基于某車(chē)型機(jī)艙熱流場(chǎng)分析的空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化

宋瀚 張亞國(guó) 汪沛?zhèn)?頓棟梁 程爽

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心）

隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對(duì)汽車(chē)舒適性要求的不斷提高，空調(diào)在整車(chē)上的配置越來(lái)越普遍?？照{(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛室內(nèi)空氣進(jìn)行制冷、加熱、換氣及空氣凈化的裝置。優(yōu)秀的汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)是整車(chē)舒適性不可或缺的一部分，能為駕乘人員提供舒適的乘車(chē)環(huán)境以降低駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高行車(chē)安全，對(duì)整車(chē)的舒適性和經(jīng)濟(jì)性影響很大?？照{(diào)系統(tǒng)的性能主要受到循環(huán)機(jī)構(gòu)的環(huán)境溫度影響，因此空調(diào)系統(tǒng)的熱環(huán)境研究是提升整車(chē)舒適性的重要課題，是整車(chē)設(shè)計(jì)的重要性能目標(biāo)之一。為解決某車(chē)型空調(diào)系統(tǒng)基于現(xiàn)有的布置未能很好地達(dá)到性能目標(biāo)的問(wèn)題，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱流場(chǎng)分析，快速找到有效的優(yōu)化方案，改善了空調(diào)性能，提升了整車(chē)舒適性和品質(zhì)感[1]。

1 空調(diào)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱流場(chǎng)的影響解析

1.1 空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境影響因素

壓焓圖描述了空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如圖1所示。圖1中，1—2屬于空調(diào)壓縮機(jī)壓縮做功的過(guò)程，此過(guò)程不斷進(jìn)行能量累積；2—5屬于空調(diào)壓縮機(jī)冷凝的過(guò)程，此過(guò)程空調(diào)系統(tǒng)對(duì)外散熱；5—6屬于制冷劑膨脹的過(guò)程；6—1屬于制冷劑蒸發(fā)的過(guò)程，此過(guò)程空調(diào)系統(tǒng)制冷，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙對(duì)空調(diào)系統(tǒng)傳導(dǎo)熱量。

圖1 汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)壓焓圖

從圖1可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，影響空調(diào)壓縮機(jī)冷凝過(guò)程，空調(diào)壓力上升，使冷凝壓力升高，導(dǎo)致空調(diào)出風(fēng)口溫度較高。

1.2 某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙布置特點(diǎn)

1）某車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙較對(duì)標(biāo)車(chē)x向縮小80 mm，零部件布置相對(duì)緊湊；

2）冷凝器、風(fēng)扇受x向空間布置影響，無(wú)法繼續(xù)優(yōu)化；

3）發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓裝置位于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙后端，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙前圍附近溫度較高；

4）格柵進(jìn)風(fēng)投影面積較對(duì)標(biāo)車(chē)小，正投影面積只有17%，影響發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙進(jìn)風(fēng)量。

1.3 某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱流場(chǎng)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱流場(chǎng)同時(shí)包含流動(dòng)和傳熱的問(wèn)題，可將氣體視為非可壓縮流體計(jì)算，把發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙看作能量守恒的熱交換流動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)STAR－CCM+軟件進(jìn)行CAE仿真分析。

通過(guò)CAE軟件對(duì)該車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙方案進(jìn)行仿真分析，具體從氣體流動(dòng)和能量傳遞2個(gè)方向進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)從格柵處進(jìn)入的一部分氣流繞過(guò)冷卻系統(tǒng)上下兩端進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙，并在散熱器上下端和后部形成一定的“渦流”，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)上下端存在一定的漏風(fēng)現(xiàn)象[2]。這些氣流“泄漏”及“渦流”不利于艙內(nèi)熱量排出，影響了空調(diào)的制冷性能。圖2示出某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙截面流場(chǎng)速度矢量圖。

圖2 某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙截面流場(chǎng)速度矢量圖

該車(chē)型受發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙布置影響，前圍距離發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)近，前圍局部區(qū)域傳遞熱量較高，影響空調(diào)管路局部溫場(chǎng)。圖3示出某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙前圍區(qū)域溫場(chǎng)仿真圖。

圖3 某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙前圍區(qū)域溫場(chǎng)仿真圖

1.4 某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱環(huán)境轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)

1.4.1 整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱環(huán)境轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

空調(diào)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：按照某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在環(huán)境溫度35～40℃，環(huán)境相對(duì)濕度為45%～55%的條件下[3]，進(jìn)行汽車(chē)多種工況轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)，采集空調(diào)出風(fēng)口處測(cè)點(diǎn)的溫度，評(píng)測(cè)空調(diào)制冷性能。

1.4.2 整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱環(huán)境轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)

某車(chē)型空調(diào)冷凝器進(jìn)風(fēng)處外表面按照編號(hào)依次布置溫度測(cè)量點(diǎn)16個(gè)，如圖4所示。圖5示出某車(chē)型空調(diào)冷凝器多工況轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)進(jìn)風(fēng)測(cè)點(diǎn)溫度圖。通過(guò)圖5可以看出，冷凝器上端4個(gè)測(cè)點(diǎn)的進(jìn)風(fēng)溫度較高，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙上端存在熱風(fēng)回流。而空調(diào)管路布置位于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙z向上端，熱風(fēng)回流導(dǎo)致空調(diào)管路周邊溫度上升影響空調(diào)制冷效果，因此冷凝器上端密封有待改善。

圖4 某車(chē)型空調(diào)冷凝器進(jìn)風(fēng)口測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖5 某車(chē)型空調(diào)冷凝器多工況轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)進(jìn)風(fēng)測(cè)點(diǎn)溫度圖

對(duì)該車(chē)型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱環(huán)境轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)，環(huán)境溫度35℃條件下，某車(chē)型空調(diào)系統(tǒng)多工況關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)環(huán)境溫度最大測(cè)量值，如表1所示。

表1 某車(chē)型空調(diào)系統(tǒng)多工況關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)環(huán)境溫度最大測(cè)量值 ℃

通過(guò)如圖5和表1可知，受發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙布置影響，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)周邊溫度上升，管路從環(huán)境中吸熱，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)壓力過(guò)高。經(jīng)測(cè)該環(huán)境溫度下空調(diào)出風(fēng)口溫度為22～25℃（空調(diào)系統(tǒng)外循環(huán)），說(shuō)明制冷效果不理想。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱流場(chǎng)優(yōu)化方案

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙前端空調(diào)管路周?chē)h(huán)境氣體存在泄露與渦流和前圍處空調(diào)管路周?chē)h(huán)境能量輻射過(guò)大2個(gè)問(wèn)題，提出優(yōu)化措施。

1）針對(duì)氣體存在泄露與渦流的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款四周密封性良好的導(dǎo)流板，導(dǎo)流板盡量與冷卻格柵貼合，減少導(dǎo)流板與環(huán)境件的間隙，盡量避免氣體泄漏和渦流出現(xiàn)[3]。圖6示出某車(chē)型空調(diào)冷凝器增加上下導(dǎo)流板示意圖。

圖6 某車(chē)型空調(diào)冷凝器增加上下導(dǎo)流板示意圖

2）針對(duì)前圍處空調(diào)管路周?chē)h(huán)境能量輻射過(guò)大的問(wèn)題，CAE仿真結(jié)果顯示前圍局部區(qū)域傳遞熱量較高，影響空調(diào)管路局部溫場(chǎng)，需要采用隔熱罩進(jìn)行包裹的措施，圖7示出某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙前圍處空調(diào)管路隔熱罩包裹圖。

圖7 某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙前圍處空調(diào)管路隔熱罩包裹圖

3 轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)驗(yàn)證效果

為了驗(yàn)證優(yōu)化效果，在此進(jìn)行轉(zhuǎn)轂熱環(huán)境試驗(yàn)，圖8示出某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙前圍空調(diào)管路測(cè)點(diǎn)環(huán)境溫度優(yōu)化前后對(duì)比圖。

圖8 某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙前圍空調(diào)管路測(cè)點(diǎn)環(huán)境溫度優(yōu)化前后對(duì)比圖

從圖8可以看出，空調(diào)系統(tǒng)的管路和膨脹閥外表面溫度下降明顯，說(shuō)明優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙前圍管路周邊溫度改善效果良好。

圖9示出某車(chē)型空調(diào)系統(tǒng)主駕駛出風(fēng)口數(shù)據(jù)圖。從圖9可以看出，優(yōu)化后駕駛室空調(diào)出風(fēng)口最高溫度下降明顯，說(shuō)明空調(diào)制冷效果得到改善，空調(diào)舒適性得到提高。

圖9 某車(chē)型空調(diào)系統(tǒng)主駕駛出風(fēng)口數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙熱流場(chǎng)的仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證[4]，找到了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)空調(diào)管道的熱氣流及能量輻射這2個(gè)對(duì)空調(diào)性能影響的重要因素，通過(guò)改善熱環(huán)境的影響，優(yōu)化了現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙的布置，改善發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)和熱輻射的分布，從而快速并經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)了空調(diào)性能的提升。為后續(xù)同類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙環(huán)境的車(chē)型空調(diào)開(kāi)發(fā)提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。