汽車前端熱流場分析設(shè)計

吳剛 董奇奇

摘要：針對汽車空調(diào)夏季高溫時怠速制冷效果差的現(xiàn)象，進行原因分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的散熱流場對空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果有很大影響。通過對發(fā)動機艙的熱流場做仿真分析，提出應(yīng)對方案。在試驗驗證后，解決了怠速制冷差問題。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào);怠速;壓縮機;熱回流。

引言

現(xiàn)代汽車均有空調(diào)裝置，制冷能力在夏季時必不可少。

汽車空調(diào)的通過壓縮機壓縮制冷劑，將低溫低壓的制冷劑壓縮到高溫高壓氣體，高溫高壓氣體制冷劑進入冷凝器后，通過空氣散熱。制冷劑冷卻后發(fā)生相變，變成高溫高壓液體，經(jīng)過膨脹閥后，在蒸發(fā)器中霧化蒸發(fā)，相變過程中大量吸熱，冷卻經(jīng)過蒸發(fā)器表面的空氣，達到制冷效果。室內(nèi)降溫帶走的熱量最終需要通過室外的冷凝器散發(fā)到空氣中。

汽車空調(diào)的冷凝器通常有幾種布置方式，最常見的是在車頭通風(fēng)格柵后。迎面風(fēng)從格柵進入后，先經(jīng)過冷凝器，然后經(jīng)過發(fā)動機散熱器，再經(jīng)過散熱器風(fēng)扇。有些情況下還有中冷散熱器、油冷器等散熱部件。其他布置模式和本文無關(guān)，不做贅述。

1 前端散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

本文研究車型散熱系統(tǒng)如圖1所示。動力總成為渦輪增壓發(fā)動機，所以冷凝器下放還布置有中冷器散熱器。車輛怠速時，通過散熱器風(fēng)扇強制通風(fēng)，對前端各散熱器進行冷卻。散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速通過PWM波控制。根據(jù)發(fā)動機水溫及空調(diào)系統(tǒng)壓力高低改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。簡單來說，水溫越高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高;空調(diào)壓力越高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高。

2試驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

一款在研車型在夏季高溫時，怠速開空調(diào)，制冷效果很快變差，通常在10分鐘左右空調(diào)徹底喪失制冷效果。根據(jù)問題工況，進行了重復(fù)試驗并采集了試驗過程中的空調(diào)系統(tǒng)壓力值。如圖2所示，空調(diào)高壓在壓縮機開啟后持續(xù)上升，在25分鐘時超過3.0MPa，然后開始下降。這是由于空調(diào)系統(tǒng)的控制策略造成的?？照{(diào)系統(tǒng)為了保護系統(tǒng)正常工作，設(shè)定壓力高于某一值時關(guān)閉壓縮機，并在壓力下降之后重新工作。如果沒有這項功能，持續(xù)上升的空調(diào)壓力會損壞空調(diào)部件。

造成冷凝器壓力高的原因有很多，通常包括冷媒充注過多、熱負(fù)荷太大、散熱能力不足等。

冷媒加注量通過系統(tǒng)標(biāo)定，設(shè)計值確認(rèn)沒有問題，對試驗車輛重新充注冷媒，排除充注操作的問題。重新充注后的車輛，依然存在同樣問題?？梢耘懦涿匠渥⑦^多的原因。

為驗證冷凝器散熱情況，監(jiān)控了冷凝器表面6個位置的進氣溫度。如圖2所示，圖示曲線為冷凝器表面6個進氣溫度點對應(yīng)時間的曲線。第一階段曲線波動較多，是車輛低速行駛階段，該階段結(jié)束時有一個波峰，是車輛進入試驗跑道在道閘前停車時。后續(xù)車輛以40km/h行駛，進氣溫度平穩(wěn)保持40℃，減速掉頭時進氣溫度迎來一個小波峰。然后繼續(xù)以40km/h行駛，進氣溫度保持平穩(wěn)。最后階段為怠速工況，可見6個溫度點均持續(xù)上升，根據(jù)位置不同最后的穩(wěn)定值有高有低。當(dāng)進氣溫度超過60℃時，空調(diào)冷凝器的散熱效果就大受影響，進氣超過70℃，冷凝器幾乎不能為冷卻劑提供過冷度，空調(diào)制冷效果幾乎喪失?？梢娎淠魃崮芰Σ蛔銜r該問題的主要原因。

針對熱負(fù)荷大問題，車輛在行駛中空調(diào)效果良好，說明空調(diào)系統(tǒng)制冷能力能滿足整車熱負(fù)荷要求。

3仿真結(jié)果與分析

為了評價冷凝器進氣溫度高的具體因素，對前端散熱模塊進行了模擬分析。

圖4（a）為怠速工況下，冷凝器進風(fēng)面的溫度云圖。圖4（b）為Y=0 mm 剖面的速度云圖。圖4（c）為Z=400 mm 剖面的速度云圖 。從圖中可以看出：

1、熱空氣從水箱下橫梁不散熱器之間間隙回流進散熱器;

2、熱空氣從散熱器兩側(cè)間隙回流進散熱器;

3、熱空氣從冷凝器和導(dǎo)風(fēng)板之間間隙回流進冷凝器;

4、熱空氣從導(dǎo)風(fēng)板和前保及防撞橫梁之間間隙回流進冷凝器。

從圖中看出冷凝器、散熱器的熱氣回流主要來自于兩側(cè)和下部。

4結(jié)論

根據(jù)分析結(jié)果，采取對應(yīng)措施。封堵冷凝器左右端及下端，具體措施如下：

1、封堵散熱器擋風(fēng)板上的管路開口和進氣開口，與前保配合處增加包膠密封;

2、散熱上下端粘貼海綿條密封;

3、中冷器上端增加海綿條;

4、增加下端擋風(fēng)板，需要重新開發(fā);

整改措施應(yīng)用后，進行制冷試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。怠速工況下，高壓壓力平穩(wěn)，車內(nèi)平均溫度平穩(wěn)，空調(diào)制冷性能得到了保證。

參考文獻

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