汽車空調(diào)低成本開發(fā)基本思路和體系構(gòu)建

錢銳，盧剛，孟祥軍

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

汽車空調(diào)低成本開發(fā)基本思路和體系構(gòu)建

錢銳*，盧剛，孟祥軍

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

在整車開發(fā)過程中，汽車空調(diào)的開發(fā)成本由于大量整車試驗(yàn)而居高不下。本文從開發(fā)前期、試驗(yàn)臺(tái)架以及整車試驗(yàn)三個(gè)階段介紹了汽車空調(diào)開發(fā)的基本思路，構(gòu)建了完整的低成本汽車空調(diào)開發(fā)體系。研究成果對(duì)于控制汽車開發(fā)低成本工作的深入實(shí)踐是一個(gè)有益的嘗試。

汽車空調(diào)；低成本；高質(zhì)量；開發(fā)思路；體系

0　前言

汽車空調(diào)的開發(fā)較一般家用空調(diào)的開發(fā)，有如下特點(diǎn)：1）使用環(huán)境更惡劣，在高壓側(cè)（冷凝器端）和低壓側(cè)（蒸發(fā)器端）都容易受到外界環(huán)境的影響；2）運(yùn)行不獨(dú)立，受車輛發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化會(huì)造成空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況的變化；3）不同狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)變化較大，比如怠速情形下，高壓側(cè)受車輛前端密封影響，回流影響較大，高壓偏高，低壓側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度偏高，低壓也偏高，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)性能較差；而在高速運(yùn)行的時(shí)候，系統(tǒng)運(yùn)行非常理想，過熱度能夠控制在一個(gè)理想的范圍，但是系統(tǒng)容易“過設(shè)計(jì)”。

綜上所述，傳統(tǒng)汽車空調(diào)的開發(fā)過程呈現(xiàn)如下特質(zhì)：1）在產(chǎn)品開發(fā)前期，如何進(jìn)行關(guān)鍵零部件的選型（比如壓縮機(jī)，以及“兩器”），根據(jù)有效的帶寬定義來獲取工程開發(fā)利益的最大化；2）在整車開發(fā)階段需要引入大量的開發(fā)試驗(yàn)去模擬并驗(yàn)證這些工況，確保在各種工況下空調(diào)系統(tǒng)性能、系統(tǒng)回油、液擊、抗結(jié)霜四個(gè)方面取得良好的平衡；3）在驗(yàn)證階段，受制于開發(fā)階段關(guān)鍵零部件的狀態(tài)，通常還要重復(fù)開發(fā)階段的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，同樣需要大量的風(fēng)洞資源和試驗(yàn)費(fèi)用。

本文則從系統(tǒng)開發(fā)的前期、系統(tǒng)臺(tái)架的廣泛使用以及如何有效控制整車風(fēng)洞試驗(yàn)三個(gè)方面論述了汽車空調(diào)開發(fā)過程中如何通過有效合理的模擬、分析、驗(yàn)證手段控制汽車空調(diào)開發(fā)的成本，同時(shí)保證汽車空調(diào)開發(fā)的高質(zhì)量。明確指出，低成本高質(zhì)量汽車空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)的整體思路就是：大力控制環(huán)模試驗(yàn)的次數(shù)，切實(shí)提高環(huán)模試驗(yàn)質(zhì)量，充分利用臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行汽車空調(diào)單點(diǎn)測(cè)試并確保準(zhǔn)確性，充分利用路試進(jìn)行不同環(huán)境條件下的舒適性調(diào)校，大力提高一維模擬軟件在產(chǎn)品開發(fā)前期的適用面和準(zhǔn)確性，CFD技術(shù)不僅僅側(cè)重于整車性能預(yù)測(cè)，而且必須深入關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)。

1　系統(tǒng)前期開發(fā)

在系統(tǒng)開發(fā)前期，汽車空調(diào)開發(fā)的成本主要是大量的競(jìng)爭(zhēng)車型對(duì)比試驗(yàn)，通過競(jìng)爭(zhēng)車型、原型車的狀態(tài)，結(jié)合該開發(fā)車型的市場(chǎng)定位，確定整車空調(diào)性能指標(biāo)。不同的競(jìng)爭(zhēng)車型，開發(fā)思路不一樣，市場(chǎng)表現(xiàn)也不一樣，通過同等的工程標(biāo)準(zhǔn)考察性能十分必要，這一部分的成本是必須的，和“低成本，高質(zhì)量”的目標(biāo)并不悖離［1-2］。低成本的關(guān)鍵在于從競(jìng)爭(zhēng)車型獲取的整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)如何科學(xué)有效地分解到子系統(tǒng)以及關(guān)鍵零部件的性能指標(biāo)定義之中，下面我們具體展開這一部分的論述。

1）從整車性能指標(biāo)到零部件性能指標(biāo)的分解。整車性能到零部件性能的分解是一個(gè)逆向的過程，如何從整車測(cè)得的出風(fēng)口溫度分解到蒸發(fā)器、冷凝器和壓縮機(jī)等關(guān)鍵部件的性能指標(biāo)是任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須優(yōu)先考慮的問題［4］，各種論述也很多，從低成本角度，關(guān)鍵需要做到：

a）必須確定關(guān)鍵汽車運(yùn)行工況作為設(shè)計(jì)的起始點(diǎn)；因?yàn)檐囕v運(yùn)行有不同的溫濕度和車速變化，在前期選型的時(shí)候不可能為每一個(gè)工況選擇一套空調(diào)系統(tǒng)，所以通常用最能表征本國一般車輛運(yùn)行工況的設(shè)定點(diǎn)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，比如22.2 m/s外循環(huán)工況，考慮到中國等亞洲國家的具體使用車況，可能兼顧低速城市工況以及怠速的設(shè)計(jì)工況，同時(shí)兼顧內(nèi)循環(huán)使用特性，將會(huì)成為是一個(gè)未來汽車空調(diào)匹配的方向；

b）必須考慮零部件回用，同時(shí)兼顧帶寬定義，盡可能沿用已有的零部件可以大幅度地降低產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用，同時(shí)避免很多驗(yàn)證中遇到的問題，長期以來這是工程開發(fā)關(guān)注的重點(diǎn)；同時(shí)必須考慮到一個(gè)選型能夠照顧到的帶寬，為每一種配置選定一個(gè)部件是不經(jīng)濟(jì)的，但是帶寬過大會(huì)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性造成影響，在實(shí)際前期應(yīng)用中需要兼顧考慮；

c）必須確定車輛熱負(fù)荷與太陽輻射的關(guān)系；從低成本的角度，最重要是確定太陽輻射得熱［5］，如圖1所示，在車體參數(shù)基本趨同的前提下，玻璃的物性、大小、傾角對(duì)太陽輻射得熱影響巨大，可以據(jù)此考察出太陽輻射與車輛熱負(fù)荷的關(guān)系；

圖1　太陽輻射得熱示意圖

d）必須考慮車輛前端密封對(duì)系統(tǒng)高壓側(cè)的影響，如圖2車輛前端流動(dòng)的軌跡圖所示，冷凝器側(cè)狀態(tài)（Condensing）在怠速情況下，受氣流回流的影響，會(huì)使得系統(tǒng)高壓升高，低壓也偏高，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)性能較差；而在高速運(yùn)行的時(shí)候，系統(tǒng)運(yùn)行非常理想，過熱度偏大，壓縮機(jī)容易過熱；

圖2　車輛前端流動(dòng)的跡線圖

e）必須考慮車輛輪系對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速特別是在怠速工況下，已經(jīng)多次證明將會(huì)成為汽車空調(diào)系統(tǒng)的瓶頸，所以通過和供應(yīng)商溝通，確定該轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)的性能指標(biāo)，明確會(huì)否成為系統(tǒng)瓶頸是低成本空調(diào)開發(fā)的必修課。

2）推廣一維模擬軟件的使用，著力于仿真的準(zhǔn)確性。

毫無疑問，在整車開發(fā)前期大量采用一維模擬軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真是汽車空調(diào)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，有許多的商用軟件，比如KULI，F(xiàn)lowmaster，AMEsim都可以用于構(gòu)建汽車空調(diào)系統(tǒng)，除了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和變速箱系統(tǒng)的換熱模型構(gòu)建比較復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理系統(tǒng)難于模擬以外，一般的制冷制熱，以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模擬從技術(shù)角度都非常成熟。所以，仿真的準(zhǔn)確性實(shí)質(zhì)上就成了后臺(tái)零部件數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)確性的比拼。

從目前供應(yīng)商提供的零部件數(shù)據(jù)來說，數(shù)據(jù)不全和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確是兩個(gè)突出的問題，數(shù)據(jù)不全主要是很多構(gòu)建軟件后臺(tái)數(shù)據(jù)庫需要的參數(shù)信息，供應(yīng)商不熟悉，無法提供；數(shù)據(jù)不準(zhǔn)主要是供應(yīng)商的數(shù)據(jù)會(huì)有很多不準(zhǔn)確的情況發(fā)生，造成原因一方面是誠信缺失，另一方面更多的是由于不了解試驗(yàn)方法，或者受制于試驗(yàn)設(shè)備，提供不出合格的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表 1為某車型模擬值與實(shí)測(cè)值的偏差工程實(shí)例，可以看出，受制于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值有較大偏差。

表1　某車型模擬值與實(shí)測(cè)值的偏差（試驗(yàn)工況：13.89 m/s外循環(huán)）

考慮和供應(yīng)商建立前期戰(zhàn)略合作關(guān)系，共同進(jìn)行能力建設(shè)，是一個(gè)雙贏的策略，也符合低成本高質(zhì)量的要求。目前來看，這項(xiàng)任務(wù)迫在眉睫，需要主機(jī)廠和供應(yīng)商共同努力。

2　系統(tǒng)臺(tái)架開發(fā)

系統(tǒng)的臺(tái)架實(shí)際上是將實(shí)車上的汽車空調(diào)系統(tǒng)剝離出來，放置在臺(tái)架上面，一種是實(shí)車配管，通常稱之為系統(tǒng)臺(tái)（System Bench），一種是非實(shí)車配管，通常稱之為性能臺(tái)架（Calorimeter）。前者側(cè)重于系統(tǒng)某個(gè)單點(diǎn)的性能預(yù)測(cè)，但是需要建立在準(zhǔn)確的單體試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，國外目前多采用這種形式；后者側(cè)重于零部件的性能復(fù)測(cè)，也可以進(jìn)行一些系統(tǒng)性能趨勢(shì)預(yù)測(cè)，目前國內(nèi)均采用這種形式。本文主要側(cè)重于系統(tǒng)性能臺(tái)架的使用推廣介紹。

系統(tǒng)臺(tái)架的低成本開發(fā)思路，簡(jiǎn)單說是盡量發(fā)揮系統(tǒng)臺(tái)架系統(tǒng)穩(wěn)定快，容易看到趨勢(shì)，同時(shí)成本較低的特點(diǎn)，將空調(diào)相關(guān)的盡可能多的開發(fā)工作轉(zhuǎn)移到臺(tái)架上面來。具體措施如下所述。

1）蒸發(fā)器溫度傳感器位置確定以及蒸發(fā)器表面溫度分布［5］，進(jìn)氣氣流會(huì)造成蒸發(fā)器表面溫度分布的不均勻，這個(gè)的低成本考慮是加強(qiáng)CFD分析，如圖3所示為不同車速下蒸發(fā)器表面溫度分布，需要和供應(yīng)商一起討論分析蒸發(fā)器管程和翅片層的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，確?？照{(diào)進(jìn)氣端的平順，不同的風(fēng)側(cè)流量下蒸發(fā)器傳感器位置均處于低溫區(qū)。

圖3　不同車速下蒸發(fā)器表面溫度分布

2）熱力膨脹閥最佳工況點(diǎn)確定：膨脹閥的優(yōu)化（Tuning）是空調(diào)系統(tǒng)，特別是單蒸系統(tǒng)的閥設(shè)定，斜率相對(duì)固定，基本調(diào)閥的工作完全可以在臺(tái)架上方便地進(jìn)行，低成本的思路是保留該項(xiàng)內(nèi)容并以此取代整車試驗(yàn)中膨脹閥的調(diào)校。

3）系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)估：不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，不同的溫濕度下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是否有系統(tǒng)振蕩［6］，低成本的思路是可以考慮完全放到臺(tái)架進(jìn)行，簡(jiǎn)而言之，高負(fù)荷下看熱力膨脹閥工作的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)回油；低負(fù)荷下看防液擊，以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4）模擬分析和臺(tái)架試驗(yàn)的對(duì)比分析：虛擬分析作為有力的設(shè)計(jì)指導(dǎo)工具不僅僅是整車虛擬分析，同時(shí)必須進(jìn)行關(guān)鍵部件的 CFD分析，我們嘗試了空調(diào)管路優(yōu)化設(shè)計(jì)的 CFD模擬，水路優(yōu)化模擬以及空調(diào)箱體結(jié)構(gòu)和風(fēng)道優(yōu)化模擬等，其準(zhǔn)確性是臺(tái)架試驗(yàn)走向虛擬分析的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，也是低成本的一條核心準(zhǔn)則；表2是目前開展的一些模擬分析。

表2　目前展開模擬項(xiàng)目匯總

3　整車空調(diào)開發(fā)試驗(yàn)

根據(jù)低成本汽車空調(diào)開發(fā)思路，系統(tǒng)性能臺(tái)架的使用是需要大力推廣的，但是目前階段卻并不能去除整車試驗(yàn)，其根本原因就在于系統(tǒng)性能臺(tái)架是不能完全取代整車試驗(yàn)。

整車試驗(yàn)又包括環(huán)模試驗(yàn)和路試，環(huán)模試驗(yàn)是汽車空調(diào)開發(fā)費(fèi)用的主體，路試也需要一定費(fèi)用，但是路試時(shí)間越長，相對(duì)越經(jīng)濟(jì)，不過路試受制于環(huán)境條件，這是需要平衡考慮的。

在解讀整車汽車空調(diào)開發(fā)之前，我們可以首先回答性能臺(tái)架的缺點(diǎn)，也就是有哪些系統(tǒng)臺(tái)架不能反映的開發(fā)內(nèi)容必須通過整車開發(fā)試驗(yàn)來進(jìn)行，而在這些整車開發(fā)過程中，哪些是風(fēng)洞進(jìn)行，哪些可以考慮逐步移到實(shí)車路試上，低成本開發(fā)思路及實(shí)踐總結(jié)歸納如下。

1）系統(tǒng)結(jié)霜預(yù)測(cè)：在高溫高濕環(huán)境下，小風(fēng)量的空調(diào)系統(tǒng)很容易使得系統(tǒng)低壓對(duì)應(yīng)的飽和溫度低于 0℃，從而使得來流空氣里面的水分結(jié)霜，結(jié)霜的擴(kuò)散會(huì)直接造成冰堵，也有由于結(jié)霜造成壓縮機(jī)燒蝕的實(shí)例。低成本開發(fā)思路里面考慮該項(xiàng)試驗(yàn)可以利用路試（比如海南）的環(huán)境條件來進(jìn)行，結(jié)霜試驗(yàn)如圖4所示。

圖4　結(jié)霜試驗(yàn)

2）大部分內(nèi)循環(huán)工況性能：在性能臺(tái)架上內(nèi)循環(huán)是不太容易跑出來的，因?yàn)樾∵^熱度容易造成系統(tǒng)振蕩，不能考察，只能通過實(shí)車來評(píng)估，而且內(nèi)循環(huán)造成的車內(nèi)氣流分布也只能通過CFD來考察，低成本思路是完善車內(nèi)壓力微壓測(cè)量，控制環(huán)模次數(shù)，大部分的內(nèi)循環(huán)舒適性體驗(yàn)通過路試完成，空調(diào)冷卻試驗(yàn)如圖5所示。

圖5　空調(diào)冷卻試驗(yàn)

3）從出風(fēng)口到呼吸點(diǎn)的評(píng)估：空調(diào)系統(tǒng)從本質(zhì)上講側(cè)重于制冷劑側(cè)（A/C System），而空氣側(cè)的設(shè)計(jì)（Air Handling）同樣重要，低成本的思路是充分利用 CFD考察出風(fēng)口的設(shè)計(jì)合理性，能否照顧到前后排的乘客，同時(shí)車體的密閉性也在整車建成時(shí)測(cè)量，確保沒有大的漏風(fēng)，該評(píng)估將從環(huán)模試驗(yàn)中逐步考慮撤出。

4）實(shí)車加熱性能預(yù)測(cè)：系統(tǒng)加熱性能從發(fā)動(dòng)機(jī)余熱得熱，所以必須在發(fā)動(dòng)機(jī)換熱量確定以后展開才有意義，低成本的思路是在空調(diào)箱設(shè)計(jì)和風(fēng)道設(shè)計(jì)的時(shí)候通過CFD確保腳部風(fēng)道設(shè)計(jì)合理［8-10］，如圖6腳部溫度分布模擬所示，整車試驗(yàn)盡量降低試驗(yàn)次數(shù)，根據(jù)客戶的需求安排冬季路試。

圖6　腳部溫度分布模擬實(shí)例

從以上所述可以看出，需要整車開發(fā)的條目大多與車輛特性相關(guān)，而可以放到路試的前提是路試環(huán)境能夠提供穩(wěn)定的溫濕度熱源。比如我國5月到10月的海南通常能夠提供穩(wěn)定的高溫高濕熱源，而我國東北的黑河等地在12月到次年2月能夠提供穩(wěn)定的低溫?zé)嵩?，這些都為空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)提供了穩(wěn)定、廉價(jià)的環(huán)境。

4　總結(jié)

縱觀汽車研發(fā)的發(fā)展歷程，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和低成本化，以及虛擬模擬技術(shù)和環(huán)模技術(shù)的成熟，展現(xiàn)給我們一條日漸清晰的發(fā)展思路，暨從原來的道路試驗(yàn)為主，轉(zhuǎn)向以臺(tái)架試驗(yàn)為主并最終實(shí)現(xiàn)數(shù)模和虛擬技術(shù)的突破，也就是我們說的道路-實(shí)驗(yàn)室-數(shù)模（R-L-M）的行進(jìn)路線。

本文基于目前的汽車空調(diào)發(fā)展水平，特別是國內(nèi)汽車空調(diào)開發(fā)現(xiàn)狀，結(jié)合目前 CAE、CFD的發(fā)展水平，以及大量的工程實(shí)踐，提出了一條在現(xiàn)有階段如何進(jìn)行汽車空調(diào)的低成本開發(fā)的基本思路：暨大力控制環(huán)模試驗(yàn)的次數(shù)，切實(shí)提高環(huán)模試驗(yàn)質(zhì)量，充分利用臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行汽車空調(diào)單點(diǎn)測(cè)試并確保準(zhǔn)確性，充分利用路試進(jìn)行不同環(huán)境條件下的舒適性調(diào)校，大力提高一維模擬軟件在產(chǎn)品開發(fā)前期的適用面和準(zhǔn)確性，CFD技術(shù)不僅僅側(cè)重于整車性能預(yù)測(cè)，而且必須深入關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)。

上述的汽車空調(diào)低成本開發(fā)思路表述為圖表形式參見下圖7。從本質(zhì)上來說，它和R—L—M的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略并不矛盾，是長遠(yuǎn)戰(zhàn)略指引下的一種短期措施，其目的都是為了提供低成本高質(zhì)量的汽車空調(diào)系統(tǒng)，其時(shí)效也絕不是一成不變，我們將根據(jù)目前的模擬水平，不斷增加虛擬技術(shù)在開發(fā)全過程中的權(quán)重，并最終配合實(shí)現(xiàn)R—L—M的總目標(biāo)。

圖7　短期內(nèi)汽車空調(diào)低成本開發(fā)路線

汽車空調(diào)開發(fā)是一件復(fù)雜浩大的系統(tǒng)工程，從上游的供應(yīng)商到下游的主機(jī)廠需要共同努力，集思廣益才能高質(zhì)量完成，作為開發(fā)和集成的主要負(fù)責(zé)單元，我們將聯(lián)合并均衡各種開發(fā)資源，通過漸進(jìn)并且積極的手段進(jìn)行汽車空調(diào)系統(tǒng)的低成本開發(fā)。最終具有競(jìng)爭(zhēng)力的高質(zhì)量的低成本汽車空調(diào)開發(fā)體系還需要大家一起來構(gòu)建和完善。

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Basic Thoughts and System Construction for Low Cost Development of Automotive Air Conditioning System

QIAN Rui*， LU Gang， MENG Xiang-jun
（Pan Asia Technical Automotive Center， Shanghai 201201， China）

During vehicle development process， the development cost of automotive air conditioning system is very high due to lots of vehicle level tests. The basic thoughts for the development of automotive air conditioning system was introduced for three development stages， including preliminary development， test rig and vehicle test， and a complete low cost development system was built. It is a positive practice in controlling vehicle development cost.

Automotive air conditioning system； Low cost； High quality； Development； System

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.206

*錢銳（1972-），男，高級(jí)工程師，博士。研究方向：熱力學(xué)架構(gòu)開發(fā)，汽車空調(diào)系統(tǒng)匹配。聯(lián)系地址：上海市龍東大道3999號(hào)泛亞汽車技術(shù)中心空調(diào)電子部，郵編：200438。聯(lián)系電話：86-21-50161436。E-mail：Rui_Qian@PATAC.com.cn。