改善車內空氣品質的自動換氣系統設計

可杰

(鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450061)

0 引言

為滿足車內乘客的乘坐舒適性，客車一般標配自動恒溫空調。自動恒溫空調帶有換新風功能，在車輛運行過程中，根據溫度設定的控制邏輯持續補充車內新鮮空氣，調節車內空氣質量，提高車內乘客的乘坐舒適度。但這種換氣方式在車輛實際運行過程中存在的諸多問題：首先，車輛在惡劣天氣行駛，空調新風功能無法工作時，頂風窗和推拉窗玻璃不能打開，長時間運行車廂內的空氣質量差，影響乘客的乘坐舒適性；其次，即使有少許車輛安裝有電動換氣扇，但單個換氣扇單位時間內的換氣量小，仍不能滿足整車換氣需求；另外開啟換氣扇會產生噪聲，同樣影響乘客的乘坐舒適性。針對以上問題，設計一種能夠保證車輛在行駛過程中不受外界環境因素影響的自動換氣系統非常有必要。

1 自動換氣系統實現原理

為了更好地表達自動換氣系統實現的基本原理，以基礎樣車構建數值模型，采用流體分析軟件CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬分析整車在行進過程中，外部風場在車身上形成的壓力分布，如圖1所示。

從壓力分布圖上可以看出車輛前圍為正壓區，此時除霜器外進風口通過過渡風道伸到正壓區，利于氣流通過除霜器進入車內。此時在行李艙前立面的前橋上方和木地板下方形成的區域為一個負壓區，車輛運行車速越快，負壓區與車內的氣壓差越大，如將車內和車外此負壓區通過管道連通，在壓差的作用下，車內渾濁氣體會沿著連接管道自動向車外排出，以實現車輛自動換氣功能，由此構成了自動換氣系統實現原理的理論依據。如何開設車廂內的出氣口和車廂外負壓區的排氣口？其設計方案首先要滿足車廂內的出氣口不能影響車型的整體美觀性，綜合考慮將車內排氣口設置在凹地板過道兩側立面上。其次車外排氣口要滿足以下3點要求：首先，不能影響整車外輪廓的美觀性，所以外排氣口不能開在車身蒙皮上；其次，車輛在正常涉水深度時，不能因為此出風口導致水濺到車體內部；第三，車輛駐車時，不能有車外異味氣體傳入車內。綜合以上3點將車外排風口開在前橋上部輪上艙體位置的行李艙前立面，左右兩側各開一個排氣孔。此時，車廂內部氣體通過凹地板過道兩側立面上的過氣孔與行李艙貫通，然后通過行李艙前立面上的排氣孔與車外氣體相互連通，實現了自動換氣系統的雛形。

圖1 模擬整車運行中的壓力分布圖

2 自動換氣系統的設計與驗證

2.1 換氣量的計算

根據國標JT/T 325-2018《營運客車類型劃分及等級評定》中關于高一級、高二級客車換氣量的強制要求，強制通風人均換氣量不小于25 m3/h。

Q=n×25

式中：Q為整車需要的換氣量；n為乘坐人數(駕駛員+乘客+導游員)。

以整車乘坐人數50為例，整車需要換氣量Q=50×25=1 250 m3/h；按車輛正常運行過程中，空調自動開啟，空調自帶新風功能，每小時換氣量近2 500 m3/h，再加上司機窗、頂風窗、前除霜的外進風等換氣方式，總體換氣量遠遠大于國標規定的人均換氣量要求。但在特定運行環境，上述方式都無法開啟時，從衛生要求出發，整車仍需要相應的換氣量以滿足車上乘客基本生理換氣量要求。我國空調車車內二氧化碳控制標準為:容積濃度小于或等0.15%[5-7]，此時空調車廂內所需新風量的大小主要是根據室內允許二氧化碳的濃度來確定的。車廂內二氧化碳發生量的平衡式見圖2。

圖2 車廂內二氧化碳發生量平衡式

圖中：QX1為所需換氣量(m3/h);C2為新換氣量中二氧化碳含量(m3/m3);n為車廂內人數;C1為每人每小時排出的二氧化碳量[m3/(h·人)];C3為車廂內二氧化碳的允許濃度(m3/m3)。

因此保證車廂內二氧化碳濃度不超過允許值所需的新換氣量可按下列方法確定：

QX1C2+nC1=QX1C3

則車廂內每小時內所需換氣量計算公式為

車上乘客按休息狀態計算,每人每小時排出二氧化碳量C1為15 L/h,空氣中的二氧化碳含量C2為0.03%。由上可知,車廂內允許的二氧化碳最大含量為0.15%,當n為50時,由下式可知：

QX1=625 m3/h

即當換氣量QX1為625 m3/h時，能滿足在特定環境條件下，當空調新風和頂風窗無法開啟之時，僅靠自動換氣系統保證車廂內二氧化碳濃度不超過允許值。

2.2 車內排氣格柵孔面積的確定

由上一節可知車廂內換氣量應滿足：QX1≥625 m3/h，由于在整個工作過程中，當過道兩側立面上的格柵孔通過的空氣流速大于2 m/s時，車內乘坐的乘客會明顯感受到氣體流動，影響乘客的乘坐體驗。為滿足乘客乘坐的舒適性，避免因短時間內，車內氣壓變化過大而導致車內乘客耳疼等問題,確立過道兩側立面上的格柵孔通過的空氣流速小于等于2 m/s，格柵面積有效面積S1由以下公式可知：

S1為滿足整車人均換氣量所要求的通氣格柵最小過氣孔面積。根據實車狀態在過道兩側立面開總面積為S2的格柵過孔，其中S1≤S2,考慮到整車換氣的均勻性，在過道兩側前后均勻開10個270 mm×60 mm的過氣孔，增加過氣格柵后，過氣孔有效面積為70%，計算得過氣孔總面積為有效面積：S2=10×0.27×0.06×0.7=0.113 4 m2，滿足換氣量要求。

2.3 行李艙前立面過氣格柵開孔面積確定

客車高速運行時，高速氣流吹拂車體外表面,在緊貼車體外表面形成附面層,附面層區內為負壓，氣流速度越高，負壓絕對值越大[8]。由于行李艙位置的車體外表面形成負壓附面層以及艙門的密封作用，外部氣體不會進入行李艙內，由此可假定此時的行李艙為一個密封長方體，僅有地板過道兩側立面上的過氣開孔，以及行李艙前立面上部開的兩個換氣格柵孔，從而車體行李艙起到連通車廂內與車廂外氣體流動的過渡風道作用，地板過道兩側的過氣孔為過渡風管的進氣口，行李艙前立面上部開的格柵孔為排氣口。結合實車布置結構以及輪上艙體設計尺寸，確定左右輪上艙體各開一個排風孔，排風孔尺寸為300 mm×200 mm。為了避免地板過道兩側立面上的格柵孔處氣流流速大于2 m/s，在行李艙前立面上部的排氣孔上安裝能自動調整開度的排氣格柵，格柵的開度調整與過道左右兩側立面上的進氣流速聯動，當流速大于2 m/s，排氣格柵開度減小，當流速小于2 m/s時，排氣格柵開度趨向變大，自動調整，確保在整車換氣的過程中，不影響乘客的乘坐舒適性。當可調節格柵全部開啟后,有效面積率為75%,則此時的排氣有效面積S3：

S3=0.3×0.2×2×0.75=0.09 m3

2.4 實車測量結果

在實車測試過程中，基于風速儀的實車測量數據如表1所示。

表1 風速儀實車測量相關數據

當實車車速達到100 km/h時，行李艙上部排氣孔處的風速可達到4 m/s，此時排出風量Q出為

Q出=0.3×0.2×2×4×60×60=1 728 m3

Q出>Q滿足整車換氣量要求。為了保證地板過道兩側立面上的格柵孔處氣流流速不大于2 m/s，在行李艙前立面上部的排氣孔上安裝有能自動調整開度的排氣格柵，格柵的開度調整與過道左右兩側立面上的進氣流速聯動，當流速大于2 m/s，排氣格柵開度減小，當流速小于2 m/s時，排氣格柵開度趨向變大，自動調整，確保在整車換氣的過程中，不影響乘客的乘坐舒適性。

3 結論

設計整車自動換氣系統，通過理論分析結合應用實例，在滿足整車換氣量需求、提高乘客乘坐舒適性的同時，又能大大降低整車電耗，特別對于純電車，自動換氣系統不損耗整車電量，對提高整車續航里程、降低客運公司運行成本具有重要的意義。