某汽車空調(diào)系統(tǒng)溫度線性研究

陶 英，王 浩，楊懷龍，王大健

（南京協(xié)眾汽車空調(diào)集團有限公司，江蘇 南京 211100）

1 前言

汽車空調(diào)的熱舒適性是整車制冷/供暖的關(guān)鍵一環(huán)，良好的熱舒適性不僅給乘員艙提供充足的新風(fēng)，有效調(diào)節(jié)各出口的溫度、濕度、風(fēng)速，還有助于汽車的安全行駛。因此汽車制造商與消費人群越來越重視車艙內(nèi)的出風(fēng)需求。

傳統(tǒng)的燃油車中，制冷時，新風(fēng)在空調(diào)箱內(nèi)蒸發(fā)器表面進行換熱，蒸發(fā)器吸收熱量，降低空調(diào)箱內(nèi)的新風(fēng)溫度，低溫新風(fēng)再經(jīng)空調(diào)分風(fēng)箱輸送到各個風(fēng)道出口。制熱時，一般情況下，空調(diào)箱的暖風(fēng)換熱器扁管通道與燃油發(fā)動機冷卻水系統(tǒng)相連，冷卻水系統(tǒng)給暖風(fēng)換熱器內(nèi)部提供穩(wěn)定的高溫冷卻液，新風(fēng)在暖風(fēng)換熱器表面進行換熱，暖風(fēng)換熱器釋放熱量，加熱空調(diào)箱內(nèi)的新風(fēng)溫度，高溫新風(fēng)同樣經(jīng)空調(diào)分風(fēng)箱輸送到各個風(fēng)道出口?？紤]到乘員艙對送風(fēng)溫度的需求，在空調(diào)箱內(nèi)設(shè)置模式風(fēng)門與不同開度的溫度風(fēng)門，送風(fēng)溫度可分為全冷、全熱、溫度隨風(fēng)門開度線性變化（溫度線性）、頭冷腳熱（垂直溫差）、單模式各出口溫度均勻（水平溫差）等。

2 空調(diào)溫度線性的分析與方案驗證

2.1 溫度線性案例

某款空調(diào)箱系統(tǒng)開發(fā)時，溫度風(fēng)門開度從全冷0%到全熱100%，分成10個不等分開度。隨著風(fēng)門開度0%到100%，溫度風(fēng)門轉(zhuǎn)動角度依次減小。各個風(fēng)門開度對應(yīng)轉(zhuǎn)動角度見圖1。

圖1 各個風(fēng)門開度對應(yīng)轉(zhuǎn)動角度

空調(diào)箱溫度線性實驗測試，以吹面模式為例。如圖2所示，空調(diào)箱各個風(fēng)道出口的總平均溫度變化可分成3個區(qū)間：①溫度風(fēng)門開度10%～80%，總平均溫度線性平緩上升；②溫度風(fēng)門開度80%～90%，總平均溫度急劇升高；③溫度風(fēng)門開度90%～100%，總平均溫度平緩上升。對比整車廠提出的出風(fēng)溫度線性要求，一般將溫度風(fēng)門由全冷開到全熱的風(fēng)道出口溫度設(shè)置成溫度線性的下限，將溫度風(fēng)門由全熱開到全冷的風(fēng)道出口溫度設(shè)置成溫度線性的上限，實測溫度需落在溫度線性的上下限區(qū)間內(nèi)。圖2中實測出風(fēng)總平均溫度不在溫度線性區(qū)間內(nèi)，空調(diào)箱溫度線性不滿足需求。對實測數(shù)據(jù)初步判斷，不同風(fēng)門開度空調(diào)箱內(nèi)部冷暖風(fēng)風(fēng)量占總風(fēng)量比例存在問題。若要解決空調(diào)箱的溫度線性問題，需同時確?？照{(diào)箱各模式的進風(fēng)總風(fēng)量，保持空調(diào)箱內(nèi)的制冷/供暖性能，也不產(chǎn)生額外的氣動噪聲等。

圖2 實測不同風(fēng)門開度的平均溫度占比

2.2 溫度線性仿真模型建立及內(nèi)流場分析

對原空調(diào)箱狀態(tài)吹面模式進行溫度仿真分析，不同風(fēng)門開度的暖風(fēng)風(fēng)量占比如圖3所示。溫度風(fēng)門開度10%～90%，空調(diào)箱的暖風(fēng)風(fēng)量占比呈線性平緩增加；溫度風(fēng)門開度90%～100%，空調(diào)箱的暖風(fēng)風(fēng)量占比急劇增加。仿真得到的暖風(fēng)占比趨勢與前期預(yù)測一致。

圖3 不同風(fēng)門開度的暖風(fēng)風(fēng)量占比

如圖4所示，溫度風(fēng)門開度10%～100%，CFD仿真得到的各個風(fēng)道出口總平均溫度與實測數(shù)據(jù)整體吻合較好。CFD仿真時，出風(fēng)總平均溫度突變點是溫度風(fēng)門開度90%；在實測中，出風(fēng)總平均溫度突變點是溫度風(fēng)門開度80%；仿真與實測總平均溫度急劇升高對應(yīng)的風(fēng)門開度存在差異。

圖4 仿真與實測不同風(fēng)門開度的平均溫度占比

各個風(fēng)門開度，空調(diào)箱內(nèi)部的流場及溫度場分布如圖5所示。隨著風(fēng)門開度加大，出口總平均溫度逐漸升高。溫度風(fēng)門開度10%～90%時，冷風(fēng)主要從溫度風(fēng)門與空調(diào)箱殼體間形成的冷氣通道流到各個風(fēng)道出口，通過冷氣通道的冷風(fēng)過多，導(dǎo)致出風(fēng)總平均溫度偏低。溫度風(fēng)門全開，即冷氣通道關(guān)閉，總平均溫度急劇升高。溫度風(fēng)門與殼體間形成的上層冷氣通道尺寸對出口總平均溫度影響較大。

圖5 優(yōu)化前不同風(fēng)門開度的空調(diào)箱內(nèi)部的流場及溫度場分布云圖

2.3 溫度線性優(yōu)化方案

根據(jù)原狀態(tài)CFD 分析結(jié)果，綜合考慮空調(diào)箱總出風(fēng)風(fēng)量不變，采用如下優(yōu)化方案，如圖6所示：①空調(diào)箱殼體上增加一塊圓弧板（黑圈），圓弧板與原殼體的擋板相切，并沿著C方向加長到17.5mm，加長后的擋板沿B方向拉伸2mm；②殼體上的密封擋板沿A方向加長3mm；③將殼體與溫度風(fēng)門之間的最小間隙D減小至1.5m。

圖6 溫度線性優(yōu)化方案

如圖7所示：①隨著溫度風(fēng)門開度加大，優(yōu)化方案的暖風(fēng)風(fēng)量占比近似呈線性增加；②風(fēng)門開度10%～50%，優(yōu)化方案較原方案的暖風(fēng)風(fēng)量占比小幅增加；③風(fēng)門開度60%～90%，優(yōu)化方案較原方案的暖風(fēng)風(fēng)量占比增幅較大。優(yōu)化后，在各個溫度風(fēng)門開度，出風(fēng)總平均溫度滿足溫度線性要求，見圖8。

圖7 優(yōu)化后的暖風(fēng)風(fēng)量占比線性圖

圖8 優(yōu)化后出風(fēng)總平均溫度滿足溫度線性要求

圖9為優(yōu)化后風(fēng)門開度10%～90%空調(diào)箱內(nèi)部流場和溫度場云圖。溫度風(fēng)門開度10%～60%時，上層冷氣通道面積比原冷氣通道面積小，但冷通道面積的減小量相對較小，出風(fēng)總平均溫度小幅提升。溫度風(fēng)門開度60%～90%時，上層冷氣通道面積也比原冷氣通道面積小，但冷通道面積的減小量相對較大，出風(fēng)總平均溫度大幅提升。

圖9 優(yōu)化后風(fēng)門開度10%～90%空調(diào)箱內(nèi)部流場和溫度場云圖

2.4 溫度線性實驗驗證

2.4.1 實驗測試方法

在實驗臺架上模擬實車狀態(tài)安裝空調(diào)箱、風(fēng)道和出風(fēng)格柵，所有出風(fēng)格柵皆為完全打開狀態(tài)。溫度線性測試時，溫度風(fēng)門以10%的步長從0%到100%再到0%，記錄各個模式穩(wěn)定的出風(fēng)溫度并繪制溫度線性曲線。因文中暫不考慮溫度的遲滯性，此處只展示溫度風(fēng)門從0%～100%對應(yīng)的溫度線性數(shù)據(jù)。

測點位置如下：距離風(fēng)道出口10mm 處布置2～4個熱電偶測點。

2.4.2 實驗方案驗證

考慮原狀態(tài)實驗結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)對應(yīng)的風(fēng)門開度存在差異，新方案實驗驗證前，在溫度風(fēng)門軸兩軸端增加薄墊片，減小與空調(diào)箱殼體的配合間隙。

采用新方案，實驗與仿真的溫度線性曲線如圖10所示。整個風(fēng)門開度，實驗與仿真的溫度線性結(jié)果吻合較好，實驗總平均溫度值都在溫度線性上下限范圍內(nèi)，滿足了溫度線性要求。

圖10 實驗與仿真的溫度線性曲線

表1和表2分別為原方案、新方案空調(diào)箱的噪聲對比和總出風(fēng)風(fēng)量對比，新方案與原方案的風(fēng)量變化不大，噪聲差異也較小。

表1 新方案、原方案噪聲數(shù)據(jù)對比

表2 新方案、原方案風(fēng)量結(jié)果對比

3 結(jié)論

文中對某空調(diào)箱內(nèi)部流場及溫度場進行CFD仿真分析，監(jiān)測各溫度風(fēng)門開度空調(diào)箱的暖風(fēng)風(fēng)量占比和風(fēng)道出口面總平均溫度曲線，獲得溫度風(fēng)門附近殼體關(guān)鍵尺寸的優(yōu)化方案。同時，經(jīng)減小溫度風(fēng)門軸與殼體軸孔的軸間間隙后，實驗再一次測試了新方案的溫度線性。仿真與實驗的溫度線性吻合較好，實驗結(jié)果也滿足溫度線性要求。新方案對空調(diào)箱的總風(fēng)量及噪聲影響小，對汽車空調(diào)的溫度線性改善具有參考意義。