特種車輛空調系統(tǒng)優(yōu)化方案

中圖分類號：U463.851 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0072-05

Optimization Scheme for Air Conditioning SystemsofSpecial Vehicles

Li Yang，Zhou Zhou

（Beijing Automotive Research Institute Co.，Ltd.，Beijing ）

【Abstract】Inviewof the expansion of the ambient temperaturerange for the use of military vehicles due to global climatechange，thisarticledesignsanddevelopsanairconditioning system for militaryspecial operationsvehicles. Through environmentalsimulationtests，thefactorsaffecting itsperformance wereanalyzed，suchastheflowfieldof the rearairconditioningsystem，theoverallair tightnessand heat insulationperformanceof thevehicle，andtheairintake of thecondenser，etc.Afterrectificationandoptimizationof various factors，thecooling and heating performance of the airconditioning systemcanbesignificantlyimproved，succesfullymeetingthetechnicalindicators.This isconduciveto improving thedriving and riding environment and combat environment insidethevehicle，enhancing combat efectiveness，andcanprovidea guiding planforthedevelopmentandoptimizationofairconditioningsystemsforsimilar vehiclesin the future.

【KeyWords】militaryspecialvehicles;airconditioningsystem;performanceoptimization;environmentalsimulation test

在當今復雜多變的軍事環(huán)境中，軍用特種車輛執(zhí)行任務時面臨著極為嚴苛的氣候條件。從酷熱難耐的沙漠地區(qū)，到嚴寒刺骨的極地地帶，環(huán)境溫度的巨大差異給車輛的運行以及車內人員的工作狀態(tài)帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。車內環(huán)境的舒適度直接關聯(lián)到作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)斗力與持久作戰(zhàn)能力，而空調系統(tǒng)作為調節(jié)車內環(huán)境的核心設備，其性能優(yōu)劣至關重要?；诖?，深人研究并精心設計適配軍用特種車輛的空調系統(tǒng)技術方案成為當務之急。以下將詳細闡述針對該車輛空調系統(tǒng)展開的一系列技術研究與實踐。

1空調系統(tǒng)方案設計

1.1空調系統(tǒng)指標要求

根據(jù)特種車輛指標要求，空調系統(tǒng)需具備降溫和采暖功能。其具體指標如下： ① 降溫性能，在環(huán)境溫度為 （35±3）^qC 、車速 60km/h 的條件下，試驗20min ，車內人員呼吸點與環(huán)境溫差應 35% ； ② 采暖性能，在環(huán)境溫度為 （-25±3）^°C 、車速 60km/h 的條件下，試驗 40min ，車內人員足部溫度應 ≥15^°C 。

根據(jù)此要求，在車輛已有邊界條件允許情況下設計空調系統(tǒng)。

1.2空調系統(tǒng)冷熱負荷計算

準確計算汽車空調車室冷負荷，不僅可為制冷裝置設計提供依據(jù)，還能通過分析各構成部分，尋出降低空調冷負荷的方法。

1.2.1 設計計算條件

1）制冷工況：車內設計溫度 30^°C ，室外溫度35^°C ，車速 60km/h ，太陽直射強度 1000W/m² ，太陽散射強度 100W/m² ，室內外空氣相對濕度 50% ，乘坐人數(shù)10人。

2）制熱工況：車內設計溫度 15^°C ，室外溫度 -25^°C 車速 60km/h ，太陽直射強度 0W/m² ，太陽散射強度0W/m² ，室內外空氣相對濕度0，乘坐人數(shù)10人。

1.2.2冷熱負荷計算結果

經(jīng)計算，整車制冷量總需求 9.7kW ，整車制熱量總需求 kW 。

1.2.3 壓縮機選型計算

1.2.3.1 確定設計參數(shù)

系統(tǒng)制冷量不低于 9.7kW ，蒸發(fā)溫度 T_s=0^°C ，蒸 發(fā)壓力 P_s=0.293MPa ，冷凝溫度 T_c=55^°C ，冷凝壓力 P_c=1.4912MPa ，過冷度 ΔT_sc=5^°C ，過熱度 ΔT_su=10^°C 。 壓縮機傳動比1.45，取4擋，速比1，主減速比7.1， 車輪滾動半徑 0.59m ，壓縮機入口制冷劑溫度 T_λ= 5% 。根據(jù)H-P圖，查出各狀態(tài)點的參數(shù)：蒸發(fā)器入 口制冷劑比焓 h_?1=271.34kJ/kg ；蒸發(fā)器出口制冷劑比 焓 h₂=406.78kJ/kg ；壓縮機入口制冷劑比焓 h₃=402.855 kJ/kg ；壓縮機出口制冷劑比焓 h₄=464.84kJ/kg ；冷凝 器入口制冷劑比焓 h₅=464.84kJ/kg ；冷凝器出口制冷 劑比焓 h₆=271.34kJ/kg ；壓縮機吸氣比容 v=0.070964 m³/kg 。

計算壓縮機各性能指標：單位制冷量 Δh= 131.515kJ/kg ；制冷劑循環(huán)量 G=Q/Δh=265.52kg/h 制冷劑體積流量 V=G×v=18.84m³/h ；單位壓縮功 W= h₄-h₃=61.985kJ/kg ：壓縮機功 N=WG/（0.9×0.9）=5.64kW 制冷效率 COP 用 H_cop 表示，即 H_cop=Q/N=1.71 。

1.2.3.2 確定壓縮機排量

1）發(fā)動機轉速確定。車速 60km/h 時，發(fā)動機轉速和車速的對應關系為：

n_e=9.55i₀i_gV/R

式中： i₀ —變速器對應擋速比； i_g —主減速器速比；V—車速； R —車輪動力半徑； n_e 一發(fā)動機轉速。計算得 n_e=1606.16r/min 0

2）排量計算。壓縮機計算公式為：

V₁=V×10⁶/（N×60×η）

式中： V₁ ——壓縮機理論排量；V—壓縮機的氣缸體積； N —壓縮機轉速； η —壓縮機的容積效率。計算得壓縮機理論排量 V₁=208.75cc/rev 。

1.2.4冷凝器性能計算

1）冷凝單位放熱量： Q₁=h₅-h₆ ，已知冷凝器入 口制冷劑比焓 h₅=464.84kJ/kg ，冷凝器出口制冷劑比 焓 h_?6=271.34kJ/kg ，則 Q₁=h_s-h₆=193.5kJ/kg°

1.2.5 系統(tǒng)送風量計算

1）制冷系統(tǒng)送風量計算。系統(tǒng)制冷量為 9.7kW ，在系統(tǒng)臺架試驗時，蒸發(fā)器進口干球溫度 30% ，相對濕度 50% ，此時空氣比焓 h₁=64.2kJ/kg ；蒸發(fā)器出口干球溫度設計值為 7% ，相對濕度 70% ，此時空氣比焓 h₂=18.1kJ/kg ， Δh=h₁-h₂=46.1kJ/kg 。計算可得制冷系統(tǒng)送風量計算值 G=Q/Δh=757.48m³/h ?？紤]

HVAC帶風道后的風量損失，將送風量放大 5% ，即制冷系統(tǒng)送風量 G₁=795.35m³/h 。

2）制熱系統(tǒng)送風量計算。 其中 ∣c∣ （空氣比熱， W?h/kg^?K） 取0.28， γ （空氣密度，kg/m³） 取1.227， t_H （暖風出風口溫度）取 65°C ， t_λ （暖風進風口溫度）取 15^°C 。計算得采暖系統(tǒng)風量 523.93m³/h ；取修正系數(shù) k=1.5 ，實際采暖系統(tǒng)風量需求為 786m³/h 。

1.2.6熱負荷計算結論

制冷系統(tǒng)性能參數(shù)：系統(tǒng)制冷量為 9.7kW ，壓縮機排量為 210cc/rev ，冷凝器放熱量為 21.4kW ，系統(tǒng)送風量為 848m³/h 。

采暖系統(tǒng)性能參數(shù)：系統(tǒng)制熱量為9kW，采暖風量為 786m³/h ○

2 空調系統(tǒng)方案設計

空調系統(tǒng)主要零部件見圖1，主要零部件技術狀態(tài)及參數(shù)見表1。

3空調系統(tǒng)性能試驗

由于車輛為軍用特種車輛，無法進行路試驗證，因此在風洞試驗室進行整車空調系統(tǒng)性能的環(huán)境模擬試驗驗證。

3.1空調系統(tǒng)降溫試驗結果

按照QC/T658—2000《汽車空調整車降溫性能試驗方法》對車輛進行環(huán)境模擬試驗，其制冷性能試驗結果見表2。表中要求的環(huán)境溫度為 36.4⁹C ，測試車速為 60km/h ，測試時間為 20min 。

3.2 空調系統(tǒng)采暖試驗結果

按照GB/T12782—2007《汽車采暖性能要求和試驗方法》對車輛進行環(huán)境模擬試驗，采暖性能試驗結果匯總見表3。表中要求的環(huán)境溫度為 -25.3^°C ，測試車速為 60km/h ，測試時間為 40min 。

3.3 試驗結果判定

根據(jù)環(huán)境模擬試驗結果及技術指標要求評定，除前排駕駛員與副駕駛員性能指標達到標準外，后排指標項均不合格。

4空調系統(tǒng)性能試驗結果分析及整改

根據(jù)環(huán)模試驗結果，對影響后空調系統(tǒng)性能的因素分析如下： ① 后空調系統(tǒng)流場差，出風口吹出空氣不能覆蓋肩部及腳部區(qū)域； ② 整車保溫隔熱性能差，導致外界冷熱量過多傳入車內，冷熱負荷過大； ③ 整車氣密性能差，大量冷熱空氣漏入車內，影響空調系統(tǒng)效果； ④ 冷凝器前端通風效果差，導致冷凝效果不佳，影響空調系統(tǒng)性能。

針對上述分析排查情況，對各影響因素進行優(yōu)化整改。

4.1后空調系統(tǒng)流場優(yōu)化

試驗結果表明，前排降溫采暖性能好，原因之一是出風方向及空氣流場可覆蓋肩部及腳部區(qū)域，而后排不達標主要是出風方向及空調流場差?？照{風道對空調性能影響重大，決定車內溫度、流場分布等。整改優(yōu)化后的空調系統(tǒng)布置方案見圖2，優(yōu)化后的主要零部件性能參數(shù)見表4。重新設計后吹面風道及后吹腳風道，并進行CFD設計分析優(yōu)化。CFD分析可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本，快速獲取空調系統(tǒng)流動特性參數(shù)，判定系統(tǒng)合理性并提供優(yōu)化方案。

4.2 后吹面流場優(yōu)化

后吹面流場經(jīng)多輪設計優(yōu)化，在風道內部增加分風結構并同步CFD分析，保證各出風口風量比例均勻，出風比例優(yōu)化情況見表5。通過增加出風擋板及調整出風口角度，實現(xiàn)流場覆蓋后排乘員肩部呼吸點區(qū)域，利用CFD軟件優(yōu)化后出風口方向及流場，如圖3所示，優(yōu)化后后吹面出風口風量分配均勻，空氣流場覆蓋后排乘員肩部呼吸點區(qū)域。

4.3 后吹腳流場優(yōu)化

后排吹腳風道經(jīng)過多輪次優(yōu)化分析，優(yōu)化風道結構走向布置，增加風道內部分風結構，同步CFD分析，出風風量比例優(yōu)化情況見表6（吹腳為左右兩個暖風機，左右對稱布置，風量只計算一側數(shù)據(jù)），最終優(yōu)化出風風向及流場情況見圖4，優(yōu)化后后排吹腳出風口風量分配均勻，空氣流場覆蓋后排乘員足部區(qū)域。

4.4整車氣密性能優(yōu)化

整車氣密性對NVH、空調制冷制熱等性能影響顯著，是決定整車舒適度的重要因素。對車輛進行氣密性測試，在 300Pa 壓力下，整車泄漏量為 262.3m³/h 氣密性較差，嚴重影響空調系統(tǒng)性能。利用煙霧發(fā)生器排查泄漏點，主要泄漏點為各工藝檢修孔、后空調箱外循環(huán)處、整車泄壓閥處、前圍轉向管柱過孔處及制動閥體過孔處，示意情況見圖5。針對這些問題，采取以下整改措施： ① 取消空調系統(tǒng)外循環(huán)，由三防系統(tǒng)清潔通風功能替代； ② 取消整車泄壓閥，由三防系統(tǒng)超壓排氣閥功能替代； ③ 在轉向過孔及制動閥體過孔處增加密封結構； ④ 在全部檢修蓋板安裝連接部位增加密封結構。

整改后再次測試，在 300Pa 壓力下，整車泄漏量降至 48.1m³/h ，氣密性能大幅提升，滿足空調系統(tǒng)要求。

4.5整車隔熱性能優(yōu)化

在整車空調系統(tǒng)性能試驗中，監(jiān)測車輛前車頂外部表面、車頂內部表面及內部海綿層表面溫度，監(jiān)測溫度曲線信息如圖6所示。車身前后圍、左右側圍和頂蓋是車身圍護結構的主要傳熱部位，其隔熱保溫效果對汽車空調性能影響極大。試驗數(shù)據(jù)顯示，試驗樣車部分部位無保溫隔熱措施，金屬車身直接暴露，由于金屬導熱系數(shù)高，整車降溫時，這些部位與車外溫度溫差小，車外熱量持續(xù)進入車內，車身冷熱負荷過大，影響空調系統(tǒng)效果。

針對此問題，對整車隔熱保溫性能進行整改，對車身車體進行保溫措施提升，在車身內部裸露部分增加隔熱海綿，在車體下表面噴涂隔熱材料，提升車輛的隔熱保溫性能。試驗結果表明，增加隔熱保溫材料比無隔熱保溫材料的部位，溫度降低 15^°C 左右。

4.6冷凝器進風優(yōu)化

對于風冷式換熱器，空氣側熱阻約占總熱阻的70% ，強化空氣側換熱能力是提高其性能的關鍵。經(jīng)分析，車輛發(fā)動機艙空調冷凝器總成前部進風效果差，風量損失大，影響空調系統(tǒng)降溫。為此，對冷卻模塊前部進風進行優(yōu)化，增加進風導向密封板，導向密封板結構及位置見圖7，CFD流場分析見圖8。增加密封導向板后，通過冷凝器的風量明顯增加，經(jīng)計算，風量增加約 15% 。

5優(yōu)化后空調系統(tǒng)性能試驗驗證

對上述各影響要素進行分析優(yōu)化，制定整改方案并在車輛上實施。整改完成后，在風洞試驗室進行第2次空調系統(tǒng)性能環(huán)境模擬試驗。

5.1空調系統(tǒng)降溫優(yōu)化試驗結果

按照QC/T658—2000《汽車空調整車降溫性能試驗方法》進行空調系統(tǒng)降溫性能模擬試驗，其制冷性能試驗結果見表7。表中要求的環(huán)境溫度為 35.8^qC ，測試車速為 60km/h ，測試時間為 20min 。

5.2 空調系統(tǒng)采暖優(yōu)化試驗結果

在重慶中汽研風洞試驗室對車輛進行第2次環(huán)境模擬試驗，按照GB/T12782—2007《汽車采暖性能要求和試驗方法》進行空調系統(tǒng)采暖性能模擬試驗，采暖試驗結果見表8，表中環(huán)境溫度為 ，測試車速為 60km/h ，測試時間為 40min 。

5.3優(yōu)化后空調性能試驗結果判定

根據(jù)環(huán)境模擬試驗結果評定，優(yōu)化后的空調系統(tǒng)，前排及后排駕乘人員降溫與采暖性能均達到預定的性能指標要求，表明優(yōu)化措施成效顯著。

6總結

全球氣候持續(xù)變化，軍用車輛面臨的使用環(huán)境溫度范圍日益拓寬。如今，裝甲戰(zhàn)斗車輛配備乘員空調系統(tǒng)已不再是奢侈之舉，而是關乎戰(zhàn)斗力，尤其是生存力的關鍵因素?？照{系統(tǒng)助力乘員與車輛在極端氣候下高效運作，相較于敵方未裝備空調的同類車輛，具備明顯戰(zhàn)術優(yōu)勢。傳統(tǒng)軍用裝甲特種車輛的通風裝置僅能滿足空氣流通，無法調節(jié)車內溫濕度，難以營造舒適環(huán)境。在復雜的現(xiàn)代氣候與戰(zhàn)爭環(huán)境下，軍用特種車輛對空氣調節(jié)裝置的需求極為迫切，這對于為作戰(zhàn)人員提供舒適駕乘與作戰(zhàn)條件至關重要。

本研究結合軍用特種作戰(zhàn)車輛的特性，設計開發(fā)空調系統(tǒng)，深入剖析影響其性能的因素，并針對性地實施整改優(yōu)化。經(jīng)環(huán)境模擬試驗驗證，車輛空調系統(tǒng)的降溫與采暖性能顯著提升，成功達成技術指標要求，極大地改善了車內人員的駕乘與作戰(zhàn)環(huán)境，有效增強了車輛及人員的戰(zhàn)斗力。研究成果為后續(xù)軍用特種作戰(zhàn)車輛空調系統(tǒng)的開發(fā)設計與性能優(yōu)化提供了極具價值的指導性方案。

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（編輯林子衿）