汽車空調(diào)小循環(huán)流阻過大可能導(dǎo)致的故障

譚沖

摘 要：在汽車空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)的過程中，工程師往往忽略暖風(fēng)芯體的流阻計(jì)算，實(shí)際上這一參數(shù)有可能影響到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的正常工作。本文主要對(duì)這一參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱性能關(guān)聯(lián)性做出分析，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證汽車空調(diào)暖風(fēng)芯體流阻的優(yōu)化對(duì)這一散熱不良故障的消除，給同行業(yè)工程師在空調(diào)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)時(shí)提供些許參考。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)；暖風(fēng)芯體；流阻；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻；節(jié)溫器

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)原理

在普通燃油汽車中，空調(diào)的暖風(fēng)系統(tǒng)是利用冷卻液來吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱作為熱源，引入到熱交換器（暖風(fēng)芯體）中，由空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)將車內(nèi)或車外空氣吹過熱交換器表面而使之升溫，從而滿足乘員艙的采暖需求。這其實(shí)也是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的“小循環(huán)”系統(tǒng)，如圖1所示。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)原理

在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)循環(huán)中，可分為“小循環(huán)”與“大循環(huán)”。小循環(huán)即上一小節(jié)介紹到的冷卻液僅在發(fā)動(dòng)機(jī)與空調(diào)暖風(fēng)芯體內(nèi)的循環(huán)。而大循環(huán)則是指冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)與散熱器之間的循環(huán)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷車啟動(dòng)溫度較低時(shí)，少量的冷卻液會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)與暖風(fēng)芯體內(nèi)作小循環(huán)，使發(fā)動(dòng)機(jī)能迅速達(dá)到工作溫度；一旦達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，控制大、小循環(huán)轉(zhuǎn)換的節(jié)溫器則會(huì)開啟，讓冷卻液能流至散熱器內(nèi)進(jìn)行散熱，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的升高，節(jié)溫器開啟的程度就越大，從而使更多的冷卻液流動(dòng)到散熱器中，將發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量完全散發(fā)到空氣中，最后經(jīng)過充分熱交換的冷卻液重新回到水泵里，通過水泵的加壓，實(shí)現(xiàn)大小循環(huán)的不斷流動(dòng)。

3 案例分析

3.1 問題描述

某天接到售后部門反饋的一例電子扇常轉(zhuǎn)的故障，根據(jù)如下電子扇的控制策略，證明發(fā)動(dòng)機(jī)出水水溫一直保持在91℃以上。而在正常情況下，水溫超過82℃節(jié)溫器將會(huì)開啟，節(jié)溫器開啟后冷卻液將流過散熱器這一路大循環(huán)，散熱器的出水管將會(huì)明顯高于環(huán)境溫度（實(shí)測(cè)散熱器出水管表面溫度與環(huán)境溫度幾乎一致），而發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度也將相應(yīng)降低，在非惡劣工況下水溫低于91℃時(shí)，即電子扇會(huì)關(guān)閉，電子扇常轉(zhuǎn)說明節(jié)溫器工作不正常。

此種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)水溫居高不下，散熱器未能實(shí)現(xiàn)熱量交換功能，電子扇一直在工作，導(dǎo)致油耗增加，能源消耗浪費(fèi)，NVH舒適度降低，是一種較為明顯的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱不良的故障，見表1。

3.2 根本原因分析

此款發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)溫器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的回水端， 由于空調(diào)系統(tǒng)的暖風(fēng)芯體采用了兩個(gè)流程的U-FLOW結(jié)構(gòu)，性能較優(yōu)，但流阻較大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)回水端流量低于限值，節(jié)溫器不能正常沖開，大循環(huán)不能正常開啟，電子扇一直在常轉(zhuǎn)。

3.3 節(jié)溫器的布置介紹

一般大多數(shù)節(jié)溫器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)出水管路中。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠靈敏感應(yīng)到水溫的變化，并且容易排除系統(tǒng)中的氣泡；其缺點(diǎn)是在節(jié)溫器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是指在冬季起動(dòng)冷態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，由于冷卻液溫度低，節(jié)溫器閥關(guān)閉。冷卻液在進(jìn)行小循環(huán)時(shí)，溫度很快升高，節(jié)溫器閥開啟。與此同時(shí)，散熱器內(nèi)的低溫冷卻液流入機(jī)體，使冷卻液又冷了下來，節(jié)溫器閥重新關(guān)閉。等到冷卻液溫度再度升高，節(jié)溫器閥又再次打開。直到全部冷卻液的溫度穩(wěn)定之后，節(jié)溫器閥才趨于穩(wěn)定不再反復(fù)開閉。節(jié)溫器閥在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)開閉的現(xiàn)象，稱為節(jié)溫器振蕩。當(dāng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，將增加汽車的燃油消耗量。

但也有一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)溫器會(huì)布置在回水管路中，這種布置方式可以減輕或消除節(jié)溫器振蕩現(xiàn)象，但在普通蠟式節(jié)溫器上容易產(chǎn)生系統(tǒng)匹配問題，嚴(yán)重時(shí)有可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)散熱不良，即今天碰到的這個(gè)故障。

經(jīng)過分析，此款發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)溫器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的回水端， 由于空調(diào)系統(tǒng)的暖風(fēng)芯體采用了兩個(gè)流程的U-FLOW結(jié)構(gòu)，性能較優(yōu)，但流阻較大（怠速工況下的流阻達(dá)到1.5kPa），導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)回水端流量低于限值，節(jié)溫器不能正常沖開，大循環(huán)不能正常開啟，電子扇一直在常轉(zhuǎn)。

3.4 解決方案

將暖風(fēng)芯體由原來的U-FLOW（雙流程）結(jié)構(gòu)更改為I-FLOW（單流程）結(jié)構(gòu)，降低暖風(fēng)芯體的流阻（怠速工況下由1.5kPa降低到0.8kPa），實(shí)車驗(yàn)證電子扇常轉(zhuǎn)故障消除，如圖2所示。

4 流阻計(jì)算總結(jié)

根據(jù)如上案例，可以總結(jié)出暖風(fēng)芯體流阻的計(jì)算方法以供今后的設(shè)計(jì)參考。

4.1通過流量實(shí)驗(yàn)確定節(jié)溫器正常工作需要的最小流速V。

4.2根據(jù)已知條件求出當(dāng)前流體的狀態(tài)，即求出雷諾數(shù)Re。

一般怠速情況下系統(tǒng)內(nèi)冷卻液流速不會(huì)過大，例如當(dāng)流速為2.5m/s，管內(nèi)直徑為16mm時(shí)，根據(jù)公式

其中V為流速，D為管道直徑，v為運(yùn)動(dòng)黏度（冷卻液可參考水的參數(shù)大概為1.79*10-6㎡/s），可求出Re大約為2235。

備注：雷諾數(shù)是判別流動(dòng)特性的依據(jù)，在管流中，雷諾數(shù)小于2300的流動(dòng)是層流，雷諾數(shù)等于2300～4000為過渡狀態(tài)，雷諾數(shù)大于4000時(shí)的是湍流。

4.3根據(jù)雷諾數(shù)，可求出沿程阻力損失系數(shù)λ，

當(dāng)Re<2300時(shí)，

4.4根據(jù)沿程能量損失的計(jì)算公式，求出的最終可求出我們需要的流阻參數(shù)△P

式中λ為沿程阻力損失系數(shù)，v為流速，l為管壁長度，d為管壁直徑，ρ為冷卻液密度，g為重力加速度。

此值即可作為我們?cè)O(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)暖風(fēng)芯體時(shí)的流阻上限參考。

結(jié)語

（1）結(jié)論一

空調(diào)暖風(fēng)芯體流阻過大有可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)溫器不能正常開啟，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)大循環(huán)的正常工作。

（2）結(jié)論二

大循環(huán)的非正常工作有可能導(dǎo)致電子扇常轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫持續(xù)過高。

（3）結(jié)論三

關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)暖風(fēng)芯體的流阻設(shè)計(jì)，可以通過以上公式計(jì)算或通過臺(tái)架試驗(yàn)的方式確定小循環(huán)中暖風(fēng)芯體的最小流量與流速，再通過節(jié)溫器的臺(tái)架試驗(yàn)即可確認(rèn)當(dāng)前的流阻參數(shù)是否會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的正常工作。

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