汽車前端熱流場分析設計

吳剛 董奇奇

摘要：針對汽車空調夏季高溫時怠速制冷效果差的現象，進行原因分析，發現發動機的散熱流場對空調系統的制冷效果有很大影響。通過對發動機艙的熱流場做仿真分析，提出應對方案。在試驗驗證后，解決了怠速制冷差問題。

關鍵詞：汽車空調;怠速;壓縮機;熱回流。

引言

現代汽車均有空調裝置，制冷能力在夏季時必不可少。

汽車空調的通過壓縮機壓縮制冷劑，將低溫低壓的制冷劑壓縮到高溫高壓氣體，高溫高壓氣體制冷劑進入冷凝器后，通過空氣散熱。制冷劑冷卻后發生相變，變成高溫高壓液體，經過膨脹閥后，在蒸發器中霧化蒸發，相變過程中大量吸熱，冷卻經過蒸發器表面的空氣，達到制冷效果。室內降溫帶走的熱量最終需要通過室外的冷凝器散發到空氣中。

汽車空調的冷凝器通常有幾種布置方式，最常見的是在車頭通風格柵后。迎面風從格柵進入后，先經過冷凝器，然后經過發動機散熱器，再經過散熱器風扇。有些情況下還有中冷散熱器、油冷器等散熱部件。其他布置模式和本文無關，不做贅述。

1 前端散熱系統的結構組成

本文研究車型散熱系統如圖1所示。動力總成為渦輪增壓發動機，所以冷凝器下放還布置有中冷器散熱器。車輛怠速時，通過散熱器風扇強制通風，對前端各散熱器進行冷卻。散熱器風扇轉速通過PWM波控制。根據發動機水溫及空調系統壓力高低改變風扇轉速。簡單來說，水溫越高，風扇轉速越高;空調壓力越高，風扇轉速越高。

2試驗現象及數據分析

一款在研車型在夏季高溫時，怠速開空調，制冷效果很快變差，通常在10分鐘左右空調徹底喪失制冷效果。根據問題工況，進行了重復試驗并采集了試驗過程中的空調系統壓力值。如圖2所示，空調高壓在壓縮機開啟后持續上升，在25分鐘時超過3.0MPa，然后開始下降。這是由于空調系統的控制策略造成的。空調系統為了保護系統正常工作，設定壓力高于某一值時關閉壓縮機，并在壓力下降之后重新工作。如果沒有這項功能，持續上升的空調壓力會損壞空調部件。

造成冷凝器壓力高的原因有很多，通常包括冷媒充注過多、熱負荷太大、散熱能力不足等。

冷媒加注量通過系統標定，設計值確認沒有問題，對試驗車輛重新充注冷媒，排除充注操作的問題。重新充注后的車輛，依然存在同樣問題。可以排除冷媒充注過多的原因。

為驗證冷凝器散熱情況，監控了冷凝器表面6個位置的進氣溫度。如圖2所示，圖示曲線為冷凝器表面6個進氣溫度點對應時間的曲線。第一階段曲線波動較多，是車輛低速行駛階段，該階段結束時有一個波峰，是車輛進入試驗跑道在道閘前停車時。后續車輛以40km/h行駛，進氣溫度平穩保持40℃，減速掉頭時進氣溫度迎來一個小波峰。然后繼續以40km/h行駛，進氣溫度保持平穩。最后階段為怠速工況，可見6個溫度點均持續上升，根據位置不同最后的穩定值有高有低。當進氣溫度超過60℃時，空調冷凝器的散熱效果就大受影響，進氣超過70℃，冷凝器幾乎不能為冷卻劑提供過冷度，空調制冷效果幾乎喪失。可見冷凝器散熱能力不足時該問題的主要原因。

針對熱負荷大問題，車輛在行駛中空調效果良好，說明空調系統制冷能力能滿足整車熱負荷要求。

3仿真結果與分析

為了評價冷凝器進氣溫度高的具體因素，對前端散熱模塊進行了模擬分析。

圖4（a）為怠速工況下，冷凝器進風面的溫度云圖。圖4（b）為Y=0 mm 剖面的速度云圖。圖4（c）為Z=400 mm 剖面的速度云圖 。從圖中可以看出：

1、熱空氣從水箱下橫梁不散熱器之間間隙回流進散熱器;

2、熱空氣從散熱器兩側間隙回流進散熱器;

3、熱空氣從冷凝器和導風板之間間隙回流進冷凝器;

4、熱空氣從導風板和前保及防撞橫梁之間間隙回流進冷凝器。

從圖中看出冷凝器、散熱器的熱氣回流主要來自于兩側和下部。

4結論

根據分析結果，采取對應措施。封堵冷凝器左右端及下端，具體措施如下：

1、封堵散熱器擋風板上的管路開口和進氣開口，與前保配合處增加包膠密封;

2、散熱上下端粘貼海綿條密封;

3、中冷器上端增加海綿條;

4、增加下端擋風板，需要重新開發;

整改措施應用后，進行制冷試驗，試驗結果如圖5所示。怠速工況下，高壓壓力平穩，車內平均溫度平穩，空調制冷性能得到了保證。

參考文獻

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