R1234yf整車汽車空調泄漏擴散研究

汪琳琳 楊 昭 王 丹

(1 天津大學機械工程學院 天津 300072；2 中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300)

新能源汽車熱泵空調系統未來替代制冷劑應以保證乘員安全為第一目標。由于R1234yf是一種輕度易燃的制冷劑，因此當熱泵空調系統由于管道或部件損壞導致制冷劑泄漏至車輛乘員艙時，若在乘員艙中積聚的濃度達到可燃性下限值，且遇到明火源，可能會產生爆炸。不同等級車型的排量、車軸距等參數不同。A級車(含A0與A00級)的排量為1.0～2.0 L，車軸距為2.0～2.7 m。B級車排量為1.8～2.4 L，車軸距為2.7～2.9 m。一輛A級乘用車或小SUV，傳統空調制冷劑充注量為450～550 g，B級SUV車如某款增程式混動單冷空調系統制冷劑充注量為620 g。對于采用熱泵空調系統并利用系統液冷冷卻電池的新能源純電動汽車，熱泵空調系統制冷劑充注量為1 000～1 300 g，間接熱泵比直接熱泵空調系統充注量多，帶中間補氣的熱泵系統需要多加200 g。表1所示為幾種A級車型的制冷劑充注量。對電池冷卻采用風冷或水冷的新能源車型，單冷空調系統與傳統燃油車單冷空調系統的制冷劑充注量無顯著差異。對比可知，熱泵空調系統比傳統汽車和新能源汽車單冷空調系統制冷劑充注量增加了400～800 g。相比于傳統汽車空調系統，若熱泵空調系統制冷劑在乘員艙泄漏，會增加乘員艙制冷劑的體積濃度，制冷劑體積濃度達到一定程度，若遇明火，使用可燃制冷劑發生泄漏-燃爆的風險可能會增加。

表1 不同車型制冷劑充注量

本文采用數值模擬的方法，研究R1234yf在泄漏情況下乘員艙內的泄漏擴散規律，以及集聚效應對室內R1234yf體積濃度分布的影響。

1 國內外關于R1234yf可燃性研究

制冷劑的安全問題一直是新型制冷劑能否被行業接受的關鍵因素。而R1234yf的微燃性使其在汽車空調的應用受到廣泛關注。由于R1234yf具有輕微可燃性，被美國采暖、制冷和空調工程師協會(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE)與中國國家標準GB/T 7778—2017[1]評定為A2L。表2所示為不同制冷劑的燃燒特性。相比于其他制冷劑，R1234yf具有更低的燃燒區域、燃燒速度和更高的點燃能量，在表2中R1234yf的可燃性最小[2]。

表2 不同制冷劑的燃燒特性[2]

對于汽車空調，人們主要關注發動機和乘客車廂內部發生火災的風險，如制冷劑在發動機側發生泄漏，發動機的高溫部位可能會點燃泄漏的R1234yf。制冷劑在乘客車廂內發生泄漏，此時乘客若恰好使用明火(如打火機)，可能導致車廂內R1234yf燃燒。為了驗證這兩項風險的大小，霍尼韋爾公司的科研人員設計了鋼板實驗及車廂內明火點燃實驗。將鋼板加熱至一定溫度，觀察R1234yf是否出現可燃現象。結果表明，在550 ℃及800 ℃的鋼板實驗情況下，均未出現燃燒現象。在900 ℃的鋼板實驗情況下，若泄漏的R1234yf伴隨有壓縮機潤滑油，它是可燃的。R1234yf的可燃性極小，在發動機側的著火風險與R134a相同[3]，其因泄漏而導致的起火情況可以忽略。SAE CRP1234項目[4]和杜邦公司的可燃特性研究[5]結果均表明將R1234yf用于汽車空調制冷劑是相對安全的。針對汽車空調的可燃事故風險分析，文獻[6-7]得出了每單位車輛單位行駛小時內，可燃風險率為10-14量級。該概率相當于每年行駛500 h的美國2.5億輛客車，每百年才發生1次可燃的危害事故。

吳曦[8]對包括R1234yf的多種制冷劑的可燃性和潤滑油的相容性進行了理論與實驗研究。陳琪等[9]對含R1234yf的二元和三元混合物進行了爆炸極限和臨界抑爆比實驗研究，給出了臨界抑爆點混合比例。李玉曉[10]實驗測定了R1234yf及二元混合制冷劑的爆炸壓力、燃燒極限等參數，并給出了惰性物質對燃燒上限的影響。袁小勇[11]通過實驗和數值模擬的方法,研究了泄漏速度、窗開啟面積、障礙物與泄漏口的距離等因素對制冷劑泄漏擴散規律、制冷劑濃度分布及房間內安全性的影響。M.S.Sadaghiani 等[12]使用哈特曼炸彈模擬物測量R1234yf制冷劑/空氣混合物的最小點火能和層流燃燒速度。在復雜的環境條件下，R1234yf的可燃極限會隨環境條件變化。如S.Kondo 等[13]的實驗中，用ASHRAE的評定方法，在干空氣和相對濕度為50%的濕空氣中對R1234yf的可燃極限進行測試，結果表明在更高的濕度范圍下R1234yf會產生更大的可燃范圍，不利于制冷劑的穩定工作。Zhai Rui等[14]進一步研究了R1234yf在不同濕度下的可燃極限，并研究了濕度對可燃極限的影響方式，得出與S.Kondo等[13]類似的結論?？梢钥闯?，隨著濕度的增加，R1234yf的可燃極限區間在增加，這增加了燃燒的可能性。為了減小制冷劑的可燃極限范圍，Feng Biao等[15]測試了常溫常壓下R227ea和R134a作為阻燃劑對R1234yf的影響，實驗結果顯示R227ea對于R1234yf的阻燃效果優于R134a，加入阻燃劑能降低R1234yf的火焰傳播速度。

新能源電動汽車用空調系統尤其采用了熱泵空調系統和電池液冷卻的汽車，由于需兼顧冬季和夏季的使用，系統所需制冷劑的充注量也會增加。

2 整車制冷劑泄漏數值模擬

2.1 數學模型

制冷劑泄漏擴散控制方程包括連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分運輸方程，控制方程如下：

連續性方程：

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；ui為x,y,z方向上的速度分量，m/s。

動量守恒方程：

(2)

式中：p為流體微元上的壓力，Pa；μ為動力黏度，Pa·s；f為單位質量力矢量，m/s2。

能量守恒方程：

(3)

式中：E為總內能，J；k為導熱系數，W/(m·K)；T為溫度，K；hi為i組分焓，J/kg；Ji為擴散通量，kg/(m2·s)；Φ為能量耗散項，J/(m3·s)；Sh為能量源項，J/(m3·s)。

組分運輸方程：

(4)

式中：mi為混合氣體各組分的質量濃度；Si為i組分的質量源項，kg/(m3·s)。

2.2 基本假設條件

對氣體泄漏擴散過程的數值模擬是非常困難的，在模擬的過程需要簡化模擬的數學模型，以減少對計算機的要求，使計算結果更容易收斂，進行如下基本假設和簡化：

模型的基本假設：

1)乘員艙內的空氣看作不可壓縮流體，泄漏過程為湍流；

2)由于制冷劑在高壓下泄漏至大氣空間中瞬間氣化膨脹，認為R1234yf制冷劑的泄漏為氣體泄漏，且R1234yf制冷劑不與室內的空氣發生化學反應，R1234yf與空氣的混合氣體看作理想氣體，適用理想氣體狀態方程；

3)制冷劑泄漏源為連續泄漏源并等速泄漏，不隨時間改變[16]；

4)泄漏過程模型溫度恒定且無熱量交換；

5)重力加速度恒定，不隨高度改變而變化；

6)設置新風速度時，出風口風速方向與出風口方向垂直，且速度不隨時間、地點和高度的改變而變化。

2.3 幾何模型

采用CFD建模模擬熱泵空調系統制冷劑R1234yf由于蒸發器破損泄漏至某款A0車型乘員艙中的非穩態過程。該車型乘員艙空間較小，放入乘客4人后的凈車內容積為2.1 m3。而一般7座車型放入乘客4人后的凈車內容積約為3 m3。CFD模型包含了整車、艙內座椅與乘員、艙內操作面板與4個出風口(出風口面積為A0車型通用大小)、前端駕駛艙、車窗與車門等三維模型，圖1所示為整車CFD三維模型。圖2所示為乘員艙內俯視圖，可以看到在艙內操作面板上左側、中間、右側分別有1個、2個、1個共計4個出風口。

圖1 整車CFD三維模型

圖2 乘員艙內俯視圖

在駕駛艙外的前端模塊包括空調箱及空調箱中的電機、風扇、蒸發器、暖風芯體、出風口前送風管路、新風口、回風口等，三維圖如圖3所示。

圖3 駕駛艙外前端模塊

2.4 網格劃分

網格的質量直接影響計算收斂速度和模擬結果的精度。整車三維模型在網格劃分時需對泄漏口與風機轉動部件等特殊部件使用物理場控制網格,并對邊界和表面局部加密。本研究采用以六面體為核心的網格，邊界層采用拉伸因子方式，邊界層層數設置為3層，邊界層厚度增長因子為1.3，邊界層總厚度為0.004 m，最大單元尺寸為0.2 m，最小邊長為0.001 m，加密區平均邊長為0.006 m，其他區平均邊長為0.03 m，生成面網格總數量為460萬，體網格總數量為3 250萬。圖4所示為整車模型面網格劃分。

圖4 整車模型面網格劃分

2.5 初始條件與邊界條件

模擬場景為在空調箱風扇低轉速下經過送風管路通過乘員艙內面板上的4個空調通風口泄漏全部制冷劑。泄漏孔的尺寸根據SAE J2772標準[16]設定，該孔徑是由蒸發器供應商或故障中的經驗選擇的腐蝕泄漏孔，對代表蒸發器嚴重泄漏情況的0.5 mm特定孔徑進行了制冷劑泄漏評估。并設置泄漏孔0.5 mm情況下對應的制冷劑泄漏率為1.14 g/s[16]。

設置整車CFD模型的初始條件如下：

1)乘員艙內外壓力為環境壓力101 325 Pa(表壓為0)；

2)乘員艙內、外溫度為298 K；

3)乘員艙內風速為0；

4)乘員艙內空氣組分為100%；

5)蒸發器中制冷劑壓力0.5 MPa。

設置整車CFD模型的邊界條件如下：

1)車輛內部容積為2.4 m3；

2)乘客人數為4人；

3)乘員艙凈車內容積為2.1 m3；

4)空調箱低風扇轉速風量為168 m3/h(空氣風速約為1.0 m/s)；

5)車門縫為5 mm；

6)空氣換氣率為1.2(空氣換氣率指單位時間(h)內進入乘員艙空氣量(m3/h)與乘員艙凈車內容積(m3)的比率)；

7)R1234yf制冷劑充注量為680 g；

8)蒸發器泄漏圓孔尺寸為0.5 mm，設置在蒸發器表面寬度1/2、高度2/3的位置；

9)制冷劑泄漏給定質量流量入口條件為1.14 kg/s；

10)百分百內循環，回風口設置自由流入條件；

11)車門縫設置自由出口條件；

12)整車殼體、門窗、面板等設置為壁面條件。

2.6 計算參數設定

制冷劑在乘員艙內空氣中的擴散是以湍流形式進行組分傳輸的過程。本文選擇三維非穩態標準k-ε湍流多組分混合氣體模型，考慮重力影響進行制冷劑泄漏擴散計算。選擇PISO算法，設置湍動能為0.001 J/kg，湍流耗散率為0.1 m2/s3，松弛因子保持默認值。

2.7 計算結果

制冷劑泄漏點設置在空調箱內的蒸發器出口表面上，與空調箱送風方向一致。泄漏后的制冷劑隨送風空氣混合后通過送風管道進入乘員艙。為監視制冷劑在乘員艙中的動態體積濃度分布，設置了體積濃度監測點。選取監測點位置為預期最高體積濃度的4個送風口出口處、最危險體積濃度位置的4位乘客呼吸點處、4位乘客的腳部正上方，共計12個監測點，如圖5制冷劑濃度監測點位置分布中的紅色標志所示。制冷劑隨空氣由送風口進入乘員艙的大空間后擴散，因此送風口的近出口處是制冷劑在乘員艙中擴散的最高濃度濃度分布點。R1234yf聚集達到一定體積濃度后遇明火有爆炸危險，因此設置乘客呼吸點處即吸煙點火位置為重點監控對象。表3所示為4個出風口尺寸。

圖5 制冷劑體積濃度監測點位置分布

表3 4個出風口尺寸

表4 各監測點位置編號

運行模型650 s將制冷劑全部泄漏后觀測制冷劑在乘員艙中體積濃度的分布和制冷劑體積濃度隨時間的變化，假設制冷劑體積濃度分布是相對線性的。蒸發器中設置的泄漏孔直徑為0.5 mm，且乘員艙空氣采用100%再循環模式。因此，模型設置代表了由于蒸發器腐蝕破損造成制冷劑泄漏的最嚴重情況。

圖6所示為各制冷劑濃度監測點的體積濃度隨時間的變化。由于監測點1、2、3、11、12數值接近，監測點4、9、10數值接近，圖6選取代表監測點示意。表5所示為12個監測點的最高制冷劑體積濃度值。結果顯示在全部制冷劑泄漏完成后各監測點的制冷劑濃度最高。R1234yf在4個出風口近出口處的體積濃度比乘員呼吸點附近和腳部附近的體積濃度高。監測點5和監測點8分別為左、右出風口，吹出速度快且與障礙物(乘員、座椅等)距離較近，因此制冷劑聚集后出現了體積濃度波動。除駕駛員呼吸點位置體積濃度較低，其他乘員呼吸點體積濃度接近。由于重力作用，同一乘客的呼吸點與腳步的體積濃度接近，且后排腳部體積濃度比前排略高約0.1%。4個出風口最高平均R1234yf體積濃度為1.58%，4位乘客呼吸點最高平均R1234yf體積濃度為0.99%，4位乘客腳部最高平均R1234yf體積濃度為0.95%。R1234yf的最高體積濃度發生在中間右側的出風口近出口處，最高體積濃度為1.67%。R1234yf的體積百分比可燃下限(LFL，lower flammability limit)為6.2%，因此，R1234yf在整個泄漏過程中在乘員艙中的聚集并位超過其可燃下限。

圖6 各制冷劑濃度監測點的體積濃度隨時間的變化

表5 各監測點制冷劑最高體積濃度

圖7所示為650 s時乘員艙內制冷劑的體積濃度分布云圖。出風口附近的制冷劑體積濃度最大。從制冷劑體積濃度分布和傳遞路徑可以看出，R1234yf向乘員艙的門窗縫隙附近擴散的現象較弱，由送風直接噴射到成員所在呼吸的位置，并在此少量聚集，然后制冷劑碰壁向四周位置傳遞擴散，并且由于R1234yf密度大于空氣密度，部分制冷劑在地面聚集。

圖7 乘員艙內制冷劑體積濃度分布云圖

圖8所示為650 s時乘員艙內各監測點制冷劑體積濃度分布云圖。由圖8(a)～(d)可知，制冷劑在出風口前體積濃度較高，通過出風口吹入乘員艙后由于擴散作用體積濃度迅速降低。并且從近出風口的出口制冷劑體積濃度可知，中間兩個出風口比左、右側兩個出風口的制冷劑體積濃度大，這是由于送風管道的形狀、長度與阻力不同造成流體流動速度場不同。制冷劑在速度場的作用下吹向后側直至遇到障礙物，在障礙物附近聚集。由圖8(e)～(f)可知，乘員艙后排制冷劑體積濃度高于前排，且后排乘員呼吸點附近的縱面制冷劑體積濃度分布較均勻。前排乘員縱面方向呼吸點附近的制冷劑體積濃度高于其他位置，這是由于乘員艙前排風速大于后排風速，因此制冷劑不易聚集。而乘員艙后排包括后排座椅后方風速較低，制冷劑較易聚集。

圖8 乘員艙內各監測點制冷劑體積濃度分布云圖

圖9所示為乘員艙內各監測點截面制冷劑體積濃度超過1.0%的區域，即乘員艙內R1234yf體積濃度區域較高的位置。乘員艙內R1234yf體積濃度較高的位置主要在中間兩個出風口R1234yf直接噴射出來至后排艙頂的區域。因此，中間出風口吹出若無障礙物阻擋，直至艙頂整個射程沿程體積濃度較大，且吹至艙頂后向四周擴散再遇到障礙物在后排聚集。前排乘員位置由于風速較大比后排乘員位置處的制冷劑體積濃度小，R1234yf密度大于空氣密度，向地面聚集，后排縱面制冷劑體積濃度均較大。

圖9 乘員艙內各監測點截面體積濃度超過1%的區域

圖10所示為R1234yf泄漏氣體在乘員艙內的流動軌跡，可以看到R1234yf在速度場作用下的擴散軌跡。由送風攜帶泄漏的制冷劑從出風口吹出。由于送風管道的分配和阻力，R1234yf從副駕駛側的出風口和中間兩個出風口吹出的速度較高，體積濃度較大。吹出后的R1234yf在碰壁(前排和后排乘員)下方形成漩渦并向四周擴散，R1234yf由于漩渦作用和重力作用在乘員呼吸點下方聚集。

圖10 乘員艙內R1234yf流動軌跡

此外，制冷劑從蒸發器泄漏處至空調通風口之間的空調箱內部通道形狀變化復雜。圖11所示為空調箱內部制冷劑體積濃度分布云圖，截面位于兩個中間通風口之間。由計算結果可知，由于重力作用制冷劑泄漏后在空調箱送風通道內底部區域形成了聚集，然后隨送風吹入4個送風管道，由通風孔吹出后形成“近二次泄漏”擴散至乘員艙內部。

圖11 空調箱內部制冷劑體積濃度分布云圖

基于數值模擬結果可知，乘用車在100%內循環與低風速條件下，R1234yf由空調箱內蒸發器通過風道完全泄漏至乘員艙后，出風口附近聚集的制冷劑體積濃度最大，即危險性最高。

2.8 與實驗數據對比分析

杜邦與霍尼韋爾公司對R1234yf在乘用車汽車空調系統應用時的危險性進行了研究[17]，包括對制冷劑泄漏乘員艙后的可燃風險進行了實驗評價。實驗采用7人座車，乘員艙凈車內容積為3.1 m3，設置空氣為低風速100%內循環。實驗對前排乘員呼吸點、肘部，吹面與吹腳出風口設置了濃度傳感器并進行實時制冷劑體積濃度檢測。圖12所示為R1234yf泄漏后乘員艙體積濃度分布實驗結果[17]。由圖12可知，前排左呼吸點、前排右呼吸點、左出風口、前排右腳部的制冷劑體積濃度分布相對較高，但最高體積濃度不高于3%。前排左肘、前排右肘、前排左腳、右出風口、左右中間出風口的制冷劑體積濃度分布相對較低，最高濃度不高于2%。由于R1234yf密度大于空氣密度，對于內容積較大的車型，存在吹風“死角”，制冷劑隨空氣流動會有部分聚集在腳部的可能。在整車制冷劑泄漏實驗過程中，所有監測點的R1234yf體積濃度均低于其可燃下限值。

圖12 乘員艙R1234yf體積濃度分布實驗結果[17]

莊晨[18]對關于車內污染物運動分布與規律分析表明，送風風速、送風溫度與濕度、送風方向是主要影響因素，也是影響制冷劑泄漏擴散體積濃度分布的主要因素。本文在相同的數值模擬邊界條件與杜邦實驗條件下進行對比驗證，如相同送風風速、相同送風方向水平吹出，還設置相同制冷劑泄漏孔大小與相同空氣交換率。對比可知，R1234yf泄漏過程的乘員艙內制冷劑體積濃度數值模擬結果與文獻[17]實驗結果相近，中間兩個出風口最高體積濃度與實驗結果最接近，誤差約為6.7%；右出風口最高體積濃度與實驗相差約0.31%；左出風口、左右呼吸點最高體積濃度與實驗相差約1.2%。實驗與數值計算結果的誤差主要是由于不同車型造成制冷劑體積濃度分布情況的差異。

但對于危險性較高的車型，即主要影響制冷劑體積濃度因素差異較大時，如密封較好、凈空間體積比乘員艙空間小、空氣交換率低、制冷劑充注量大，制冷劑體積濃度可能會超過可燃下限。此時應做進一步考察，對于危險車型考慮設定制冷劑充注量限值和優化熱泵空調系統控制制冷劑充注量，或在乘員艙內安裝制冷劑濃度報警器。在保證充注量限值或采取安全預警的情況下，汽車熱泵空調系統使用R1234yf制冷劑是安全的。

3 結論

新能源電動汽車熱泵空調系統制冷劑充注量相比于傳統燃油車顯著增多，使用可燃制冷劑時危險評估具有重大意義。本文對A0級車型使用微燃制冷劑R1234yf時，在100%內循環與低風速下，蒸發器破損泄漏通過送風風道隨送風進入乘員艙后的體積濃度分布情況和安全性進行了數值模擬與分析，得到如下結論：

1)由于重力作用制冷劑泄漏后在空調箱送風通道內底部區域形成了聚集，由通風孔吹出后形成“近二次泄漏”擴散至乘員艙內部。

2)R1234yf完全泄漏后，由于乘員艙前排風速大于后排風速，后排制冷劑較易聚集，后排腳部R1234yf體積濃度比前排略高約0.1%。且后排乘員呼吸點附近縱面制冷劑體積濃度分布較均勻，而前排乘員縱面方向呼吸點附近制冷劑體積濃度高于其他位置。

3)4個出風口最高平均R1234yf體積濃度為1.58%；4位乘客呼吸點最高平均R1234yf體積濃度為0.99%；乘員艙內最高體積濃度不高于2%，低于其可燃濃度下限。

4)在制冷劑體積濃度分布主要影響因素相同的邊界條件下，與杜邦實驗車進行了對比，乘員艙內制冷劑體積濃度分布結果相近，車型不同使最高制冷劑體積濃度差約為1.2%。