基于不同暖風(fēng)芯體空調(diào)采暖性能研究

魏?jiǎn)⑽?馬勝龍,翟超，程建松，李海燕,鄭濤

(1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000；2.安徽省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì),安徽蕪湖 241000)

0 引言

整車空調(diào)性能開發(fā)是整車性能開發(fā)過(guò)程中非常重要的屬性，與用戶體驗(yàn)緊密關(guān)聯(lián)[1-2]。整車空調(diào)降溫性能與采暖性能是整車舒適性的重要內(nèi)容。降溫性能相比采暖性能而言，關(guān)聯(lián)零部件性能較多，研究起來(lái)復(fù)雜，因此，相關(guān)的仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究也多，結(jié)果也比較可靠[3-5]，而采暖性能涉及關(guān)聯(lián)零部件少，反而相應(yīng)的仿真和試驗(yàn)研究較少，可供參考的文獻(xiàn)有限。

整車空調(diào)采暖性能在實(shí)際開發(fā)過(guò)程中，往往涉及到一些關(guān)鍵零部件需要從成本和性能方面開展對(duì)比選型，雖然整車廠可以開展環(huán)境艙模擬驗(yàn)證，但試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行成本也相當(dāng)昂貴，如何做到性能既能滿足目標(biāo)要求、成本最低，并能快速對(duì)比、正確選型是整車廠空調(diào)性能開發(fā)過(guò)程中經(jīng)常遇到并亟需解決的問(wèn)題。本文作者將借鑒空調(diào)降溫性能開發(fā)思路利用仿真手段解決上述問(wèn)題[6]。

1 采暖性能原理與仿真模型建立

1.1 空調(diào)采暖性能原理

燃油車空調(diào)采暖性能原理比較簡(jiǎn)單，其采暖的主要熱源來(lái)源于燃油燃燒過(guò)程中釋放的熱量。熱量通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液體進(jìn)行熱交換后，冷卻液流經(jīng)暖風(fēng)芯體時(shí)與空調(diào)箱體從外部吸入的空氣再次進(jìn)行熱交換，加熱的空氣吹入駕駛艙內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)采暖。但整車采暖的效果與發(fā)動(dòng)機(jī)水溫高低、流量大小以及空調(diào)箱體的風(fēng)量都有關(guān)系，這些因素相互影響，其中暖風(fēng)芯體的性能起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于相同動(dòng)力總成(不考慮大循環(huán)開啟)和空調(diào)箱體，如果暖風(fēng)芯體換熱性能相當(dāng)或稍有差異，還不能簡(jiǎn)單、直接判斷出其在整車上的采暖效果的優(yōu)劣，如表1所示，還需進(jìn)一步結(jié)合暖風(fēng)芯體氣側(cè)和液側(cè)阻力具體值開展量化分析。實(shí)際過(guò)程中往往因?yàn)檫@種多變量相互影響，造成芯體選型困難。

表1 暖風(fēng)芯體氣/液側(cè)阻力對(duì)換熱量影響

1.2 仿真模型建立

1.2.1 仿真模型假設(shè)

采暖仿真模型的建立主要分為兩部分：一部分基于暖風(fēng)芯體的系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)搭建；另一部分基于整車搭建。

其中系統(tǒng)臺(tái)架計(jì)算模型做如下假設(shè)：

(1)暖風(fēng)芯體進(jìn)、出水管絕熱，與外界大氣不發(fā)生熱交換；

(2)暖風(fēng)芯體出水管足夠長(zhǎng)，對(duì)暖風(fēng)芯體出水口壓力和溫度不產(chǎn)生影響；

其中整車計(jì)算模型做如下假設(shè)：

(1)基于相同動(dòng)力總成和空調(diào)箱體，冷卻液吸收熱量不因暖風(fēng)芯體變化而變化；

(2)只考慮冷卻系統(tǒng)大循環(huán)未開啟狀態(tài)；

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)自身?yè)Q熱情況較復(fù)雜，與外界視為絕熱狀態(tài)，不與外界空氣發(fā)生熱交換。

1.2.2 采暖系統(tǒng)臺(tái)架與整車模型建立

文中采用AMESim軟件搭建系統(tǒng)臺(tái)架與整車仿真模型，如圖1—圖2所示。

圖1 加熱芯體臺(tái)架系統(tǒng)仿真計(jì)算模型

圖2 整車采暖仿真計(jì)算模型

2 仿真計(jì)算與分析

2.1 系統(tǒng)臺(tái)架仿真計(jì)算與分析

2.1.1 流量、風(fēng)量測(cè)試

文中有兩種暖風(fēng)芯體以供選型，一種為外購(gòu)件，成本相對(duì)較高；一種為自制件，成本相對(duì)較低。

結(jié)合實(shí)際的整車環(huán)境模擬試驗(yàn)工況，對(duì)搭載兩種暖風(fēng)芯體的液側(cè)流量與空氣側(cè)風(fēng)量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2—表3。

表2 液側(cè)流量測(cè)試結(jié)果

表3 空氣側(cè)風(fēng)量測(cè)試結(jié)果 m3/h

2.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合液側(cè)流量與風(fēng)量測(cè)試結(jié)果，通過(guò)系統(tǒng)臺(tái)架仿真模型，對(duì)搭載兩種暖風(fēng)芯體系統(tǒng)開展計(jì)算，并與實(shí)際臺(tái)架結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如表4—表5所示。

表4 外購(gòu)件臺(tái)架仿真計(jì)算結(jié)果

表5 自制件臺(tái)架仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與分析，得出暖風(fēng)芯體出水溫度與出風(fēng)溫度，其仿真精度與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比偏差最大可以控制6%左右，部分點(diǎn)精度甚至與試驗(yàn)結(jié)果非常接近。因此，采用的臺(tái)架仿真模型可靠性可以滿足工程設(shè)計(jì)需求[7]。

2.2 整車仿真計(jì)算與分析

為了對(duì)比整車采用兩種暖風(fēng)芯體后采暖性能的表現(xiàn)，將搭載兩種暖風(fēng)芯體后的整車置于低溫環(huán)境艙中保溫，待機(jī)油與冷卻液水溫都達(dá)-20 ℃后進(jìn)行測(cè)試：先將空調(diào)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，待水溫達(dá)到80 ℃后，將鼓風(fēng)機(jī)設(shè)置成7擋，溫度設(shè)置成最高溫度，測(cè)試20 min后將鼓風(fēng)機(jī)擋位調(diào)至3擋，繼續(xù)測(cè)試20 min，對(duì)比整個(gè)過(guò)程中空調(diào)出風(fēng)溫度情況。

其仿真計(jì)算過(guò)程與測(cè)試過(guò)程基本保持一致，仿真與測(cè)試結(jié)果如圖3—圖5所示。

圖3 外購(gòu)/自制件整車暖風(fēng)出風(fēng)溫度仿真結(jié)果

圖4 外購(gòu)/自制件整車暖風(fēng)出風(fēng)溫度測(cè)試結(jié)果

圖5 外購(gòu)/自制件整車暖風(fēng)芯體換熱仿真結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：搭載自制件，空調(diào)出風(fēng)溫度整體較外購(gòu)件高，趨勢(shì)與實(shí)際的測(cè)試結(jié)果一致，但數(shù)值最大差異不大于10 ℃，這種差異性主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的吸熱與外界的換熱導(dǎo)致。由于這部分邊界瞬態(tài)吸換熱情況實(shí)際比較復(fù)雜，仿真模型做了一些假設(shè)性考量，因此，整車仿真模型結(jié)果精度相比臺(tái)架仿真結(jié)果稍差。但暖風(fēng)芯體的換熱量外購(gòu)件稍優(yōu)于自制件，差異性非常小。

3 結(jié)論

文中通過(guò)借鑒相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)整車空調(diào)降溫性能的研究方法與思路，采用類似方法對(duì)空調(diào)采暖系統(tǒng)臺(tái)架與整車進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試比較，并將其應(yīng)用在整車空調(diào)采暖性能關(guān)鍵零部件的選型上。通過(guò)上述方法可以快速、準(zhǔn)確對(duì)暖風(fēng)芯體關(guān)鍵零部件做出判斷選擇，可以極大地降低試驗(yàn)成本和節(jié)省時(shí)間成本，經(jīng)濟(jì)有效地滿足了項(xiàng)目開發(fā)的需要。

通過(guò)對(duì)兩種暖風(fēng)芯體的測(cè)試與分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)兩種暖風(fēng)芯體臺(tái)架測(cè)試與仿真結(jié)果差異小于7%，部分工況點(diǎn)精度甚至與測(cè)試結(jié)果完全一致，滿足工程開發(fā)的需要；

(2)搭載兩種暖風(fēng)芯體的整車測(cè)試與仿真結(jié)果比較，趨勢(shì)完全一致，差異不大于10 ℃，這種差異性主要是由于整車的復(fù)雜邊界條件無(wú)法真實(shí)模擬，采用假設(shè)條件導(dǎo)致，后續(xù)可以嘗試對(duì)邊界條件進(jìn)行調(diào)整提高仿真精度；

(3)兩種暖風(fēng)芯體在整車上仿真換熱量差異性較小，但自制件較外購(gòu)件出風(fēng)溫度高，整車表現(xiàn)更好，與整車實(shí)際測(cè)試結(jié)果一致；

(4)從整車采暖性能角度考量，采用成本相對(duì)較低的自制暖風(fēng)芯體可以取代外購(gòu)暖風(fēng)芯體。