某車(chē)型前擋風(fēng)玻璃除霜除霧性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

魏?jiǎn)⑽? 翟超，馬勝龍,龍金世,楊云龍

(1.奇瑞汽車(chē)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(chē)除霜除霧性能作為乘用車(chē)一項(xiàng)重要性能，在國(guó)標(biāo)GB 11555-2009中有明確區(qū)域和時(shí)間要求，時(shí)間越短，也越能體現(xiàn)汽車(chē)性能的優(yōu)良性，因此，除霜除霧風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要實(shí)際意義[1]。針對(duì)汽車(chē)除霜除霧性能，國(guó)內(nèi)外都有不少學(xué)者開(kāi)展專門(mén)的理論和實(shí)踐研究。R BREWSTER、J G LEE等在理論分析上對(duì)除霜除霧性能都做過(guò)專門(mén)的研究與分析[2-5]，而ABDULNOUR、WAKU等利用CFD相關(guān)計(jì)算軟件開(kāi)展汽車(chē)應(yīng)用型研究[6-7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在汽車(chē)除霜除霧方面也做過(guò)不少研究，推進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用，如谷正氣等[8]以除霜除霧目標(biāo)區(qū)域努賽爾數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行DOE優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到性能提升10%左右；李明等人利用CFD與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的分析方法，分析風(fēng)道結(jié)構(gòu)特征對(duì)整車(chē)除霜性能的影響[9]。

本文作者將結(jié)合上述除霜除霧性能方面的理論研究與實(shí)踐，針對(duì)某車(chē)型前擋風(fēng)玻璃除霜除霧性能問(wèn)題開(kāi)展分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到目標(biāo)。

1 除霧原理及問(wèn)題分析

1.1 除霜除霧原理

燃油汽車(chē)除霜除霧的主要原理就是利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的熱量經(jīng)冷卻液吸收后，通過(guò)空調(diào)HVAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將外部空氣吸入經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器除濕后(一般在氣溫不小于0 ℃，壓縮機(jī)可以進(jìn)入工作模式)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)行熱交換，最終將加熱空氣吹向風(fēng)窗玻璃進(jìn)行除霜除霧。如圖1為汽車(chē)HVAC內(nèi)部結(jié)構(gòu)和除霜除霧的氣流走向原理圖。

圖1 除霜除霧原理

1.2 某車(chē)型除霜除霧問(wèn)題及分析

一般燃油車(chē)低溫條件下除霜除霧能力在發(fā)動(dòng)機(jī)水溫能得到基本保證的條件下，只要對(duì)風(fēng)道開(kāi)展規(guī)范設(shè)計(jì)，基本都能滿足法規(guī)要求。某車(chē)型設(shè)計(jì)樣車(chē)經(jīng)過(guò)除霜除霧試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)A柱附近兩側(cè)除霜除霧性能表現(xiàn)不佳，如圖2、圖3所示。

圖2 前擋風(fēng)玻璃升霧示意 圖3 前擋風(fēng)玻璃除霧示意

借助CFD計(jì)算分析軟件對(duì)該車(chē)型進(jìn)行建模，計(jì)算出了除霜除霧模式下各出風(fēng)口的流量分配和風(fēng)速情況，因?yàn)槌F風(fēng)量分配是其性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[10],從而判斷它是否滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1與表2，結(jié)果表明該車(chē)型的風(fēng)量分配與出風(fēng)口風(fēng)速都能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。為進(jìn)一步分析問(wèn)題原因，對(duì)CFD計(jì)算后的前風(fēng)擋玻璃壁面風(fēng)速進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)A柱附近兩側(cè)前擋風(fēng)玻璃壁面氣流覆蓋風(fēng)速小于2.0 m/s覆蓋區(qū)域較大，特別是兩側(cè)下部區(qū)域，與測(cè)試結(jié)果基本吻合，如圖4所示。

表1各出風(fēng)口風(fēng)量分配%

指標(biāo)項(xiàng)目標(biāo)風(fēng)量分配側(cè)除窗出風(fēng)口風(fēng)量比例-主駕側(cè)10.0±2.09.9前風(fēng)擋出風(fēng)口風(fēng)量比例-主駕側(cè)40.0±2.041.1前風(fēng)擋出風(fēng)口風(fēng)量比例-副駕側(cè)40.0±2.040.0側(cè)除窗出風(fēng)口風(fēng)量比例-副駕側(cè)10.0±2.09.0

表2各出風(fēng)口風(fēng)速m·s-1

指標(biāo)項(xiàng)目標(biāo)出風(fēng)口平均風(fēng)速側(cè)除窗出風(fēng)口平均風(fēng)速-主駕側(cè)6.0～8.08.1前風(fēng)擋出風(fēng)口平均風(fēng)速-主駕側(cè)10.0～15.011.2前風(fēng)擋出風(fēng)口平均風(fēng)速-副駕側(cè)10.0～15.011.6側(cè)除窗出風(fēng)口平均風(fēng)速-副駕側(cè)6.0～8.07.2

圖4 前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布云圖

因此，為了優(yōu)化提升該車(chē)型除霜除霧性能，需要提高A柱兩側(cè)前擋風(fēng)玻璃壁面風(fēng)速或溫度。隨著用戶對(duì)車(chē)輛性能品質(zhì)感要求提升，主機(jī)廠往往會(huì)增加一些科技配置，使得風(fēng)道的規(guī)范化設(shè)計(jì)受限，最終影`響到車(chē)輛除霜除霧性能，甚至基本的法規(guī)滿足都存在問(wèn)題。如HUD(平視顯示器)基本都位于駕乘人員正前方儀表板中，其體積大小對(duì)除霜除霧風(fēng)道的布置影響極大，會(huì)導(dǎo)致前風(fēng)窗玻璃除霜出風(fēng)口變窄，造成氣流的擴(kuò)散區(qū)域嚴(yán)重受限，熱風(fēng)無(wú)法覆蓋到整個(gè)前風(fēng)窗，局部努塞爾數(shù)低[7]，在極低溫條件下，如-20 ℃環(huán)境以下高速路況局部產(chǎn)生內(nèi)結(jié)霜問(wèn)題，甚至在0～5 ℃低溫雨雪條件下較易產(chǎn)生內(nèi)起霧問(wèn)題。

該車(chē)型就是因增加HUD，使得前擋風(fēng)玻璃除霜除霧出風(fēng)口長(zhǎng)度極短，氣流在前擋風(fēng)玻璃A柱邊角擴(kuò)散受限，流速極低造成除霜除霧性能不佳。因此，在考慮不調(diào)整前擋風(fēng)玻璃出風(fēng)口前提下，需設(shè)計(jì)一種可以提高A柱兩側(cè)前擋風(fēng)玻璃壁面風(fēng)速或溫度的方案。

2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及分析

2.1 方案設(shè)計(jì)

為了達(dá)到提升A柱附近前擋風(fēng)玻璃壁面風(fēng)速與溫度的目的，分析表1中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其側(cè)擋風(fēng)玻璃的風(fēng)量較目標(biāo)值稍大，可以將約1%風(fēng)量用于提升前擋風(fēng)玻璃壁面風(fēng)速。因此，對(duì)側(cè)除霜除霧風(fēng)道設(shè)計(jì)了如圖5所示設(shè)計(jì)方案(差異點(diǎn)在于左側(cè)輔助出風(fēng)口位置和角度走向不同)。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.2 方案仿真計(jì)算分析

對(duì)兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行CFD建模，計(jì)算結(jié)果如表3、表4。

表3各出風(fēng)口風(fēng)量分配%

表4各出風(fēng)口風(fēng)速m·s-1

指標(biāo)項(xiàng)目標(biāo)方案一出風(fēng)口平均風(fēng)速方案二出風(fēng)口平均風(fēng)速側(cè)除窗出風(fēng)口平均風(fēng)速-主駕側(cè)6.0～8.07.97.7輔助出風(fēng)口平均風(fēng)速-主駕側(cè)6.0～8.03.56.8前風(fēng)擋出風(fēng)口平均風(fēng)速-主駕側(cè)10.0～15.011.010.9前風(fēng)擋出風(fēng)口平均風(fēng)速-副駕側(cè)10.0～15.011.411.3輔助出風(fēng)口平均風(fēng)速-副駕側(cè)6.0～8.07.67.5側(cè)除窗出風(fēng)口平均風(fēng)速-副駕側(cè)6.0～8.06.86.8

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，方案一與方案二的流量分配與風(fēng)速仍能滿足目標(biāo)要求，兩側(cè)除霜出風(fēng)口風(fēng)量與風(fēng)速有所降低。前擋風(fēng)與側(cè)窗玻璃壁面以及輔助出風(fēng)口風(fēng)速分布分析如圖6—圖8所示。

通過(guò)方案一與方案二對(duì)比發(fā)現(xiàn)：風(fēng)量分配、玻璃壁面風(fēng)速以及輔助出風(fēng)口的風(fēng)速均勻性方面，方案二明顯優(yōu)于方案一。由于輔助出風(fēng)口的分流，導(dǎo)致了側(cè)除霜出風(fēng)口風(fēng)量有所減小，出風(fēng)口風(fēng)速也有所降低，從而導(dǎo)致了側(cè)窗玻璃壁面風(fēng)速也相應(yīng)降低，可能對(duì)側(cè)玻璃除霜除霧效果有一定影響，需要開(kāi)展樣車(chē)驗(yàn)證。

圖6 方案一、二前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布

圖7 方案一、二輔助出風(fēng)口風(fēng)速分布

圖8 主副駕側(cè)窗玻璃壁面風(fēng)速分布

3 方案驗(yàn)證

在同一輛設(shè)計(jì)樣車(chē)上對(duì)風(fēng)道設(shè)計(jì)樣件進(jìn)行更換驗(yàn)證，采用方案一時(shí)前擋風(fēng)玻璃有較為明顯的改善，但仍有局部霧氣殘余，采用方案二效果最好，未有殘余霧氣，如圖9—圖12所示。從主副駕側(cè)窗玻璃除霧測(cè)試結(jié)果分析，方案二相比方案一稍差，原狀態(tài)最好，但對(duì)側(cè)窗后視鏡視野區(qū)域不影響，可以滿足設(shè)計(jì)要求，整體測(cè)試結(jié)果與CFD分析結(jié)果基本一致。

圖9 前擋風(fēng)玻璃主駕側(cè)除霧示意 圖10 前擋風(fēng)玻璃副駕側(cè)除霧示意

圖11 主駕側(cè)窗玻璃除霧示意 圖12 副駕側(cè)窗玻璃除霧示意

從方案二前擋風(fēng)玻璃表面風(fēng)速 CFD計(jì)算結(jié)果分析，輔助出風(fēng)口對(duì)A柱邊角風(fēng)速提升較為明顯，對(duì)邊角上部區(qū)域提升有限，但測(cè)試結(jié)果較好。為了進(jìn)一步分析，利用紅外溫度攝像儀對(duì)前風(fēng)擋玻璃溫度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)A柱附近區(qū)域溫度提升也較明顯，如圖13所示。CFD只分析了速度分布一個(gè)層面，玻璃自身存在熱傳導(dǎo)的作用，對(duì)霧氣消除也有較大的推進(jìn)作用，因此，方案二使整體除霜除霧性能整體提升較明顯。

圖13 前擋風(fēng)玻璃溫度分布

4 結(jié)論

本文作者針對(duì)具體某車(chē)型前擋風(fēng)玻璃除霜除霧效果不佳的問(wèn)題，在其主要風(fēng)道和出風(fēng)口因結(jié)構(gòu)布置不能更改的條件下，結(jié)合CFD分析結(jié)果，設(shè)計(jì)出了兩種增加輔助除霜除霧出風(fēng)口風(fēng)道設(shè)計(jì)方案，最終通過(guò)CFD計(jì)算分析與環(huán)境模擬艙測(cè)試，得出如下結(jié)論：

(1)方案二設(shè)計(jì)能夠解決前擋風(fēng)玻璃除霜除霧效果不佳的問(wèn)題，兩輔助出風(fēng)口平均風(fēng)速可達(dá)7 m/s左右，A柱下部玻璃邊角風(fēng)速提升明顯，上部區(qū)域可通過(guò)玻璃熱傳導(dǎo)作用得到提升；

(2)兩種輔助風(fēng)道設(shè)計(jì)方案對(duì)側(cè)窗玻璃除霜除霧性能有弱化，但仍能滿足后視鏡視野區(qū)域的清晰度；

(3)CFD理論計(jì)算分析和測(cè)試結(jié)果基本吻合，可以指導(dǎo)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和選擇。