關于汽車車身泄壓閥及整車氣密性對關門能量的影響研究

劉禹呈，周杰，李濤

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

0 引言

隨著汽車工業的發展和大眾生活水平的提高，消費者對汽車的各方面性能和操作體驗都有著越來越高的要求。汽車作為日常重要的交通運載工具，其車內的獨立空間體驗是其重要性能之一，整車氣密性則是決定獨立空間體驗的重要性能指標。另外，目前車身都安裝有泄壓閥，以解決車載空調在外循環模式下，空調鼓風機對車艙內鼓風引起車艙內壓力升高問題，以保證駕乘人員的舒適性等[1]。

目前及未來的一段時間內，傳統旋轉門仍是最為普遍的汽車車門形式，它在關閉過程中往往需要使用者施加一定的力和能量。這個關閉車門所用的能量，一般稱為關門能量，而關閉某一車門所需的最小能量，則稱為最小關門能量，這一能量直接反映使用者關閉車門的難易程度，而更便利容易的關門操作往往給使用者更好的操作體驗，這就往往需要較小的關門能量[2]。

在關閉旋轉門的過程中，需要克服一系列阻力，其中空氣阻力是重要的一部分，而空氣阻力中重要的一部分是旋轉門將空氣扇入并壓入車艙內的空氣阻力[3]。其中，在扇入和壓入過程中，空氣從各個泄漏路徑的排出情況決定著過程空氣壓阻，也就是車門關閉過程中重要的一部分阻力。車艙的泄漏路徑主要由車身泄壓閥和整車的氣密性決定[4]。因此關門能量與車身泄壓閥及整車氣密性有著密切的關系，本文作者將對車身泄壓閥及整車氣密性對關門能量及最小關門的影響進行研究。

1 車身泄壓閥和整車泄漏

1.1 車身泄壓閥

如上文所述，車身泄壓閥是用于釋放車艙內過高的壓力單向氣閥，如圖1所示。一般車艙內的氣壓升高主要有兩種情況：一是由于車載空調在外循環模式下運行時，空調鼓風機將車外的空氣鼓入車艙內，車艙內氣體增加壓力升高；二是在關閉旋轉門等開閉件過程中，開閉件將空氣扇入和壓入車艙內，致使車艙內氣壓快速升高。一般卸壓閥的結構為機械單向閥，且在受到不同壓力時，打開不同的泄漏面積，從而在不同壓力下被動地產生不同的車艙內空氣流出車艙的泄漏流量。泄壓閥的卸壓能力設計，一方面需要考慮上述車艙內壓力升高時的卸壓效果，另一方面也是在合理車艙位置進行卸壓，保證所需的車艙內空氣流通，可提高空調調溫效率和除霜效率等。

以某一實際泄壓閥泄壓曲線為例，如圖2所示，當泄壓閥兩側壓力差增大時，通過泄壓閥的流量增加，也就是當關閉轉門時氣體壓入，車艙內壓力升高，泄壓閥的流出流量隨之增大，從而降低車艙內壓力。

圖1 泄壓閥示意圖

圖2 泄壓閥泄漏曲線圖

1.2 整車氣密性和泄漏量

車輛的氣密性決定了車艙內空間的隔絕能力和獨立性，簡單的說氣密性越高，車艙內外的氣體越難交互。如前文所述，較高的氣密性可以保證車艙的獨立性，從而提高駕乘過程中對風噪、路噪、異味灰塵侵入的控制。車輛的氣密性可以用整車的泄漏量來衡量，泄漏量一般指車艙內加壓到一定壓力下，整車車艙通過車體向車外泄漏氣體的流量[1,4]。

一般來說，整車的泄漏量(Lv)由兩個部分組成：一是通過設計的泄漏路徑，基本可控的泄漏量，如前文所述的通過泄壓閥的泄漏量，稱之為可控泄漏量(Lc)；二是通過整車某些客觀存在的不可控的空間或間隙(如門縫、內飾拼接縫隙等)的泄漏量，稱之為不可控泄漏量(Lu)。當控制整車的密閉性能時，需要考慮這兩部分的泄漏量總和產生的整車泄漏情況，可以認為存在式(1)關系：

Lv=Lc+Lu

(1)

對于車艙內不同壓力下的泄漏量，其中不可控泄漏量(Lu)因泄漏面積基本穩定，流量與壓力近似滿足伯努利方程關系，流量的平方與壓力差呈正比，如式(2)所示：

Δp=kv2

(2)

而稱之為可控泄漏量(Lc)與泄壓閥零件設計有關，且零件狀態隨壓力變化而變化，需要用零件自身性能的壓力-流量曲線(圖2)進行表征。

整車泄漏量是兩部分泄漏量的疊加，對于整車的泄漏量可通過實車試驗進行測量，對車艙內充氣加壓，測量整車的泄漏量，得到表征整車泄漏情況的封閉式整車泄漏(Closed Vehicle Leakage，CVL)曲線，如圖3所示。一般定義某固定壓力下的泄漏量為整車泄漏量狀態的性能參數值。

圖3 封閉整車泄漏曲線圖

2 關門能量與車艙內壓阻

2.1 關門能量與整車泄漏量

關門能量反映操作者關閉車門時所需要的能量，而最小關門能量是操作者在一定操作位置關閉車門所需的最小能量。最小關門能量反映車輛關閉車門的舒適性和便利性，以下針對最小關門能量進行研究，并簡稱關門能量。

關門能量的實際測量往往比較困難，可以通過測量關門速度以表征關門能量，車門轉動可視為剛體繞固定軸轉動[5-6]，符合旋轉體動能公式(式3)，轉門轉動慣量和旋轉半徑一定，關門能量與關門線速度的平方呈正比(式4)。

(3)

(4)

關門過程中所涉及的空氣流動狀態及空氣阻力，可簡化示意圖如圖4所示。

圖4 車門旋轉關閉氣體流動示意圖

由于轉門扇動，空氣隨關門過程向轉動方向流動，流量為Qc，所扇入的氣體一部分在門未關閉過程沿車門與車身空間空隙流出流量Qu，一部分進入車艙內沿前文所研究的整車泄漏流出流量Qv，其余部分留在車艙內，致使車艙內壓力升高。如前文所述，整車泄漏流量與車艙內的壓力相關，且兩者互相影響，當整車泄漏的流量較小時，車艙內會積蓄更多轉門壓入的氣體，致使車內壓力升高，增加關門過程中的阻力，使關閉轉門需要更大的關門能量及更高的關門速度。同時，車艙內的壓力升高，也會給駕乘者帶來不適感，如耳鳴等[7]。

2.2 關門能量與泄壓閥

對于整車泄漏，一般常見的可控的功能性泄漏量是由泄壓閥(Pressure Relief Valve,PRV)決定和控制的。泄壓閥的泄漏參數狀態影響著整車泄漏量，從而影響車艙內壓力，從而影響關門過程中克服的空氣阻力，進而影響關門所需的關門能量。

利用理論計算工具，對某兩個車型轎車空調內循環模式下，泄壓閥不同狀態的關門速度進行分析，分別為泄壓閥50%、67%、84%、100%正常工作狀態(泄壓閥正常工作狀態為在空調最大流量下，占整車泄漏量的75%)，得到兩個車型前后門關門速度如表1所示。由理論計算值可得到，泄壓閥 50%工作狀態時，關門速度提高10%，轉化為能量則關門能量提高20%。

表1 泄壓閥不同狀態下最小關門速度理論計算結果 m/s

在某車型上進行不同工況下泄壓閥對關門速度影響的測量，結果如表2所示。可以看到在泄壓閥50%工作狀態和100% 工作狀態時，實測關門速度也有10%左右的差異，與理論計算結果相一致，則關門能量有20%左右的差異。

表2 泄壓閥不同狀態下最小關門速度實測結果 m/s

3 結論

從整車密封性和泄漏量角度出發，研究了泄壓閥和整車泄漏量對最小關門能量及速度的影響，通過理論計算和實際測量定量研究了不同設計和工作狀態下，泄壓閥對最小關門能量及速度的影響。

(1)整車泄漏量由不可控泄漏量和可控泄漏量組成，可控泄漏量主要由泄壓閥控制。

(2)關門過程克服的空氣阻力由轉門扇動氣壓阻力、車艙空氣壓縮阻力組成，其中車艙空氣壓縮阻力與整車密封性和泄漏量相關。

(3)在關門過程壓力下，泄壓閥泄漏量較小時，車艙空氣壓阻增大，關門能量和關門速度增大。通過理論和實際測量，50%泄壓閥狀態下，最小關門速度提高約10%，最小關門能量提高約20%。