某輕型客車采暖的理論分析與試驗

鐘 凌

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某輕型客車采暖的理論分析與試驗

鐘 凌

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為適應客戶不斷提高的乘坐舒適性，汽車空調設計開發也在不斷提高自身水平，以滿足市場需要。原有的空調設計、試驗、整改、再驗證的手段已經逐漸不能適應產品開發周期。空調的設計開發需要依靠一定的理論計算，為系統匹配、及整改方案提供理論依據。本文通過使用建立的理論分析模型，定性的、定量的對某輕型客車采暖性能問題進行分析，并提出整改驗證，試驗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；計算模型；試驗驗證

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

前言

隨著汽車工業的高速發展，汽車空調系統已成為現代汽車的標準配置。國民經濟水平的不斷提升，人們的購買能力逐漸提高，消費者在要求汽車具備強動力、低油耗、高安全、長壽命等的同時，開始越來越注重汽車的外觀、環保、舒適等指標，而空調系統滿足客戶需求的程度，是客戶評價車輛舒適性好壞的直接標準。為適應更多的市場需求，在外界環境溫度較低時，如何為乘客提供溫暖舒適的環境；在無法提供客戶滿意的車內溫暖環境時，如何進行采暖性能提升，便成了設計開發的研究對象。本文正是以某輕型客車為例，提出采暖性能分析的方法。

1、主要結構、工作原理及現狀

1.1 該輕型客車采暖系統結構

該輕型客車暖風系統包括前、后暖風的雙系統結構，系統中零部件結構組成見圖1，冷卻液從3發動機出水管經4前水閥，進入到1前加熱主機，再由6前暖風出水管經4前

水閥到7后暖風進水管，進入9后加熱主機，最后由8后暖風出水管回到發動機，形成水路循環（水路循環簡圖見圖2）。

1.2 采暖系統工作原理

該輕型客車采暖系統的基本原理是：發動機產生熱量被冷卻液吸收后，通過暖風管路傳遞到暖風加熱器芯體，在加熱器芯體表面與冷空氣進行熱交換，并形成熱空氣進入到駕駛艙內。冷卻液的傳遞在節溫器處有三個分支，如圖3示，當水溫低于82℃時，節溫器不開啟，大部分冷卻液進入加熱器，另一部分直接經小循環回發動機；當水溫高于82℃時，節溫器開啟，一部分冷卻液由節溫器進入到散熱器，另一部分冷卻液進入加熱器，還有一部分直接經小循環回發動機。

由暖風工作原理可知：當暖風主機不變時，進入加熱器芯體的水溫越高、水流量越大，進入到駕駛艙內的空氣溫度越高。

1.3 該輕型客車采暖現狀說明

參照《GB/T 12782 汽車采暖性能試驗方法》，試驗得到該輕型客車采暖效果全面低于標準指標水平（如圖4），駕駛艙內人員主觀感覺寒冷。

2、采暖性能理論分析

2.1 采暖理論正向計算分析法

2.1.1 理論依據說明

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

2.1.2 數學模型建立

2.1.2.1 冷卻液熱量計算

在采暖工況條件下，車輛勻速行駛，此時不存在坡度阻力Fi，加速阻力Fj，僅考慮滾動阻力Ff和空氣阻力Fw。

由汽車理論相關計算公式得出：

利用公式①～⑦計算得到該輕型客車在試驗工況下的發動機功率15.5kw，扭矩64.3N.m，查發動機萬有曲線特性，得到車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%，計算得到該輕型客車冷卻液吸收熱量為12.88kw

2.1.2.2 芯體熱交換計算

車輛暖風系統可提供熱量為暖風加熱器空氣側能量，其換熱能力與暖風加熱器自身性能、換熱利用率有關，本文通過平均溫差法進行計算。

主要用到兩類公式：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，W/(m2·k)；Fa空氣側傳熱面積，m2； △tm為換熱器進出口的對數平均溫差，℃；h為水側的

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

其中，

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

式中：j為空氣側換熱因子；Cpa為空氣的熱導率，取為1.005kJ/(kg·℃)；Ma為空氣側單位面積質量流速，單位kg/(m2·s)；Pr為空氣的普朗特數，取0.669。

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

式中：tw、ta分別表示水側和空氣側的溫度；下標1,2分別表示進、出口。

（2）換熱器的熱平衡方程式：

式中：qmw為冷卻液質量流量，kg/s；qma為空氣側質量流量，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，給定該輕型客車前暖風進水溫度50℃，流量7.25L/min，進風溫度-25℃時，計算得到前暖芯體換熱量Qn1=6.6 kW，后暖風進水溫度37℃，流量7.25L/min，進風溫度0℃時，計算得到后暖芯體換熱量Qn2=2.6 kW。

該輕型客車暖風芯體轉化的熱量Qn=Qn1+Qn2=6.6+2.6=9.2 kW。

2.1.2.3 汽車冷負荷計算

汽車的冷負荷構成包括車體結構散熱、風擋玻璃散熱、新風、漏風熱消耗，如圖7示，其中：Qa為車身頂部耗熱量，Qb為玻璃門、窗耗熱量，Qc為車身側部耗熱量，Qd為車室內地板散熱量。

車體結構散熱計算公式：

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

冷空氣滲透耗熱量計算公式為：

風擋玻璃耗熱量：

式中：Gf為用于風擋玻璃除霜的風量，m3/h；Δt為室內室外空氣溫差。

計算得到該輕型客車冷負荷為：

3、試驗驗證

3.1 計算驗證

經上述公式計算得到：Q=12.88kw；Qn=9.2kw；Qj=15.5kw。

結論：Q＞Qn，但是Q、Qn＜Qj；某輕型客車發動機熱量需求不能滿足整車負荷要求。即發動機提供的水溫、水流量不足。

3.2 解決方案

該輕型客車水溫、水流量提升方案：

（1）增加輔助加熱器，暖風前后水口溫度提升至℃。

（2）優化暖風進出水口，前暖流量提升至L/min，后暖流量提升至L/min。

利用3.1.2公式計算得到：Qn=15.35kw；達到車輛冷負荷的99%。

3.3 驗證數據

試驗得到該輕型客車采暖效果已高于標準指標水平（如圖11），駕駛艙內人員主觀感覺較為暖和。

4、結束語

采暖理論分析的研究，是為了系統的分析空調采暖性能問題，利用理論定性分析及定量計算，提出有效的性能提升方案，通過將采暖理論分析在某輕型客車采暖性能提升分析的應用，驗證了理論分析技術，為空調系統的正向開發提供理論準備。

[1] 陸瑞松, 林發森, 張瑞. 內燃機的傳熱和熱負荷[ M] .國防工業出版社, 1985.

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

[3] 李群科，發動機散熱器的設計研究[ J ] .發動機工程, 2001, 4 : 66 -69 .

[4] 王世平，汽車空調熱負荷分析與計算[ J ] .制冷與空調, 2002, 2：50 - 54.

[5] GB/T 12782 《汽車采暖性能要求和試驗方法》[s]. 中國標準出版社, 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技術中心，從事電器設計工作，研究方向汽車空調。