新能源車用CO2空調系統泄漏特性仿真研究

宗 碩 殷 翔 黃龍飛 宋昱龍 曹 鋒

(西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

傳統的汽車空調系統大部分以R134a[1]作為制冷劑,R134a因其良好的制冷性能而被廣泛應用于各個領域,但高達1 430的GWP(全球變暖潛值, Global Warming Potential)[2]使其在環保效益方面有所欠缺。隨著各類法律法規的出臺,R134a等傳統制冷劑將逐步淘汰使用。新能源汽車熱管理系統目前仍廣泛使用HFC類強溫室效應氣體(如R134a和R407C)作為制冷劑,而CO2作為自然工質無毒沒有可燃性[3],其ODP(臭氧損耗潛值,ozone depletion potential)為0,GWP為1[4],是目前作為替代傳統制冷劑的理想選擇[5]。CO2熱泵技術在車輛熱管理領域發展前景廣闊,制熱能力明顯優于采用R134a、R407C、R1234yf等制冷劑[6]的方案。對于跨臨界CO2汽車熱泵空調系統,由于制冷劑CO2可能通過HVAC系統泄漏至乘員艙中,導致乘員艙內CO2氣體體積分數過高影響乘員艙舒適性[7],因此研究CO2泄漏后乘員艙駕駛員和乘客呼吸處CO2體積分數是有必要性的。

若CO2體積分數超過人體可接受的閾值,則會產生威脅到人體健康的后果[8],且乘員艙內人體不斷通過呼吸產生補充CO2。根據美國疾病控制和預防中心[9]的數據,人體在體積分數為5% CO2下暴露30 min或在7%～10% CO2體積分數下暴露幾分鐘后將出現頭暈的癥狀。EPA(美國環境保護署,Environmental Protection Agency)將體積分數3%定義為乘客自由空間內平均超過15 min的短期呼吸水平,并將4%定義為乘客呼吸區的上限。因此,在制冷劑泄漏特別是由蒸發器嚴重泄漏引起的情況下,評估汽車乘員艙CO2體積分數對于制定應對措施以確保乘客的安全至關重要,泄漏的開始可能是由于汽車碰撞事件、HVAC系統的故障或長期使用導致的腐蝕。G. D. Mathur等[10]通過實車測量乘客呼吸引起的CO2體積分數變化,乘員艙在3名乘客的呼吸作用下平均CO2體積分數在50 min內能夠達到0.25%,空調在再循環模式下運行。H. Jung[11]開發了一個數學模型,用于預測空調再循環模式下乘員艙中的CO2體積分數變化,作為乘員艙容積、車身泄漏和乘客數量的函數,通過擬合實驗數據確定相關系數。徐廷喜等[12]提出一種基于支持向量數據描述算法的變頻空調系統制冷劑泄漏故障檢測和診斷方法。

S. Yadav等[13]研究了R290和R1234yf兩種潛在替代制冷劑在蒸發器、冷凝器中的泄漏特性,并對其由于泄漏引起的爆炸特性進行了分析。M. E. Koban等[14]采用CFD模型模擬HFO-1234yf在不同空調管路破裂工況下的擴散特性,結果顯示,由于空氣被夾帶到制冷劑射流中,制冷劑的泄漏過程得到快速稀釋。劉全義等[15]基于Fluent軟件模擬了水平和垂直方向不同位置抽氣口作用對建筑物內泄漏丙烷后的混合氣體體積分數場分布的影響規律,結果顯示,制冷劑泄漏后,垂直方向抽氣口位置越低,對于降低房間內丙烷氣體體積分數的效果越好。楊清泉等[16]采用實驗的方法對R32制冷劑在運行過程中發生的泄漏和爆炸的問題進行研究,結果表明,不可燃時間值隨著泄漏速度的增加呈先下降后上升的趨勢。

R. Monforte等[17]使用CFD仿真模擬以評估R1234yf制冷劑泄漏至乘員艙內的風險,該CFD模型通過兩種實驗方法進行了驗證,可在簡化的乘員艙中進行測量和車輛測試。汪琳琳等[18]通過數值模擬對R1234yf制冷劑在蒸發器破損泄漏隨送風進入乘員艙后的體積分數變化過程和最高體積分數進行了動態監測,研究發現汽車后排較前排更易發生制冷劑聚集。袁小勇[19]通過實驗和數值模擬的方法,分析以R32空調系統發生制冷劑泄漏的安全性,得到泄漏速度、窗開啟面積、障礙物與泄漏口的距離等因素對泄漏擴散規律、體積分數分布及房間內安全性的影響。

本文通過CFD仿真軟件STAR-CCM+建模,模擬CO2制冷劑泄漏時乘員艙內乘客面部測點的體積分數動態變化,泄漏的場景參考SAE J 2772泄漏標準的測試場景[20],通過該模擬對兩種CO2制冷劑泄漏速率的場景做相應的預估和分析,進而提出相應的應對方法,CFD 模型能夠準確地仿真乘員艙內氣體CO2體積分數隨時間的變化趨勢。

1 乘員艙CO2氣體泄漏仿真模型建立

1.1 幾何模型和計算模型

圖1所示為乘員艙CO2氣體泄漏仿真的幾何模型,該幾何模型包含HVAC風道、乘客、座椅以及車門縫。HVAC風道模型有一個總入口、回風口和連接到乘員艙內部的出風口,本節的仿真模型只開前排4個吹面的出風口,分別位于中間位置的兩個出風口和兩側的兩個出風口。汽車內部容積為2.8 m3,乘員艙內前后排座椅和5名乘客,在每個乘客的面部上設立一個出口用于考慮人體呼吸作用產生的CO2。車門縫參照實際汽車的車門縫隙尺寸,用于考慮外部環境通過車門縫隙泄漏進入到乘員艙內部的新風。

圖1 CO2泄漏仿真幾何模型及網格示意圖

美國汽車工程學會標準SAE J 2772中選取了腐蝕泄漏和碰撞泄漏兩種工況作為R744制冷劑泄漏典型工況[20]。在腐蝕泄漏工況下,泄漏孔直徑為0.1 mm,對應R744泄漏速率為0.1 g/s;在碰撞泄漏工況下,泄漏孔直徑為6.35 mm,對應R744泄漏速率為50 g/s。因此,本文仿真研究中泄漏孔的直徑設置為6.35 mm和0.1 mm,分別對應高流量(50 g/s)和低流量(0.1 g/s)兩種泄漏速率。CO2泄漏孔的位置位于蒸發器中央位置的上1/3高度處,如圖2所示?？紤]到實際高速泄漏工況存在節流和蒸發等復雜的物性變化過程,較難以三維仿真形式實現。同時HVAC風道的存在有利于均衡客艙內部出風口的CO2體積分數。因此本文對于CFD模型中的泄漏孔進行合理簡化,僅考慮泄漏孔徑尺寸和泄漏質量流量邊界條件。

圖2 CO2泄漏孔位置示意圖

仿真求解中將乘員艙內部的空氣當作不可壓縮流體,湍流模型選擇realizable 模型。CO2制冷劑泄漏過程中不與乘員艙內的空氣發生化學反應,選擇非反應模型。氣體模型選用理想氣體模型,滿足理想氣體狀態方程。CO2制冷劑泄漏過程中溫度恒定,不產生熱量交換,忽略重力的影響。

1.2 邊界條件

CFD模型邊界條件設置為:

1)泄漏孔設置為質量流量進口,流體為CO2,泄漏速率為50 g/s和0.1 g/s,其中50 g/s泄漏持續時間為8 s,0.1 g/s泄漏持續時間為4 000 s,總泄漏量均為400 g。

2)乘員艙內有5名乘客,每名乘客面部設置CO2質量流量進口,速率為20 L/h。

3)空調循環模式為純回風模式,總風量設置為480 m3/h,該模式下CO2泄漏所能達到的體積分數為所有模式下最差的情況,回風口設置為出口。

4)車身的車門縫與周圍環境存在空氣交換,空氣交換率設為2,其含義為單位時間內進入乘員艙空氣量與乘員艙凈車內容積的比率。

CFD模型初始條件設置為:

1)乘員艙內外壓力為環境壓力101 325 Pa,乘員艙內外溫度為298 K。

2)乘員艙內氣體組分為100%空氣。

2 仿真結果與分析

2.1 泄漏過程CO2體積分數分布

高流量泄漏為CO2在泄漏孔處泄漏速率為50 g/s,泄漏圓孔直徑為6.35 mm,泄漏時長為8 s。圖3所示為高流量泄漏過程中面部測點CO2體積分數變化。

圖3 泄漏過程CO2面部測點體積分數變化

泄漏過程中乘員艙內CO2體積分數迅速上升,面部測點體積分數在8 s內達到8%以上,其中駕駛員測點體積分數達到9%以上,大大超過了乘客呼吸安全區的上限值。因此在泄漏過程停止后,需要采取相應的措施降低乘員艙內CO2體積分數。

圖4所示為高流量泄漏過程中4個時間點中間特征截面面部測點CO2體積分數云圖,泄漏過程中制冷劑CO2從前排吹面出風口吹入乘員艙,使得乘員艙內CO2體積分數迅速上升。泄漏的CO2氣體從乘員艙上方空間流動,先到達乘客的頭部再到達面部,因此頭部和面部的CO2體積分數提升較為迅速,在極短時間內達到5%以上,泄漏的CO2氣體循環后流向回風口的方向。

圖4 中間特征截面CO2體積分數云圖

2.2 泄漏過程動態特性

高流量泄漏過程中,乘員艙內CO2體積分數超過了安全值,應對措施最直接的方法是改變汽車空調的送風模式,改為全新風快速降低乘員艙內CO2體積分數,圖5所示為全回風和全新風模式下CO2面部測點體積分數變化。

圖5 全過程CO2面部測點體積分數變化

如圖5(a)所示,在8 s的泄漏時間結束后,如果不改變送風模式,在門縫泄漏進來的新風和人呼吸產生的CO2綜合影響下,隨著時間的推進CO2會逐漸均勻散布在乘員艙內,各面部測點的CO2體積分數逐漸趨于穩定,在100 s內面部測點的體積分數仍在4%以上,超過了呼吸安全區的上限值。因此,不改變送風方式僅依靠門縫新風和CO2均勻化來降低呼吸體積分數是不合理的。如圖5(b)所示,在8 s的泄漏時間結束后改變送風模式變成全新風,在新風的作用下乘員艙內CO2體積分數快速降低,在20 s內面部測點體積分數已降至安全區范圍內,在50 s時已降至1%以下。

低流量泄漏為CO2在泄漏孔處泄漏速率為0.1 g/s,泄漏圓孔直徑為0.1 mm,泄漏時長為4 000 s,總的泄漏量和高流量泄漏一樣均為400 g。圖6所示為低流量泄漏全過程中面部測點CO2體積分數變化,在整個低流量泄漏過程中由于制冷劑CO2泄漏的速率較低,乘員艙內各面部測點CO2體積分數上升的速度較為緩慢,使得汽車乘員艙內CO2氣體體積分數較均勻。由于低流量泄漏下乘員艙內CO2氣體體積分數較均勻,各面部測點CO2體積分數的差值較小。在第4 000 s時泄漏停止,此時乘員艙內各面部測點CO2體積分數均在3%以下,沒有達到CO2氣體體積分數舒適性安全區的上限值。泄漏停止后在門縫漏進乘員艙的新風和人呼吸產生的CO2的綜合影響下,各面部測點CO2體積分數逐漸下降趨于平穩。

圖6 全過程CO2面部測點體積分數變化

不同于高流量泄漏情況,低流量泄漏在整個過程中面部測點CO2體積分數均在舒適性安全范圍之內,不需要空調系統切換送風模式提供額外的新風來降低乘員艙環境內部的CO2體積分數,因此乘員艙在CO2制冷劑低流量泄漏下基本不會對人體呼吸造成安全影響。

3 結論

基于CO2汽車空調系統制冷劑泄漏存在的乘員艙氣體舒適度隱患,本文使用三維仿真軟件STAR-CCM+搭建乘員艙制冷劑泄漏仿真模型,仿真分析兩種不同泄漏速率和泄漏圓孔孔徑下乘員艙乘客面部測點CO2體積分數的動態變化情況,為CO2系統制冷劑泄漏采取相應措施提供參考。得到如下結論:

1) 汽車空調系統在50 g/s的高CO2泄漏速率下需要切換送風模式提供新風來使乘員艙內CO2體積分數達到乘客呼吸安全區,在0.01 g/s的低CO2泄漏速率下,CO2體積分數不會達到乘客呼吸安全區的上限值。

2) CO2制冷劑泄漏速率為50 g/s的情況下,面部測點體積分數在8 s內達到9%以上,在泄漏結束后切換為全新風模式能夠在20 s內使乘客面部CO2體積分數降至安全范圍。

3) CO2制冷劑泄漏速率為0.1 g/s的情況下,在乘客呼吸作用和門縫漏風的共同影響下,泄漏完成時面部CO2體積分數不會超過3%。

由上述結論可知,在完善極端泄漏工況送風模式切換功能的前提下,CO2汽車空調系統可以較好的規避乘員艙舒適度安全隱患。本文研究和分析主要基于仿真方法,限于實驗條件暫無相應整車實驗驗證和校核仿真模型的準確性和可靠性,在未來工作中有必要進行對比實驗驗證。