整車除霜除霧影響因素研究

趙軍，張海燕，潘華

(蕪湖博耐爾汽車電器系統有限公司，安徽蕪湖241000)

由于受汽車內部空間限制、模具、獨特性等要求，空氣處理系統的許多組件必須具有獨特性，特別是整車除霜/除霧系統，并且與整車的其他多個部件都有耦合關系。整車除霜除霧功能是安全考核項目，對整車的駕駛安全性能至關重要，設計中需要考慮的因素更多、更復雜，筆者將對此作詳細介紹。

1 除霜/除霧原理

如圖1所示，整車除霜除霧系統一般是利用發動機的熱水，通過空調系統的暖風水箱，把空氣加熱成高溫的干空氣，然后從空調除霜風口送出，通過整車的除霜風道和出風口，吹到擋風玻璃和側玻璃后視鏡區域。通過熱空氣將玻璃加熱，融化掉霜層或利用干空氣將霧驅散掉。

2 除霜/除霧的影響因素

要想達到良好的除霜/除霧效果，整個除霜/除霧系統的組成零部件和相關影響因素都必須設計良好，運行正常。下面，分別從冷卻系統和空氣系統兩方面來分析一下對除霜除霧有影響的因素。

2.1 整車冷卻系統對除霜除霧的影響因素

2.1.1 發動機水溫的影響

除霜除霧所需的熱風熱量是來源于發動機熱水的，因此熱水的水溫、流量發生變化時，暖風水箱的換熱量就會變化，影響除霜出風溫度。目前這個地方存在一個很難解決的問題，就是隨著發動機技術的提高，其效率不斷提高，導致余熱下降，發動機水溫上升慢，水溫低。特別是柴油發動機，這個問題更加明顯，導致除霜效果差。

現在低檔車一般是通過調整發動機ECU的控制，增加低溫時的供油量，以此迅速將水溫升高。但隨著排放指標和節能環保的要求，這個方法已經不適用于將來的新車型了。

比較高檔的汽車，一般可以增加燃油輔助加熱，蓄熱裝置或電加熱方式，以此來彌補發動機熱量不足和升溫過慢的問題。另外還有通過加熱玻璃洗滌液的方式，直接用熱的洗滌液來融化掉玻璃表面的霜層，迅速除霜。

2.1.2 暖風水箱水流量的影響

冷卻系統常見影響除霜除霧的因素是暖風水箱的水流量問題，根據筆者的經驗，正常的車在進行低溫除霜試驗時，其暖風水箱的進出水溫差在7～10℃左右。一但水溫差異過大，則說明通過暖風水箱的熱水流量低，產生這個問題的原因一般有如下幾種:

(1)節溫器泄漏或失效;

(2)水泵有效揚程不足;

(3)發動機水套內部泄漏;

(4)小循環水路流阻過大、堵塞;

(5)發動機防凍液不足，水位過低;

(6)水路設計不好，分流不均。

另外水路排氣不好，暖風水箱中存在空氣也會影響采暖效果。

這些問題一般比較容易發現，處理方法也比較成熟，在此就不繼續討論了，下面，著重分析一下除霜除霧裝置空氣系統的一些影響因素。

2.2 整車空氣系統對除霜除霧的影響

除霜/除霧狀態時，空調是調整到全暖外循環模式，風量的要求是不一樣的，一般要求鼓風機高速運行時能保證除霜要求，而在低速運行時能滿足除霧需求。常規轎車的推薦值為:鼓風機高速擋，除霜模式下，出風口的出風量≥300 m3/h，出風風速為5 m/s左右;除霧模式下，出風口的出風量≥17 m3/h即可。

這個要求對于目前的汽車空調HVAC總成來說很容易做到，現在的鼓風機的風量在滿足噪音要求的情況下，基本都可以達到0 Pa背壓時，500 m3/h以上風量。

而兩器也大量采用高效的層疊式或平行流式換熱器，厚度薄，風阻小，全暖時的風阻總和在200 Pa左右也基本都能達到，所以除霜風量對于HVAC來說是可以滿足的，在此就不論述了。

2.2.1 除霜風道對除霜/除霧的影響

首先簡單介紹一下整車的除霜風道系統，如圖2所示。

從圖2可以看出，除霜風道主要可以分成3部分:

1——中央除霜風道:將風導到前擋風玻璃除霜出風口;

2 /3——左/右側除霜風道:將風導到左/右側玻璃除霜出風口。

由于車廂內空間有限，而且風道在儀表臺下方布置，要考慮避讓其他零部件和滿足安裝需求，基本上風道就是哪里有空間就從哪里走，所以風道經常設計得外型彎曲，粗細不均。這樣就導致風道的風阻增大，氣流分配不均等問題，會使除霜出風量減少，出風不均勻，特別是側除霜風量小，后視鏡區域難以除掉霜層或霧氣。

筆者曾經遇到過這樣一個案例，某車廠設計的一款轎車，由于HVAC布置得稍微偏副駕側，所以中央除霜風道設計時，導流片將大部分氣流導向主駕側，經CFD模擬計算，發現副駕側除霜效果很差，如圖3、4所示。

為了解決此問題，對此車的中央除霜風道進行了優化整改工作，大致過程如下:

在原風道導流片角度的基礎上，根據CFD計算的結果，依次調整各個導流片的角度，并導入CFD進行計算驗證，最終從很多種優化方案中得到一個效果比較理想的方案，其CFD模擬結果如圖6所示。

由圖6可以看出，此車的前擋風玻璃主要除霜/除霧區域速度分布已大于0.6 m/s，有利于除霜效果的提高。并且在設計車輛的環模試驗中，此車的除霜/除霧效果也可以順利通過試驗要求。

2.2.2 除霜出風口對除霜/除霧效果的影響

另外一個對除霜/除霧有重要影響的因素——出風口布置和結構，也是我們業內比較難處理的一個問題。主要是出風口布置是由整車內飾儀表臺的造型決定，其大小和形狀要符合造型的整體需求。但它又對氣流的風速、風量和風向起到很大的影響作用，所以必須要注意幾個原則性的設計要求，否則就會產生不好的影響。

下面介紹筆者搜集的一些汽車廠和設計公司的設計經驗，希望可以給相關設計人員一些參考，避免初期設計不當，給后期帶來整改麻煩。

2.2.2.1 出風口位置

除霜風道出口與擋風玻璃在水平方向平行，出風口中心距前擋玻璃跟部 (擋風玻璃和儀表盤交點)的水平距離推薦值如圖7和表1所示。

表1 除霜出風口位置與玻璃角度關系

2.2.2.2 出風口形狀

出風口形狀常見的主要有如圖8所示幾種形式。

圖8和圖9中的出風口形式進行組合，可以有多種不同的具體效果形式。具體形式的確定主要依賴于整車儀表臺下零部件的布置需要及儀表臺外觀設計要求而綜合確定的。

2.2.2.3 出風口大小

除霜/除霧出風口開口大小需要依據一定設計原則:開口過大，氣流速度過小，氣流發散，部分氣流將直接貼附儀表臺流向車廂內;開口過小，氣流速度過大，導致明顯的氣流噪音，影響整車舒適性。除霜出風口大小可以通過除霜出風量及出風速度計算得到。

出風口設計中需要注意以下問題:

(1)出風口最小面積為90～116 cm2，縱向最短距離為1.8 cm;

(2)兩個格柵或支撐肋片之間的間距不得大于17.5 mm，以使硬幣不會落入風道 (國外設計要求，國內設計僅作參考);

(3)格柵的作用不在于對除霜氣流導流作用，它主要用于避免異物從除霜風道出風口掉入風道內，且格柵不能限制氣流的流動，同時格柵的設計還要盡可能減小對氣流的紊亂度;

(4)格柵葉片的最厚部分的厚度不得大于2 mm，葉片底部 (面向氣流的面)的半徑不得超過0.5 mm，格柵葉片的厚度從底部向上遞增;

(5)儀表盤上的開口面積要略大于除霜出風口的面積，且上邊緣需要作倒角處理，以防止除霜出風口氣流的方向受其影響而發生改變。

2.2.2.4 除霜風口氣流方向

除霜氣流的方向，對于整車除霜/除霧性能的影響是非常關鍵的。設計中必須保證從除霜/除霧風道內吹出來的熱氣流是吹向擋風玻璃的要求除霜/除霧區域，而不是吹向其他地方。設計中應考慮如下幾點:

(1)除霜風道的出風不能直接吹入司機或乘客的眼睛;

(2)除霜風道的設計應保證除霜氣流緊貼擋風玻璃內表面流動;

(3)為了避免擋風玻璃因氣流沖擊力的作用而破碎，從出風在玻璃上的噴射點到擋風玻璃底部的最短距離為18 cm;

(4)保證有足夠的除霜氣流吹向擋風玻璃上雨刮器下部的區域，以避免該區域堆積過多的霜層;

(5)除霜/除霧風道出風口氣流方向與擋風玻璃的夾角一般取值范圍為30～60°。在MVSS 103規范的氣流方向如圖10所示，氣流吹向擋風玻璃“C”區的底部。依據設計經驗，推薦除霜/除霧風道出風口氣流初始設計方向取30°～35°，后期可以通過CFD分析進行進一步的優化與調整。

2.2.2.5 側除霜/除霧風口布置

除霜模式時，除霜/除霧風道的左/右端應引導熱氣流吹向側窗玻璃。除霜/霧出風口的最佳位置是位于A柱區域或儀表臺的外側邊緣，如圖11所示;不宜將除霜/霧出口布置在側窗玻璃以下的門飾內，因為這樣不能使氣流完全覆蓋整個側窗玻璃。

另外，如果側除霜/除霧出風口布置在儀表臺上，則應盡可能地布置在儀表臺的邊緣，以減小熱氣流的流通路徑。

3 結論

(1)筆者通過常年對整車除霜/除霧系統的問題研究，總結了一些常見的問題現象和產生原因，對指導設計和處理問題可以起到一定的幫助作用。

(2)影響除霜/除霧的因素中，風道和出風口設計問題是比較重要而且難以處理的，一定要在設計初期充分利用CFD模擬計算進行驗證，避免后期整改帶來的麻煩。

(3)從目前的整車技術水平發展來看，傳統的發動機余熱采暖除霜除霧設計存在弊端，新的除霜除霧安全裝置存在很大的需求空間。