改善車內(nèi)空氣品質(zhì)的自動(dòng)換氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可杰

(鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450061)

0 引言

為滿足車內(nèi)乘客的乘坐舒適性，客車一般標(biāo)配自動(dòng)恒溫空調(diào)。自動(dòng)恒溫空調(diào)帶有換新風(fēng)功能，在車輛運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)溫度設(shè)定的控制邏輯持續(xù)補(bǔ)充車內(nèi)新鮮空氣，調(diào)節(jié)車內(nèi)空氣質(zhì)量，提高車內(nèi)乘客的乘坐舒適度。但這種換氣方式在車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題：首先，車輛在惡劣天氣行駛，空調(diào)新風(fēng)功能無(wú)法工作時(shí)，頂風(fēng)窗和推拉窗玻璃不能打開(kāi)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量差，影響乘客的乘坐舒適性；其次，即使有少許車輛安裝有電動(dòng)換氣扇，但單個(gè)換氣扇單位時(shí)間內(nèi)的換氣量小，仍不能滿足整車換氣需求；另外開(kāi)啟換氣扇會(huì)產(chǎn)生噪聲，同樣影響乘客的乘坐舒適性。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種能夠保證車輛在行駛過(guò)程中不受外界環(huán)境因素影響的自動(dòng)換氣系統(tǒng)非常有必要。

1 自動(dòng)換氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

為了更好地表達(dá)自動(dòng)換氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理，以基礎(chǔ)樣車構(gòu)建數(shù)值模型，采用流體分析軟件CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬分析整車在行進(jìn)過(guò)程中，外部風(fēng)場(chǎng)在車身上形成的壓力分布，如圖1所示。

從壓力分布圖上可以看出車輛前圍為正壓區(qū)，此時(shí)除霜器外進(jìn)風(fēng)口通過(guò)過(guò)渡風(fēng)道伸到正壓區(qū)，利于氣流通過(guò)除霜器進(jìn)入車內(nèi)。此時(shí)在行李艙前立面的前橋上方和木地板下方形成的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)負(fù)壓區(qū)，車輛運(yùn)行車速越快，負(fù)壓區(qū)與車內(nèi)的氣壓差越大，如將車內(nèi)和車外此負(fù)壓區(qū)通過(guò)管道連通，在壓差的作用下，車內(nèi)渾濁氣體會(huì)沿著連接管道自動(dòng)向車外排出，以實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)換氣功能，由此構(gòu)成了自動(dòng)換氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理的理論依據(jù)。如何開(kāi)設(shè)車廂內(nèi)的出氣口和車廂外負(fù)壓區(qū)的排氣口？其設(shè)計(jì)方案首先要滿足車廂內(nèi)的出氣口不能影響車型的整體美觀性，綜合考慮將車內(nèi)排氣口設(shè)置在凹地板過(guò)道兩側(cè)立面上。其次車外排氣口要滿足以下3點(diǎn)要求：首先，不能影響整車外輪廓的美觀性，所以外排氣口不能開(kāi)在車身蒙皮上；其次，車輛在正常涉水深度時(shí)，不能因?yàn)榇顺鲲L(fēng)口導(dǎo)致水濺到車體內(nèi)部；第三，車輛駐車時(shí)，不能有車外異味氣體傳入車內(nèi)。綜合以上3點(diǎn)將車外排風(fēng)口開(kāi)在前橋上部輪上艙體位置的行李艙前立面，左右兩側(cè)各開(kāi)一個(gè)排氣孔。此時(shí)，車廂內(nèi)部氣體通過(guò)凹地板過(guò)道兩側(cè)立面上的過(guò)氣孔與行李艙貫通，然后通過(guò)行李艙前立面上的排氣孔與車外氣體相互連通，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換氣系統(tǒng)的雛形。

圖1 模擬整車運(yùn)行中的壓力分布圖

2 自動(dòng)換氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 換氣量的計(jì)算

根據(jù)國(guó)標(biāo)JT/T 325-2018《營(yíng)運(yùn)客車類型劃分及等級(jí)評(píng)定》中關(guān)于高一級(jí)、高二級(jí)客車換氣量的強(qiáng)制要求，強(qiáng)制通風(fēng)人均換氣量不小于25 m3/h。

Q=n×25

式中：Q為整車需要的換氣量；n為乘坐人數(shù)(駕駛員+乘客+導(dǎo)游員)。

以整車乘坐人數(shù)50為例，整車需要換氣量Q=50×25=1 250 m3/h；按車輛正常運(yùn)行過(guò)程中，空調(diào)自動(dòng)開(kāi)啟，空調(diào)自帶新風(fēng)功能，每小時(shí)換氣量近2 500 m3/h，再加上司機(jī)窗、頂風(fēng)窗、前除霜的外進(jìn)風(fēng)等換氣方式，總體換氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)標(biāo)規(guī)定的人均換氣量要求。但在特定運(yùn)行環(huán)境，上述方式都無(wú)法開(kāi)啟時(shí)，從衛(wèi)生要求出發(fā)，整車仍需要相應(yīng)的換氣量以滿足車上乘客基本生理?yè)Q氣量要求。我國(guó)空調(diào)車車內(nèi)二氧化碳控制標(biāo)準(zhǔn)為:容積濃度小于或等0.15%[5-7]，此時(shí)空調(diào)車廂內(nèi)所需新風(fēng)量的大小主要是根據(jù)室內(nèi)允許二氧化碳的濃度來(lái)確定的。車廂內(nèi)二氧化碳發(fā)生量的平衡式見(jiàn)圖2。

圖2 車廂內(nèi)二氧化碳發(fā)生量平衡式

圖中：QX1為所需換氣量(m3/h);C2為新?lián)Q氣量中二氧化碳含量(m3/m3);n為車廂內(nèi)人數(shù);C1為每人每小時(shí)排出的二氧化碳量[m3/(h·人)];C3為車廂內(nèi)二氧化碳的允許濃度(m3/m3)。

因此保證車廂內(nèi)二氧化碳濃度不超過(guò)允許值所需的新?lián)Q氣量可按下列方法確定：

QX1C2+nC1=QX1C3

則車廂內(nèi)每小時(shí)內(nèi)所需換氣量計(jì)算公式為

車上乘客按休息狀態(tài)計(jì)算,每人每小時(shí)排出二氧化碳量C1為15 L/h,空氣中的二氧化碳含量C2為0.03%。由上可知,車廂內(nèi)允許的二氧化碳最大含量為0.15%,當(dāng)n為50時(shí),由下式可知：

QX1=625 m3/h

即當(dāng)換氣量QX1為625 m3/h時(shí)，能滿足在特定環(huán)境條件下，當(dāng)空調(diào)新風(fēng)和頂風(fēng)窗無(wú)法開(kāi)啟之時(shí)，僅靠自動(dòng)換氣系統(tǒng)保證車廂內(nèi)二氧化碳濃度不超過(guò)允許值。

2.2 車內(nèi)排氣格柵孔面積的確定

由上一節(jié)可知車廂內(nèi)換氣量應(yīng)滿足：QX1≥625 m3/h，由于在整個(gè)工作過(guò)程中，當(dāng)過(guò)道兩側(cè)立面上的格柵孔通過(guò)的空氣流速大于2 m/s時(shí)，車內(nèi)乘坐的乘客會(huì)明顯感受到氣體流動(dòng)，影響乘客的乘坐體驗(yàn)。為滿足乘客乘坐的舒適性，避免因短時(shí)間內(nèi)，車內(nèi)氣壓變化過(guò)大而導(dǎo)致車內(nèi)乘客耳疼等問(wèn)題,確立過(guò)道兩側(cè)立面上的格柵孔通過(guò)的空氣流速小于等于2 m/s，格柵面積有效面積S1由以下公式可知：

S1為滿足整車人均換氣量所要求的通氣格柵最小過(guò)氣孔面積。根據(jù)實(shí)車狀態(tài)在過(guò)道兩側(cè)立面開(kāi)總面積為S2的格柵過(guò)孔，其中S1≤S2,考慮到整車換氣的均勻性，在過(guò)道兩側(cè)前后均勻開(kāi)10個(gè)270 mm×60 mm的過(guò)氣孔，增加過(guò)氣格柵后，過(guò)氣孔有效面積為70%，計(jì)算得過(guò)氣孔總面積為有效面積：S2=10×0.27×0.06×0.7=0.113 4 m2，滿足換氣量要求。

2.3 行李艙前立面過(guò)氣格柵開(kāi)孔面積確定

客車高速運(yùn)行時(shí)，高速氣流吹拂車體外表面,在緊貼車體外表面形成附面層,附面層區(qū)內(nèi)為負(fù)壓，氣流速度越高，負(fù)壓絕對(duì)值越大[8]。由于行李艙位置的車體外表面形成負(fù)壓附面層以及艙門的密封作用，外部氣體不會(huì)進(jìn)入行李艙內(nèi)，由此可假定此時(shí)的行李艙為一個(gè)密封長(zhǎng)方體，僅有地板過(guò)道兩側(cè)立面上的過(guò)氣開(kāi)孔，以及行李艙前立面上部開(kāi)的兩個(gè)換氣格柵孔，從而車體行李艙起到連通車廂內(nèi)與車廂外氣體流動(dòng)的過(guò)渡風(fēng)道作用，地板過(guò)道兩側(cè)的過(guò)氣孔為過(guò)渡風(fēng)管的進(jìn)氣口，行李艙前立面上部開(kāi)的格柵孔為排氣口。結(jié)合實(shí)車布置結(jié)構(gòu)以及輪上艙體設(shè)計(jì)尺寸，確定左右輪上艙體各開(kāi)一個(gè)排風(fēng)孔，排風(fēng)孔尺寸為300 mm×200 mm。為了避免地板過(guò)道兩側(cè)立面上的格柵孔處氣流流速大于2 m/s，在行李艙前立面上部的排氣孔上安裝能自動(dòng)調(diào)整開(kāi)度的排氣格柵，格柵的開(kāi)度調(diào)整與過(guò)道左右兩側(cè)立面上的進(jìn)氣流速聯(lián)動(dòng)，當(dāng)流速大于2 m/s，排氣格柵開(kāi)度減小，當(dāng)流速小于2 m/s時(shí)，排氣格柵開(kāi)度趨向變大，自動(dòng)調(diào)整，確保在整車換氣的過(guò)程中，不影響乘客的乘坐舒適性。當(dāng)可調(diào)節(jié)格柵全部開(kāi)啟后,有效面積率為75%,則此時(shí)的排氣有效面積S3：

S3=0.3×0.2×2×0.75=0.09 m3

2.4 實(shí)車測(cè)量結(jié)果

在實(shí)車測(cè)試過(guò)程中，基于風(fēng)速儀的實(shí)車測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 風(fēng)速儀實(shí)車測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)

當(dāng)實(shí)車車速達(dá)到100 km/h時(shí)，行李艙上部排氣孔處的風(fēng)速可達(dá)到4 m/s，此時(shí)排出風(fēng)量Q出為

Q出=0.3×0.2×2×4×60×60=1 728 m3

Q出>Q滿足整車換氣量要求。為了保證地板過(guò)道兩側(cè)立面上的格柵孔處氣流流速不大于2 m/s，在行李艙前立面上部的排氣孔上安裝有能自動(dòng)調(diào)整開(kāi)度的排氣格柵，格柵的開(kāi)度調(diào)整與過(guò)道左右兩側(cè)立面上的進(jìn)氣流速聯(lián)動(dòng)，當(dāng)流速大于2 m/s，排氣格柵開(kāi)度減小，當(dāng)流速小于2 m/s時(shí)，排氣格柵開(kāi)度趨向變大，自動(dòng)調(diào)整，確保在整車換氣的過(guò)程中，不影響乘客的乘坐舒適性。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)整車自動(dòng)換氣系統(tǒng)，通過(guò)理論分析結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，在滿足整車換氣量需求、提高乘客乘坐舒適性的同時(shí)，又能大大降低整車電耗，特別對(duì)于純電車，自動(dòng)換氣系統(tǒng)不損耗整車電量，對(duì)提高整車?yán)m(xù)航里程、降低客運(yùn)公司運(yùn)行成本具有重要的意義。