某汽車空調系統溫度線性研究

陶 英，王 浩，楊懷龍，王大健

（南京協眾汽車空調集團有限公司，江蘇 南京 211100）

1 前言

汽車空調的熱舒適性是整車制冷/供暖的關鍵一環，良好的熱舒適性不僅給乘員艙提供充足的新風，有效調節各出口的溫度、濕度、風速，還有助于汽車的安全行駛。因此汽車制造商與消費人群越來越重視車艙內的出風需求。

傳統的燃油車中，制冷時，新風在空調箱內蒸發器表面進行換熱，蒸發器吸收熱量，降低空調箱內的新風溫度，低溫新風再經空調分風箱輸送到各個風道出口。制熱時，一般情況下，空調箱的暖風換熱器扁管通道與燃油發動機冷卻水系統相連，冷卻水系統給暖風換熱器內部提供穩定的高溫冷卻液，新風在暖風換熱器表面進行換熱，暖風換熱器釋放熱量，加熱空調箱內的新風溫度，高溫新風同樣經空調分風箱輸送到各個風道出口。考慮到乘員艙對送風溫度的需求，在空調箱內設置模式風門與不同開度的溫度風門，送風溫度可分為全冷、全熱、溫度隨風門開度線性變化（溫度線性）、頭冷腳熱（垂直溫差）、單模式各出口溫度均勻（水平溫差）等。

2 空調溫度線性的分析與方案驗證

2.1 溫度線性案例

某款空調箱系統開發時，溫度風門開度從全冷0%到全熱100%，分成10個不等分開度。隨著風門開度0%到100%，溫度風門轉動角度依次減小。各個風門開度對應轉動角度見圖1。

圖1 各個風門開度對應轉動角度

空調箱溫度線性實驗測試，以吹面模式為例。如圖2所示，空調箱各個風道出口的總平均溫度變化可分成3個區間：①溫度風門開度10%～80%，總平均溫度線性平緩上升；②溫度風門開度80%～90%，總平均溫度急劇升高；③溫度風門開度90%～100%，總平均溫度平緩上升。對比整車廠提出的出風溫度線性要求，一般將溫度風門由全冷開到全熱的風道出口溫度設置成溫度線性的下限，將溫度風門由全熱開到全冷的風道出口溫度設置成溫度線性的上限，實測溫度需落在溫度線性的上下限區間內。圖2中實測出風總平均溫度不在溫度線性區間內，空調箱溫度線性不滿足需求。對實測數據初步判斷，不同風門開度空調箱內部冷暖風風量占總風量比例存在問題。若要解決空調箱的溫度線性問題，需同時確保空調箱各模式的進風總風量，保持空調箱內的制冷/供暖性能，也不產生額外的氣動噪聲等。

圖2 實測不同風門開度的平均溫度占比

2.2 溫度線性仿真模型建立及內流場分析

對原空調箱狀態吹面模式進行溫度仿真分析，不同風門開度的暖風風量占比如圖3所示。溫度風門開度10%～90%，空調箱的暖風風量占比呈線性平緩增加；溫度風門開度90%～100%，空調箱的暖風風量占比急劇增加。仿真得到的暖風占比趨勢與前期預測一致。

圖3 不同風門開度的暖風風量占比

如圖4所示，溫度風門開度10%～100%，CFD仿真得到的各個風道出口總平均溫度與實測數據整體吻合較好。CFD仿真時，出風總平均溫度突變點是溫度風門開度90%；在實測中，出風總平均溫度突變點是溫度風門開度80%；仿真與實測總平均溫度急劇升高對應的風門開度存在差異。

圖4 仿真與實測不同風門開度的平均溫度占比

各個風門開度，空調箱內部的流場及溫度場分布如圖5所示。隨著風門開度加大，出口總平均溫度逐漸升高。溫度風門開度10%～90%時，冷風主要從溫度風門與空調箱殼體間形成的冷氣通道流到各個風道出口，通過冷氣通道的冷風過多，導致出風總平均溫度偏低。溫度風門全開，即冷氣通道關閉，總平均溫度急劇升高。溫度風門與殼體間形成的上層冷氣通道尺寸對出口總平均溫度影響較大。

圖5 優化前不同風門開度的空調箱內部的流場及溫度場分布云圖

2.3 溫度線性優化方案

根據原狀態CFD 分析結果，綜合考慮空調箱總出風風量不變，采用如下優化方案，如圖6所示：①空調箱殼體上增加一塊圓弧板（黑圈），圓弧板與原殼體的擋板相切，并沿著C方向加長到17.5mm，加長后的擋板沿B方向拉伸2mm；②殼體上的密封擋板沿A方向加長3mm；③將殼體與溫度風門之間的最小間隙D減小至1.5m。

圖6 溫度線性優化方案

如圖7所示：①隨著溫度風門開度加大，優化方案的暖風風量占比近似呈線性增加；②風門開度10%～50%，優化方案較原方案的暖風風量占比小幅增加；③風門開度60%～90%，優化方案較原方案的暖風風量占比增幅較大。優化后，在各個溫度風門開度，出風總平均溫度滿足溫度線性要求，見圖8。

圖7 優化后的暖風風量占比線性圖

圖8 優化后出風總平均溫度滿足溫度線性要求

圖9為優化后風門開度10%～90%空調箱內部流場和溫度場云圖。溫度風門開度10%～60%時，上層冷氣通道面積比原冷氣通道面積小，但冷通道面積的減小量相對較小，出風總平均溫度小幅提升。溫度風門開度60%～90%時，上層冷氣通道面積也比原冷氣通道面積小，但冷通道面積的減小量相對較大，出風總平均溫度大幅提升。

圖9 優化后風門開度10%～90%空調箱內部流場和溫度場云圖

2.4 溫度線性實驗驗證

2.4.1 實驗測試方法

在實驗臺架上模擬實車狀態安裝空調箱、風道和出風格柵，所有出風格柵皆為完全打開狀態。溫度線性測試時，溫度風門以10%的步長從0%到100%再到0%，記錄各個模式穩定的出風溫度并繪制溫度線性曲線。因文中暫不考慮溫度的遲滯性，此處只展示溫度風門從0%～100%對應的溫度線性數據。

測點位置如下：距離風道出口10mm 處布置2～4個熱電偶測點。

2.4.2 實驗方案驗證

考慮原狀態實驗結果和仿真數據對應的風門開度存在差異，新方案實驗驗證前，在溫度風門軸兩軸端增加薄墊片，減小與空調箱殼體的配合間隙。

采用新方案，實驗與仿真的溫度線性曲線如圖10所示。整個風門開度，實驗與仿真的溫度線性結果吻合較好，實驗總平均溫度值都在溫度線性上下限范圍內，滿足了溫度線性要求。

圖10 實驗與仿真的溫度線性曲線

表1和表2分別為原方案、新方案空調箱的噪聲對比和總出風風量對比，新方案與原方案的風量變化不大，噪聲差異也較小。

表1 新方案、原方案噪聲數據對比

表2 新方案、原方案風量結果對比

3 結論

文中對某空調箱內部流場及溫度場進行CFD仿真分析，監測各溫度風門開度空調箱的暖風風量占比和風道出口面總平均溫度曲線，獲得溫度風門附近殼體關鍵尺寸的優化方案。同時，經減小溫度風門軸與殼體軸孔的軸間間隙后，實驗再一次測試了新方案的溫度線性。仿真與實驗的溫度線性吻合較好，實驗結果也滿足溫度線性要求。新方案對空調箱的總風量及噪聲影響小，對汽車空調的溫度線性改善具有參考意義。