部分內(nèi)循環(huán)對(duì)整車空調(diào)性能的影響分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

錢　銳，張　磊，孟祥軍

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

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部分內(nèi)循環(huán)對(duì)整車空調(diào)性能的影響分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

錢銳*，張磊，孟祥軍

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

[摘 要]本文介紹了汽車空調(diào)中部分內(nèi)循環(huán)實(shí)現(xiàn)方式，以及部分內(nèi)循環(huán)對(duì)整車風(fēng)量的影響。通過試驗(yàn)和模擬的方式，詳細(xì)討論了機(jī)械式內(nèi)循環(huán)和電子式內(nèi)循環(huán)兩種方式采用部分內(nèi)循環(huán)對(duì)整車制冷、加熱除霧除霜性能的影響。從整車能耗角度，考察了不同壓縮機(jī)形式下采用部分內(nèi)循環(huán)對(duì)功耗影響。研究成果可以指導(dǎo)汽車空調(diào)開發(fā)的工程實(shí)踐。

[關(guān)鍵字]汽車空調(diào)；部分內(nèi)循環(huán)；能耗；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

*錢銳（1972-），男，高級(jí)工程師，博士。研究方向：熱力學(xué)架構(gòu)開發(fā)，汽車空調(diào)系統(tǒng)匹配。聯(lián)系地址：上海市龍東大道3999號(hào)泛亞汽車技術(shù)中心空調(diào)電子部，郵編：200438。聯(lián)系電話：021-50161436。E-mail：Rui_Qian@PATAC.com.cn。

0 引言

汽車空調(diào)的目的是為了在任何時(shí)候和行駛條件下，能為乘員提供舒適的車內(nèi)環(huán)境，并預(yù)防和去除附在擋風(fēng)玻璃上面的霧、霜或冰雪，以確保駕駛員的視野清晰與行駛安全[1]。汽車空調(diào)內(nèi)外循環(huán)是實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)進(jìn)風(fēng)口回風(fēng)量、新風(fēng)量控制的重要機(jī)構(gòu)，由于其處在汽車空調(diào)的上游，對(duì)整車回風(fēng)量的百分比、整車制冷、加熱除霧除霜性能，甚至空調(diào)功耗都有重要的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)汽車空調(diào)節(jié)能越來越重視，可以影響整車油耗的空調(diào)內(nèi)外循環(huán)逐漸成為研究的對(duì)象，而這其中應(yīng)用最多的就是部分內(nèi)循環(huán)[2-3]。

汽車空調(diào)部分內(nèi)循環(huán)一般是相對(duì)于汽車空調(diào)純外循環(huán)而言。不同于純外循環(huán)（空氣為100％新風(fēng)），部分內(nèi)循環(huán)還有一定比例空氣來自乘客艙，這個(gè)比例的范圍是0～100％，研究不同百分比的部分內(nèi)循環(huán)對(duì)整車制冷、加熱除霧除霜性能、空調(diào)功耗的影響，對(duì)實(shí)際工程中設(shè)計(jì)、應(yīng)用部分內(nèi)循環(huán)有很大的指導(dǎo)意義[4-5]。

1 部分內(nèi)循環(huán)的實(shí)現(xiàn)方式

汽車部分內(nèi)循環(huán)實(shí)現(xiàn)方式一般分為兩種：機(jī)械式和電子式。由于機(jī)械式部分內(nèi)循環(huán)成本低、實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，一般應(yīng)用在中低端車型；而電子式部分內(nèi)循環(huán)由于成本較高，一般需要引入控制邏輯和其載體——芯片，故多用在中高檔車上面。

機(jī)械式部分內(nèi)循環(huán)除包含外循環(huán)進(jìn)風(fēng)口和主內(nèi)循環(huán)進(jìn)風(fēng)口外，還包含一個(gè)輔內(nèi)循環(huán)進(jìn)風(fēng)口，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)汽車空調(diào)處于外循環(huán)時(shí)，輔內(nèi)循環(huán)進(jìn)風(fēng)口在壓差作用下打開，實(shí)現(xiàn)部分內(nèi)循環(huán)。由于部分內(nèi)循環(huán)風(fēng)門的開度受兩側(cè)壓差的影響，而壓差的大小和當(dāng)前的風(fēng)量、車速均有關(guān)系，故此種方式的部分內(nèi)循環(huán)風(fēng)量具有不確定性。

電子式部分內(nèi)循環(huán)，可以通過位置可控的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（步進(jìn)電機(jī)或帶反饋的直流電機(jī)）控制內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門位置，實(shí)現(xiàn)部分內(nèi)循環(huán)，內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門見圖2所示。通過此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)部分內(nèi)循環(huán)，往往需要配有控制芯片，成本相對(duì)較高。

圖1　機(jī)械式結(jié)構(gòu)

圖2　電子式結(jié)構(gòu)

2 部分內(nèi)循環(huán)對(duì)新風(fēng)量的影響

部分內(nèi)循環(huán)風(fēng)量受其實(shí)現(xiàn)的方式、風(fēng)量工作的檔位，甚至出風(fēng)模式影響較大。選擇某車型，其為機(jī)械式部分內(nèi)循環(huán)，進(jìn)行風(fēng)量試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見圖3。數(shù)據(jù)顯示，在制冷或加熱模式下，風(fēng)量越大，部分內(nèi)循環(huán)的百分比越大，相差近一倍，這是由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的；同時(shí)，制冷模式部分內(nèi)循環(huán)的百分比普遍高于加熱模式，這是由于加熱模式下系統(tǒng)阻力大造成的。

對(duì)于電子式部分內(nèi)循環(huán)，選擇某車型，在全冷位置和吹面模式下，分別設(shè)定內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門處于10％、20％和30％內(nèi)循環(huán)位置，對(duì)部分內(nèi)循環(huán)實(shí)際回風(fēng)量進(jìn)行測(cè)試；測(cè)試結(jié)果表明，部分內(nèi)循環(huán)回風(fēng)量和風(fēng)門開度百分比接近，且隨鼓風(fēng)機(jī)工作電壓的變化較小，見圖4。

圖3　機(jī)械式部分內(nèi)循環(huán)百分比

圖4　電子式部分內(nèi)循環(huán)百分比

3 部分內(nèi)循環(huán)對(duì)制冷性能的影響

汽車空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)壓縮機(jī)排量是否可變，一般分為定排量空調(diào)系統(tǒng)和變排量空調(diào)系統(tǒng)，前者壓縮機(jī)的排量不可調(diào)節(jié)，后者壓縮機(jī)排量可以根據(jù)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。部分內(nèi)循環(huán)均可用在上述兩種空調(diào)系統(tǒng)中，但對(duì)系統(tǒng)的影響不同。為了便于研究部分內(nèi)循環(huán)對(duì)整車空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的影響，選擇電子式部分內(nèi)循環(huán)，對(duì)工作在上述兩種不同系統(tǒng)中的表現(xiàn)進(jìn)行研究。

部分內(nèi)循環(huán)工作時(shí)，一部分進(jìn)氣來自外界環(huán)境，一部分進(jìn)氣來自乘客艙，兩部分空氣混合后，經(jīng)過蒸發(fā)器降溫。圖5為部分內(nèi)循環(huán)焓－濕變化示意圖，混合前后空氣的焓、濕關(guān)系為[6]：

式中：

m1——部分內(nèi)循環(huán)回風(fēng)質(zhì)量，kg；

h1——部分內(nèi)循環(huán)焓，kJ/kg；

d1——部分內(nèi)循環(huán)含濕量，kg/kg；

m2——外循環(huán)回風(fēng)質(zhì)量，kg；

h2——外循環(huán)焓，kJ/kg；

d2——外循環(huán)含濕量，kg/kg；

hm——混風(fēng)后焓，kJ/kg。

圖5　部分內(nèi)循環(huán)焓-濕圖

3.1 定排壓縮機(jī)系統(tǒng)

對(duì)工作在定排壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的部分內(nèi)循環(huán)，選取兩個(gè)不同環(huán)境工況進(jìn)行模擬計(jì)算。在車速為80 km/h、陽光為1,000 W/m2、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2,100 r/min和空調(diào)處于全冷位置的工況下，分別在環(huán)境濕溫度38oC×40％[3]和30oC×50％，改變鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和部分內(nèi)循環(huán)的百分比進(jìn)行模擬計(jì)算，見圖6和圖7。空氣側(cè)蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度最低為2oC，即定排壓縮機(jī)的保護(hù)溫度。圖6和圖7數(shù)據(jù)顯示，對(duì)定排壓縮機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)，只有在環(huán)境溫濕度較高，且當(dāng)前空調(diào)工作在較高風(fēng)量時(shí)，部分內(nèi)循環(huán)才能更好的發(fā)揮作用；對(duì)于環(huán)境溫濕度不高、且當(dāng)前空調(diào)工作在較低風(fēng)量的工況，過度使用部分內(nèi)循環(huán)會(huì)引起壓縮機(jī)頻繁的保護(hù)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定[7-8]。故部分內(nèi)循環(huán)若在定排壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中發(fā)揮良好作用，需要引入涉及風(fēng)量、環(huán)境溫度等參數(shù)的控制邏輯，見圖8。

3.2 變排量壓縮機(jī)系統(tǒng)

對(duì)于工作在變排壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的部分內(nèi)循環(huán)，在空調(diào)出風(fēng)口溫度恒定的情況下，采用試驗(yàn)對(duì)比的方法進(jìn)行分析。試驗(yàn)工況為30oC 85％RH，無陽光，出風(fēng)口溫度(10±1)oC，溫度風(fēng)門在全冷（偏差5％以內(nèi)）位置，選擇外循環(huán)、80％內(nèi)循環(huán)、內(nèi)循環(huán)3個(gè)工況測(cè)試，分別穩(wěn)定1 h。表1為測(cè)試數(shù)據(jù)。

測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出對(duì)于工作在變排量壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的部分內(nèi)循環(huán)，其對(duì)壓縮機(jī)功耗節(jié)省有非常明顯的作用，甚至在35％以上。故在使用部分內(nèi)循環(huán)的空調(diào)系統(tǒng)中建議使用變排量壓縮機(jī)，但由于其成本較定排量壓縮機(jī)高，限制了其在實(shí)際工程中的使用。

圖6　基于38 oC環(huán)境溫度和40％的濕度下空調(diào)蒸發(fā)器出口溫度

圖7　基于30 oC環(huán)境溫度和50％的濕度下空調(diào)蒸發(fā)器出口溫度

圖8　定排壓縮機(jī)部分內(nèi)循環(huán)控制邏輯示意圖

表1　部分內(nèi)循環(huán)對(duì)變排量壓縮機(jī)影響

4 部分內(nèi)循環(huán)對(duì)加熱除霧性能的影響

起霧結(jié)霜有兩個(gè)條件，一個(gè)是濕度過高，另一個(gè)是溫度過低，兩者缺一不可。露點(diǎn)溫度高于0oC，則形成起霧現(xiàn)象；如果露點(diǎn)溫度低于0oC則變成結(jié)霜[3]。目前汽車空調(diào)多采用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱完成加熱除霜。在冬季，由于乘客艙玻璃內(nèi)表面溫度較低，如果乘客艙內(nèi)乘客呼出水蒸氣不能及時(shí)帶出乘客艙，玻璃內(nèi)表面很容易起霧結(jié)霜，影響駕駛安全，部分內(nèi)循環(huán)的使用會(huì)影響乘客艙內(nèi)水蒸氣排出乘客艙速率，從而影響玻璃內(nèi)表面起霧結(jié)霜。

露點(diǎn)溫度Td與局部范圍空氣壓力（PPTRH）有關(guān)，計(jì)算PPTRH后，再計(jì)算Td。計(jì)算公式[9]為：

式中：

PPTRH——當(dāng)濕度氣泡的溫度為TRH，其周圍空氣的壓力，mmHg；

H——外界濕度，％RH；

TRH——濕度氣泡的溫度，oC；

Td——計(jì)算出來的露點(diǎn)溫度，oC；

A——常數(shù)，A=8.133 2；

B——常數(shù)，B＝1,762.39；

C——常數(shù)，C＝235.65。

將前檔玻璃沿對(duì)稱面分為內(nèi)表明和外表面兩部分，內(nèi)表面溫度計(jì)算公式為：

式中：

ρ——玻璃密度，kg/m3；

V——體積，m3；

cp——熱容，J/(kg·K)；

A——面積，m2；

ε——發(fā)射率；

k——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

δ——玻璃厚度，m；

o——玻璃內(nèi)表面標(biāo)識(shí)符；

i——玻璃內(nèi)表面標(biāo)識(shí)符；

ΔT——內(nèi)外表面溫差，oC；

f——玻璃角系數(shù)；

h——玻璃內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

對(duì)玻璃內(nèi)、外表面采用相同的處理，給定環(huán)境溫度、陽光強(qiáng)度，表面風(fēng)速，車內(nèi)溫度等條件后，可以計(jì)算出玻璃內(nèi)外表面的溫度。

4.1 起霧風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在車速為80 km/h、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2,500 r/min、-20oC的基本工況下，乘客艙溫度設(shè)定為25oC（溫度風(fēng)門處于自動(dòng)調(diào)節(jié)模式）、吹腳模式、風(fēng)量61 L/s，乘客艙內(nèi)人員分別為1人和4人（每人蒸汽產(chǎn)生量：70 g/h），陽光強(qiáng)度分別為800 W/m2和無陽光，對(duì)前擋玻璃起霧結(jié)霜風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果見表2和表3。

由表2和表3可知，當(dāng)車內(nèi)人員較多、且無陽光時(shí)，即使處于外循環(huán)，前擋風(fēng)玻璃起霧結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)也是很大的。對(duì)于有陽光的工況起霧結(jié)霜風(fēng)險(xiǎn)較小。

表2　車內(nèi)溫度設(shè)定為25 oC（4乘客）

表3　車內(nèi)溫度設(shè)定為25 oC（1乘客）

4.2 環(huán)境溫度對(duì)起霧風(fēng)險(xiǎn)的影響

為了探究在不同環(huán)境溫度下，部分內(nèi)循環(huán)比例對(duì)前擋風(fēng)玻璃起霧結(jié)霜的影響，選擇無陽光、4乘客的工況，分別在外循環(huán)、10％部分內(nèi)循環(huán)、20％部分內(nèi)循環(huán)時(shí)，改變環(huán)境溫度為-5oC、-10oC、-15oC和-20oC進(jìn)行模擬分析，見圖9～圖11。

圖9　外循環(huán)

圖10　10％部分內(nèi)循環(huán)

圖11　20％部分內(nèi)循環(huán)

圖中可以看出，在外循環(huán)下，環(huán)境溫度高于-12oC，前擋風(fēng)玻璃沒有起霧結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于10％部分內(nèi)循環(huán)，環(huán)境溫度需要高于-7oC；而對(duì)于20％部分內(nèi)循環(huán)，環(huán)境溫度在-5oC仍然會(huì)起霧。對(duì)于電子式部分內(nèi)循環(huán)，控制邏輯設(shè)計(jì)需要考慮環(huán)境穩(wěn)定、陽光強(qiáng)度等參數(shù)，盡量避免前擋風(fēng)玻璃起霧結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)；而對(duì)于機(jī)械式部分內(nèi)循環(huán)[10-11]，由于其部分內(nèi)循環(huán)的百分比在區(qū)間內(nèi)不可控，故在設(shè)計(jì)部分內(nèi)循環(huán)最大值需要謹(jǐn)慎，否則前擋風(fēng)玻璃起霧結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)就變的很大。

5 結(jié)論

1） 部分內(nèi)循環(huán)的設(shè)計(jì)在壓縮機(jī)功耗以及起霧風(fēng)險(xiǎn)之間存在最佳平衡，需要在開發(fā)時(shí)間中充分考慮平衡點(diǎn)的選取。

2） 機(jī)械式部分內(nèi)循環(huán)百分比在不同風(fēng)量、出風(fēng)模式下不相同，電子式部分內(nèi)循環(huán)回風(fēng)比和風(fēng)門百分比較接近。

3） 對(duì)定排量壓縮機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)，只有在環(huán)境溫濕度較高，且當(dāng)前空調(diào)工作在較高風(fēng)量時(shí)，部分內(nèi)循環(huán)能更好的發(fā)揮作用；對(duì)變排量壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，部分內(nèi)循環(huán)對(duì)壓縮機(jī)功耗節(jié)省有非常明顯的作用。

4） 對(duì)于電子式部分內(nèi)循環(huán)，控制邏輯設(shè)計(jì)需要考慮環(huán)境溫度、陽光強(qiáng)度等參數(shù)，盡量避免前擋風(fēng)玻璃起霧結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)；而對(duì)于機(jī)械式部分內(nèi)循環(huán)，為盡量減少工作在吹腳模式下，前擋風(fēng)玻璃起霧結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)部分內(nèi)循環(huán)最大值時(shí)需謹(jǐn)慎。

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Analysis and Experimental Validation for Influence of Partial Recirculation on Air Conditioner Performance

QIAN Rui*,ZHANG Lei,MENG Xiang-jun
(Pan Asia Technical Automotive Center,Shanghai 201201,China)

[Abstract]The method for realizing the vehicle air conditioning partial recirculation was introduced,and the effect of the partial recirculation on the air mass flow rate in the vehicle.Through the experiments and simulation,the influence of partial recirculation on the characteristics of refrigeration,heating defog and defrost for the two ways of mechanical and electronic cycles was analyzed.From the point of the vehicle energy consumption,the effect of partial recirculation on the energy consumption under the conditions of different compressors was investigated.The research results may provide good guidance for the development of air conditioning for vehicles.

[Keywords]Vehicle air conditioner; Partial recirculation; Energy consumption; Experimental validation

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.204