從鼓風(fēng)機(jī)電流反推系統(tǒng)風(fēng)量阻力特性曲線

崔學(xué)平

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 昌平 102206）

從鼓風(fēng)機(jī)電流反推系統(tǒng)風(fēng)量阻力特性曲線

崔學(xué)平

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 昌平 102206）

從整車鼓風(fēng)機(jī)電流表現(xiàn)，利用臺(tái)架標(biāo)定得到空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量和流道阻力的關(guān)系，進(jìn)而得到整車空調(diào)系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，為系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)提供幫助和借鑒。

鼓風(fēng)機(jī)曲線；電流；風(fēng)量阻力特性；氣流

如何管理好汽車室內(nèi)氣流關(guān)系到空調(diào)系統(tǒng)的性能和乘客的舒適性，我們希望整個(gè)車室內(nèi)空氣流經(jīng)的通道有最小的阻力和最優(yōu)的風(fēng)阻系數(shù)，合理的氣流規(guī)劃能提高整個(gè)車室內(nèi)空氣流量和降低能耗。在空調(diào)系統(tǒng)外循環(huán)工作時(shí)，可以近似認(rèn)為空氣流經(jīng)如下的串聯(lián)管段：室外新風(fēng)→新風(fēng)進(jìn)風(fēng)格柵和鈑金通風(fēng)道→空調(diào)箱→儀表板風(fēng)道和格柵→車室內(nèi)部→車身泄壓閥，然后流出車室外部。典型的整車空調(diào)系統(tǒng)流量-阻力特性曲線如圖1所示。

目前，車用空調(diào)系統(tǒng)的制冷是通過(guò)壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器以及連接管路組成的制冷循環(huán)提供冷量的，而制熱（對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)車輛）通常采用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱（或輔助電加熱）提供的熱量進(jìn)行采暖。

吹面全冷模式下，空氣流經(jīng)蒸發(fā)器降溫后直接流出空調(diào)箱體，然后經(jīng)由吹面風(fēng)道、出風(fēng)格柵到達(dá)車室內(nèi)部；而全熱吹腳或除霜模式下空氣流過(guò)蒸發(fā)器后全部通過(guò)暖風(fēng)芯體加熱，然后流出空調(diào)箱體，經(jīng)由吹腳或除霜出風(fēng)格柵到達(dá)車室內(nèi)部。這導(dǎo)致了全熱模式下的氣流阻力大于全冷模式下的氣流阻力，對(duì)于中間狀態(tài)，氣流阻力則介于全冷和全熱之間。

同樣的鼓風(fēng)機(jī)檔位，由于氣流通道阻力的不同而使風(fēng)量不同。在同一坐標(biāo)繪出不同模式下空調(diào)系統(tǒng)氣流通道的風(fēng)量—阻力特性曲線，然后將鼓風(fēng)機(jī)的性能曲線插入，兩條曲線的交點(diǎn)就是空調(diào)系統(tǒng)在不同模式下的工作點(diǎn)，從該交點(diǎn)可以得到系統(tǒng)在正常工作時(shí)可能達(dá)到的風(fēng)量和系統(tǒng)阻力。

由圖1可以看到從吹面到除霜、吹腳模式，其曲線的斜率是增大的，即氣流通道的阻力是依次增加的，其風(fēng)量隨著阻力的增加而減小。與之對(duì)應(yīng)，這3種模式下鼓風(fēng)機(jī)的工作電流也是有差異的。空調(diào)系統(tǒng)的阻力特性曲線則是通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)在不同模式不同阻力情況下表現(xiàn)的電流差異來(lái)反向得到的。

1 整車氣流通道與阻力

流體力學(xué)關(guān)系式為

式中：ΔP——管段阻力或壓力損失，Pa；R——管路阻抗，Pa·s2／l2或Pa·min2／kg2；V——空氣的體積流量，m3／h或l／s。

由上式可以得到管段阻力和阻抗以及系統(tǒng)流量的關(guān)系，阻抗為管段的固有特性，因此阻力與流量的平方成正比關(guān)系。

為了分析方便，取ΔPAirinlet、ΔPHVAC、ΔPDuct、ΔPVehicle表示新風(fēng)進(jìn)風(fēng)格柵和鈑金通風(fēng)道阻力、空調(diào)箱阻力、儀表板風(fēng)道和格柵阻力、車室內(nèi)部和車身泄壓閥阻力。

通常情況下，在空調(diào)箱開(kāi)發(fā)階段，會(huì)對(duì)空調(diào)箱的風(fēng)量阻力特性ΔPHVAC做出定義，一般取空調(diào)箱可能達(dá)到的最大風(fēng)量對(duì)應(yīng)的壓力降作為限值。通常在20～25℃，50%～70%RH工況下，吹面全冷模式450 CMH流量下阻力不超過(guò)400Pa，全熱吹腳模式330 CMH流量下不超過(guò)650Pa，全熱除霜模式330CMH流量下不超過(guò)600Pa。通過(guò)對(duì)箱體在不同風(fēng)量下的對(duì)應(yīng)風(fēng)阻進(jìn)行測(cè)試，會(huì)得到整個(gè)空調(diào)箱體的風(fēng)量阻力特性曲線。

可以認(rèn)為空調(diào)箱是鼓風(fēng)機(jī)單體耦合在空調(diào)箱殼體形成的一個(gè)小系統(tǒng)，也就是鼓風(fēng)機(jī)與空調(diào)箱殼體組成的風(fēng)道對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)量會(huì)產(chǎn)生不同的工作點(diǎn)；加裝新風(fēng)進(jìn)風(fēng)段和儀表板風(fēng)道后，又可以認(rèn)為是串聯(lián)了2個(gè)不同的管段ΔPAirinlet和ΔPDuct；上述3個(gè)部分安裝在整車上后，相當(dāng)于串聯(lián)了ΔPVehicle。至此ΔPAirinlet、ΔPHVAC、ΔPDuct、ΔPVehicle串聯(lián)在一起，組成了整車空調(diào)系統(tǒng)的管段阻力特性。鼓風(fēng)機(jī)的性能曲線可以很方便地從廠家得到，而整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)氣流通道的風(fēng)量阻力特性曲線的獲得就成為關(guān)鍵。

通過(guò)GMW3067、GMW3058、GMW7023或者CFD等測(cè)試或者仿真方法，我們可以得到上述每個(gè)部件的阻力降和整個(gè)氣流通道總的阻力降，以及車室內(nèi)不同靜壓下空調(diào)系統(tǒng)能達(dá)到的空氣流量，為空調(diào)系統(tǒng)和整車的氣流設(shè)計(jì)和管理提供可靠數(shù)據(jù)。

2 從鼓風(fēng)機(jī)電流標(biāo)定風(fēng)阻風(fēng)量曲線

2.1 鼓風(fēng)機(jī)單體性能及標(biāo)定方法

本文試從另一個(gè)角度反向得到空調(diào)系統(tǒng)氣流通道的流量和阻力的關(guān)系，可供在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)或改型中快速獲取所需空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量阻力數(shù)據(jù)或者對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行校核、修正。

鼓風(fēng)機(jī)單體（電機(jī)和蝸殼都確定的情況下）性能與轉(zhuǎn)速、電流、電壓以及效率是呈一定關(guān)系的，也稱為鼓風(fēng)機(jī)單體的性能曲線。圖2為某車輛鼓風(fēng)機(jī)單體在12V電壓下的性能曲線。

由圖2可以得知，要想獲得較高的靜壓就要以犧牲風(fēng)量為前提，每個(gè)不同的狀態(tài)點(diǎn)，其電流、靜壓、風(fēng)量等都是一一對(duì)應(yīng)的。通過(guò)改變鼓風(fēng)機(jī)端電壓（也就是改變鼓風(fēng)機(jī)電流），我們可以得到一組鼓風(fēng)機(jī)性能曲線圖。當(dāng)把鼓風(fēng)機(jī)放在不同的風(fēng)道中，鼓風(fēng)機(jī)特性曲線與風(fēng)道特性曲線的交點(diǎn)就是鼓風(fēng)機(jī)在此工況下的工作點(diǎn)。如前所述，由工作點(diǎn)會(huì)得到此工況下的流量和阻力，如果此時(shí)鼓風(fēng)機(jī)電壓（電流）改變或者管段阻力特性改變，會(huì)導(dǎo)致工作點(diǎn)發(fā)生變化而產(chǎn)生新的工作點(diǎn)，如圖3所示。

先在整車門窗開(kāi)啟的情況下（模擬整車零壓車身最大風(fēng)量），測(cè)試不同模式下鼓風(fēng)機(jī)的電壓和電流并記錄，為了減小誤差，可以采用外接電源的方法。

然后在臺(tái)架上對(duì)空調(diào)箱體施以對(duì)應(yīng)的電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)側(cè)或吸風(fēng)側(cè)阻力使電流逼近整車狀態(tài)下測(cè)試的電流，此時(shí)外部施加的阻力近似認(rèn)為是整車狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)氣流通道的阻力。根據(jù)電壓-電流-風(fēng)量-阻力對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以根據(jù)測(cè)得的電流和電壓反推得到系統(tǒng)的風(fēng)量阻力特性；通過(guò)風(fēng)量測(cè)試臺(tái)架，我們會(huì)得到上述對(duì)應(yīng)工況的風(fēng)量。

我們需要得到的是不同模式下電流與氣流阻力分布關(guān)系，因此忽略次要因素并作如下假設(shè)：①認(rèn)為施加在空調(diào)箱體進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)的阻力（背壓）對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的阻力特性影響是近似一致的；②忽略電流測(cè)量誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果精度的影響；③整個(gè)空氣流道按照串聯(lián)考慮，認(rèn)為各部分的阻力之和為空調(diào)系統(tǒng)總的阻力；④忽略由于讀數(shù)誤差對(duì)結(jié)果造成的影響而導(dǎo)致的R值非線性。

2.2 測(cè)試及標(biāo)定步驟

2.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作

整車狀態(tài)，在車門窗開(kāi)啟的情況下（模擬整車零壓車身最大風(fēng)量），測(cè)試空調(diào)系統(tǒng)不同檔位不同模式下電流、電壓并記錄。

為了消除蓄電池電量等電壓不穩(wěn)定因素影響，采用外接電源方式進(jìn)行測(cè)試，步長(zhǎng)0.5V，見(jiàn)表1。

2.2.2 風(fēng)阻標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理

在測(cè)試臺(tái)架上面連接空調(diào)箱體和風(fēng)量測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試臺(tái)架如圖4所示。

表1 不同模式下的電壓、電流數(shù)據(jù)

通過(guò)外接電源施加第1步所述電壓，然后通過(guò)出風(fēng)口阻尼板改變出風(fēng)側(cè)風(fēng)阻，直至電流讀數(shù)達(dá)到表1電流數(shù)值。通過(guò)風(fēng)量測(cè)試臺(tái)架，我們會(huì)得到每個(gè)電壓下對(duì)應(yīng)的風(fēng)量和靜壓數(shù)值，見(jiàn)表2。

表2 每個(gè)電壓下對(duì)應(yīng)的風(fēng)量和靜壓數(shù)值

對(duì)表2測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖線化處理，得到標(biāo)定風(fēng)阻曲線，如圖5所示。

通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)和風(fēng)阻標(biāo)定曲線進(jìn)行處理，進(jìn)而得到風(fēng)量和風(fēng)阻曲線，如圖6所示。

這樣首先通過(guò)對(duì)整車電流電壓的測(cè)量得到整車狀態(tài)下電流電壓關(guān)系→進(jìn)行系統(tǒng)臺(tái)架模擬，通過(guò)固定電壓，調(diào)整阻尼板阻力逼近測(cè)試電流，收集得到風(fēng)量與阻力關(guān)系→進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理→得到所需氣流通道風(fēng)量阻力特性曲線。

2.3 如何得到部件及系統(tǒng)的風(fēng)量阻力特性

上面我們得到的風(fēng)阻流量曲線為空調(diào)箱阻力ΔPHVAC和連接新風(fēng)進(jìn)風(fēng)段ΔPAirinlet以及儀表板風(fēng)道ΔPDuct狀態(tài)下得到的空氣流道的總阻力，即ΔPAirinlet+ ΔPHVAC+ΔPDuct段的阻力。根據(jù)空調(diào)箱體的風(fēng)量阻力特性，減去同風(fēng)量下箱體的阻力就會(huì)得到ΔPAirinlet+ ΔPDuct段的阻力。

在整車上測(cè)試電流電壓時(shí)，如果去除儀表板風(fēng)道進(jìn)行測(cè)試，就得到ΔPAirinlet+ΔPHVAC段的阻力。同樣如果在車窗車門關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試鼓風(fēng)機(jī)電流電壓，由于車身和泄壓閥阻力的加入，將會(huì)導(dǎo)致電流發(fā)生改變，這時(shí)得到的就是ΔPAirinlet+ΔPHVAC+ΔPDuct+ ΔPVehicle，即整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)在整車上的流量阻力特性。

通過(guò)簡(jiǎn)單的臺(tái)架測(cè)試和加減法，會(huì)得到空調(diào)箱的阻力ΔPHVAC、新風(fēng)進(jìn)風(fēng)段阻力ΔPAirinlet和儀表板風(fēng)道的阻力ΔPDuct以及上述部分的阻力組合。這時(shí)就可以根據(jù)得到的特性曲線和鼓風(fēng)機(jī)特性曲線來(lái)擬合整車狀態(tài)下工作點(diǎn)，進(jìn)而得到所需風(fēng)量和阻力。

3 結(jié)束語(yǔ)

把得到的整車風(fēng)量數(shù)值與原設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)值偏大，表明選擇的鼓風(fēng)機(jī)有進(jìn)一步優(yōu)化（比如減小功率等）空間；如果數(shù)值較原設(shè)計(jì)偏小，則需要考慮加大鼓風(fēng)機(jī)功率或?qū)φ嚉饬魍ǖ肋M(jìn)行優(yōu)化，以降低風(fēng)阻而提高整車風(fēng)量。

上述測(cè)試方法在測(cè)量精度方面會(huì)存在一定誤差，但在實(shí)際工程應(yīng)用中會(huì)得到所需的數(shù)據(jù)和趨勢(shì)圖線，為新風(fēng)進(jìn)風(fēng)通道或儀表板風(fēng)道以及空調(diào)系統(tǒng)的性能改進(jìn)和提升提供很大的借鑒意義。

［1］闕雄才，陳江平.汽車空調(diào)實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］GMW3067 Validation of Static Body Air Leakage［S］.

［3］GMW3058 Validation of HVA／C Airflow at Zero Interior Body Pressure［S］.

［4］GMW7023 Dynamic Body Airflow［S］.

（編輯楊景）

Deducing Air Flow Resistance Characteristics Curve by Air Blower Current

CUI Xue-ping
（Beiqi Foton Motor Co.，Ltd.，Beijing 102206，China）

The relation between air flow and flow resistance of air conditioning system can be deduced by bench calibration from the performance of vehicle air blower current. The operating point of air blower for air conditioning systemcanalsobededucedtoofferhelpandpreferencefortheoptimizationandimprovementofthesystem.

air blower curve；current；air flow resistance characteristics；air flow

U464.138

A

1003－8639（2014）06－0009－03

2014-01-13；

2014-01-26

崔學(xué)平（1975-），男，工程師，從事汽車空調(diào)開(kāi)發(fā)與研究。