改善車內(nèi)空氣品質(zhì)的自動換氣系統(tǒng)設計

可杰

(鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450061)

0 引言

為滿足車內(nèi)乘客的乘坐舒適性，客車一般標配自動恒溫空調(diào)。自動恒溫空調(diào)帶有換新風功能，在車輛運行過程中，根據(jù)溫度設定的控制邏輯持續(xù)補充車內(nèi)新鮮空氣，調(diào)節(jié)車內(nèi)空氣質(zhì)量，提高車內(nèi)乘客的乘坐舒適度。但這種換氣方式在車輛實際運行過程中存在的諸多問題：首先，車輛在惡劣天氣行駛，空調(diào)新風功能無法工作時，頂風窗和推拉窗玻璃不能打開，長時間運行車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量差，影響乘客的乘坐舒適性；其次，即使有少許車輛安裝有電動換氣扇，但單個換氣扇單位時間內(nèi)的換氣量小，仍不能滿足整車換氣需求；另外開啟換氣扇會產(chǎn)生噪聲，同樣影響乘客的乘坐舒適性。針對以上問題，設計一種能夠保證車輛在行駛過程中不受外界環(huán)境因素影響的自動換氣系統(tǒng)非常有必要。

1 自動換氣系統(tǒng)實現(xiàn)原理

為了更好地表達自動換氣系統(tǒng)實現(xiàn)的基本原理，以基礎樣車構建數(shù)值模型，采用流體分析軟件CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬分析整車在行進過程中，外部風場在車身上形成的壓力分布，如圖1所示。

從壓力分布圖上可以看出車輛前圍為正壓區(qū)，此時除霜器外進風口通過過渡風道伸到正壓區(qū)，利于氣流通過除霜器進入車內(nèi)。此時在行李艙前立面的前橋上方和木地板下方形成的區(qū)域為一個負壓區(qū)，車輛運行車速越快，負壓區(qū)與車內(nèi)的氣壓差越大，如將車內(nèi)和車外此負壓區(qū)通過管道連通，在壓差的作用下，車內(nèi)渾濁氣體會沿著連接管道自動向車外排出，以實現(xiàn)車輛自動換氣功能，由此構成了自動換氣系統(tǒng)實現(xiàn)原理的理論依據(jù)。如何開設車廂內(nèi)的出氣口和車廂外負壓區(qū)的排氣口？其設計方案首先要滿足車廂內(nèi)的出氣口不能影響車型的整體美觀性，綜合考慮將車內(nèi)排氣口設置在凹地板過道兩側立面上。其次車外排氣口要滿足以下3點要求：首先，不能影響整車外輪廓的美觀性，所以外排氣口不能開在車身蒙皮上；其次，車輛在正常涉水深度時，不能因為此出風口導致水濺到車體內(nèi)部；第三，車輛駐車時，不能有車外異味氣體傳入車內(nèi)。綜合以上3點將車外排風口開在前橋上部輪上艙體位置的行李艙前立面，左右兩側各開一個排氣孔。此時，車廂內(nèi)部氣體通過凹地板過道兩側立面上的過氣孔與行李艙貫通，然后通過行李艙前立面上的排氣孔與車外氣體相互連通，實現(xiàn)了自動換氣系統(tǒng)的雛形。

圖1 模擬整車運行中的壓力分布圖

2 自動換氣系統(tǒng)的設計與驗證

2.1 換氣量的計算

根據(jù)國標JT/T 325-2018《營運客車類型劃分及等級評定》中關于高一級、高二級客車換氣量的強制要求，強制通風人均換氣量不小于25 m3/h。

Q=n×25

式中：Q為整車需要的換氣量；n為乘坐人數(shù)(駕駛員+乘客+導游員)。

以整車乘坐人數(shù)50為例，整車需要換氣量Q=50×25=1 250 m3/h；按車輛正常運行過程中，空調(diào)自動開啟，空調(diào)自帶新風功能，每小時換氣量近2 500 m3/h，再加上司機窗、頂風窗、前除霜的外進風等換氣方式，總體換氣量遠遠大于國標規(guī)定的人均換氣量要求。但在特定運行環(huán)境，上述方式都無法開啟時，從衛(wèi)生要求出發(fā)，整車仍需要相應的換氣量以滿足車上乘客基本生理換氣量要求。我國空調(diào)車車內(nèi)二氧化碳控制標準為:容積濃度小于或等0.15%[5-7]，此時空調(diào)車廂內(nèi)所需新風量的大小主要是根據(jù)室內(nèi)允許二氧化碳的濃度來確定的。車廂內(nèi)二氧化碳發(fā)生量的平衡式見圖2。

圖2 車廂內(nèi)二氧化碳發(fā)生量平衡式

圖中：QX1為所需換氣量(m3/h);C2為新?lián)Q氣量中二氧化碳含量(m3/m3);n為車廂內(nèi)人數(shù);C1為每人每小時排出的二氧化碳量[m3/(h·人)];C3為車廂內(nèi)二氧化碳的允許濃度(m3/m3)。

因此保證車廂內(nèi)二氧化碳濃度不超過允許值所需的新?lián)Q氣量可按下列方法確定：

QX1C2+nC1=QX1C3

則車廂內(nèi)每小時內(nèi)所需換氣量計算公式為

車上乘客按休息狀態(tài)計算,每人每小時排出二氧化碳量C1為15 L/h,空氣中的二氧化碳含量C2為0.03%。由上可知,車廂內(nèi)允許的二氧化碳最大含量為0.15%,當n為50時,由下式可知：

QX1=625 m3/h

即當換氣量QX1為625 m3/h時，能滿足在特定環(huán)境條件下，當空調(diào)新風和頂風窗無法開啟之時，僅靠自動換氣系統(tǒng)保證車廂內(nèi)二氧化碳濃度不超過允許值。

2.2 車內(nèi)排氣格柵孔面積的確定

由上一節(jié)可知車廂內(nèi)換氣量應滿足：QX1≥625 m3/h，由于在整個工作過程中，當過道兩側立面上的格柵孔通過的空氣流速大于2 m/s時，車內(nèi)乘坐的乘客會明顯感受到氣體流動，影響乘客的乘坐體驗。為滿足乘客乘坐的舒適性，避免因短時間內(nèi)，車內(nèi)氣壓變化過大而導致車內(nèi)乘客耳疼等問題,確立過道兩側立面上的格柵孔通過的空氣流速小于等于2 m/s，格柵面積有效面積S1由以下公式可知：

S1為滿足整車人均換氣量所要求的通氣格柵最小過氣孔面積。根據(jù)實車狀態(tài)在過道兩側立面開總面積為S2的格柵過孔，其中S1≤S2,考慮到整車換氣的均勻性，在過道兩側前后均勻開10個270 mm×60 mm的過氣孔，增加過氣格柵后，過氣孔有效面積為70%，計算得過氣孔總面積為有效面積：S2=10×0.27×0.06×0.7=0.113 4 m2，滿足換氣量要求。

2.3 行李艙前立面過氣格柵開孔面積確定

客車高速運行時，高速氣流吹拂車體外表面,在緊貼車體外表面形成附面層,附面層區(qū)內(nèi)為負壓，氣流速度越高，負壓絕對值越大[8]。由于行李艙位置的車體外表面形成負壓附面層以及艙門的密封作用，外部氣體不會進入行李艙內(nèi)，由此可假定此時的行李艙為一個密封長方體，僅有地板過道兩側立面上的過氣開孔，以及行李艙前立面上部開的兩個換氣格柵孔，從而車體行李艙起到連通車廂內(nèi)與車廂外氣體流動的過渡風道作用，地板過道兩側的過氣孔為過渡風管的進氣口，行李艙前立面上部開的格柵孔為排氣口。結合實車布置結構以及輪上艙體設計尺寸，確定左右輪上艙體各開一個排風孔，排風孔尺寸為300 mm×200 mm。為了避免地板過道兩側立面上的格柵孔處氣流流速大于2 m/s，在行李艙前立面上部的排氣孔上安裝能自動調(diào)整開度的排氣格柵，格柵的開度調(diào)整與過道左右兩側立面上的進氣流速聯(lián)動，當流速大于2 m/s，排氣格柵開度減小，當流速小于2 m/s時，排氣格柵開度趨向變大，自動調(diào)整，確保在整車換氣的過程中，不影響乘客的乘坐舒適性。當可調(diào)節(jié)格柵全部開啟后,有效面積率為75%,則此時的排氣有效面積S3：

S3=0.3×0.2×2×0.75=0.09 m3

2.4 實車測量結果

在實車測試過程中，基于風速儀的實車測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 風速儀實車測量相關數(shù)據(jù)

當實車車速達到100 km/h時，行李艙上部排氣孔處的風速可達到4 m/s，此時排出風量Q出為

Q出=0.3×0.2×2×4×60×60=1 728 m3

Q出>Q滿足整車換氣量要求。為了保證地板過道兩側立面上的格柵孔處氣流流速不大于2 m/s，在行李艙前立面上部的排氣孔上安裝有能自動調(diào)整開度的排氣格柵，格柵的開度調(diào)整與過道左右兩側立面上的進氣流速聯(lián)動，當流速大于2 m/s，排氣格柵開度減小，當流速小于2 m/s時，排氣格柵開度趨向變大，自動調(diào)整，確保在整車換氣的過程中，不影響乘客的乘坐舒適性。

3 結論

設計整車自動換氣系統(tǒng)，通過理論分析結合應用實例，在滿足整車換氣量需求、提高乘客乘坐舒適性的同時，又能大大降低整車電耗，特別對于純電車，自動換氣系統(tǒng)不損耗整車電量，對提高整車續(xù)航里程、降低客運公司運行成本具有重要的意義。