基于不同暖風芯體空調采暖性能研究

魏啟武,馬勝龍,翟超，程建松，李海燕,鄭濤

(1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000；2.安徽省煤田地質局第二勘探隊,安徽蕪湖 241000)

0 引言

整車空調性能開發是整車性能開發過程中非常重要的屬性，與用戶體驗緊密關聯[1-2]。整車空調降溫性能與采暖性能是整車舒適性的重要內容。降溫性能相比采暖性能而言，關聯零部件性能較多，研究起來復雜，因此，相關的仿真計算和試驗研究也多，結果也比較可靠[3-5]，而采暖性能涉及關聯零部件少，反而相應的仿真和試驗研究較少，可供參考的文獻有限。

整車空調采暖性能在實際開發過程中，往往涉及到一些關鍵零部件需要從成本和性能方面開展對比選型，雖然整車廠可以開展環境艙模擬驗證，但試驗周期較長，試驗設備運行成本也相當昂貴，如何做到性能既能滿足目標要求、成本最低，并能快速對比、正確選型是整車廠空調性能開發過程中經常遇到并亟需解決的問題。本文作者將借鑒空調降溫性能開發思路利用仿真手段解決上述問題[6]。

1 采暖性能原理與仿真模型建立

1.1 空調采暖性能原理

燃油車空調采暖性能原理比較簡單，其采暖的主要熱源來源于燃油燃燒過程中釋放的熱量。熱量通過發動機冷卻液體進行熱交換后，冷卻液流經暖風芯體時與空調箱體從外部吸入的空氣再次進行熱交換，加熱的空氣吹入駕駛艙內，從而實現采暖。但整車采暖的效果與發動機水溫高低、流量大小以及空調箱體的風量都有關系，這些因素相互影響，其中暖風芯體的性能起著至關重要的作用。對于相同動力總成(不考慮大循環開啟)和空調箱體，如果暖風芯體換熱性能相當或稍有差異，還不能簡單、直接判斷出其在整車上的采暖效果的優劣，如表1所示，還需進一步結合暖風芯體氣側和液側阻力具體值開展量化分析。實際過程中往往因為這種多變量相互影響，造成芯體選型困難。

表1 暖風芯體氣/液側阻力對換熱量影響

1.2 仿真模型建立

1.2.1 仿真模型假設

采暖仿真模型的建立主要分為兩部分：一部分基于暖風芯體的系統臺架試驗搭建；另一部分基于整車搭建。

其中系統臺架計算模型做如下假設：

(1)暖風芯體進、出水管絕熱，與外界大氣不發生熱交換；

(2)暖風芯體出水管足夠長，對暖風芯體出水口壓力和溫度不產生影響；

其中整車計算模型做如下假設：

(1)基于相同動力總成和空調箱體，冷卻液吸收熱量不因暖風芯體變化而變化；

(2)只考慮冷卻系統大循環未開啟狀態；

(3)發動機自身換熱情況較復雜，與外界視為絕熱狀態，不與外界空氣發生熱交換。

1.2.2 采暖系統臺架與整車模型建立

文中采用AMESim軟件搭建系統臺架與整車仿真模型，如圖1—圖2所示。

圖1 加熱芯體臺架系統仿真計算模型

圖2 整車采暖仿真計算模型

2 仿真計算與分析

2.1 系統臺架仿真計算與分析

2.1.1 流量、風量測試

文中有兩種暖風芯體以供選型，一種為外購件，成本相對較高；一種為自制件，成本相對較低。

結合實際的整車環境模擬試驗工況，對搭載兩種暖風芯體的液側流量與空氣側風量進行測試，測試結果見表2—表3。

表2 液側流量測試結果

表3 空氣側風量測試結果 m3/h

2.1.2 計算結果分析

結合液側流量與風量測試結果，通過系統臺架仿真模型，對搭載兩種暖風芯體系統開展計算，并與實際臺架結果對比，結果如表4—表5所示。

表4 外購件臺架仿真計算結果

表5 自制件臺架仿真計算結果

根據計算結果與分析，得出暖風芯體出水溫度與出風溫度，其仿真精度與試驗結果對比偏差最大可以控制6%左右，部分點精度甚至與試驗結果非常接近。因此，采用的臺架仿真模型可靠性可以滿足工程設計需求[7]。

2.2 整車仿真計算與分析

為了對比整車采用兩種暖風芯體后采暖性能的表現，將搭載兩種暖風芯體后的整車置于低溫環境艙中保溫，待機油與冷卻液水溫都達-20 ℃后進行測試：先將空調關閉，發動機怠速，待水溫達到80 ℃后，將鼓風機設置成7擋，溫度設置成最高溫度，測試20 min后將鼓風機擋位調至3擋，繼續測試20 min，對比整個過程中空調出風溫度情況。

其仿真計算過程與測試過程基本保持一致，仿真與測試結果如圖3—圖5所示。

圖3 外購/自制件整車暖風出風溫度仿真結果

圖4 外購/自制件整車暖風出風溫度測試結果

圖5 外購/自制件整車暖風芯體換熱仿真結果

計算結果表明：搭載自制件，空調出風溫度整體較外購件高，趨勢與實際的測試結果一致，但數值最大差異不大于10 ℃，這種差異性主要是由于發動機缸體的吸熱與外界的換熱導致。由于這部分邊界瞬態吸換熱情況實際比較復雜，仿真模型做了一些假設性考量，因此，整車仿真模型結果精度相比臺架仿真結果稍差。但暖風芯體的換熱量外購件稍優于自制件，差異性非常小。

3 結論

文中通過借鑒相關文獻對整車空調降溫性能的研究方法與思路，采用類似方法對空調采暖系統臺架與整車進行了仿真分析與試驗測試比較，并將其應用在整車空調采暖性能關鍵零部件的選型上。通過上述方法可以快速、準確對暖風芯體關鍵零部件做出判斷選擇，可以極大地降低試驗成本和節省時間成本，經濟有效地滿足了項目開發的需要。

通過對兩種暖風芯體的測試與分析，可以得出如下結論：

(1)兩種暖風芯體臺架測試與仿真結果差異小于7%，部分工況點精度甚至與測試結果完全一致，滿足工程開發的需要；

(2)搭載兩種暖風芯體的整車測試與仿真結果比較，趨勢完全一致，差異不大于10 ℃，這種差異性主要是由于整車的復雜邊界條件無法真實模擬，采用假設條件導致，后續可以嘗試對邊界條件進行調整提高仿真精度；

(3)兩種暖風芯體在整車上仿真換熱量差異性較小，但自制件較外購件出風溫度高，整車表現更好，與整車實際測試結果一致；

(4)從整車采暖性能角度考量，采用成本相對較低的自制暖風芯體可以取代外購暖風芯體。