商用車除霜性能提升方法研究

張 超， 王宜海， 張鐵凱

（1.安徽江淮汽車股份有限公司， 安徽 合肥 230601；2.南通友星線束有限公司， 江蘇 南通 226009）

汽車前風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)性能是涉及汽車安全的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)， 直接關(guān)系到駕駛員的視野，改善汽車除霜系統(tǒng)性能非常重要。 國(guó)標(biāo)和ECE除霜標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)M1類車型， 對(duì)商用車無(wú)相關(guān)要求， 因此受到關(guān)注不大。 目前國(guó)內(nèi)外商用車使用的除霜系統(tǒng)大都是水暖制熱式系統(tǒng)， 由于柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫低， 除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)難度大， 商用車的除霜性能普遍較差。 汽車前風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能由玻璃表面熱量分布決定， 有2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)： 前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速分布和出風(fēng)溫度， 如何提升這2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是提升除霜性能的決定因素。 本文將從改進(jìn)前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速分布和提升出風(fēng)溫度這兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

為了確保能達(dá)到法規(guī)要求的除霜性能 （商用車參考GB 11555—2009 《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》 中M1類指標(biāo)）， 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值， 前風(fēng)窗玻璃表面B區(qū)絕大部分點(diǎn)的風(fēng)速需達(dá)到1 m/s以上； 15 min后出風(fēng)溫度需要到60 ℃以上， 散熱器節(jié)溫器開啟在9 min以內(nèi) （即發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升到80 ℃左右）。 若2個(gè)條件中有一個(gè)未達(dá)到要求， 則除霜性能難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 改進(jìn)前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速分布

前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速分布主要取決于2個(gè)因素：鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小和除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)。 其中， 風(fēng)道設(shè)計(jì)是最大難點(diǎn)。

除霜風(fēng)道的設(shè)計(jì)參數(shù)有出風(fēng)口數(shù)量、 出風(fēng)口位置、 出風(fēng)方向、 出風(fēng)口截面積和幾何形狀等， 其中最重要的參數(shù)是出風(fēng)方向和出風(fēng)口位置， 優(yōu)化這2個(gè)參數(shù)可以確保從除霜風(fēng)道出來(lái)的氣流沿著前風(fēng)窗玻璃流動(dòng)， 并盡可能避免從前風(fēng)窗玻璃上分離出來(lái)，因?yàn)檠h(huán)流動(dòng)會(huì)引起能量損失。 由于儀表板造型需要和空間位置限定， 除霜風(fēng)道的形狀都比較特殊，要經(jīng)過(guò)反復(fù)的模型修改和CFD分析才能達(dá)到要求。

下面以HFC6591KH型輕型客車為例， 說(shuō)明如何修改風(fēng)道來(lái)提升前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速分布， 進(jìn)而提升除霜性能。

1.1 整改前除霜性能

表1為該車整改前、 后實(shí)際除霜比例。 整改前，除霜效果很差， 與設(shè)定的目標(biāo)差距很大。

分析該車實(shí)際除霜效果圖 （圖1） 可知： 各階段除霜蹤跡圖相差甚小， 燃燒點(diǎn)偏下， 前風(fēng)窗玻璃上部和兩側(cè)霜都未除去。 判斷風(fēng)速分布不理想。

試驗(yàn)條件及方法按GB11555—2009 《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》： 環(huán)境溫度-18℃， 放置超過(guò)10h， 在前風(fēng)窗玻璃上噴0.044 g/cm2的水， 結(jié)冰后30 min后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)， 掛空檔， 最大轉(zhuǎn)速的50%， 空調(diào)設(shè)定到除霜模式， 試驗(yàn)開始， 每隔5min在車窗內(nèi)表面上描繪一次除霜面積的蹤跡圖。

表1 HFC6591KH型輕型客車整改前、 后實(shí)際除霜比例對(duì)比

目標(biāo)設(shè)定： 試驗(yàn)開始后20 min時(shí)， 至少應(yīng)將A區(qū)的80%面積的霜除凈； 試驗(yàn)開始后25 min時(shí)， 至少應(yīng)將A′區(qū)的80%面積的霜除凈； 試驗(yàn)開始后40 min時(shí)， 至少應(yīng)將B區(qū)的95%面積的霜除凈。

1.2 前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速測(cè)量及分析

按前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速測(cè)試方法 （圖2）， 對(duì)該車前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)比實(shí)測(cè)前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速 （圖3） 和實(shí)際除霜效果圖 （參見圖1）， 除霜趨勢(shì)基本一致： 燃燒點(diǎn)在B區(qū)下方之下， 前風(fēng)窗玻璃兩側(cè)和上部風(fēng)速過(guò)小， B區(qū)較多區(qū)域風(fēng)速小于1m/s。 因此， 風(fēng)速分布不合理是導(dǎo)致該車除霜效果差的一個(gè)主要原因。

1.3 除霜風(fēng)道分析及改進(jìn)

測(cè)量風(fēng)道本體及邊界模型 （圖4）， 分析風(fēng)道本體及邊界參數(shù) （表2） 如下： ①與玻璃長(zhǎng)度A相比，風(fēng)道長(zhǎng)度B過(guò)短， 左右盲區(qū)長(zhǎng)度C過(guò)長(zhǎng)， 導(dǎo)致前風(fēng)窗玻璃兩側(cè)無(wú)風(fēng)； ②風(fēng)道出風(fēng)方向與玻璃夾角F較大，風(fēng)道口邊緣與前風(fēng)窗邊緣X方向距離D距離過(guò)小，導(dǎo)致燃燒點(diǎn)未達(dá)到A、 A′、 B區(qū)； ③風(fēng)道出風(fēng)口寬度E過(guò)大， 導(dǎo)致出風(fēng)截面積大， 風(fēng)速小； ④風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)風(fēng)隔片設(shè)計(jì)不合理， 導(dǎo)致風(fēng)速左右分布不合理。

表2 HFC6591KH型輕型客車風(fēng)道本體及邊界參數(shù)

由于儀表板安裝結(jié)構(gòu)限制和造型約束， A、 B、C 3個(gè)參數(shù)不能修改 （即第①點(diǎn)）， 對(duì)D、 E、 F和風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)風(fēng)隔片進(jìn)行修改 （即②、 ③、 ④點(diǎn)）。

經(jīng)過(guò)8輪數(shù)模修改和CFD分析， 找到最優(yōu)修改方案： D、 E、 F修改后數(shù)值如表2所示， 風(fēng)道內(nèi)部隔片修改前后如圖5所示， CFD分析前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速分布如圖6所示。

由CFD分析結(jié)果可以看出， 玻璃表面風(fēng)速改善顯著， 燃燒點(diǎn)提高到A、 B區(qū)之間， 大于1m/s的區(qū)域覆蓋了大部分的B區(qū) （圖7）， 但由于A、 B、 C的數(shù)值未修改， 導(dǎo)致兩側(cè)風(fēng)速過(guò)小。

1.4 整改后驗(yàn)證

按最優(yōu)方案制作除霜風(fēng)道樣件， 裝車后實(shí)際測(cè)量前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速如圖8所示。 與CFD分析結(jié)果基本吻合， 燃燒點(diǎn)抬高， B區(qū)風(fēng)速大于1 m/s區(qū)域大于90%， 風(fēng)道整改效果較為理想。

裝有整改件的樣車經(jīng)除霜試驗(yàn)驗(yàn)證， 實(shí)際除霜比例如表1所示。 40 min時(shí)B區(qū)除霜面積提升顯著，分析實(shí)際除霜效果圖 （圖9）， 與實(shí)測(cè)風(fēng)速分布高度吻合。 由此證明， 改進(jìn)風(fēng)速分布對(duì)提升除霜性能有著至關(guān)重要的作用。

整改后除霜性能雖顯著提升， 但仍達(dá)不到設(shè)定的目標(biāo)， 特別是20 min時(shí)A區(qū)除霜比例和25 min時(shí)A′區(qū)除霜比例， 相差較遠(yuǎn)。 這主要是因發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升較慢導(dǎo)致出風(fēng)口溫度偏低所致 （表3）， 也就是下面我們將要探討的決定除霜性能的另外一個(gè)重要因素。

表3 HFC6591KH型輕型客車除霜系統(tǒng)出風(fēng)溫度相關(guān)參數(shù)

2 提升出風(fēng)溫度

對(duì)于水暖制熱式汽車空調(diào)系統(tǒng)， 出風(fēng)溫度與3個(gè)因素有關(guān)： 加熱器換熱能力、 加熱器進(jìn)水溫度、加熱器進(jìn)水流量。 商用車大都使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)， 水溫較低， 因此如何提升發(fā)動(dòng)機(jī)水溫是提高商用車除霜性能的關(guān)鍵之處。

下面以HFC1055L1KT型輕型載貨汽車為例， 說(shuō)明如何提高加熱器進(jìn)水溫度以提升出風(fēng)溫度， 進(jìn)而提升除霜性能。

2.1 整改前除霜性能

表4是該輕型載貨汽車整改前、 后的實(shí)際除霜比例。 整改前， 20 min時(shí)A區(qū)除霜比例和25 min時(shí)A′區(qū)除霜比例， 與設(shè)定的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)； 40 min時(shí)B區(qū)除霜比例能夠達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)。

表4 HFC1055L1KT型輕型載貨汽車整改前、 后實(shí)際除霜比例對(duì)比

分析該車實(shí)際除霜效果圖 （圖10） 可知： 15 min后， 各階段除霜蹤跡圖相差較大； 40 min時(shí)B區(qū)絕大部分區(qū)域除霜干凈。 判斷風(fēng)道設(shè)計(jì)沒有問(wèn)題， 主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升較慢， 當(dāng)水溫較低時(shí)， 除霜效果很差， 水溫升高后， 除霜性能提升。

2.2 風(fēng)速測(cè)量及分析

實(shí)際測(cè)量前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速如圖11所示。 B區(qū)風(fēng)速大于1m/s區(qū)域超過(guò)90%， 接近于目標(biāo)值， 能夠滿足要求， 證明風(fēng)道設(shè)計(jì)沒有問(wèn)題。

2.3 出風(fēng)溫度相關(guān)參數(shù)分析

對(duì)該車出風(fēng)溫度相關(guān)參數(shù) （表5） 進(jìn)行分析，加熱器換熱量、 鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量、 發(fā)動(dòng)機(jī)水流量都能夠滿足要求， 但發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升過(guò)于緩慢， 25 min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出風(fēng)溫度只有31.4 ℃， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到15 min后出風(fēng)溫度需要到60 ℃以上、 9 min后發(fā)動(dòng)機(jī)水溫80 ℃左右的要求， 證明前文判斷正確， 提高加熱器水溫是提升出風(fēng)溫度的關(guān)鍵之處。

表5 HFC1055L1KT型輕型載貨汽車出風(fēng)溫度相關(guān)參數(shù)（整改前）

2.4 出風(fēng)溫度提升

目前， 提升汽車加熱器進(jìn)水溫度主要有2種方式： 增加水路電加熱裝置和增加汽車液體加熱器裝置。 在寒冷地區(qū)， 增加汽車液體加熱器方式是目前使用最普遍和成熟的一種方法。

汽車液體加熱器是以燃油為燃料， 以液體為導(dǎo)熱介質(zhì)， 為車廂內(nèi)空氣升溫、 風(fēng)擋玻璃除霜和發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱提供熱源的裝置。 車輛在寒冷尤其高寒地區(qū)使用時(shí)， 會(huì)遇到低溫起動(dòng)困難， 駕駛艙采暖、 除霜效果差的問(wèn)題， 而匹配安裝液體加熱器是解決這些問(wèn)題比較可行的方法之一。 在汽車領(lǐng)域， 液體加熱器被廣泛應(yīng)用于客車采暖， 隨著人們對(duì)汽車舒適性要求的提高，在載貨汽車上應(yīng)用液體加熱器的需求也越來(lái)越多。

經(jīng)理論計(jì)算， 為該車選擇了某型號(hào)液體加熱器（功率8.1 kW）， 即使在寒帶地區(qū)， 也可將發(fā)動(dòng)機(jī)水溫穩(wěn)定維持在65～85 ℃。

2.5 整改后驗(yàn)證

為該輕型載貨汽車加裝了選定的液體加熱器，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證， 整改后除霜效果大幅提升， 完全達(dá)到設(shè)定的目標(biāo) （參見表4）。

對(duì)照整改后實(shí)際除霜效果圖 （圖12） 和整改前、 后出風(fēng)溫度相關(guān)數(shù)據(jù) （表6）， 出風(fēng)溫度和加熱器進(jìn)水溫度提升顯著， 這是能夠迅速除霜 （30min霜已全部除盡） 的根本原因。

表6 HFC1055L1KT型輕型載貨汽車整改前、 后出風(fēng)溫度對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速分布和出風(fēng)溫度這兩個(gè)影響汽車除霜性能的關(guān)鍵因素， 識(shí)別關(guān)鍵過(guò)程， 證明通過(guò)改進(jìn)除霜風(fēng)道和提高發(fā)動(dòng)機(jī)水溫能夠大幅提升商用車的除霜性能。

在本次設(shè)計(jì)中， 優(yōu)化設(shè)計(jì)借助了應(yīng)用軟件CFD， 使用了前風(fēng)窗玻璃表面風(fēng)速測(cè)量分析方法，在理論上對(duì)整車除霜性能有了初步判斷， 可避免因未進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)而無(wú)法確認(rèn)除霜效果導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更， 能夠節(jié)約大量的時(shí)間和成本。

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