某輕型客車(chē)采暖的理論分析與試驗(yàn)

鐘 凌

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某輕型客車(chē)采暖的理論分析與試驗(yàn)

鐘 凌

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為適應(yīng)客戶不斷提高的乘坐舒適性，汽車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)也在不斷提高自身水平，以滿足市場(chǎng)需要。原有的空調(diào)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、整改、再驗(yàn)證的手段已經(jīng)逐漸不能適應(yīng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。空調(diào)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)需要依靠一定的理論計(jì)算，為系統(tǒng)匹配、及整改方案提供理論依據(jù)。本文通過(guò)使用建立的理論分析模型，定性的、定量的對(duì)某輕型客車(chē)采暖性能問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出整改驗(yàn)證，試驗(yàn)證明本文的理論分析模型方向是正確的。

理論分析；FTA分析模型；計(jì)算模型；試驗(yàn)驗(yàn)證

CLC NO.:U471.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-18-04

前言

隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置。國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，人們的購(gòu)買(mǎi)能力逐漸提高，消費(fèi)者在要求汽車(chē)具備強(qiáng)動(dòng)力、低油耗、高安全、長(zhǎng)壽命等的同時(shí)，開(kāi)始越來(lái)越注重汽車(chē)的外觀、環(huán)保、舒適等指標(biāo)，而空調(diào)系統(tǒng)滿足客戶需求的程度，是客戶評(píng)價(jià)車(chē)輛舒適性好壞的直接標(biāo)準(zhǔn)。為適應(yīng)更多的市場(chǎng)需求，在外界環(huán)境溫度較低時(shí)，如何為乘客提供溫暖舒適的環(huán)境；在無(wú)法提供客戶滿意的車(chē)內(nèi)溫暖環(huán)境時(shí)，如何進(jìn)行采暖性能提升，便成了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的研究對(duì)象。本文正是以某輕型客車(chē)為例，提出采暖性能分析的方法。

1、主要結(jié)構(gòu)、工作原理及現(xiàn)狀

1.1 該輕型客車(chē)采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該輕型客車(chē)暖風(fēng)系統(tǒng)包括前、后暖風(fēng)的雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中零部件結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1，冷卻液從3發(fā)動(dòng)機(jī)出水管經(jīng)4前水閥，進(jìn)入到1前加熱主機(jī)，再由6前暖風(fēng)出水管經(jīng)4前

水閥到7后暖風(fēng)進(jìn)水管，進(jìn)入9后加熱主機(jī)，最后由8后暖風(fēng)出水管回到發(fā)動(dòng)機(jī)，形成水路循環(huán)（水路循環(huán)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2）。

1.2 采暖系統(tǒng)工作原理

該輕型客車(chē)采暖系統(tǒng)的基本原理是：發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生熱量被冷卻液吸收后，通過(guò)暖風(fēng)管路傳遞到暖風(fēng)加熱器芯體，在加熱器芯體表面與冷空氣進(jìn)行熱交換，并形成熱空氣進(jìn)入到駕駛艙內(nèi)。冷卻液的傳遞在節(jié)溫器處有三個(gè)分支，如圖3示，當(dāng)水溫低于82℃時(shí)，節(jié)溫器不開(kāi)啟，大部分冷卻液進(jìn)入加熱器，另一部分直接經(jīng)小循環(huán)回發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)水溫高于82℃時(shí)，節(jié)溫器開(kāi)啟，一部分冷卻液由節(jié)溫器進(jìn)入到散熱器，另一部分冷卻液進(jìn)入加熱器，還有一部分直接經(jīng)小循環(huán)回發(fā)動(dòng)機(jī)。

由暖風(fēng)工作原理可知：當(dāng)暖風(fēng)主機(jī)不變時(shí)，進(jìn)入加熱器芯體的水溫越高、水流量越大，進(jìn)入到駕駛艙內(nèi)的空氣溫度越高。

1.3 該輕型客車(chē)采暖現(xiàn)狀說(shuō)明

參照《GB/T 12782 汽車(chē)采暖性能試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)得到該輕型客車(chē)采暖效果全面低于標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)水平（如圖4），駕駛艙內(nèi)人員主觀感覺(jué)寒冷。

2、采暖性能理論分析

2.1 采暖理論正向計(jì)算分析法

2.1.1 理論依據(jù)說(shuō)明

根據(jù)圖5的熱傳遞方向，要滿足整車(chē)采暖的熱量需求，首先要滿足以下公式：Q＞Qn＞Qj。

2.1.2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1.2.1 冷卻液熱量計(jì)算

在采暖工況條件下，車(chē)輛勻速行駛，此時(shí)不存在坡度阻力Fi，加速阻力Fj，僅考慮滾動(dòng)阻力Ff和空氣阻力Fw。

由汽車(chē)?yán)碚撓嚓P(guān)計(jì)算公式得出：

利用公式①～⑦計(jì)算得到該輕型客車(chē)在試驗(yàn)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率15.5kw，扭矩64.3N.m，查發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有曲線特性，得到車(chē)輛在該工況條件下燃油消耗率b=279 g/(kW·h)。

冷卻液吸收熱量比例取25%，計(jì)算得到該輕型客車(chē)?yán)鋮s液吸收熱量為12.88kw

2.1.2.2 芯體熱交換計(jì)算

車(chē)輛暖風(fēng)系統(tǒng)可提供熱量為暖風(fēng)加熱器空氣側(cè)能量，其換熱能力與暖風(fēng)加熱器自身性能、換熱利用率有關(guān)，本文通過(guò)平均溫差法進(jìn)行計(jì)算。

主要用到兩類(lèi)公式：傳熱方程式和熱平衡方程式。

（1）加熱器的傳熱方程式：

式中：ka為傳熱系數(shù)，W/(m2·k)；Fa空氣側(cè)傳熱面積，m2； △tm為換熱器進(jìn)出口的對(duì)數(shù)平均溫差，℃；h為水側(cè)的

w換熱系數(shù)，W/(m2·k)；ha為空氣側(cè)的換熱系數(shù)，W/(m2·k)；Fw為水側(cè)的換熱面積m2。

其中，

式中：λw為冷卻液的熱導(dǎo)率，取為64.8×10-2W/(m·k)；Dw為水側(cè)的當(dāng)量直徑，為1.8mm；Dwmax為水側(cè)矩形長(zhǎng)，為25.7mm；Dwmin為水側(cè)矩形的寬，為0.94mm。

式中：j為空氣側(cè)換熱因子；Cpa為空氣的熱導(dǎo)率，取為1.005kJ/(kg·℃)；Ma為空氣側(cè)單位面積質(zhì)量流速，單位kg/(m2·s)；Pr為空氣的普朗特?cái)?shù)，取0.669。

ReLp為以Lp為特征尺寸的空氣側(cè)雷諾數(shù)；Lp為百葉窗間距；v為空氣流速，m/s。

式中：tw、ta分別表示水側(cè)和空氣側(cè)的溫度；下標(biāo)1,2分別表示進(jìn)、出口。

（2）換熱器的熱平衡方程式：

式中：qmw為冷卻液質(zhì)量流量，kg/s；qma為空氣側(cè)質(zhì)量流量，kg/s；cpa為空氣比熱容，值為1.005kj/(kg·℃)；cpw為冷卻液比熱容，值為3.429kj/(kg·℃)。

利用公式⑧、⒀、⒁，給定該輕型客車(chē)前暖風(fēng)進(jìn)水溫度50℃，流量7.25L/min，進(jìn)風(fēng)溫度-25℃時(shí)，計(jì)算得到前暖芯體換熱量Qn1=6.6 kW，后暖風(fēng)進(jìn)水溫度37℃，流量7.25L/min，進(jìn)風(fēng)溫度0℃時(shí)，計(jì)算得到后暖芯體換熱量Qn2=2.6 kW。

該輕型客車(chē)暖風(fēng)芯體轉(zhuǎn)化的熱量Qn=Qn1+Qn2=6.6+2.6=9.2 kW。

2.1.2.3 汽車(chē)?yán)湄?fù)荷計(jì)算

汽車(chē)的冷負(fù)荷構(gòu)成包括車(chē)體結(jié)構(gòu)散熱、風(fēng)擋玻璃散熱、新風(fēng)、漏風(fēng)熱消耗，如圖7示，其中：Qa為車(chē)身頂部耗熱量，Qb為玻璃門(mén)、窗耗熱量，Qc為車(chē)身側(cè)部耗熱量，Qd為車(chē)室內(nèi)地板散熱量。

車(chē)體結(jié)構(gòu)散熱計(jì)算公式：

式中：Ka為換熱系數(shù)，W/(m2·k)；Aa為傳熱面積，m2；ΔT為車(chē)室內(nèi)外空氣溫差，℃。

冷空氣滲透耗熱量計(jì)算公式為：

風(fēng)擋玻璃耗熱量：

式中：Gf為用于風(fēng)擋玻璃除霜的風(fēng)量，m3/h；Δt為室內(nèi)室外空氣溫差。

計(jì)算得到該輕型客車(chē)?yán)湄?fù)荷為：

3、試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 計(jì)算驗(yàn)證

經(jīng)上述公式計(jì)算得到：Q=12.88kw；Qn=9.2kw；Qj=15.5kw。

結(jié)論：Q＞Qn，但是Q、Qn＜Qj；某輕型客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱量需求不能滿足整車(chē)負(fù)荷要求。即發(fā)動(dòng)機(jī)提供的水溫、水流量不足。

3.2 解決方案

該輕型客車(chē)水溫、水流量提升方案：

（1）增加輔助加熱器，暖風(fēng)前后水口溫度提升至℃。

（2）優(yōu)化暖風(fēng)進(jìn)出水口，前暖流量提升至L/min，后暖流量提升至L/min。

利用3.1.2公式計(jì)算得到：Qn=15.35kw；達(dá)到車(chē)輛冷負(fù)荷的99%。

3.3 驗(yàn)證數(shù)據(jù)

試驗(yàn)得到該輕型客車(chē)采暖效果已高于標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)水平（如圖11），駕駛艙內(nèi)人員主觀感覺(jué)較為暖和。

4、結(jié)束語(yǔ)

采暖理論分析的研究，是為了系統(tǒng)的分析空調(diào)采暖性能問(wèn)題，利用理論定性分析及定量計(jì)算，提出有效的性能提升方案，通過(guò)將采暖理論分析在某輕型客車(chē)采暖性能提升分析的應(yīng)用，驗(yàn)證了理論分析技術(shù)，為空調(diào)系統(tǒng)的正向開(kāi)發(fā)提供理論準(zhǔn)備。

[1] 陸瑞松, 林發(fā)森, 張瑞. 內(nèi)燃機(jī)的傳熱和熱負(fù)荷[ M] .國(guó)防工業(yè)出版社, 1985.

[2] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)(第三版) [ M] . 高等教育出版社, 1998.

[3] 李群科，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的設(shè)計(jì)研究[ J ] .發(fā)動(dòng)機(jī)工程, 2001, 4 : 66 -69 .

[4] 王世平，汽車(chē)空調(diào)熱負(fù)荷分析與計(jì)算[ J ] .制冷與空調(diào), 2002, 2：50 - 54.

[5] GB/T 12782 《汽車(chē)采暖性能要求和試驗(yàn)方法》[s]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007 .

Theoretical Analysis and Experiment of a light bus heating

Zhong Ling
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

In order to meet increasing customer comfort, design and development of automotive air conditioning are also constantly improve their own level, to meet the needs of the market. Original air-conditioning design, testing, rectification, revalidation means has gradually unable to meet the product development cycle. Air conditioning design and development need to rely on some theoretical calculations, provide a theoretical basis for the system to match, and the rectification program. By using established analytical model, qualitative and quantitative performance issues on a light passenger heating analysis and the rectification validation test proved the theoretical analysis model in the right direction.

Theoretical Analysis；FTA Analysis Model；Calculation Model；Experimental Verification

U471.2

A

1671-7988(2014)11-18-04

鐘凌，工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)技術(shù)中心，從事電器設(shè)計(jì)工作，研究方向汽車(chē)空調(diào)。