，優(yōu)化風(fēng)量與吹風(fēng)方向來提升暖風(fēng)性能［5］。

1.3提升方案

前面已計(jì)算出暖風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際功率只發(fā)揮出設(shè)計(jì)額定功率的81%，設(shè)計(jì)狀態(tài)額定功率是9 kW，那么，實(shí)際功率就是7.3 kW，比額定功率低了1.2 kW。因前暖風(fēng)與蒸發(fā)器集成在一起，位于儀表板下方，如增大前暖風(fēng)功率，需對前空調(diào)總成進(jìn)行大幅度修改。經(jīng)分析，不具備可行性；且由于駕駛區(qū)采暖溫度已滿足要求，因此也沒有必要。所以只能增大后暖風(fēng)的額定功率，把其功率由4 kW增大到6 kW，同時增大風(fēng)量與優(yōu)化吹風(fēng)方向。

提升后暖風(fēng)功率，暖風(fēng)系統(tǒng)為乘客區(qū)提供了更多的熱量，會提升乘客區(qū)溫度。后暖風(fēng)風(fēng)量的增加，會加快乘客區(qū)氣流循環(huán)速度，進(jìn)而提高乘客區(qū)溫升速度。通過改變后暖風(fēng)的吹風(fēng)方向，使氣流從乘客區(qū)前面吹向后面，可實(shí)現(xiàn)乘客區(qū)內(nèi)的氣流循環(huán)更為順暢，進(jìn)而均勻乘客區(qū)前后排溫度分布［6］。

1.4提升情況驗(yàn)證

實(shí)施提升方案后，改型車在環(huán)境溫度-15℃條件下，駕駛員腳部平均溫度為15.6℃，乘員腳部平均溫度為12.7℃，效果較好，明顯優(yōu)于之前的性能，與原型車相當(dāng)，完全能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

發(fā)動機(jī)水溫曲線對比見圖1（環(huán)境溫度-15℃）。通過水溫曲線可知，后暖風(fēng)的功率加大后，發(fā)動機(jī)水溫雖有所降低，但最小值仍高于55℃，對發(fā)動機(jī)的使用壽命影響不大。

綜上所述，通過加大后暖風(fēng)的功率和優(yōu)化后暖風(fēng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)暖風(fēng)效果明顯提升，溫度分布均勻性及溫升速度也得到顯著提高，能優(yōu)于原型車，完全能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2　綜合式暖風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于原型車在東北地區(qū)冬季使用時，部分用戶對暖風(fēng)性能不足存在一定抱怨。針對此市場需求，結(jié)合改型車項(xiàng)目，需開發(fā)針對東北市場的綜合式暖風(fēng)系統(tǒng)。

2.1東北冬季冷負(fù)荷計(jì)算

結(jié)合車輛在東北冬季的具體使用環(huán)境溫度，選定-25℃作為理論計(jì)算的環(huán)境溫度，仍設(shè)定車廂內(nèi)采暖預(yù)期所達(dá)到溫度為16℃。同樣可推導(dǎo)出，車身冷負(fù)荷功率Pe=650 n=650×17=11.05 kW。顯然，環(huán)境溫度-25℃時的車身冷負(fù)荷功率比環(huán)境溫度-15℃時大2.55 kW。因此，在環(huán)境溫度低于-15℃時，暖風(fēng)性能不足，用戶會存在抱怨。

2.2綜合式暖風(fēng)系統(tǒng)方案

因不能無限制地增大后暖風(fēng)的功率；通過調(diào)整發(fā)動機(jī)自身的方式來提升水溫的方案前面已經(jīng)分析過，其技術(shù)難度大、成本高、周期長，不具備實(shí)施可行性。因此，只能通過外圍輔助加熱設(shè)備，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行加熱，從而提升水溫，增大暖風(fēng)系統(tǒng)的熱量供應(yīng)，使水溫保持在75℃左右，同時使暖風(fēng)系統(tǒng)的額定放熱功率達(dá)到11kW。

具體思路是在前述改型車提升方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)余熱式暖風(fēng)系統(tǒng)與獨(dú)立燃油暖風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的綜合式暖風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)組成見圖2。通過使用獨(dú)立燃油暖風(fēng)加熱器，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行輔助加熱，使水溫達(dá)到75℃左右。這樣進(jìn)水與進(jìn)氣之間的溫差就能達(dá)到65℃左右，如此就能保證暖風(fēng)系統(tǒng)的額定放熱功率100%地發(fā)揮出來［7］。

2.3獨(dú)立加熱器功率需求計(jì)算

車內(nèi)采暖功率Pe由兩部分組成，即Pe=Ph+Pen。

式中，Pe也就是車身冷負(fù)荷功率，前面已推導(dǎo)出在環(huán)境溫度-25℃時，Pe=11.05 kW；Ph是獨(dú)立燃油暖風(fēng)加熱器放熱功率；Pen是發(fā)動機(jī)工作時，單位時間內(nèi)傳遞給暖風(fēng)系統(tǒng)防冷卻液的熱量。

通過查詢此改型車所搭載發(fā)動機(jī)的參數(shù)，并通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，可知Pen≈7 kW。因此，Ph=Pe-Pen=4.05 kW。根據(jù)現(xiàn)有資源，選定使用放熱功率為5 kW的獨(dú)立燃油暖風(fēng)加熱器。

2.4效果驗(yàn)證

在環(huán)境溫度為-25℃時，溫度提升效果見表2；發(fā)動機(jī)水溫對比見圖3。

表2　改型車綜合式暖風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)效果

通過對比可知，改型車使用了綜合式暖風(fēng)系統(tǒng)后，暖風(fēng)性能明顯優(yōu)于摸底試驗(yàn)時的性能，尤其是乘員腳部平均溫度提升更為明顯。

通過水溫曲線可知，改型車（綜合式暖風(fēng)）發(fā)動機(jī)水溫曲線明顯高于改型車（摸底試驗(yàn)）?？梢姫?dú)立燃油暖風(fēng)加熱器在為整車采暖做出貢獻(xiàn)的同時，也提高了發(fā)動機(jī)水溫。

3　結(jié)束語

對于非獨(dú)立燃油暖風(fēng)系統(tǒng)而言，影響暖風(fēng)系統(tǒng)的主要因素是發(fā)動機(jī)水溫特性及暖風(fēng)系統(tǒng)的額定放熱功率，而發(fā)動機(jī)水溫特性是發(fā)動機(jī)自身的固有參數(shù)。一般情況下，難以進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整暖風(fēng)系統(tǒng)的額定放熱功率的同時，要充分考慮對發(fā)動機(jī)水溫的影響，不能無限地提高暖風(fēng)系統(tǒng)的額定放熱功率。把非獨(dú)立暖風(fēng)系統(tǒng)和獨(dú)立暖風(fēng)系統(tǒng)有效地結(jié)合起來的綜合暖風(fēng)系統(tǒng)，既能解決整車乘員采暖問題，又能對提高整車?yán)鋯有浴⒔档桶l(fā)動機(jī)磨損、提高除霜除霧性能起到顯著的作用。在設(shè)計(jì)時，需特別注意暖風(fēng)系統(tǒng)各部件接口結(jié)構(gòu)、布置方式等具體細(xì)節(jié)。

；

［1］GB/T 12782-2007，汽車采暖性能要求和試驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［2］趙書明.客車采暖系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.城市車輛，2009，（6）：56-59.

［3］胡運(yùn)學(xué).客車采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型［C］.2005年中國客車學(xué)術(shù)年會論文集，2005.

［4］劉彬，梁虹，陳研，等.發(fā)動機(jī)余熱回收技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2011，（2）：93-96.

［5］周慶輝，紀(jì)威，王奪.汽車空調(diào)暖風(fēng)機(jī)熱交換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2010，（2）：156-160.

［6］范敬槐，沈之雄.大客車液體加熱器安裝要點(diǎn)［J］.客車技術(shù)與研究，2001，23（2）：28-29.

［7］李恒.車載暖氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝［J］.客車技術(shù)與研究，2003，25（6）：21.

修改稿日期：2015-04-06

Match and Design on Heating Equipmentof CommercialVehicle

Han Dianying，Zhang Linglu，SongWei
（Production Engineering Department，NAEVCO Ltd，Nanjing 210028，China）

Based on themodification developmentofa commercial vehicle of NAVECO，the authorsmatch and design the heating system，atthesame time they testand verify the techniqueprogram，and finally they achieve the desired performance targets.

commercial vehicle；heating system；match and design

U464.333

B

1006-3331（2015）05-0034-03

韓殿熒（1984-），男，工程師；技術(shù)主管；研究方向：汽車空調(diào)制冷與采暖。