空調(diào)主機(jī)及風(fēng)道風(fēng)阻研究及評價

陳昌瑞，郭艷，杜士云

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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空調(diào)主機(jī)及風(fēng)道風(fēng)阻研究及評價

陳昌瑞，郭艷，杜士云

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

空調(diào)主機(jī)及風(fēng)道是關(guān)系到汽車制冷、通風(fēng)、加熱、除霜除霧的主要部件之一，它們的風(fēng)阻對整車的空氣流場和溫度場影響最大。文章主要從結(jié)構(gòu)的角度上討論空調(diào)主機(jī)和風(fēng)道對風(fēng)阻的影響，對基礎(chǔ)薄弱初始入門的工程設(shè)計(jì)人員有一定的借鑒學(xué)習(xí)意義。

空調(diào)主機(jī)；風(fēng)道；風(fēng)阻

前言

我國幅員遼闊，地域差異性大，工作環(huán)境的不同導(dǎo)致駕駛?cè)藛T對空調(diào)需求也不同，從而出現(xiàn)很多空調(diào)系統(tǒng)不能滿足人們對其舒適度要求的現(xiàn)象。研究表明，造成舒適度不滿足要求的原因并不一定是空調(diào)系統(tǒng)本身的制冷量不夠，而有的原因是由于空調(diào)主機(jī)及風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的風(fēng)阻過大，從而出現(xiàn)整個空調(diào)系統(tǒng)整體性能不滿足要求的現(xiàn)象。本文主要對空調(diào)主機(jī)及風(fēng)道上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，討論它們的哪些結(jié)構(gòu)會對風(fēng)量風(fēng)阻造成影響。

1 結(jié)構(gòu)分析

在整個汽車空調(diào)系統(tǒng)中，空調(diào)主機(jī)、風(fēng)道和出風(fēng)口組成空調(diào)的通風(fēng)系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著將經(jīng)過處理（溫度調(diào)節(jié)，濕度調(diào)節(jié)，凈化）的氣流送到汽車駕駛艙內(nèi)，以完成駕駛艙內(nèi)通風(fēng)，制冷，加熱，除霜除霧，空氣循環(huán)等功能。

圖1 空調(diào)主機(jī)、風(fēng)道、出風(fēng)口及周邊環(huán)境結(jié)構(gòu)爆炸圖

1.1 空調(diào)主機(jī)、風(fēng)道介紹

1.1.1 空調(diào)主機(jī)簡介

空調(diào)主機(jī)是整個空調(diào)系統(tǒng)中最重要的部分，通過調(diào)節(jié)空調(diào)主機(jī)內(nèi)部的風(fēng)門開關(guān)，來調(diào)節(jié)空調(diào)制冷和采暖等模式，內(nèi)里有蒸發(fā)器、加熱器、鼓風(fēng)機(jī)、滴水管和調(diào)速電阻等部件?？照{(diào)主機(jī)內(nèi)部的鼓風(fēng)機(jī)及蒸發(fā)器則是決定整個空調(diào)系統(tǒng)制冷效果的關(guān)鍵因素。

圖2 空調(diào)主機(jī)數(shù)模圖

圖3 除霜風(fēng)道數(shù)模圖

1.1.2 風(fēng)道簡介

風(fēng)道連接空調(diào)器與出風(fēng)口,是空調(diào)系統(tǒng)中制冷和制熱空氣的通道。設(shè)計(jì)時通常是先設(shè)計(jì)風(fēng)道，決定風(fēng)道口位置之后再設(shè)計(jì)空調(diào)主機(jī)。車廂內(nèi)的空氣流場與溫度場不僅與車廂結(jié)構(gòu)以及空調(diào)制冷系統(tǒng)有關(guān),還與空調(diào)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形狀密切相關(guān)。風(fēng)道的布置走向、風(fēng)道占用空間（截面積）以及風(fēng)道中空氣的流速等均影響車廂內(nèi)的制冷效果，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和外觀造型。

1.2 空調(diào)主機(jī)結(jié)構(gòu)

空調(diào)主機(jī)一般根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括加熱器的散熱能力、蒸發(fā)器的吸熱能力、鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量要求、調(diào)速電阻的調(diào)速范圍、風(fēng)門分布及結(jié)構(gòu)和風(fēng)門電機(jī)的選取應(yīng)用等等。

空調(diào)主機(jī)一般分為 2-塊橫臥式或 3-塊橫臥式，目前來說，因 2-塊橫臥式采用的平行流/過冷式有著空間小、用料省、性能高等優(yōu)勢，所以市場以2-塊橫臥式為主流。

2-塊橫臥式，顧名思義，分為兩塊，一塊是鼓風(fēng)機(jī)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生風(fēng)量，一塊是暖風(fēng)機(jī)，負(fù)責(zé)風(fēng)量分配。

1.3.1 鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

鼓風(fēng)機(jī)原理就是利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動葉片跟著旋轉(zhuǎn)，從而通過葉片的角度來決定風(fēng)量的分布方向，通過鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來決定風(fēng)量大小。

圖5 鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖6 暖風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

如圖5所示電機(jī)運(yùn)行時，空氣從循環(huán)風(fēng)口吸入，經(jīng)過循環(huán)風(fēng)門、過濾網(wǎng)，從鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)道中吹出，圖示箭頭顯示的是外循環(huán)狀態(tài)時空氣流動方向，內(nèi)循環(huán)時，循環(huán)風(fēng)門打開，空氣從圖示虛尾箭頭流入，經(jīng)過濾網(wǎng)、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)道中。其中，風(fēng)道風(fēng)阻的主要因素則是由于鼓風(fēng)機(jī)殼體的不平整導(dǎo)致的。

那么問題來了，為什么要采用這種不平整的設(shè)計(jì)呢？

原因首先是為了增加強(qiáng)度。空調(diào)主機(jī)作為大型空心塑料件，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，拋棄更改材質(zhì)不提以外，通過變更結(jié)構(gòu)提供支持的方法通常有兩種：

一種是采用內(nèi)部支撐物，比如在殼體內(nèi)部設(shè)支撐柱。該方法可以改善殼體整體強(qiáng)度，但對于殼體邊緣的局部強(qiáng)度卻無能為力，并且，由流體力學(xué)可知，在流體中間阻力最小，流量最大，直徑越大，阻力越小。該方法在中部設(shè)置障礙物的行為嚴(yán)重影響了最大風(fēng)速，造成風(fēng)量流體從中間切為兩半，使中部風(fēng)量離邊緣殼體距離降低一半，風(fēng)阻極大[1]。

第二種辦法是在殼體邊緣設(shè)置凸臺或凹臺。由流體力學(xué)可知，在直徑縮小轉(zhuǎn)向直徑擴(kuò)大比先增加后縮小直徑所損失的動量較小，增加凸臺的設(shè)置不但屬于先增后減的狀態(tài)，由于風(fēng)量流體碰壁后的折射原因?qū)е碌摹颁鰷u”原理同樣會大量耗損風(fēng)量流體的動力，所以采用的是殼體邊緣凹臺設(shè)計(jì)。流線型的凹臺不僅平滑的承載了風(fēng)量流體的運(yùn)行，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上這么設(shè)計(jì)也能有效避免風(fēng)量集中對風(fēng)門的沖擊，從而避免風(fēng)門關(guān)不緊導(dǎo)致的漏風(fēng)現(xiàn)象[2]。

1.3.2 暖風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

暖風(fēng)機(jī)原理就是利用風(fēng)量流體經(jīng)過蒸發(fā)器散熱變成冷風(fēng)或經(jīng)過加熱器吸熱變成熱風(fēng)，通過溫度風(fēng)門調(diào)節(jié)冷熱風(fēng)的比例，從而達(dá)到控制溫度的目的。

如圖6所示，從結(jié)構(gòu)分析來看，風(fēng)量先后經(jīng)過蒸發(fā)器芯體、加熱器芯體和各模式下的風(fēng)道進(jìn)入車內(nèi)，達(dá)到駕駛?cè)藛T對風(fēng)量需求的部位。從中可以看出，風(fēng)道風(fēng)阻是對風(fēng)量大小影響的最重要因素。

本結(jié)構(gòu)作為市場主流結(jié)構(gòu)，就是考慮到風(fēng)道對風(fēng)阻的影響。一般來說，吹面和除霜是衡量空調(diào)性能的主要因素，所以吹面和除霜風(fēng)口風(fēng)道離鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)道吹來的風(fēng)量最近，途中經(jīng)過的距離最短，繞的彎最少，所以風(fēng)阻就最小。

單純從理論上來說，縮小蒸發(fā)器和加熱器之間的距離，從而整體縮小空調(diào)主機(jī)的尺寸，就能夠有效減小風(fēng)道長度，達(dá)到減小風(fēng)道風(fēng)阻的目的。但是，實(shí)際設(shè)計(jì)考慮到蒸發(fā)器和加熱器之間互不影響有間距要求，所以限制了空調(diào)主機(jī)的尺寸。加熱器芯體和蒸發(fā)器芯體基本平行也是出于這方面考慮，將來如果技術(shù)進(jìn)步，或者采用更高性能的材料，從來改善兩個芯體之間的尺寸要求，就可以改變空調(diào)主機(jī)的尺寸大小，從而影響到風(fēng)道長度和風(fēng)阻。

1.3.3 除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)分析

除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)較簡單，即通過鍥形體起到分流和導(dǎo)向的作用，以一定的角度盡可能的將風(fēng)量分布到主駕和副駕的正前方，用來達(dá)到最好的除霜除霧效果。

圖7 除霜風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)

雖然結(jié)構(gòu)原理簡單，但是實(shí)際做出來并不容易。

圖8 車型1除霜風(fēng)量分布圖

圖9 車型2除霜風(fēng)量分布圖

經(jīng)試驗(yàn)證明，平均風(fēng)速在2m/s的時候，除霜效果才算滿意。從以上兩幅圖可以看出，2m/s的等風(fēng)線，車型2的風(fēng)量分布基本集中在主駕駛室和副駕駛室的正前方，燃點(diǎn)（風(fēng)速最大的點(diǎn)）則幾乎位于主駕駛室和副駕駛室的視線水平線上，很好的保護(hù)到了前排乘車人員的視野，基本不會出現(xiàn)前排人員視野被遮擋的情況。

車型1除霜風(fēng)量分布明顯不如車型2，但是造成這種情況的主要原因并不是風(fēng)量不足，而是風(fēng)量分布不合理。從圖中能明顯看出，車型1在風(fēng)量分布上主要集中在主駕駛室與副駕駛室的中間位置，而不是主駕駛室與副駕駛室的視野正前方。

那么如何整改呢？

其實(shí)問題并不復(fù)雜，只要將風(fēng)道中間的鍥形體的錐角擴(kuò)大，將風(fēng)量盡可能的朝主駕駛室與副駕駛室的視野前方分布就可以了。當(dāng)然，在鍥形體錐角擴(kuò)大的過程中，無可避免的會對風(fēng)速風(fēng)量造成影響，嚴(yán)重的甚至?xí)斐娠L(fēng)量急劇碰壁回彈導(dǎo)致的空氣流量“漩渦”現(xiàn)象，從而浪費(fèi)大量的風(fēng)量動能和動量[2]。如何在風(fēng)量與風(fēng)量分布之間取得一個合適的均衡點(diǎn)，則需要聯(lián)系具體車型、具體需求進(jìn)行分析。限于理論水平及工作環(huán)境等原因，具體詳細(xì)暫不討論，有興趣的可自行查閱相關(guān)資料。

2 總結(jié)

本文從空調(diào)主機(jī)內(nèi)部構(gòu)造、除霜風(fēng)道、吹面風(fēng)道的內(nèi)部構(gòu)造對風(fēng)道風(fēng)阻進(jìn)行討論分析，從空調(diào)主機(jī)的設(shè)計(jì)方面及構(gòu)造需求出發(fā)，對空調(diào)風(fēng)道構(gòu)造整改空間提出設(shè)想，對基礎(chǔ)薄弱的設(shè)計(jì)人員在空調(diào)主機(jī)及風(fēng)道分布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理解上有很好的吸收學(xué)習(xí)和借鑒意義。

[1] 《 汽車工程手冊》編輯委員.人民交通出版社,2001.文獻(xiàn)汽車工程手冊.設(shè)計(jì)篇 [M].

[2] 黃天澤,孫婉娟,等.汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用維修[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.

[3] 姜永順.蒸汽供熱管道沿程壓力損失簡易計(jì)算法[J].暖通空調(diào),2003(1).

Research and evaluation of HVAC and Duct

Chen Changrui, Guo Yan, Du Shiyun
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Auhui Hefei 230601）

the air conditioning main engine and air duct is one of the main components of the automobile refrigeration,ventilation, heating, defrosting and fog, and their wind resistance has the greatest influence on the air flow field and temperature field. This paper mainly discusses the influence of air conditioner and air duct on the wind resistance from the angle of structure, which is of some reference significance for the engineers who have weak foundation.

HVAC; air duct; Drag

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-118-03

U463.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-118-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.039

陳昌瑞，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。