汽車空調小循環流阻過大可能導致的故障

譚沖

摘 要：在汽車空調系統開發的過程中，工程師往往忽略暖風芯體的流阻計算，實際上這一參數有可能影響到整個發動機冷卻系統的正常工作。本文主要對這一參數與發動機冷卻系統的散熱性能關聯性做出分析，并通過實際案例驗證汽車空調暖風芯體流阻的優化對這一散熱不良故障的消除，給同行業工程師在空調系統與發動機冷卻系統的匹配設計時提供些許參考。

關鍵詞：汽車空調；暖風芯體；流阻；發動機冷卻；節溫器

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A

1 汽車空調暖風系統原理

在普通燃油汽車中，空調的暖風系統是利用冷卻液來吸收發動機的余熱作為熱源，引入到熱交換器（暖風芯體）中，由空調鼓風機將車內或車外空氣吹過熱交換器表面而使之升溫，從而滿足乘員艙的采暖需求。這其實也是發動機冷卻系統中的“小循環”系統，如圖1所示。

2 發動機冷卻系統原理

在汽車的發動機冷卻系統循環中，可分為“小循環”與“大循環”。小循環即上一小節介紹到的冷卻液僅在發動機與空調暖風芯體內的循環。而大循環則是指冷卻液在發動機與散熱器之間的循環。當發動機在冷車啟動溫度較低時，少量的冷卻液會在發動機與暖風芯體內作小循環，使發動機能迅速達到工作溫度；一旦達到設計溫度，控制大、小循環轉換的節溫器則會開啟，讓冷卻液能流至散熱器內進行散熱，隨著發動機溫度的升高，節溫器開啟的程度就越大，從而使更多的冷卻液流動到散熱器中，將發動機的熱量完全散發到空氣中，最后經過充分熱交換的冷卻液重新回到水泵里，通過水泵的加壓，實現大小循環的不斷流動。

3 案例分析

3.1 問題描述

某天接到售后部門反饋的一例電子扇常轉的故障，根據如下電子扇的控制策略，證明發動機出水水溫一直保持在91℃以上。而在正常情況下，水溫超過82℃節溫器將會開啟，節溫器開啟后冷卻液將流過散熱器這一路大循環，散熱器的出水管將會明顯高于環境溫度（實測散熱器出水管表面溫度與環境溫度幾乎一致），而發動機的出水溫度也將相應降低，在非惡劣工況下水溫低于91℃時，即電子扇會關閉，電子扇常轉說明節溫器工作不正常。

此種工況下發動機水溫居高不下，散熱器未能實現熱量交換功能，電子扇一直在工作，導致油耗增加，能源消耗浪費，NVH舒適度降低，是一種較為明顯的發動機冷卻系統散熱不良的故障，見表1。

3.2 根本原因分析

此款發動機的節溫器布置在發動機的回水端， 由于空調系統的暖風芯體采用了兩個流程的U-FLOW結構，性能較優，但流阻較大，導致發動機回水端流量低于限值，節溫器不能正常沖開，大循環不能正常開啟，電子扇一直在常轉。

3.3 節溫器的布置介紹

一般大多數節溫器布置在發動機出水管路中。這種布置方式的優點是結構簡單，能夠靈敏感應到水溫的變化，并且容易排除系統中的氣泡；其缺點是在節溫器工作時會產生振蕩現象，這種現象是指在冬季起動冷態發動機時，由于冷卻液溫度低，節溫器閥關閉。冷卻液在進行小循環時，溫度很快升高，節溫器閥開啟。與此同時，散熱器內的低溫冷卻液流入機體，使冷卻液又冷了下來，節溫器閥重新關閉。等到冷卻液溫度再度升高，節溫器閥又再次打開。直到全部冷卻液的溫度穩定之后，節溫器閥才趨于穩定不再反復開閉。節溫器閥在短時間內反復開閉的現象，稱為節溫器振蕩。當出現這種現象時，將增加汽車的燃油消耗量。

但也有一部分發動機的節溫器會布置在回水管路中，這種布置方式可以減輕或消除節溫器振蕩現象，但在普通蠟式節溫器上容易產生系統匹配問題，嚴重時有可能導致發動機散熱不良，即今天碰到的這個故障。

經過分析，此款發動機的節溫器布置在發動機的回水端， 由于空調系統的暖風芯體采用了兩個流程的U-FLOW結構，性能較優，但流阻較大（怠速工況下的流阻達到1.5kPa），導致發動機回水端流量低于限值，節溫器不能正常沖開，大循環不能正常開啟，電子扇一直在常轉。

3.4 解決方案

將暖風芯體由原來的U-FLOW（雙流程）結構更改為I-FLOW（單流程）結構，降低暖風芯體的流阻（怠速工況下由1.5kPa降低到0.8kPa），實車驗證電子扇常轉故障消除，如圖2所示。

4 流阻計算總結

根據如上案例，可以總結出暖風芯體流阻的計算方法以供今后的設計參考。

4.1通過流量實驗確定節溫器正常工作需要的最小流速V。

4.2根據已知條件求出當前流體的狀態，即求出雷諾數Re。

一般怠速情況下系統內冷卻液流速不會過大，例如當流速為2.5m/s，管內直徑為16mm時，根據公式

其中V為流速，D為管道直徑，v為運動黏度（冷卻液可參考水的參數大概為1.79*10-6㎡/s），可求出Re大約為2235。

備注：雷諾數是判別流動特性的依據，在管流中，雷諾數小于2300的流動是層流，雷諾數等于2300～4000為過渡狀態，雷諾數大于4000時的是湍流。

4.3根據雷諾數，可求出沿程阻力損失系數λ，

當Re<2300時，

4.4根據沿程能量損失的計算公式，求出的最終可求出我們需要的流阻參數△P

式中λ為沿程阻力損失系數，v為流速，l為管壁長度，d為管壁直徑，ρ為冷卻液密度，g為重力加速度。

此值即可作為我們設計空調系統暖風芯體時的流阻上限參考。

結語

（1）結論一

空調暖風芯體流阻過大有可能會導致節溫器不能正常開啟，進而影響發動機冷卻系統大循環的正常工作。

（2）結論二

大循環的非正常工作有可能導致電子扇常轉，發動機水溫持續過高。

（3）結論三

關于空調系統暖風芯體的流阻設計，可以通過以上公式計算或通過臺架試驗的方式確定小循環中暖風芯體的最小流量與流速，再通過節溫器的臺架試驗即可確認當前的流阻參數是否會影響發動機冷卻系統的正常工作。

參考文獻

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