汽車空調一維物理模型開發和應用

劉宇

摘 要：縮短空調開發周期，以滿足當代整車短周期開發的要求，構建空調模型，已成為研究汽車空調性能的趨勢。本文主要介紹汽車空調制冷系統、空調箱、乘客艙等物理模型的建立方法和應用。

關鍵詞：空調;物理模型;性能

0 概述

汽車空調物理模型需要考慮兩相流、相變換熱、空調箱和乘客艙復雜的結構，以及持續變化的外部環境和整車工作狀態，這些因素導致汽車空調物理模型的復雜性。基于物理模型的復雜性，使用AMEsim建立制冷系統物理模型，使用Simulink建立空調箱、乘客艙物理模型，通過跨平臺聯合仿真，完成空調最大制冷性能和制熱性能的模型計算和驗證。

1 制冷系統物理模型

1.1 壓縮機物理模型

壓縮機是汽車空調制冷系統的核心部件，雖然內部結構復雜，如圖1所示，但在模型化過程中主要考慮對空調系統性能的影響最大的兩大效率，即容積效率和絕熱效率，可通過公式進行理論核算得出。

1.2 熱交換器物理模型

兩大換熱器：蒸發器和冷凝器，雖然結構比壓縮機簡單，但是其換熱過程涉及沸騰換熱、冷凝換熱等相變過程，且制冷劑流動涉及兩相流，所以換熱器的模型是非常復雜的，為了完成模型的建立，適當的簡化是非常有必要的，兩相流的模型均簡化為均勻模型，即氣相和液相的溫度相同、流速相同。制冷劑側流體流阻的計算，首先需要建立流阻-熱容節點，為了完成換熱器熱流傳遞計算模型的建立，需要建立熱容-熱阻節點網絡，涉及管內壁面對流換熱、管壁熱傳導、管外壁對流換熱制冷劑側對流換熱系數的計算。空氣側換熱關聯式系數可以通過蒸發器、冷凝器臺架數據擬合獲取。

1.3 膨脹閥物理模型

膨脹閥是制冷系統中的一個重要部件，一般安裝于儲液筒和蒸發器之間。膨脹閥使中溫高壓的液體制冷劑通過其節流成為低溫低壓的濕蒸汽，然后制冷劑在蒸發器中吸收熱量達到制冷效果，膨脹閥通過蒸發器末端的過熱度變化來控制閥門流量，防止出現蒸發器面積利用不足和敲缸現象。物理建模可以分析兩種形式：①根據受力分析進行，依據QC/T663-2000搭建臺架試驗，通過臺架試驗測試的結果數據繪制四象限圖建模。②四象限建模法，主要包括：感溫包內沖注介質的溫壓特性，在給定感溫包溫度下膨脹閥開度和蒸發器出口壓力的關系，以及在給定高、低壓力、過冷度時膨脹閥開度和流量的關系。基于四象限，根據蒸發器出口溫度和時間常數計算感溫包溫度，根據第一象限可以計算膨脹閥開啟壓力，根據當前蒸發器壓力和給定感溫包溫度下膨脹閥開啟壓力計算給定感溫包溫度下的蒸發器出口壓力，然后根據第二象限可以計算出膨脹閥的開度，根據第三象限可以計算出膨脹閥開度對應的參考流量，根據參考流量和當前的高、低壓、制冷劑密度可以最終計算制冷劑的流量。第②種形式建立模型準確度較高，本文將著重講解和分析。

2 空調箱物理模型

空調箱內部部件較多，主要包括空氣濾芯、蒸發器、加熱芯體、新風風門、溫度混合風門、風量分配風門等。可使用試驗得出的空調箱風量或實際實車測量值數據，空調箱換熱模型只涉及蒸發器出口至風道出風口部分;對于空調箱中的加熱器芯體，其熱源側為發動機冷卻液，另外一側為空氣，其換熱過程都沒有涉及相變，冷卻液側換熱，使用理論公式測算;對于空調箱殼體和管內空氣的換熱，以及風管和管內空氣的換熱，使用理論公式測算。層流和紊流分別使用理論公式測算，這應以來就可以建立簡化的物理模型。

3 乘客艙物理模型

3.1 熱網絡節點

乘客艙主體包括玻璃和車身，把玻璃和車身細分成單元節點，其中玻璃可分六個單元節點，包括前、后擋風玻璃和四個側窗玻璃，車身可分十個單元節點，包括儀表板上、下部，后排座椅、后排衣帽架、車頂棚、地板和四個車門節點，每個單元節點包括內、外兩個表面溫度節點;乘客艙內的空氣劃分為四個溫區;車外空氣為節點、太陽為節點、天空節點、地面節點為等各節點之間有熱量傳遞，均可看成是具有集總參數的單元。車窗玻璃可以看作均勻介質，其導熱系數可以通過試驗測得，車身簡化為多層導熱問題。車身外表面時刻都在和周邊的環境發生著輻射換熱，對于車身、地面、天空的輻射換熱可以采用斯蒂芬-波爾茲曼定律。對于天空的發射率，采用Angstrom方程獲取;乘客艙內部是一個密閉的空間，其各個表面之間存在著相互的輻射換熱，根據輻射換熱的基本定律可以得出;陽光對單元節點的影響，可以根據透射率、反射率、陽光強度、法向夾角，計算出吸收的熱量和透射的熱量。

3.2 計算模型建立

對于玻璃和車身細分成單元節點，在任意時刻，可計算流入任意節點的凈熱流率，在給定初始溫度后，可以迭代計算出任意時刻所有節點的溫度。通過殼體各個區域進入乘客艙內的熱量，同時考慮空調風量和溫度對乘客艙內溫度產生的影響，最終通過迭代計算出乘客艙內空氣溫度。物理模型一旦建立完成，可通過簡單的結構來模擬復雜的系統，為其系統整體控制策略設計奠定基礎，同時也為優化設計就、和性能評價提供可行的技術標準。

4 結束語

通過熱節點網絡及能量平衡理論、結構及環境因素等對熱流傳遞分析，完成空調制冷系統、空調箱、乘客艙的一維物理模型，為驗證其物理模型的有效性可通過實車驗證的方式進行對比分析。

參考文獻：

[1]石文星.變制冷劑流量空調系統特性及其控制策略研究[D].北京：清華大學熱能工程，2000.

[2]劉占峰，宋力.汽車空調[M].北京：北京大學出版社，2011.