汽車空調小循環(huán)流阻過大可能導致的故障

譚沖

摘 要：在汽車空調系統(tǒng)開發(fā)的過程中，工程師往往忽略暖風芯體的流阻計算，實際上這一參數(shù)有可能影響到整個發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的正常工作。本文主要對這一參數(shù)與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的散熱性能關聯(lián)性做出分析，并通過實際案例驗證汽車空調暖風芯體流阻的優(yōu)化對這一散熱不良故障的消除，給同行業(yè)工程師在空調系統(tǒng)與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的匹配設計時提供些許參考。

關鍵詞：汽車空調；暖風芯體；流阻；發(fā)動機冷卻；節(jié)溫器

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A

1 汽車空調暖風系統(tǒng)原理

在普通燃油汽車中，空調的暖風系統(tǒng)是利用冷卻液來吸收發(fā)動機的余熱作為熱源，引入到熱交換器（暖風芯體）中，由空調鼓風機將車內或車外空氣吹過熱交換器表面而使之升溫，從而滿足乘員艙的采暖需求。這其實也是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的“小循環(huán)”系統(tǒng)，如圖1所示。

2 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)原理

在汽車的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)循環(huán)中，可分為“小循環(huán)”與“大循環(huán)”。小循環(huán)即上一小節(jié)介紹到的冷卻液僅在發(fā)動機與空調暖風芯體內的循環(huán)。而大循環(huán)則是指冷卻液在發(fā)動機與散熱器之間的循環(huán)。當發(fā)動機在冷車啟動溫度較低時，少量的冷卻液會在發(fā)動機與暖風芯體內作小循環(huán)，使發(fā)動機能迅速達到工作溫度；一旦達到設計溫度，控制大、小循環(huán)轉換的節(jié)溫器則會開啟，讓冷卻液能流至散熱器內進行散熱，隨著發(fā)動機溫度的升高，節(jié)溫器開啟的程度就越大，從而使更多的冷卻液流動到散熱器中，將發(fā)動機的熱量完全散發(fā)到空氣中，最后經過充分熱交換的冷卻液重新回到水泵里，通過水泵的加壓，實現(xiàn)大小循環(huán)的不斷流動。

3 案例分析

3.1 問題描述

某天接到售后部門反饋的一例電子扇常轉的故障，根據(jù)如下電子扇的控制策略，證明發(fā)動機出水水溫一直保持在91℃以上。而在正常情況下，水溫超過82℃節(jié)溫器將會開啟，節(jié)溫器開啟后冷卻液將流過散熱器這一路大循環(huán)，散熱器的出水管將會明顯高于環(huán)境溫度（實測散熱器出水管表面溫度與環(huán)境溫度幾乎一致），而發(fā)動機的出水溫度也將相應降低，在非惡劣工況下水溫低于91℃時，即電子扇會關閉，電子扇常轉說明節(jié)溫器工作不正常。

此種工況下發(fā)動機水溫居高不下，散熱器未能實現(xiàn)熱量交換功能，電子扇一直在工作，導致油耗增加，能源消耗浪費，NVH舒適度降低，是一種較為明顯的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱不良的故障，見表1。

3.2 根本原因分析

此款發(fā)動機的節(jié)溫器布置在發(fā)動機的回水端， 由于空調系統(tǒng)的暖風芯體采用了兩個流程的U-FLOW結構，性能較優(yōu)，但流阻較大，導致發(fā)動機回水端流量低于限值，節(jié)溫器不能正常沖開，大循環(huán)不能正常開啟，電子扇一直在常轉。

3.3 節(jié)溫器的布置介紹

一般大多數(shù)節(jié)溫器布置在發(fā)動機出水管路中。這種布置方式的優(yōu)點是結構簡單，能夠靈敏感應到水溫的變化，并且容易排除系統(tǒng)中的氣泡；其缺點是在節(jié)溫器工作時會產生振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是指在冬季起動冷態(tài)發(fā)動機時，由于冷卻液溫度低，節(jié)溫器閥關閉。冷卻液在進行小循環(huán)時，溫度很快升高，節(jié)溫器閥開啟。與此同時，散熱器內的低溫冷卻液流入機體，使冷卻液又冷了下來，節(jié)溫器閥重新關閉。等到冷卻液溫度再度升高，節(jié)溫器閥又再次打開。直到全部冷卻液的溫度穩(wěn)定之后，節(jié)溫器閥才趨于穩(wěn)定不再反復開閉。節(jié)溫器閥在短時間內反復開閉的現(xiàn)象，稱為節(jié)溫器振蕩。當出現(xiàn)這種現(xiàn)象時，將增加汽車的燃油消耗量。

但也有一部分發(fā)動機的節(jié)溫器會布置在回水管路中，這種布置方式可以減輕或消除節(jié)溫器振蕩現(xiàn)象，但在普通蠟式節(jié)溫器上容易產生系統(tǒng)匹配問題，嚴重時有可能導致發(fā)動機散熱不良，即今天碰到的這個故障。

經過分析，此款發(fā)動機的節(jié)溫器布置在發(fā)動機的回水端， 由于空調系統(tǒng)的暖風芯體采用了兩個流程的U-FLOW結構，性能較優(yōu)，但流阻較大（怠速工況下的流阻達到1.5kPa），導致發(fā)動機回水端流量低于限值，節(jié)溫器不能正常沖開，大循環(huán)不能正常開啟，電子扇一直在常轉。

3.4 解決方案

將暖風芯體由原來的U-FLOW（雙流程）結構更改為I-FLOW（單流程）結構，降低暖風芯體的流阻（怠速工況下由1.5kPa降低到0.8kPa），實車驗證電子扇常轉故障消除，如圖2所示。

4 流阻計算總結

根據(jù)如上案例，可以總結出暖風芯體流阻的計算方法以供今后的設計參考。

4.1通過流量實驗確定節(jié)溫器正常工作需要的最小流速V。

4.2根據(jù)已知條件求出當前流體的狀態(tài)，即求出雷諾數(shù)Re。

一般怠速情況下系統(tǒng)內冷卻液流速不會過大，例如當流速為2.5m/s，管內直徑為16mm時，根據(jù)公式

其中V為流速，D為管道直徑，v為運動黏度（冷卻液可參考水的參數(shù)大概為1.79*10-6㎡/s），可求出Re大約為2235。

備注：雷諾數(shù)是判別流動特性的依據(jù)，在管流中，雷諾數(shù)小于2300的流動是層流，雷諾數(shù)等于2300～4000為過渡狀態(tài)，雷諾數(shù)大于4000時的是湍流。

4.3根據(jù)雷諾數(shù)，可求出沿程阻力損失系數(shù)λ，

當Re<2300時，

4.4根據(jù)沿程能量損失的計算公式，求出的最終可求出我們需要的流阻參數(shù)△P

式中λ為沿程阻力損失系數(shù)，v為流速，l為管壁長度，d為管壁直徑，ρ為冷卻液密度，g為重力加速度。

此值即可作為我們設計空調系統(tǒng)暖風芯體時的流阻上限參考。

結語

（1）結論一

空調暖風芯體流阻過大有可能會導致節(jié)溫器不能正常開啟，進而影響發(fā)動機冷卻系統(tǒng)大循環(huán)的正常工作。

（2）結論二

大循環(huán)的非正常工作有可能導致電子扇常轉，發(fā)動機水溫持續(xù)過高。

（3）結論三

關于空調系統(tǒng)暖風芯體的流阻設計，可以通過以上公式計算或通過臺架試驗的方式確定小循環(huán)中暖風芯體的最小流量與流速，再通過節(jié)溫器的臺架試驗即可確認當前的流阻參數(shù)是否會影響發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的正常工作。

參考文獻

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