汽車(chē)雙層流HVAC的研究及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：汽車(chē);雙層流;HVAC ;節(jié)能;

1 概述

HVAC是安裝在儀表臺(tái)下具有加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)功能的單元，通過(guò)吸入內(nèi)氣或者外氣，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器和暖風(fēng)芯體將其調(diào)節(jié)成設(shè)定溫度，吹入駕駛室內(nèi)，起著向乘客提供舒適環(huán)境的重要作用[1]。作為汽車(chē)空調(diào)的核心部件，HVAC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響空調(diào)系統(tǒng)的性能和用戶(hù)體驗(yàn)。

現(xiàn)有的汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)都設(shè)置有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)送氣，但是無(wú)論是單獨(dú)的外循環(huán)還是內(nèi)循環(huán)都存在一定的弊端。如外循環(huán)內(nèi)耗大，且在重污染地帶會(huì)吸入污染;而內(nèi)循環(huán)則吸入新鮮空氣少，不是很健康。如何在保證乘客舒適性的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外進(jìn)風(fēng)的混風(fēng)比例，更多地利用車(chē)內(nèi)處于比較舒適溫度的空氣參與換熱，來(lái)實(shí)現(xiàn)降低能耗的需求，一直是汽車(chē)空調(diào)工程師攻關(guān)的課題。

北方冬季行車(chē)，車(chē)窗易起霧起霜，必須開(kāi)啟外循環(huán)+ 除霧模式。車(chē)外冷空氣經(jīng)過(guò)暖風(fēng)芯體加熱后給車(chē)內(nèi)提供熱空氣，需要消耗較大熱量。對(duì)于燃油車(chē)，在氣溫較低時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間車(chē)內(nèi)才能達(dá)到舒適溫度;對(duì)于電動(dòng)車(chē)，需要消耗更多的電量用于整車(chē)的采暖，從而降低整車(chē)?yán)m(xù)航里程[2-3]。如果能從HVAC 結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，合理利用車(chē)內(nèi)空氣余熱，將可以進(jìn)一步降低能量消耗，達(dá)到降低油耗或電量的目的。雙層流HVAC 則具備同時(shí)導(dǎo)入內(nèi)氣和外氣的功能。下面將對(duì)雙層流HVAC 的結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行闡述。

2 雙層流HVAC 結(jié)構(gòu)說(shuō)明

雙層流HVAC 與常規(guī)HVAC 相比具有不同的進(jìn)風(fēng)箱和分配箱，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外氣同時(shí)導(dǎo)入。

2.1 雙層流HVAC 結(jié)構(gòu)

雙層流HVAC 進(jìn)風(fēng)箱分為上下2 個(gè)葉輪，其中上部葉輪可以導(dǎo)入新鮮外氣，下部葉輪可以導(dǎo)入車(chē)內(nèi)的內(nèi)氣。低濕度的外氣通過(guò)外循環(huán)風(fēng)門(mén)，經(jīng)上層葉輪流入DEF 風(fēng)道吹出。車(chē)內(nèi)的內(nèi)氣通過(guò)內(nèi)循環(huán)風(fēng)門(mén)，經(jīng)過(guò)葉輪內(nèi)部導(dǎo)流槽進(jìn)入下層葉輪，由吹腳風(fēng)道吹出。HVAC 分配箱通過(guò)隔板分為上下兩層，將內(nèi)外氣分開(kāi)，內(nèi)氣從下層經(jīng)吹腳風(fēng)道吹出，可用于整車(chē)采暖;外氣濕度較低，從上層經(jīng)除霜風(fēng)道吹出，吹向玻璃防止起霧（圖1）。

2.2 雙層流HVAC 與常規(guī)HVAC 對(duì)比

常規(guī)HVAC 鼓風(fēng)機(jī)為單層葉輪，設(shè)定為內(nèi)循環(huán)或者外循環(huán)模式下，只能導(dǎo)入100% 內(nèi)氣或者100% 外氣。冬天制熱只能采用低溫的外氣加熱后給乘員艙供暖，熱量消耗較大。對(duì)于電動(dòng)車(chē)，將需要消耗大量的電量用于整車(chē)制熱。雙層流HVAC 鼓風(fēng)機(jī)為雙層葉輪，可以同時(shí)導(dǎo)入50% 內(nèi)氣以及50% 的外氣，內(nèi)氣加熱后通過(guò)吹腳風(fēng)道吹出，用于整車(chē)采暖;外氣加熱后通過(guò)除霜風(fēng)道吹出，用于玻璃除霜除霧[4]。內(nèi)氣相比外氣溫度較高，可以降低熱量需求，從而提高制熱效率，可以快速提高車(chē)內(nèi)溫度，減少電動(dòng)車(chē)電量消耗，從而提升電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程（圖2）。

3 雙層流HVAC 性能特點(diǎn)

3.1 制熱性能驗(yàn)證

本次試驗(yàn)選取了某電動(dòng)車(chē)車(chē)型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證工況為：環(huán)境溫度-20℃，最大制熱模式。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)未打開(kāi)雙層流，采用100% 外氣模式，1 h 后出風(fēng)口溫度穩(wěn)定在50℃。然后再開(kāi)啟雙層流模式，繼續(xù)測(cè)試出風(fēng)口溫度。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，開(kāi)啟雙層流后出風(fēng)口溫度可繼續(xù)上升，穩(wěn)定在60℃。相比常規(guī)HVAC，出風(fēng)口溫度從50℃上升至60℃，出風(fēng)口溫度提升10℃（圖3）。

3.2 不同水溫制熱效果驗(yàn)證

由于雙層流HVAC 與常規(guī)HVAC 相比，出風(fēng)口溫度能帶來(lái)10℃的提升，因此可以將整車(chē)采暖時(shí)的最大目標(biāo)水溫降低10℃，目標(biāo)水溫由70℃下降至60℃，從而達(dá)到節(jié)能目的。從某電動(dòng)車(chē)型采暖試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，環(huán)境溫度-20℃工況下，雙層流HVAC 目標(biāo)水溫設(shè)定為60℃，在水溫穩(wěn)定后可以達(dá)到常規(guī)HVAC 目標(biāo)水溫70℃的制熱效果，出風(fēng)口溫度均為50℃，且升溫過(guò)程較常規(guī)HVAC 更快（圖4）。

3.3 雙層流HVAC 節(jié)能效果

由于雙層流可以使空調(diào)系統(tǒng)目標(biāo)水溫降低10℃，因此可以減少電動(dòng)車(chē)電量的消耗。電動(dòng)車(chē)制熱采用PTC 作為熱源，環(huán)境溫度-20℃環(huán)境下，將水溫加熱到60℃，需消耗PTC 能量4 kW ;將水溫加熱到70℃，需消耗PTC 能量5 kW。因此對(duì)于雙層流HVAC，每小時(shí)可節(jié)省電量1 kW · h。車(chē)輛以60 km/h 車(chē)速行駛從滿(mǎn)電狀態(tài)到0 電狀態(tài)，以環(huán)境溫度-20℃為例，在全里程內(nèi)雙層流空調(diào)可節(jié)省電量4.5 kW · h，可增加續(xù)航里程13 km。不同環(huán)境溫度下，續(xù)航里程增加情況如表1。

4 總結(jié)

綜上所述，雙層流HVAC 較常規(guī)HVAC 相比導(dǎo)入了50% 內(nèi)氣，減少了排氣能耗 損失，整車(chē)采暖性能明顯提升，提高了整車(chē)舒適性。同時(shí)由于合理利用了內(nèi)氣，在降低電動(dòng)車(chē)制熱能耗提升續(xù)航里程上有明顯效果，同時(shí)在燃油車(chē)上也可以減少能量損失，降低整車(chē)油耗。