R1234yf整車汽車空調(diào)泄漏擴(kuò)散研究

汪琳琳 楊 昭 王 丹

(1 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300072；2 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300)

新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)未來(lái)替代制冷劑應(yīng)以保證乘員安全為第一目標(biāo)。由于R1234yf是一種輕度易燃的制冷劑，因此當(dāng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于管道或部件損壞導(dǎo)致制冷劑泄漏至車輛乘員艙時(shí)，若在乘員艙中積聚的濃度達(dá)到可燃性下限值，且遇到明火源，可能會(huì)產(chǎn)生爆炸。不同等級(jí)車型的排量、車軸距等參數(shù)不同。A級(jí)車(含A0與A00級(jí))的排量為1.0～2.0 L，車軸距為2.0～2.7 m。B級(jí)車排量為1.8～2.4 L，車軸距為2.7～2.9 m。一輛A級(jí)乘用車或小SUV，傳統(tǒng)空調(diào)制冷劑充注量為450～550 g，B級(jí)SUV車如某款增程式混動(dòng)單冷空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量為620 g。對(duì)于采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)并利用系統(tǒng)液冷冷卻電池的新能源純電動(dòng)汽車，熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量為1 000～1 300 g，間接熱泵比直接熱泵空調(diào)系統(tǒng)充注量多，帶中間補(bǔ)氣的熱泵系統(tǒng)需要多加200 g。表1所示為幾種A級(jí)車型的制冷劑充注量。對(duì)電池冷卻采用風(fēng)冷或水冷的新能源車型，單冷空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車單冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑充注量無(wú)顯著差異。對(duì)比可知，熱泵空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)汽車和新能源汽車單冷空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量增加了400～800 g。相比于傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)，若熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷劑在乘員艙泄漏，會(huì)增加乘員艙制冷劑的體積濃度，制冷劑體積濃度達(dá)到一定程度，若遇明火，使用可燃制冷劑發(fā)生泄漏-燃爆的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)增加。

表1 不同車型制冷劑充注量

本文采用數(shù)值模擬的方法，研究R1234yf在泄漏情況下乘員艙內(nèi)的泄漏擴(kuò)散規(guī)律，以及集聚效應(yīng)對(duì)室內(nèi)R1234yf體積濃度分布的影響。

1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于R1234yf可燃性研究

制冷劑的安全問(wèn)題一直是新型制冷劑能否被行業(yè)接受的關(guān)鍵因素。而R1234yf的微燃性使其在汽車空調(diào)的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。由于R1234yf具有輕微可燃性，被美國(guó)采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE)與中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7778—2017[1]評(píng)定為A2L。表2所示為不同制冷劑的燃燒特性。相比于其他制冷劑，R1234yf具有更低的燃燒區(qū)域、燃燒速度和更高的點(diǎn)燃能量，在表2中R1234yf的可燃性最小[2]。

表2 不同制冷劑的燃燒特性[2]

對(duì)于汽車空調(diào)，人們主要關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)和乘客車廂內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，如制冷劑在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)發(fā)生泄漏，發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部位可能會(huì)點(diǎn)燃泄漏的R1234yf。制冷劑在乘客車廂內(nèi)發(fā)生泄漏，此時(shí)乘客若恰好使用明火(如打火機(jī))，可能導(dǎo)致車廂內(nèi)R1234yf燃燒。為了驗(yàn)證這兩項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的大小，霍尼韋爾公司的科研人員設(shè)計(jì)了鋼板實(shí)驗(yàn)及車廂內(nèi)明火點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)。將鋼板加熱至一定溫度，觀察R1234yf是否出現(xiàn)可燃現(xiàn)象。結(jié)果表明，在550 ℃及800 ℃的鋼板實(shí)驗(yàn)情況下，均未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。在900 ℃的鋼板實(shí)驗(yàn)情況下，若泄漏的R1234yf伴隨有壓縮機(jī)潤(rùn)滑油，它是可燃的。R1234yf的可燃性極小，在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的著火風(fēng)險(xiǎn)與R134a相同[3]，其因泄漏而導(dǎo)致的起火情況可以忽略。SAE CRP1234項(xiàng)目[4]和杜邦公司的可燃特性研究[5]結(jié)果均表明將R1234yf用于汽車空調(diào)制冷劑是相對(duì)安全的。針對(duì)汽車空調(diào)的可燃事故風(fēng)險(xiǎn)分析，文獻(xiàn)[6-7]得出了每單位車輛單位行駛小時(shí)內(nèi)，可燃風(fēng)險(xiǎn)率為10-14量級(jí)。該概率相當(dāng)于每年行駛500 h的美國(guó)2.5億輛客車，每百年才發(fā)生1次可燃的危害事故。

吳曦[8]對(duì)包括R1234yf的多種制冷劑的可燃性和潤(rùn)滑油的相容性進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。陳琪等[9]對(duì)含R1234yf的二元和三元混合物進(jìn)行了爆炸極限和臨界抑爆比實(shí)驗(yàn)研究，給出了臨界抑爆點(diǎn)混合比例。李玉曉[10]實(shí)驗(yàn)測(cè)定了R1234yf及二元混合制冷劑的爆炸壓力、燃燒極限等參數(shù)，并給出了惰性物質(zhì)對(duì)燃燒上限的影響。袁小勇[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法,研究了泄漏速度、窗開(kāi)啟面積、障礙物與泄漏口的距離等因素對(duì)制冷劑泄漏擴(kuò)散規(guī)律、制冷劑濃度分布及房間內(nèi)安全性的影響。M.S.Sadaghiani 等[12]使用哈特曼炸彈模擬物測(cè)量R1234yf制冷劑/空氣混合物的最小點(diǎn)火能和層流燃燒速度。在復(fù)雜的環(huán)境條件下，R1234yf的可燃極限會(huì)隨環(huán)境條件變化。如S.Kondo 等[13]的實(shí)驗(yàn)中，用ASHRAE的評(píng)定方法，在干空氣和相對(duì)濕度為50%的濕空氣中對(duì)R1234yf的可燃極限進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明在更高的濕度范圍下R1234yf會(huì)產(chǎn)生更大的可燃范圍，不利于制冷劑的穩(wěn)定工作。Zhai Rui等[14]進(jìn)一步研究了R1234yf在不同濕度下的可燃極限，并研究了濕度對(duì)可燃極限的影響方式，得出與S.Kondo等[13]類似的結(jié)論?？梢钥闯?，隨著濕度的增加，R1234yf的可燃極限區(qū)間在增加，這增加了燃燒的可能性。為了減小制冷劑的可燃極限范圍，F(xiàn)eng Biao等[15]測(cè)試了常溫常壓下R227ea和R134a作為阻燃劑對(duì)R1234yf的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示R227ea對(duì)于R1234yf的阻燃效果優(yōu)于R134a，加入阻燃劑能降低R1234yf的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

新能源電動(dòng)汽車用空調(diào)系統(tǒng)尤其采用了熱泵空調(diào)系統(tǒng)和電池液冷卻的汽車，由于需兼顧冬季和夏季的使用，系統(tǒng)所需制冷劑的充注量也會(huì)增加。

2 整車制冷劑泄漏數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

制冷劑泄漏擴(kuò)散控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分運(yùn)輸方程，控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；ui為x,y,z方向上的速度分量，m/s。

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：p為流體微元上的壓力，Pa；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；f為單位質(zhì)量力矢量，m/s2。

能量守恒方程：

(3)

式中：E為總內(nèi)能，J；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；hi為i組分焓，J/kg；Ji為擴(kuò)散通量，kg/(m2·s)；Φ為能量耗散項(xiàng)，J/(m3·s)；Sh為能量源項(xiàng)，J/(m3·s)。

組分運(yùn)輸方程：

(4)

式中：mi為混合氣體各組分的質(zhì)量濃度；Si為i組分的質(zhì)量源項(xiàng)，kg/(m3·s)。

2.2 基本假設(shè)條件

對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)值模擬是非常困難的，在模擬的過(guò)程需要簡(jiǎn)化模擬的數(shù)學(xué)模型，以減少對(duì)計(jì)算機(jī)的要求，使計(jì)算結(jié)果更容易收斂，進(jìn)行如下基本假設(shè)和簡(jiǎn)化：

模型的基本假設(shè)：

1)乘員艙內(nèi)的空氣看作不可壓縮流體，泄漏過(guò)程為湍流；

2)由于制冷劑在高壓下泄漏至大氣空間中瞬間氣化膨脹，認(rèn)為R1234yf制冷劑的泄漏為氣體泄漏，且R1234yf制冷劑不與室內(nèi)的空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，R1234yf與空氣的混合氣體看作理想氣體，適用理想氣體狀態(tài)方程；

3)制冷劑泄漏源為連續(xù)泄漏源并等速泄漏，不隨時(shí)間改變[16]；

4)泄漏過(guò)程模型溫度恒定且無(wú)熱量交換；

5)重力加速度恒定，不隨高度改變而變化；

6)設(shè)置新風(fēng)速度時(shí)，出風(fēng)口風(fēng)速方向與出風(fēng)口方向垂直，且速度不隨時(shí)間、地點(diǎn)和高度的改變而變化。

2.3 幾何模型

采用CFD建模模擬熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷劑R1234yf由于蒸發(fā)器破損泄漏至某款A(yù)0車型乘員艙中的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。該車型乘員艙空間較小，放入乘客4人后的凈車內(nèi)容積為2.1 m3。而一般7座車型放入乘客4人后的凈車內(nèi)容積約為3 m3。CFD模型包含了整車、艙內(nèi)座椅與乘員、艙內(nèi)操作面板與4個(gè)出風(fēng)口(出風(fēng)口面積為A0車型通用大小)、前端駕駛艙、車窗與車門等三維模型，圖1所示為整車CFD三維模型。圖2所示為乘員艙內(nèi)俯視圖，可以看到在艙內(nèi)操作面板上左側(cè)、中間、右側(cè)分別有1個(gè)、2個(gè)、1個(gè)共計(jì)4個(gè)出風(fēng)口。

圖1 整車CFD三維模型

圖2 乘員艙內(nèi)俯視圖

在駕駛艙外的前端模塊包括空調(diào)箱及空調(diào)箱中的電機(jī)、風(fēng)扇、蒸發(fā)器、暖風(fēng)芯體、出風(fēng)口前送風(fēng)管路、新風(fēng)口、回風(fēng)口等，三維圖如圖3所示。

圖3 駕駛艙外前端模塊

2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響計(jì)算收斂速度和模擬結(jié)果的精度。整車三維模型在網(wǎng)格劃分時(shí)需對(duì)泄漏口與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件等特殊部件使用物理場(chǎng)控制網(wǎng)格,并對(duì)邊界和表面局部加密。本研究采用以六面體為核心的網(wǎng)格，邊界層采用拉伸因子方式，邊界層層數(shù)設(shè)置為3層，邊界層厚度增長(zhǎng)因子為1.3，邊界層總厚度為0.004 m，最大單元尺寸為0.2 m，最小邊長(zhǎng)為0.001 m，加密區(qū)平均邊長(zhǎng)為0.006 m，其他區(qū)平均邊長(zhǎng)為0.03 m，生成面網(wǎng)格總數(shù)量為460萬(wàn)，體網(wǎng)格總數(shù)量為3 250萬(wàn)。圖4所示為整車模型面網(wǎng)格劃分。

圖4 整車模型面網(wǎng)格劃分

2.5 初始條件與邊界條件

模擬場(chǎng)景為在空調(diào)箱風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速下經(jīng)過(guò)送風(fēng)管路通過(guò)乘員艙內(nèi)面板上的4個(gè)空調(diào)通風(fēng)口泄漏全部制冷劑。泄漏孔的尺寸根據(jù)SAE J2772標(biāo)準(zhǔn)[16]設(shè)定，該孔徑是由蒸發(fā)器供應(yīng)商或故障中的經(jīng)驗(yàn)選擇的腐蝕泄漏孔，對(duì)代表蒸發(fā)器嚴(yán)重泄漏情況的0.5 mm特定孔徑進(jìn)行了制冷劑泄漏評(píng)估。并設(shè)置泄漏孔0.5 mm情況下對(duì)應(yīng)的制冷劑泄漏率為1.14 g/s[16]。

設(shè)置整車CFD模型的初始條件如下：

1)乘員艙內(nèi)外壓力為環(huán)境壓力101 325 Pa(表壓為0)；

2)乘員艙內(nèi)、外溫度為298 K；

3)乘員艙內(nèi)風(fēng)速為0；

4)乘員艙內(nèi)空氣組分為100%；

5)蒸發(fā)器中制冷劑壓力0.5 MPa。

設(shè)置整車CFD模型的邊界條件如下：

1)車輛內(nèi)部容積為2.4 m3；

2)乘客人數(shù)為4人；

3)乘員艙凈車內(nèi)容積為2.1 m3；

4)空調(diào)箱低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速風(fēng)量為168 m3/h(空氣風(fēng)速約為1.0 m/s)；

5)車門縫為5 mm；

6)空氣換氣率為1.2(空氣換氣率指單位時(shí)間(h)內(nèi)進(jìn)入乘員艙空氣量(m3/h)與乘員艙凈車內(nèi)容積(m3)的比率)；

7)R1234yf制冷劑充注量為680 g；

8)蒸發(fā)器泄漏圓孔尺寸為0.5 mm，設(shè)置在蒸發(fā)器表面寬度1/2、高度2/3的位置；

9)制冷劑泄漏給定質(zhì)量流量入口條件為1.14 kg/s；

10)百分百內(nèi)循環(huán)，回風(fēng)口設(shè)置自由流入條件；

11)車門縫設(shè)置自由出口條件；

12)整車殼體、門窗、面板等設(shè)置為壁面條件。

2.6 計(jì)算參數(shù)設(shè)定

制冷劑在乘員艙內(nèi)空氣中的擴(kuò)散是以湍流形式進(jìn)行組分傳輸?shù)倪^(guò)程。本文選擇三維非穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流多組分混合氣體模型，考慮重力影響進(jìn)行制冷劑泄漏擴(kuò)散計(jì)算。選擇PISO算法，設(shè)置湍動(dòng)能為0.001 J/kg，湍流耗散率為0.1 m2/s3，松弛因子保持默認(rèn)值。

2.7 計(jì)算結(jié)果

制冷劑泄漏點(diǎn)設(shè)置在空調(diào)箱內(nèi)的蒸發(fā)器出口表面上，與空調(diào)箱送風(fēng)方向一致。泄漏后的制冷劑隨送風(fēng)空氣混合后通過(guò)送風(fēng)管道進(jìn)入乘員艙。為監(jiān)視制冷劑在乘員艙中的動(dòng)態(tài)體積濃度分布，設(shè)置了體積濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置為預(yù)期最高體積濃度的4個(gè)送風(fēng)口出口處、最危險(xiǎn)體積濃度位置的4位乘客呼吸點(diǎn)處、4位乘客的腳部正上方，共計(jì)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5制冷劑濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布中的紅色標(biāo)志所示。制冷劑隨空氣由送風(fēng)口進(jìn)入乘員艙的大空間后擴(kuò)散，因此送風(fēng)口的近出口處是制冷劑在乘員艙中擴(kuò)散的最高濃度濃度分布點(diǎn)。R1234yf聚集達(dá)到一定體積濃度后遇明火有爆炸危險(xiǎn)，因此設(shè)置乘客呼吸點(diǎn)處即吸煙點(diǎn)火位置為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。表3所示為4個(gè)出風(fēng)口尺寸。

圖5 制冷劑體積濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布

表3 4個(gè)出風(fēng)口尺寸

表4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置編號(hào)

運(yùn)行模型650 s將制冷劑全部泄漏后觀測(cè)制冷劑在乘員艙中體積濃度的分布和制冷劑體積濃度隨時(shí)間的變化，假設(shè)制冷劑體積濃度分布是相對(duì)線性的。蒸發(fā)器中設(shè)置的泄漏孔直徑為0.5 mm，且乘員艙空氣采用100%再循環(huán)模式。因此，模型設(shè)置代表了由于蒸發(fā)器腐蝕破損造成制冷劑泄漏的最嚴(yán)重情況。

圖6所示為各制冷劑濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積濃度隨時(shí)間的變化。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、11、12數(shù)值接近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、9、10數(shù)值接近，圖6選取代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意。表5所示為12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最高制冷劑體積濃度值。結(jié)果顯示在全部制冷劑泄漏完成后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的制冷劑濃度最高。R1234yf在4個(gè)出風(fēng)口近出口處的體積濃度比乘員呼吸點(diǎn)附近和腳部附近的體積濃度高。監(jiān)測(cè)點(diǎn)5和監(jiān)測(cè)點(diǎn)8分別為左、右出風(fēng)口，吹出速度快且與障礙物(乘員、座椅等)距離較近，因此制冷劑聚集后出現(xiàn)了體積濃度波動(dòng)。除駕駛員呼吸點(diǎn)位置體積濃度較低，其他乘員呼吸點(diǎn)體積濃度接近。由于重力作用，同一乘客的呼吸點(diǎn)與腳步的體積濃度接近，且后排腳部體積濃度比前排略高約0.1%。4個(gè)出風(fēng)口最高平均R1234yf體積濃度為1.58%，4位乘客呼吸點(diǎn)最高平均R1234yf體積濃度為0.99%，4位乘客腳部最高平均R1234yf體積濃度為0.95%。R1234yf的最高體積濃度發(fā)生在中間右側(cè)的出風(fēng)口近出口處，最高體積濃度為1.67%。R1234yf的體積百分比可燃下限(LFL，lower flammability limit)為6.2%，因此，R1234yf在整個(gè)泄漏過(guò)程中在乘員艙中的聚集并位超過(guò)其可燃下限。

圖6 各制冷劑濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積濃度隨時(shí)間的變化

表5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)制冷劑最高體積濃度

圖7所示為650 s時(shí)乘員艙內(nèi)制冷劑的體積濃度分布云圖。出風(fēng)口附近的制冷劑體積濃度最大。從制冷劑體積濃度分布和傳遞路徑可以看出，R1234yf向乘員艙的門窗縫隙附近擴(kuò)散的現(xiàn)象較弱，由送風(fēng)直接噴射到成員所在呼吸的位置，并在此少量聚集，然后制冷劑碰壁向四周位置傳遞擴(kuò)散，并且由于R1234yf密度大于空氣密度，部分制冷劑在地面聚集。

圖7 乘員艙內(nèi)制冷劑體積濃度分布云圖

圖8所示為650 s時(shí)乘員艙內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)制冷劑體積濃度分布云圖。由圖8(a)～(d)可知，制冷劑在出風(fēng)口前體積濃度較高，通過(guò)出風(fēng)口吹入乘員艙后由于擴(kuò)散作用體積濃度迅速降低。并且從近出風(fēng)口的出口制冷劑體積濃度可知，中間兩個(gè)出風(fēng)口比左、右側(cè)兩個(gè)出風(fēng)口的制冷劑體積濃度大，這是由于送風(fēng)管道的形狀、長(zhǎng)度與阻力不同造成流體流動(dòng)速度場(chǎng)不同。制冷劑在速度場(chǎng)的作用下吹向后側(cè)直至遇到障礙物，在障礙物附近聚集。由圖8(e)～(f)可知，乘員艙后排制冷劑體積濃度高于前排，且后排乘員呼吸點(diǎn)附近的縱面制冷劑體積濃度分布較均勻。前排乘員縱面方向呼吸點(diǎn)附近的制冷劑體積濃度高于其他位置，這是由于乘員艙前排風(fēng)速大于后排風(fēng)速，因此制冷劑不易聚集。而乘員艙后排包括后排座椅后方風(fēng)速較低，制冷劑較易聚集。

圖8 乘員艙內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)制冷劑體積濃度分布云圖

圖9所示為乘員艙內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面制冷劑體積濃度超過(guò)1.0%的區(qū)域，即乘員艙內(nèi)R1234yf體積濃度區(qū)域較高的位置。乘員艙內(nèi)R1234yf體積濃度較高的位置主要在中間兩個(gè)出風(fēng)口R1234yf直接噴射出來(lái)至后排艙頂?shù)膮^(qū)域。因此，中間出風(fēng)口吹出若無(wú)障礙物阻擋，直至艙頂整個(gè)射程沿程體積濃度較大，且吹至艙頂后向四周擴(kuò)散再遇到障礙物在后排聚集。前排乘員位置由于風(fēng)速較大比后排乘員位置處的制冷劑體積濃度小，R1234yf密度大于空氣密度，向地面聚集，后排縱面制冷劑體積濃度均較大。

圖9 乘員艙內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面體積濃度超過(guò)1%的區(qū)域

圖10所示為R1234yf泄漏氣體在乘員艙內(nèi)的流動(dòng)軌跡，可以看到R1234yf在速度場(chǎng)作用下的擴(kuò)散軌跡。由送風(fēng)攜帶泄漏的制冷劑從出風(fēng)口吹出。由于送風(fēng)管道的分配和阻力，R1234yf從副駕駛側(cè)的出風(fēng)口和中間兩個(gè)出風(fēng)口吹出的速度較高，體積濃度較大。吹出后的R1234yf在碰壁(前排和后排乘員)下方形成漩渦并向四周擴(kuò)散，R1234yf由于漩渦作用和重力作用在乘員呼吸點(diǎn)下方聚集。

圖10 乘員艙內(nèi)R1234yf流動(dòng)軌跡

此外，制冷劑從蒸發(fā)器泄漏處至空調(diào)通風(fēng)口之間的空調(diào)箱內(nèi)部通道形狀變化復(fù)雜。圖11所示為空調(diào)箱內(nèi)部制冷劑體積濃度分布云圖，截面位于兩個(gè)中間通風(fēng)口之間。由計(jì)算結(jié)果可知，由于重力作用制冷劑泄漏后在空調(diào)箱送風(fēng)通道內(nèi)底部區(qū)域形成了聚集，然后隨送風(fēng)吹入4個(gè)送風(fēng)管道，由通風(fēng)孔吹出后形成“近二次泄漏”擴(kuò)散至乘員艙內(nèi)部。

圖11 空調(diào)箱內(nèi)部制冷劑體積濃度分布云圖

基于數(shù)值模擬結(jié)果可知，乘用車在100%內(nèi)循環(huán)與低風(fēng)速條件下，R1234yf由空調(diào)箱內(nèi)蒸發(fā)器通過(guò)風(fēng)道完全泄漏至乘員艙后，出風(fēng)口附近聚集的制冷劑體積濃度最大，即危險(xiǎn)性最高。

2.8 與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

杜邦與霍尼韋爾公司對(duì)R1234yf在乘用車汽車空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的危險(xiǎn)性進(jìn)行了研究[17]，包括對(duì)制冷劑泄漏乘員艙后的可燃風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)采用7人座車，乘員艙凈車內(nèi)容積為3.1 m3，設(shè)置空氣為低風(fēng)速100%內(nèi)循環(huán)。實(shí)驗(yàn)對(duì)前排乘員呼吸點(diǎn)、肘部，吹面與吹腳出風(fēng)口設(shè)置了濃度傳感器并進(jìn)行實(shí)時(shí)制冷劑體積濃度檢測(cè)。圖12所示為R1234yf泄漏后乘員艙體積濃度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果[17]。由圖12可知，前排左呼吸點(diǎn)、前排右呼吸點(diǎn)、左出風(fēng)口、前排右腳部的制冷劑體積濃度分布相對(duì)較高，但最高體積濃度不高于3%。前排左肘、前排右肘、前排左腳、右出風(fēng)口、左右中間出風(fēng)口的制冷劑體積濃度分布相對(duì)較低，最高濃度不高于2%。由于R1234yf密度大于空氣密度，對(duì)于內(nèi)容積較大的車型，存在吹風(fēng)“死角”，制冷劑隨空氣流動(dòng)會(huì)有部分聚集在腳部的可能。在整車制冷劑泄漏實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的R1234yf體積濃度均低于其可燃下限值。

圖12 乘員艙R1234yf體積濃度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果[17]

莊晨[18]對(duì)關(guān)于車內(nèi)污染物運(yùn)動(dòng)分布與規(guī)律分析表明，送風(fēng)風(fēng)速、送風(fēng)溫度與濕度、送風(fēng)方向是主要影響因素，也是影響制冷劑泄漏擴(kuò)散體積濃度分布的主要因素。本文在相同的數(shù)值模擬邊界條件與杜邦實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，如相同送風(fēng)風(fēng)速、相同送風(fēng)方向水平吹出，還設(shè)置相同制冷劑泄漏孔大小與相同空氣交換率。對(duì)比可知，R1234yf泄漏過(guò)程的乘員艙內(nèi)制冷劑體積濃度數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[17]實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，中間兩個(gè)出風(fēng)口最高體積濃度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最接近，誤差約為6.7%；右出風(fēng)口最高體積濃度與實(shí)驗(yàn)相差約0.31%；左出風(fēng)口、左右呼吸點(diǎn)最高體積濃度與實(shí)驗(yàn)相差約1.2%。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的誤差主要是由于不同車型造成制冷劑體積濃度分布情況的差異。

但對(duì)于危險(xiǎn)性較高的車型，即主要影響制冷劑體積濃度因素差異較大時(shí)，如密封較好、凈空間體積比乘員艙空間小、空氣交換率低、制冷劑充注量大，制冷劑體積濃度可能會(huì)超過(guò)可燃下限。此時(shí)應(yīng)做進(jìn)一步考察，對(duì)于危險(xiǎn)車型考慮設(shè)定制冷劑充注量限值和優(yōu)化熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制制冷劑充注量，或在乘員艙內(nèi)安裝制冷劑濃度報(bào)警器。在保證充注量限值或采取安全預(yù)警的情況下，汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)使用R1234yf制冷劑是安全的。

3 結(jié)論

新能源電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量相比于傳統(tǒng)燃油車顯著增多，使用可燃制冷劑時(shí)危險(xiǎn)評(píng)估具有重大意義。本文對(duì)A0級(jí)車型使用微燃制冷劑R1234yf時(shí)，在100%內(nèi)循環(huán)與低風(fēng)速下，蒸發(fā)器破損泄漏通過(guò)送風(fēng)風(fēng)道隨送風(fēng)進(jìn)入乘員艙后的體積濃度分布情況和安全性進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，得到如下結(jié)論：

1)由于重力作用制冷劑泄漏后在空調(diào)箱送風(fēng)通道內(nèi)底部區(qū)域形成了聚集，由通風(fēng)孔吹出后形成“近二次泄漏”擴(kuò)散至乘員艙內(nèi)部。

2)R1234yf完全泄漏后，由于乘員艙前排風(fēng)速大于后排風(fēng)速，后排制冷劑較易聚集，后排腳部R1234yf體積濃度比前排略高約0.1%。且后排乘員呼吸點(diǎn)附近縱面制冷劑體積濃度分布較均勻，而前排乘員縱面方向呼吸點(diǎn)附近制冷劑體積濃度高于其他位置。

3)4個(gè)出風(fēng)口最高平均R1234yf體積濃度為1.58%；4位乘客呼吸點(diǎn)最高平均R1234yf體積濃度為0.99%；乘員艙內(nèi)最高體積濃度不高于2%，低于其可燃濃度下限。

4)在制冷劑體積濃度分布主要影響因素相同的邊界條件下，與杜邦實(shí)驗(yàn)車進(jìn)行了對(duì)比，乘員艙內(nèi)制冷劑體積濃度分布結(jié)果相近，車型不同使最高制冷劑體積濃度差約為1.2%。