空調主機及風道風阻研究及評價

陳昌瑞，郭艷，杜士云

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車電子

空調主機及風道風阻研究及評價

陳昌瑞，郭艷，杜士云

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

空調主機及風道是關系到汽車制冷、通風、加熱、除霜除霧的主要部件之一，它們的風阻對整車的空氣流場和溫度場影響最大。文章主要從結構的角度上討論空調主機和風道對風阻的影響，對基礎薄弱初始入門的工程設計人員有一定的借鑒學習意義。

空調主機；風道；風阻

前言

我國幅員遼闊，地域差異性大，工作環境的不同導致駕駛人員對空調需求也不同，從而出現很多空調系統不能滿足人們對其舒適度要求的現象。研究表明，造成舒適度不滿足要求的原因并不一定是空調系統本身的制冷量不夠，而有的原因是由于空調主機及風道的結構設計不合理而導致的風阻過大，從而出現整個空調系統整體性能不滿足要求的現象。本文主要對空調主機及風道上的結構進行分析，討論它們的哪些結構會對風量風阻造成影響。

1 結構分析

在整個汽車空調系統中，空調主機、風道和出風口組成空調的通風系統，擔負著將經過處理（溫度調節，濕度調節，凈化）的氣流送到汽車駕駛艙內，以完成駕駛艙內通風，制冷，加熱，除霜除霧，空氣循環等功能。

圖1 空調主機、風道、出風口及周邊環境結構爆炸圖

1.1 空調主機、風道介紹

1.1.1 空調主機簡介

空調主機是整個空調系統中最重要的部分，通過調節空調主機內部的風門開關，來調節空調制冷和采暖等模式，內里有蒸發器、加熱器、鼓風機、滴水管和調速電阻等部件。空調主機內部的鼓風機及蒸發器則是決定整個空調系統制冷效果的關鍵因素。

圖2 空調主機數模圖

圖3 除霜風道數模圖

1.1.2 風道簡介

風道連接空調器與出風口,是空調系統中制冷和制熱空氣的通道。設計時通常是先設計風道，決定風道口位置之后再設計空調主機。車廂內的空氣流場與溫度場不僅與車廂結構以及空調制冷系統有關,還與空調風道的結構形狀密切相關。風道的布置走向、風道占用空間（截面積）以及風道中空氣的流速等均影響車廂內的制冷效果，影響系統的經濟性和外觀造型。

1.2 空調主機結構

空調主機一般根據需求進行設計，包括加熱器的散熱能力、蒸發器的吸熱能力、鼓風機的風量要求、調速電阻的調速范圍、風門分布及結構和風門電機的選取應用等等。

空調主機一般分為 2-塊橫臥式或 3-塊橫臥式，目前來說，因 2-塊橫臥式采用的平行流/過冷式有著空間小、用料省、性能高等優勢，所以市場以2-塊橫臥式為主流。

2-塊橫臥式，顧名思義，分為兩塊，一塊是鼓風機，負責產生風量，一塊是暖風機，負責風量分配。

1.3.1 鼓風機結構分析

鼓風機原理就是利用電機旋轉，帶動葉片跟著旋轉，從而通過葉片的角度來決定風量的分布方向，通過鼓風機的轉速來決定風量大小。

圖5 鼓風機結構圖

圖6 暖風機結構圖

如圖5所示電機運行時，空氣從循環風口吸入，經過循環風門、過濾網，從鼓風機風道中吹出，圖示箭頭顯示的是外循環狀態時空氣流動方向，內循環時，循環風門打開，空氣從圖示虛尾箭頭流入，經過濾網、鼓風機進入鼓風機風道中。其中，風道風阻的主要因素則是由于鼓風機殼體的不平整導致的。

那么問題來了，為什么要采用這種不平整的設計呢？

原因首先是為了增加強度。空調主機作為大型空心塑料件，強度遠遠達不到要求，拋棄更改材質不提以外，通過變更結構提供支持的方法通常有兩種：

一種是采用內部支撐物，比如在殼體內部設支撐柱。該方法可以改善殼體整體強度，但對于殼體邊緣的局部強度卻無能為力，并且，由流體力學可知，在流體中間阻力最小，流量最大，直徑越大，阻力越小。該方法在中部設置障礙物的行為嚴重影響了最大風速，造成風量流體從中間切為兩半，使中部風量離邊緣殼體距離降低一半，風阻極大[1]。

第二種辦法是在殼體邊緣設置凸臺或凹臺。由流體力學可知，在直徑縮小轉向直徑擴大比先增加后縮小直徑所損失的動量較小，增加凸臺的設置不但屬于先增后減的狀態，由于風量流體碰壁后的折射原因導致的“漩渦”原理同樣會大量耗損風量流體的動力，所以采用的是殼體邊緣凹臺設計。流線型的凹臺不僅平滑的承載了風量流體的運行，在關鍵節點上這么設計也能有效避免風量集中對風門的沖擊，從而避免風門關不緊導致的漏風現象[2]。

1.3.2 暖風機結構分析

暖風機原理就是利用風量流體經過蒸發器散熱變成冷風或經過加熱器吸熱變成熱風，通過溫度風門調節冷熱風的比例，從而達到控制溫度的目的。

如圖6所示，從結構分析來看，風量先后經過蒸發器芯體、加熱器芯體和各模式下的風道進入車內，達到駕駛人員對風量需求的部位。從中可以看出，風道風阻是對風量大小影響的最重要因素。

本結構作為市場主流結構，就是考慮到風道對風阻的影響。一般來說，吹面和除霜是衡量空調性能的主要因素，所以吹面和除霜風口風道離鼓風機風道吹來的風量最近，途中經過的距離最短，繞的彎最少，所以風阻就最小。

單純從理論上來說，縮小蒸發器和加熱器之間的距離，從而整體縮小空調主機的尺寸，就能夠有效減小風道長度，達到減小風道風阻的目的。但是，實際設計考慮到蒸發器和加熱器之間互不影響有間距要求，所以限制了空調主機的尺寸。加熱器芯體和蒸發器芯體基本平行也是出于這方面考慮，將來如果技術進步，或者采用更高性能的材料，從來改善兩個芯體之間的尺寸要求，就可以改變空調主機的尺寸大小，從而影響到風道長度和風阻。

1.3.3 除霜風道結構分析

除霜風道結構較簡單，即通過鍥形體起到分流和導向的作用，以一定的角度盡可能的將風量分布到主駕和副駕的正前方，用來達到最好的除霜除霧效果。

圖7 除霜風道內部結構

雖然結構原理簡單，但是實際做出來并不容易。

圖8 車型1除霜風量分布圖

圖9 車型2除霜風量分布圖

經試驗證明，平均風速在2m/s的時候，除霜效果才算滿意。從以上兩幅圖可以看出，2m/s的等風線，車型2的風量分布基本集中在主駕駛室和副駕駛室的正前方，燃點（風速最大的點）則幾乎位于主駕駛室和副駕駛室的視線水平線上，很好的保護到了前排乘車人員的視野，基本不會出現前排人員視野被遮擋的情況。

車型1除霜風量分布明顯不如車型2，但是造成這種情況的主要原因并不是風量不足，而是風量分布不合理。從圖中能明顯看出，車型1在風量分布上主要集中在主駕駛室與副駕駛室的中間位置，而不是主駕駛室與副駕駛室的視野正前方。

那么如何整改呢？

其實問題并不復雜，只要將風道中間的鍥形體的錐角擴大，將風量盡可能的朝主駕駛室與副駕駛室的視野前方分布就可以了。當然，在鍥形體錐角擴大的過程中，無可避免的會對風速風量造成影響，嚴重的甚至會造成風量急劇碰壁回彈導致的空氣流量“漩渦”現象，從而浪費大量的風量動能和動量[2]。如何在風量與風量分布之間取得一個合適的均衡點，則需要聯系具體車型、具體需求進行分析。限于理論水平及工作環境等原因，具體詳細暫不討論，有興趣的可自行查閱相關資料。

2 總結

本文從空調主機內部構造、除霜風道、吹面風道的內部構造對風道風阻進行討論分析，從空調主機的設計方面及構造需求出發，對空調風道構造整改空間提出設想，對基礎薄弱的設計人員在空調主機及風道分布結構設計理解上有很好的吸收學習和借鑒意義。

[1] 《 汽車工程手冊》編輯委員.人民交通出版社,2001.文獻汽車工程手冊.設計篇 [M].

[2] 黃天澤,孫婉娟,等.汽車空調系統設計與使用維修[M].北京:北京理工大學出版社,1997.

[3] 姜永順.蒸汽供熱管道沿程壓力損失簡易計算法[J].暖通空調,2003(1).

Research and evaluation of HVAC and Duct

Chen Changrui, Guo Yan, Du Shiyun
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Auhui Hefei 230601）

the air conditioning main engine and air duct is one of the main components of the automobile refrigeration,ventilation, heating, defrosting and fog, and their wind resistance has the greatest influence on the air flow field and temperature field. This paper mainly discusses the influence of air conditioner and air duct on the wind resistance from the angle of structure, which is of some reference significance for the engineers who have weak foundation.

HVAC; air duct; Drag

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-118-03

U463.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-118-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.039

陳昌瑞，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。