從鼓風機電流反推系統(tǒng)風量阻力特性曲線

崔學平

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 昌平 102206）

從鼓風機電流反推系統(tǒng)風量阻力特性曲線

崔學平

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 昌平 102206）

從整車鼓風機電流表現(xiàn)，利用臺架標定得到空調(diào)系統(tǒng)風量和流道阻力的關系，進而得到整車空調(diào)系統(tǒng)鼓風機工作點，為系統(tǒng)的優(yōu)化和改進提供幫助和借鑒。

鼓風機曲線；電流；風量阻力特性；氣流

如何管理好汽車室內(nèi)氣流關系到空調(diào)系統(tǒng)的性能和乘客的舒適性，我們希望整個車室內(nèi)空氣流經(jīng)的通道有最小的阻力和最優(yōu)的風阻系數(shù)，合理的氣流規(guī)劃能提高整個車室內(nèi)空氣流量和降低能耗。在空調(diào)系統(tǒng)外循環(huán)工作時，可以近似認為空氣流經(jīng)如下的串聯(lián)管段：室外新風→新風進風格柵和鈑金通風道→空調(diào)箱→儀表板風道和格柵→車室內(nèi)部→車身泄壓閥，然后流出車室外部。典型的整車空調(diào)系統(tǒng)流量-阻力特性曲線如圖1所示。

目前，車用空調(diào)系統(tǒng)的制冷是通過壓縮機、膨脹閥、蒸發(fā)器以及連接管路組成的制冷循環(huán)提供冷量的，而制熱（對于傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機車輛）通常采用發(fā)動機的余熱（或輔助電加熱）提供的熱量進行采暖。

吹面全冷模式下，空氣流經(jīng)蒸發(fā)器降溫后直接流出空調(diào)箱體，然后經(jīng)由吹面風道、出風格柵到達車室內(nèi)部；而全熱吹腳或除霜模式下空氣流過蒸發(fā)器后全部通過暖風芯體加熱，然后流出空調(diào)箱體，經(jīng)由吹腳或除霜出風格柵到達車室內(nèi)部。這導致了全熱模式下的氣流阻力大于全冷模式下的氣流阻力，對于中間狀態(tài)，氣流阻力則介于全冷和全熱之間。

同樣的鼓風機檔位，由于氣流通道阻力的不同而使風量不同。在同一坐標繪出不同模式下空調(diào)系統(tǒng)氣流通道的風量—阻力特性曲線，然后將鼓風機的性能曲線插入，兩條曲線的交點就是空調(diào)系統(tǒng)在不同模式下的工作點，從該交點可以得到系統(tǒng)在正常工作時可能達到的風量和系統(tǒng)阻力。

由圖1可以看到從吹面到除霜、吹腳模式，其曲線的斜率是增大的，即氣流通道的阻力是依次增加的，其風量隨著阻力的增加而減小。與之對應，這3種模式下鼓風機的工作電流也是有差異的?？照{(diào)系統(tǒng)的阻力特性曲線則是通過鼓風機在不同模式不同阻力情況下表現(xiàn)的電流差異來反向得到的。

1 整車氣流通道與阻力

流體力學關系式為

式中：ΔP——管段阻力或壓力損失，Pa；R——管路阻抗，Pa·s2／l2或Pa·min2／kg2；V——空氣的體積流量，m3／h或l／s。

由上式可以得到管段阻力和阻抗以及系統(tǒng)流量的關系，阻抗為管段的固有特性，因此阻力與流量的平方成正比關系。

為了分析方便，取ΔPAirinlet、ΔPHVAC、ΔPDuct、ΔPVehicle表示新風進風格柵和鈑金通風道阻力、空調(diào)箱阻力、儀表板風道和格柵阻力、車室內(nèi)部和車身泄壓閥阻力。

通常情況下，在空調(diào)箱開發(fā)階段，會對空調(diào)箱的風量阻力特性ΔPHVAC做出定義，一般取空調(diào)箱可能達到的最大風量對應的壓力降作為限值。通常在20～25℃，50%～70%RH工況下，吹面全冷模式450 CMH流量下阻力不超過400Pa，全熱吹腳模式330 CMH流量下不超過650Pa，全熱除霜模式330CMH流量下不超過600Pa。通過對箱體在不同風量下的對應風阻進行測試，會得到整個空調(diào)箱體的風量阻力特性曲線。

可以認為空調(diào)箱是鼓風機單體耦合在空調(diào)箱殼體形成的一個小系統(tǒng)，也就是鼓風機與空調(diào)箱殼體組成的風道對應不同的風量會產(chǎn)生不同的工作點；加裝新風進風段和儀表板風道后，又可以認為是串聯(lián)了2個不同的管段ΔPAirinlet和ΔPDuct；上述3個部分安裝在整車上后，相當于串聯(lián)了ΔPVehicle。至此ΔPAirinlet、ΔPHVAC、ΔPDuct、ΔPVehicle串聯(lián)在一起，組成了整車空調(diào)系統(tǒng)的管段阻力特性。鼓風機的性能曲線可以很方便地從廠家得到，而整個空調(diào)系統(tǒng)氣流通道的風量阻力特性曲線的獲得就成為關鍵。

通過GMW3067、GMW3058、GMW7023或者CFD等測試或者仿真方法，我們可以得到上述每個部件的阻力降和整個氣流通道總的阻力降，以及車室內(nèi)不同靜壓下空調(diào)系統(tǒng)能達到的空氣流量，為空調(diào)系統(tǒng)和整車的氣流設計和管理提供可靠數(shù)據(jù)。

2 從鼓風機電流標定風阻風量曲線

2.1 鼓風機單體性能及標定方法

本文試從另一個角度反向得到空調(diào)系統(tǒng)氣流通道的流量和阻力的關系，可供在系統(tǒng)開發(fā)或改型中快速獲取所需空調(diào)系統(tǒng)風量阻力數(shù)據(jù)或者對原設計進行校核、修正。

鼓風機單體（電機和蝸殼都確定的情況下）性能與轉速、電流、電壓以及效率是呈一定關系的，也稱為鼓風機單體的性能曲線。圖2為某車輛鼓風機單體在12V電壓下的性能曲線。

由圖2可以得知，要想獲得較高的靜壓就要以犧牲風量為前提，每個不同的狀態(tài)點，其電流、靜壓、風量等都是一一對應的。通過改變鼓風機端電壓（也就是改變鼓風機電流），我們可以得到一組鼓風機性能曲線圖。當把鼓風機放在不同的風道中，鼓風機特性曲線與風道特性曲線的交點就是鼓風機在此工況下的工作點。如前所述，由工作點會得到此工況下的流量和阻力，如果此時鼓風機電壓（電流）改變或者管段阻力特性改變，會導致工作點發(fā)生變化而產(chǎn)生新的工作點，如圖3所示。

先在整車門窗開啟的情況下（模擬整車零壓車身最大風量），測試不同模式下鼓風機的電壓和電流并記錄，為了減小誤差，可以采用外接電源的方法。

然后在臺架上對空調(diào)箱體施以對應的電壓，通過調(diào)節(jié)進風側或吸風側阻力使電流逼近整車狀態(tài)下測試的電流，此時外部施加的阻力近似認為是整車狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)氣流通道的阻力。根據(jù)電壓-電流-風量-阻力對應關系，可以根據(jù)測得的電流和電壓反推得到系統(tǒng)的風量阻力特性；通過風量測試臺架，我們會得到上述對應工況的風量。

我們需要得到的是不同模式下電流與氣流阻力分布關系，因此忽略次要因素并作如下假設：①認為施加在空調(diào)箱體進風側和出風側的阻力（背壓）對空調(diào)系統(tǒng)的阻力特性影響是近似一致的；②忽略電流測量誤差對測量結果精度的影響；③整個空氣流道按照串聯(lián)考慮，認為各部分的阻力之和為空調(diào)系統(tǒng)總的阻力；④忽略由于讀數(shù)誤差對結果造成的影響而導致的R值非線性。

2.2 測試及標定步驟

2.2.1 數(shù)據(jù)準備工作

整車狀態(tài)，在車門窗開啟的情況下（模擬整車零壓車身最大風量），測試空調(diào)系統(tǒng)不同檔位不同模式下電流、電壓并記錄。

為了消除蓄電池電量等電壓不穩(wěn)定因素影響，采用外接電源方式進行測試，步長0.5V，見表1。

2.2.2 風阻標定和數(shù)據(jù)處理

在測試臺架上面連接空調(diào)箱體和風量測試設備進行測試，測試臺架如圖4所示。

表1 不同模式下的電壓、電流數(shù)據(jù)

通過外接電源施加第1步所述電壓，然后通過出風口阻尼板改變出風側風阻，直至電流讀數(shù)達到表1電流數(shù)值。通過風量測試臺架，我們會得到每個電壓下對應的風量和靜壓數(shù)值，見表2。

表2 每個電壓下對應的風量和靜壓數(shù)值

對表2測的數(shù)據(jù)進行圖線化處理，得到標定風阻曲線，如圖5所示。

通過對上述數(shù)據(jù)和風阻標定曲線進行處理，進而得到風量和風阻曲線，如圖6所示。

這樣首先通過對整車電流電壓的測量得到整車狀態(tài)下電流電壓關系→進行系統(tǒng)臺架模擬，通過固定電壓，調(diào)整阻尼板阻力逼近測試電流，收集得到風量與阻力關系→進行數(shù)據(jù)轉化處理→得到所需氣流通道風量阻力特性曲線。

2.3 如何得到部件及系統(tǒng)的風量阻力特性

上面我們得到的風阻流量曲線為空調(diào)箱阻力ΔPHVAC和連接新風進風段ΔPAirinlet以及儀表板風道ΔPDuct狀態(tài)下得到的空氣流道的總阻力，即ΔPAirinlet+ ΔPHVAC+ΔPDuct段的阻力。根據(jù)空調(diào)箱體的風量阻力特性，減去同風量下箱體的阻力就會得到ΔPAirinlet+ ΔPDuct段的阻力。

在整車上測試電流電壓時，如果去除儀表板風道進行測試，就得到ΔPAirinlet+ΔPHVAC段的阻力。同樣如果在車窗車門關閉狀態(tài)下進行測試鼓風機電流電壓，由于車身和泄壓閥阻力的加入，將會導致電流發(fā)生改變，這時得到的就是ΔPAirinlet+ΔPHVAC+ΔPDuct+ ΔPVehicle，即整個空調(diào)系統(tǒng)在整車上的流量阻力特性。

通過簡單的臺架測試和加減法，會得到空調(diào)箱的阻力ΔPHVAC、新風進風段阻力ΔPAirinlet和儀表板風道的阻力ΔPDuct以及上述部分的阻力組合。這時就可以根據(jù)得到的特性曲線和鼓風機特性曲線來擬合整車狀態(tài)下工作點，進而得到所需風量和阻力。

3 結束語

把得到的整車風量數(shù)值與原設計進行對比，如果發(fā)現(xiàn)實測數(shù)值偏大，表明選擇的鼓風機有進一步優(yōu)化（比如減小功率等）空間；如果數(shù)值較原設計偏小，則需要考慮加大鼓風機功率或對整車氣流通道進行優(yōu)化，以降低風阻而提高整車風量。

上述測試方法在測量精度方面會存在一定誤差，但在實際工程應用中會得到所需的數(shù)據(jù)和趨勢圖線，為新風進風通道或儀表板風道以及空調(diào)系統(tǒng)的性能改進和提升提供很大的借鑒意義。

［1］闕雄才，陳江平.汽車空調(diào)實用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］GMW3067 Validation of Static Body Air Leakage［S］.

［3］GMW3058 Validation of HVA／C Airflow at Zero Interior Body Pressure［S］.

［4］GMW7023 Dynamic Body Airflow［S］.

（編輯楊景）

Deducing Air Flow Resistance Characteristics Curve by Air Blower Current

CUI Xue-ping
（Beiqi Foton Motor Co.，Ltd.，Beijing 102206，China）

The relation between air flow and flow resistance of air conditioning system can be deduced by bench calibration from the performance of vehicle air blower current. The operating point of air blower for air conditioning systemcanalsobededucedtoofferhelpandpreferencefortheoptimizationandimprovementofthesystem.

air blower curve；current；air flow resistance characteristics；air flow

U464.138

A

1003－8639（2014）06－0009－03

2014-01-13；

2014-01-26

崔學平（1975-），男，工程師，從事汽車空調(diào)開發(fā)與研究。