針對改款車型的空調(diào)系統(tǒng)仿真分析方法

邱雪杰，曾 英，薛 鵬，劉丹丹

（長安汽車股份有限公司合肥研究院，安徽 合肥 230000）

近年來隨著汽車行業(yè)競爭態(tài)勢日益激烈，國內(nèi)各大主機(jī)廠對主打車型加快更新速度，爭相推出改款車型，以滿足市場和客戶的需求，進(jìn)而直接影響企業(yè)在汽車市場的競爭力。

目前各主機(jī)廠空調(diào)系統(tǒng)的研發(fā)主要依賴于前期的模擬方針和后期的試驗(yàn)驗(yàn)證，KULI是一款世界知名的熱管理仿真軟件，使用KULI軟件對改款車型的空調(diào)性能仿真分析，可以減少CAE分析和試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)中的人力和物力，縮短整個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)周期，保證產(chǎn)品快速投產(chǎn)，KULI軟件的仿真分析一般分為兩個(gè)部分：基礎(chǔ)款車型建模及標(biāo)定、改款車型建模及性能分析，具體的系統(tǒng)性能流程分析如圖1所示。

圖1 KULI軟件空調(diào)系統(tǒng)性能分析流程

1 基礎(chǔ)款車型建模及標(biāo)定

1.1 蒸發(fā)器、冷凝器參數(shù)收集及標(biāo)定

蒸發(fā)器、冷凝器參數(shù)收集

冷凝器、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同，性能參數(shù)中冷凝器比蒸發(fā)器多了冷凝水部分，且該參數(shù)對計(jì)算結(jié)果影響較大，因此盡可能提高冷凝水的測量精度。另外，除上述參數(shù)還需收集內(nèi)外循環(huán)進(jìn)出口溫度、換熱量等參數(shù)，用于后續(xù)換熱器標(biāo)定。

該部分參數(shù)分為結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能數(shù)據(jù)兩部分，性能參數(shù)推薦測試5組以上數(shù)據(jù)，具體收集參數(shù)解讀如表1、表2所示。

蒸發(fā)器、冷凝器標(biāo)定

在KULI軟件中，蒸發(fā)器及冷凝器模塊自帶標(biāo)定界面“adjustment”，將臺架試驗(yàn)輸入后，在“adjustment parameters”界面選定所需標(biāo)定的參數(shù)類型進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后可通過錯(cuò)誤顯示界面查看標(biāo)定精度，冷凝器參數(shù)的標(biāo)定精度可達(dá)到±2%，蒸發(fā)器因受到冷凝水的影響，標(biāo)定精度一般比冷凝器稍差。圖2是蒸發(fā)器在KULI軟件中的標(biāo)定精度界面。

圖2 蒸發(fā)器標(biāo)定精度界面

表1冷凝器、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2冷凝器、蒸發(fā)器性能參數(shù)

單體模型標(biāo)定后，建立蒸發(fā)器及冷凝器的臺架試驗(yàn)?zāi)Ｐ停糜谀Ｐ途闰?yàn)證及進(jìn)一步參數(shù)標(biāo)定，圖3為建立的某車型蒸發(fā)器臺架試驗(yàn)?zāi)Ｐ停斎氲墓r參數(shù)見表3。

圖3 蒸發(fā)器標(biāo)定模型

表3 蒸發(fā)器標(biāo)定工況

1.2 膨脹閥參數(shù)收集

以最常用的四象限膨脹閥為例，收集參數(shù)要求如下。

1）充注特性數(shù)據(jù)：即不同蒸發(fā)器出口溫度對應(yīng)的蒸發(fā)器出口壓力。

2）升程-壓力數(shù)據(jù)：不同的蒸發(fā)器出口溫度下，閥門升程對應(yīng)的蒸發(fā)器出口壓力數(shù)據(jù)，推薦4組及以上不同蒸發(fā)器出口溫度（例如0℃、10℃、20℃、30℃）。

3）升程-流量數(shù)據(jù)：不同的膨脹閥進(jìn)口壓力下，閥門升程對應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，推薦4組及以上不同膨脹閥進(jìn)口壓力（例如1.1MPa、1.5MPa、1.7MPa、2MPa）。

4）溫度-流量數(shù)據(jù)：不同的膨脹閥進(jìn)口壓力下，蒸發(fā)器出口溫度對應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，推薦4組及以上不同膨脹閥進(jìn)口壓力（例如1.1MPa、1.5MPa、1.7MPa、2MPa）。

1.3 壓縮機(jī)參數(shù)收集

以定排量壓縮機(jī)為例，需要收集不同增壓比下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的容積效率、等熵效率和機(jī)械效率，同一增壓比最少獲取4組及以上壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)，另外還需收集壓縮機(jī)排量數(shù)據(jù)。

1.4 管路參數(shù)收集

空調(diào)管路分為金屬管及橡膠軟管，建模過程中膠管可不考慮換熱影響，收集結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建簡單模型。金屬管考慮到與周圍環(huán)境的換熱，需收集基礎(chǔ)款車型空調(diào)管所處的熱場溫度和風(fēng)速，如表4所示。

表4 管路收集參數(shù)

1.5 乘員艙參數(shù)收集及標(biāo)定

乘員艙參數(shù)

乘員艙分為簡單乘員艙和復(fù)雜乘員艙。復(fù)雜乘員艙收集參數(shù)過多，標(biāo)定步驟復(fù)雜，如基礎(chǔ)款乘員艙參數(shù)不全，很難快速收集，不適于快速仿真分析。簡單乘員艙模型可以模擬平均出口溫度及乘員艙平均溫度，只需收集乘員艙容積、表面積、前擋玻璃面積及角度即可。

乘員艙標(biāo)定

在簡單乘員艙模型中，以標(biāo)定艙內(nèi)平均溫度為例，乘員艙入口溫度為風(fēng)口平均溫度，因此收集基礎(chǔ)款平均風(fēng)口溫度試驗(yàn)值，光照、風(fēng)量、濕度及試驗(yàn)時(shí)間等參數(shù)與試驗(yàn)工況保持一致，利用瞬態(tài)工況模型，通過調(diào)整質(zhì)量塊常數(shù)和換熱系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定乘員艙，標(biāo)定模型如圖4所示，標(biāo)定后艙內(nèi)平均溫度標(biāo)定曲線應(yīng)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線相符。圖5為某車型乘員艙模型艙內(nèi)平均溫度標(biāo)定結(jié)果）。

圖4 簡單乘員艙標(biāo)定模型

圖5 某車型乘員艙內(nèi)平均溫度標(biāo)定曲線

1.6 基礎(chǔ)款空調(diào)系統(tǒng)建模及參數(shù)耦合標(biāo)定

整車空調(diào)系統(tǒng)模型包括內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)。建模時(shí)除物理模型外，還需包括熱量損失模型（主要是管路與周圍環(huán)境的熱交換損失、HVAC總成的風(fēng)道熱損失），建模工況參數(shù)如表5所示。

表5穩(wěn)態(tài)工況建模參數(shù)

其中蒸發(fā)器、冷凝器風(fēng)量可輸入實(shí)測及CAE分析數(shù)據(jù)（蒸發(fā)器風(fēng)量也可由HVAC臺架實(shí)測數(shù)據(jù)代替）。

風(fēng)道熱損系數(shù)可以通過風(fēng)道模型單獨(dú)標(biāo)定（如下述改款車型中的風(fēng)道模型標(biāo)定），也可在系統(tǒng)模型中直接利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過調(diào)整熱損失系數(shù)進(jìn)行參數(shù)耦合，通過試算的方式確定耦合后的計(jì)算結(jié)果與基本型試驗(yàn)結(jié)果相符或誤差很小為止。某車型的空調(diào)系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 某車型穩(wěn)態(tài)工況模型

2 改款車型建模及性能分析

2.1 參數(shù)收集及標(biāo)定

改款車型的空調(diào)各零部件參數(shù)收集及標(biāo)定按照上述基礎(chǔ)款的方法進(jìn)行。

2.2 風(fēng)道模型標(biāo)定

如改款車型中HVAC風(fēng)道變化較大，需要收集相關(guān)臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用KULI參數(shù)優(yōu)化功能進(jìn)行改款車型的風(fēng)道模型熱損標(biāo)定，某車型HVAC風(fēng)道標(biāo)定模型如圖7所示。

圖7 某車型HVAC風(fēng)道標(biāo)定模型

2.3 改款車型建模及性能分析

在基礎(chǔ)款模型的基礎(chǔ)上，更換需要變更的零部件模型參數(shù)及標(biāo)定后的風(fēng)道熱損系數(shù)，模型運(yùn)算結(jié)果即為改款車型的性能仿真分析結(jié)果，在某款車型上，進(jìn)行的仿真結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)對比，部分?jǐn)?shù)據(jù)(由于涉密問題，只展示部分?jǐn)?shù)據(jù))如圖8所示，其穩(wěn)定后仿真的結(jié)果精度達(dá)到＜1℃。

圖8 仿真結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)論

通過建模可以發(fā)現(xiàn)模型的仿真精度主要取決于：各個(gè)模型輸入?yún)?shù)的精準(zhǔn)度、模型臺架試驗(yàn)測量點(diǎn)數(shù)量（如膨脹閥各象限測試點(diǎn)數(shù)量、壓縮機(jī)同一增加比下的測試點(diǎn)數(shù)量）、換熱器和乘員艙模型標(biāo)定精度、風(fēng)道熱損系數(shù)標(biāo)定精度。因此建模前需要先檢查模型的參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有異常，然后在參數(shù)標(biāo)定過程中需要多次擬合，直至精度不能再提升為止。

KULI空調(diào)系統(tǒng)的仿真分析對于在改款車型的結(jié)果分析和方案驗(yàn)證上，有著明顯的優(yōu)勢，比如增加或減小冷凝器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器的性能，更改膨脹閥的參數(shù)，更換空調(diào)管路設(shè)計(jì)等，其對空調(diào)系統(tǒng)的影響可以直接通過KULI仿真模型中進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算出的結(jié)果完全可以作為方案分析的依據(jù)，使用KULI仿真模型計(jì)算方法，可以快速評估方案的效果，減少CAE分析和試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)中的人力和物力，縮短的整個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)周期。