汽車雙層流HVAC的研究及應(yīng)用

陳金衛(wèi)、劉建國、陳麗

（廣汽乘用車有限公司,廣州 511434）

1 概述

HVAC 是安裝在儀表臺下具有加熱、通風和空氣調(diào)節(jié)功能的單元，通過吸入內(nèi)氣或者外氣，經(jīng)過蒸發(fā)器和暖風芯體將其調(diào)節(jié)成設(shè)定溫度，吹入駕駛室內(nèi)，起著向乘客提供舒適環(huán)境的重要作用[1]。作為汽車空調(diào)的核心部件，HVAC 結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣直接影響空調(diào)系統(tǒng)的性能和用戶體驗。

現(xiàn)有的汽車自動空調(diào)系統(tǒng)都設(shè)置有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)送氣，但是無論是單獨的外循環(huán)還是內(nèi)循環(huán)都存在一定的弊端。如外循環(huán)內(nèi)耗大，且在重污染地帶會吸入污染；而內(nèi)循環(huán)則吸入新鮮空氣少，不是很健康。如何在保證乘客舒適性的前提下，通過調(diào)節(jié)內(nèi)外進風的混風比例，更多地利用車內(nèi)處于比較舒適溫度的空氣參與換熱，來實現(xiàn)降低能耗的需求，一直是汽車空調(diào)工程師攻關(guān)的課題。

北方冬季行車，車窗易起霧起霜，必須開啟外循環(huán)+除霧模式。車外冷空氣經(jīng)過暖風芯體加熱后給車內(nèi)提供熱空氣，需要消耗較大熱量。對于燃油車，在氣溫較低時需要較長時間車內(nèi)才能達到舒適溫度；對于電動車，需要消耗更多的電量用于整車的采暖，從而降低整車續(xù)航里程[2-3]。如果能從HVAC 結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化改進，合理利用車內(nèi)空氣余熱，將可以進一步降低能量消耗，達到降低油耗或電量的目的。雙層流HVAC 則具備同時導入內(nèi)氣和外氣的功能。下面將對雙層流HVAC 的結(jié)構(gòu)及其性能進行闡述。

2 雙層流HVAC 結(jié)構(gòu)說明

雙層流HVAC 與常規(guī)HVAC 相比具有不同的進風箱和分配箱，可以實現(xiàn)內(nèi)外氣同時導入。

2.1 雙層流HVAC 結(jié)構(gòu)

雙層流HVAC 進風箱分為上下2 個葉輪，其中上部葉輪可以導入新鮮外氣，下部葉輪可以導入車內(nèi)的內(nèi)氣。低濕度的外氣通過外循環(huán)風門，經(jīng)上層葉輪流入DEF 風道吹出。車內(nèi)的內(nèi)氣通過內(nèi)循環(huán)風門，經(jīng)過葉輪內(nèi)部導流槽進入下層葉輪，由吹腳風道吹出。HVAC 分配箱通過隔板分為上下兩層，將內(nèi)外氣分開，內(nèi)氣從下層經(jīng)吹腳風道吹出，可用于整車采暖；外氣濕度較低，從上層經(jīng)除霜風道吹出，吹向玻璃防止起霧（圖1）。

圖1 雙層流HVAC 結(jié)構(gòu)圖示

2.2 雙層流HVAC 與常規(guī)HVAC 對比

常規(guī)HVAC 鼓風機為單層葉輪，設(shè)定為內(nèi)循環(huán)或者外循環(huán)模式下，只能導入100%內(nèi)氣或者100%外氣。冬天制熱只能采用低溫的外氣加熱后給乘員艙供暖，熱量消耗較大。對于電動車，將需要消耗大量的電量用于整車制熱。雙層流HVAC 鼓風機為雙層葉輪，可以同時導入50%內(nèi)氣以及50%的外氣，內(nèi)氣加熱后通過吹腳風道吹出，用于整車采暖；外氣加熱后通過除霜風道吹出，用于玻璃除霜除霧[4]。內(nèi)氣相比外氣溫度較高，可以降低熱量需求，從而提高制熱效率，可以快速提高車內(nèi)溫度，減少電動車電量消耗，從而提升電動車的續(xù)航里程（圖2）。

圖2 雙層流HVAC 內(nèi)外氣分層圖示

3 雙層流HVAC 性能特點

3.1 制熱性能驗證

本次試驗選取了某電動車車型進行了試驗驗證。驗證工況為：環(huán)境溫度-20℃，最大制熱模式。

試驗開始時未打開雙層流，采用100%外氣模式，1 h 后出風口溫度穩(wěn)定在50℃。然后再開啟雙層流模式，繼續(xù)測試出風口溫度。從試驗結(jié)果可以看出，開啟雙層流后出風口溫度可繼續(xù)上升，穩(wěn)定在60℃。相比常規(guī)HVAC，出風口溫度從50℃上升至60℃，出風口溫度提升10℃（圖3）。

圖3 雙層流和非雙層流出風口溫度對比

3.2 不同水溫制熱效果驗證

由于雙層流HVAC 與常規(guī)HVAC 相比，出風口溫度能帶來10℃的提升，因此可以將整車采暖時的最大目標水溫降低10℃，目標水溫由70℃下降至60℃，從而達到節(jié)能目的。從某電動車型采暖試驗結(jié)果來看，環(huán)境溫度-20℃工況下，雙層流HVAC 目標水溫設(shè)定為60℃，在水溫穩(wěn)定后可以達到常規(guī)HVAC 目標水溫70℃的制熱效果，出風口溫度均為50℃，且升溫過程較常規(guī)HVAC 更快（圖4）。

圖4 雙層流HVAC 腳部出風溫度曲線

3.3 雙層流HVAC 節(jié)能效果

由于雙層流可以使空調(diào)系統(tǒng)目標水溫降低10℃，因此可以減少電動車電量的消耗。電動車制熱采用PTC 作為熱源，環(huán)境溫度-20℃環(huán)境下，將水溫加熱到60℃，需消耗PTC 能量4 kW；將水溫加熱到70℃，需消耗PTC 能量5 kW。因此對于雙層流HVAC，每小時可節(jié)省電量1 kW·h。車輛以60 km/h 車速行駛從滿電狀態(tài)到0 電狀態(tài)，以環(huán)境溫度-20℃為例，在全里程內(nèi)雙層流空調(diào)可節(jié)省電量4.5 kW·h，可增加續(xù)航里程13 km。不同環(huán)境溫度下，續(xù)航里程增加情況如表1。

表1 不同環(huán)境溫度下，續(xù)航里程增加情況

4 總結(jié)

綜上所述，雙層流HVAC 較常規(guī)HVAC 相比導入了50%內(nèi)氣，減少了排氣能耗損失，整車采暖性能明顯提升，提高了整車舒適性。同時由于合理利用了內(nèi)氣，在降低電動車制熱能耗提升續(xù)航里程上有明顯效果，同時在燃油車上也可以減少能量損失，降低整車油耗。