商用車空調(diào)系統(tǒng)除霜改進(jìn)提升研究

尚子威， 李豪杰

（徐州徐工汽車制造有限公司， 江蘇 徐州 221000）

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，重卡車輛已經(jīng)成為中國(guó)公路貨運(yùn)中的重要運(yùn)輸裝備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年國(guó)內(nèi)重卡銷量為139.5萬輛，在重卡行業(yè)的蓬勃發(fā)展的同時(shí)，越來越多的人也開始意識(shí)到行車安全的重要性。在影響行車安全的各種因素中，風(fēng)窗玻璃除霜性能直接影響到駕駛員的視野，因此提升風(fēng)窗玻璃除霜性能具有重要意義。

本文以某重卡車型為例，通過在除霜模式下對(duì)風(fēng)窗玻璃表面的速度場(chǎng)進(jìn)行CFD分析，探究除霜風(fēng)道風(fēng)口流量分配及出風(fēng)口風(fēng)速對(duì)除霜效果的影響，其對(duì)于除霜效果的改進(jìn)有重要工程價(jià)值和意義[1]。

1 商用車除霜原理和國(guó)標(biāo)要求

1.1 商用車空調(diào)除霜系統(tǒng)原理

汽車風(fēng)窗玻璃結(jié)霜的原因是，在冬季車內(nèi)車外空氣溫差較大，玻璃外側(cè)的低溫飽和水蒸氣遇到溫度較高的風(fēng)窗玻璃時(shí)，水蒸氣會(huì)析出附著在玻璃外表面，而當(dāng)周圍環(huán)境溫度低于其露點(diǎn)溫度0℃時(shí)，玻璃表面的霧氣就會(huì)結(jié)霜。

商用車空調(diào)除霜系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液為熱源，其工作原理如圖1所示。HVAC總成被安裝在駕駛室儀表板內(nèi)，其內(nèi)部構(gòu)造可分為空氣進(jìn)口、空氣處理、空氣分配3個(gè)部分。①空氣進(jìn)口部分有鼓風(fēng)機(jī)和用來調(diào)節(jié)內(nèi)、外空氣循環(huán)的風(fēng)門；②空氣處理部分有用來制冷的蒸發(fā)器芯體、用來制熱和除霜的加熱器芯體和溫度控制風(fēng)門；③空氣分配部分有各模式風(fēng)門，用來調(diào)節(jié)不同的出風(fēng)模式。

圖1 汽車空調(diào)工作示意圖

當(dāng)開啟除霜功能后，暖風(fēng)水閥處于開啟狀態(tài)，高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流過加熱器芯體，加熱周圍的空氣，再通過鼓風(fēng)機(jī)將熱空氣送入空氣分配區(qū)[2]。此時(shí)除霜風(fēng)門處于打開狀態(tài)，其他風(fēng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，通過除霜風(fēng)道和出風(fēng)口的熱空氣被吹到前擋風(fēng)玻璃和側(cè)玻璃區(qū)域，并使霜層融化，從而達(dá)到除霜目的[3]。

1.2 商用車空調(diào)除霜行業(yè)規(guī)范現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)暫無商用車專用的除霜標(biāo)準(zhǔn)，GB 11555—2009《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》是針對(duì)M1類車輛的除霜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，重卡的相關(guān)試驗(yàn)可暫參考此標(biāo)準(zhǔn)[4]。

GB 11555—2009《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》中規(guī)定的除霜A區(qū)域、B區(qū)域如圖2、圖3所示。A＇區(qū)是以汽車縱向中心平面為基準(zhǔn)面，與A區(qū)域相對(duì)稱的區(qū)域，側(cè)玻璃除霜區(qū)域?yàn)楹笠曠R在側(cè)窗玻璃的投影區(qū)域。

圖2 A區(qū)域

圖3 B區(qū)域

標(biāo)準(zhǔn)要求：試驗(yàn)開始后20min，A區(qū)域有80%已完成除霜；試驗(yàn)開始后25min，A＇區(qū)域有80%已完成除霜；試驗(yàn)開始后40min，B區(qū)域有95%已完成除霜，試驗(yàn)開始后25min，側(cè)窗區(qū)域有80%已完成除霜。

國(guó)外的除霜標(biāo)準(zhǔn)主要參考美國(guó)SAEJ 381《卡車、公共汽車和多用途汽車的擋風(fēng)玻璃防霜系統(tǒng)試驗(yàn)規(guī)程和性能要求》，其除霜A、C區(qū)域要求如圖4所示，區(qū)域繪制規(guī)則如表1所示，除霜性能要求滿足表2。

圖4 SAE J381中規(guī)定的A、 C區(qū)域

表1 A、 C區(qū)域繪制規(guī)則表

表2 除霜性能要求表

2 除霜性能的CFD分析和影響因素的探究

2.1 重卡除霜性能環(huán)境艙測(cè)試

對(duì)某車型進(jìn)行環(huán)境艙除霜試驗(yàn)，環(huán)境溫度為-18℃，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1600r/min，其余條件均滿足GB 11555—2009《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》要求，試驗(yàn)中每間隔5min繪制一次除霜區(qū)域，試驗(yàn)共進(jìn)行45min，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 前風(fēng)窗玻璃除霜結(jié)果

圖6 側(cè)窗玻璃除霜結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，A區(qū)在20min內(nèi)未有霜層融化，A＇在25min內(nèi)未有霜層融化，B區(qū)在40min時(shí)約有20%的除霜區(qū)域完成除霜，側(cè)窗在25min時(shí)未完成后視鏡可見區(qū)域的除霜，前窗玻璃和側(cè)窗玻璃除霜均不滿足除霜要求。

2.2 重卡除霜CFD模型

為改進(jìn)該車型的除霜性能，需對(duì)除霜風(fēng)道進(jìn)行CFD穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬分析。

CFD即計(jì)算流體力學(xué)，是指對(duì)描寫流動(dòng)、傳熱、傳值的控制方程采用數(shù)值方法通過計(jì)算機(jī)予以求解的一門流體力學(xué)和數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學(xué)科，屬于CAE的一個(gè)分支。

CFD分析在風(fēng)道、風(fēng)口設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮著十分重要的作用，通過CFD分析結(jié)果我們可以知道設(shè)計(jì)的風(fēng)道、風(fēng)口是否滿足法規(guī)、人機(jī)及使用要求，其主要輸出物為玻璃內(nèi)表面速度分布云圖。

在CFD前處理階段，對(duì)該車型劃分駕駛室、除霜風(fēng)道等模型網(wǎng)格。去除模型中對(duì)氣流流動(dòng)影響小的細(xì)小零件，將模型中小于3mm的凹槽和縫隙用平滑的曲面補(bǔ)平，簡(jiǎn)化處理后的模型如圖7、圖8所示。還需確定邊界條件，仿真邊界如表3所示。

表3 仿真邊界條件表

圖7 駕駛室分析模型

圖8 除霜風(fēng)道分析模型

2.3 除霜性能影響因素探究

對(duì)試驗(yàn)車型除霜風(fēng)道進(jìn)行CFD分析與計(jì)算，得到風(fēng)窗玻璃的風(fēng)速分布如圖9所示，速度流線圖如圖10所示，各除霜風(fēng)口的出風(fēng)比例如表4所示。

圖9 風(fēng)窗玻璃風(fēng)速分布圖

圖10 風(fēng)窗玻璃速度流線圖

表4 改進(jìn)前各除霜風(fēng)口出風(fēng)比例

圖9、圖10表明風(fēng)窗玻璃表面A、B區(qū)域風(fēng)速偏低，風(fēng)速不均勻；表4表明除霜風(fēng)道各出風(fēng)口出風(fēng)流量分配不均勻。

分析結(jié)果顯示，影響除霜效果的因素主要有以下兩點(diǎn)：各出風(fēng)口流量分配不均勻；風(fēng)窗玻璃的除霜區(qū)域風(fēng)速偏低。

3 空調(diào)系統(tǒng)除霜的優(yōu)化改進(jìn)

3.1 除霜風(fēng)道的改進(jìn)

針對(duì)以上問題，對(duì)除霜風(fēng)道進(jìn)行多次分析修改，各修改方案均進(jìn)行CFD分析，各方案風(fēng)窗玻璃風(fēng)速分布圖如圖11所示。

圖11 各改進(jìn)方案風(fēng)速分布圖

基于以上分析結(jié)果，提出除霜風(fēng)道改進(jìn)方案如下。

1） 如圖12所示，將主駕側(cè)玻璃除霜風(fēng)道折彎弧度減小，使風(fēng)道風(fēng)量增加，同時(shí)改變風(fēng)口形狀，使主駕側(cè)玻璃著風(fēng)面積增加。

圖12 主駕側(cè)玻璃風(fēng)道改進(jìn)對(duì)比圖

2） 如圖13所示，減小3、5號(hào)出風(fēng)口大小，增大4號(hào)出風(fēng)口，其他出風(fēng)口也做相應(yīng)調(diào)整，使改動(dòng)后的出風(fēng)口大小相當(dāng)，進(jìn)而使各出風(fēng)口分風(fēng)比例更均勻。

圖13 前玻璃風(fēng)道改進(jìn)對(duì)比圖

3） 完整除霜風(fēng)道改進(jìn)對(duì)比圖如圖14所示。

圖14 完整除霜風(fēng)道改進(jìn)對(duì)比圖

改進(jìn)后，經(jīng)CFD分析，各除霜風(fēng)口分風(fēng)比例如表5所示。

表5 改進(jìn)后各除霜風(fēng)口出風(fēng)比例

可以看出，改進(jìn)后的除霜風(fēng)道各出風(fēng)口分風(fēng)比例更均勻，風(fēng)窗玻璃著風(fēng)面積增加明顯，A、B區(qū)域中風(fēng)速達(dá)1.5m/s的面積大幅增加，改進(jìn)后該車型除霜性能滿足行業(yè)規(guī)范要求。

3.2 除霜風(fēng)道改進(jìn)的試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)除霜風(fēng)道后的該車型重卡進(jìn)行環(huán)境倉除霜試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)條件與改進(jìn)前相同，試驗(yàn)中每間隔5min繪制一次除霜區(qū)域，試驗(yàn)共進(jìn)行45min，試驗(yàn)結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖15 前風(fēng)窗玻璃改進(jìn)后除霜效果

圖16 側(cè)風(fēng)窗玻璃改進(jìn)后除霜效果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，除霜風(fēng)道改進(jìn)后，風(fēng)窗玻璃的除霜面積大幅增加，A、B區(qū)域的除霜面積達(dá)到行業(yè)規(guī)范要求，側(cè)玻璃除霜區(qū)域可以滿足駕駛員觀察后視鏡的要求。

4 總結(jié)

重卡車輛的除霜效果提升往往受限于經(jīng)濟(jì)成本、無針對(duì)性國(guó)標(biāo)等各種因素的影響，導(dǎo)致除霜效果提升困難。本文通過重卡風(fēng)窗玻璃除霜試驗(yàn)以及CFD分析，重點(diǎn)對(duì)影響除霜性能的因素進(jìn)行探究，并提出兩點(diǎn)改進(jìn)方向，即增大除霜區(qū)域著風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速和平均分配各出風(fēng)口分風(fēng)比例。經(jīng)驗(yàn)證，該改進(jìn)方案除霜效果提升明顯，對(duì)重卡的除霜性能改進(jìn)有參考意義。