基于某車型機艙熱流場分析的空調系統優化

宋瀚 張亞國 汪沛偉 頓棟梁 程爽

（東風汽車公司技術中心）

隨著汽車技術的不斷發展，以及人們對汽車舒適性要求的不斷提高，空調在整車上的配置越來越普遍。空調系統是實現對駕駛室內空氣進行制冷、加熱、換氣及空氣凈化的裝置。優秀的汽車空調系統是整車舒適性不可或缺的一部分，能為駕乘人員提供舒適的乘車環境以降低駕駛員的疲勞強度，提高行車安全，對整車的舒適性和經濟性影響很大。空調系統的性能主要受到循環機構的環境溫度影響，因此空調系統的熱環境研究是提升整車舒適性的重要課題，是整車設計的重要性能目標之一。為解決某車型空調系統基于現有的布置未能很好地達到性能目標的問題，通過發動機機艙熱流場分析，快速找到有效的優化方案，改善了空調性能，提升了整車舒適性和品質感[1]。

1 空調系統與發動機機艙熱流場的影響解析

1.1 空調系統環境影響因素

壓焓圖描述了空調系統的運行狀態，如圖1所示。圖1中，1—2屬于空調壓縮機壓縮做功的過程，此過程不斷進行能量累積；2—5屬于空調壓縮機冷凝的過程，此過程空調系統對外散熱；5—6屬于制冷劑膨脹的過程；6—1屬于制冷劑蒸發的過程，此過程空調系統制冷，發動機機艙對空調系統傳導熱量。

圖1 汽車空調系統壓焓圖

從圖1可以看出，當發動機機艙環境溫度過高時，影響空調壓縮機冷凝過程，空調壓力上升，使冷凝壓力升高，導致空調出風口溫度較高。

1.2 某車型發動機機艙布置特點

1）某車型的發動機機艙較對標車x向縮小80 mm，零部件布置相對緊湊；

2）冷凝器、風扇受x向空間布置影響，無法繼續優化；

3）發動機渦輪增壓裝置位于發動機機艙后端，導致發動機機艙前圍附近溫度較高；

4）格柵進風投影面積較對標車小，正投影面積只有17%，影響發動機機艙進風量。

1.3 某車型發動機機艙熱流場分析

發動機機艙熱流場同時包含流動和傳熱的問題，可將氣體視為非可壓縮流體計算，把發動機機艙看作能量守恒的熱交換流動系統，通過STAR－CCM+軟件進行CAE仿真分析。

通過CAE軟件對該車型發動機機艙方案進行仿真分析，具體從氣體流動和能量傳遞2個方向進行分析，發現從格柵處進入的一部分氣流繞過冷卻系統上下兩端進入發動機機艙，并在散熱器上下端和后部形成一定的“渦流”，導致冷卻系統上下端存在一定的漏風現象[2]。這些氣流“泄漏”及“渦流”不利于艙內熱量排出，影響了空調的制冷性能。圖2示出某車型發動機機艙截面流場速度矢量圖。

圖2 某車型發動機機艙截面流場速度矢量圖

該車型受發動機機艙布置影響，前圍距離發動機過近，前圍局部區域傳遞熱量較高，影響空調管路局部溫場。圖3示出某車型發動機機艙前圍區域溫場仿真圖。

圖3 某車型發動機機艙前圍區域溫場仿真圖

1.4 某車型發動機機艙熱環境轉轂試驗

1.4.1 整車發動機機艙熱環境轉轂試驗標準

空調性能試驗標準：按照某企業標準的要求，在環境溫度35～40℃，環境相對濕度為45%～55%的條件下[3]，進行汽車多種工況轉轂試驗，采集空調出風口處測點的溫度，評測空調制冷性能。

1.4.2 整車發動機機艙熱環境轉轂試驗

某車型空調冷凝器進風處外表面按照編號依次布置溫度測量點16個，如圖4所示。圖5示出某車型空調冷凝器多工況轉轂試驗進風測點溫度圖。通過圖5可以看出，冷凝器上端4個測點的進風溫度較高，發動機機艙上端存在熱風回流。而空調管路布置位于發動機機艙z向上端，熱風回流導致空調管路周邊溫度上升影響空調制冷效果，因此冷凝器上端密封有待改善。

圖4 某車型空調冷凝器進風口測點位置示意圖

圖5 某車型空調冷凝器多工況轉轂試驗進風測點溫度圖

對該車型進行發動機機艙熱環境轉轂試驗，環境溫度35℃條件下，某車型空調系統多工況關鍵測點環境溫度最大測量值，如表1所示。

表1 某車型空調系統多工況關鍵測點環境溫度最大測量值 ℃

通過如圖5和表1可知，受發動機機艙布置影響，發動機機艙內空調系統周邊溫度上升，管路從環境中吸熱，導致空調系統壓力過高。經測該環境溫度下空調出風口溫度為22～25℃（空調系統外循環），說明制冷效果不理想。

2 發動機機艙熱流場優化方案

針對發動機機艙前端空調管路周圍環境氣體存在泄露與渦流和前圍處空調管路周圍環境能量輻射過大2個問題，提出優化措施。

1）針對氣體存在泄露與渦流的問題，設計一款四周密封性良好的導流板，導流板盡量與冷卻格柵貼合，減少導流板與環境件的間隙，盡量避免氣體泄漏和渦流出現[3]。圖6示出某車型空調冷凝器增加上下導流板示意圖。

圖6 某車型空調冷凝器增加上下導流板示意圖

2）針對前圍處空調管路周圍環境能量輻射過大的問題，CAE仿真結果顯示前圍局部區域傳遞熱量較高，影響空調管路局部溫場，需要采用隔熱罩進行包裹的措施，圖7示出某車型發動機機艙前圍處空調管路隔熱罩包裹圖。

圖7 某車型發動機機艙前圍處空調管路隔熱罩包裹圖

3 轉轂試驗驗證效果

為了驗證優化效果，在此進行轉轂熱環境試驗，圖8示出某車型發動機機艙前圍空調管路測點環境溫度優化前后對比圖。

圖8 某車型發動機機艙前圍空調管路測點環境溫度優化前后對比圖

從圖8可以看出，空調系統的管路和膨脹閥外表面溫度下降明顯，說明優化后發動機機艙前圍管路周邊溫度改善效果良好。

圖9示出某車型空調系統主駕駛出風口數據圖。從圖9可以看出，優化后駕駛室空調出風口最高溫度下降明顯，說明空調制冷效果得到改善，空調舒適性得到提高。

圖9 某車型空調系統主駕駛出風口數據圖

4 結論

文章通過對發動機機艙熱流場的仿真分析和試驗驗證[4]，找到了發動機機艙內空調管道的熱氣流及能量輻射這2個對空調性能影響的重要因素，通過改善熱環境的影響，優化了現有發動機機艙的布置，改善發動機機艙內流場和熱輻射的分布，從而快速并經濟地實現了空調性能的提升。為后續同類發動機機艙環境的車型空調開發提供了重要的設計依據。