商用車空調系統除霜改進提升研究

尚子威， 李豪杰

（徐州徐工汽車制造有限公司， 江蘇 徐州 221000）

隨著社會的不斷進步與發展，重卡車輛已經成為中國公路貨運中的重要運輸裝備。據統計，2021年國內重卡銷量為139.5萬輛，在重卡行業的蓬勃發展的同時，越來越多的人也開始意識到行車安全的重要性。在影響行車安全的各種因素中，風窗玻璃除霜性能直接影響到駕駛員的視野，因此提升風窗玻璃除霜性能具有重要意義。

本文以某重卡車型為例，通過在除霜模式下對風窗玻璃表面的速度場進行CFD分析，探究除霜風道風口流量分配及出風口風速對除霜效果的影響，其對于除霜效果的改進有重要工程價值和意義[1]。

1 商用車除霜原理和國標要求

1.1 商用車空調除霜系統原理

汽車風窗玻璃結霜的原因是，在冬季車內車外空氣溫差較大，玻璃外側的低溫飽和水蒸氣遇到溫度較高的風窗玻璃時，水蒸氣會析出附著在玻璃外表面，而當周圍環境溫度低于其露點溫度0℃時，玻璃表面的霧氣就會結霜。

商用車空調除霜系統采用發動機冷卻液為熱源，其工作原理如圖1所示。HVAC總成被安裝在駕駛室儀表板內，其內部構造可分為空氣進口、空氣處理、空氣分配3個部分。①空氣進口部分有鼓風機和用來調節內、外空氣循環的風門；②空氣處理部分有用來制冷的蒸發器芯體、用來制熱和除霜的加熱器芯體和溫度控制風門；③空氣分配部分有各模式風門，用來調節不同的出風模式。

圖1 汽車空調工作示意圖

當開啟除霜功能后，暖風水閥處于開啟狀態，高溫的發動機冷卻液流過加熱器芯體，加熱周圍的空氣，再通過鼓風機將熱空氣送入空氣分配區[2]。此時除霜風門處于打開狀態，其他風門處于關閉狀態，通過除霜風道和出風口的熱空氣被吹到前擋風玻璃和側玻璃區域，并使霜層融化，從而達到除霜目的[3]。

1.2 商用車空調除霜行業規范現狀

目前，國內暫無商用車專用的除霜標準，GB 11555—2009《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能和試驗方法》是針對M1類車輛的除霜試驗標準，重卡的相關試驗可暫參考此標準[4]。

GB 11555—2009《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能和試驗方法》中規定的除霜A區域、B區域如圖2、圖3所示。A＇區是以汽車縱向中心平面為基準面，與A區域相對稱的區域，側玻璃除霜區域為后視鏡在側窗玻璃的投影區域。

圖2 A區域

圖3 B區域

標準要求：試驗開始后20min，A區域有80%已完成除霜；試驗開始后25min，A＇區域有80%已完成除霜；試驗開始后40min，B區域有95%已完成除霜，試驗開始后25min，側窗區域有80%已完成除霜。

國外的除霜標準主要參考美國SAEJ 381《卡車、公共汽車和多用途汽車的擋風玻璃防霜系統試驗規程和性能要求》，其除霜A、C區域要求如圖4所示，區域繪制規則如表1所示，除霜性能要求滿足表2。

圖4 SAE J381中規定的A、 C區域

表1 A、 C區域繪制規則表

表2 除霜性能要求表

2 除霜性能的CFD分析和影響因素的探究

2.1 重卡除霜性能環境艙測試

對某車型進行環境艙除霜試驗，環境溫度為-18℃，發動機轉速為1600r/min，其余條件均滿足GB 11555—2009《汽車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能和試驗方法》要求，試驗中每間隔5min繪制一次除霜區域，試驗共進行45min，試驗結果如圖5、圖6所示。

圖5 前風窗玻璃除霜結果

圖6 側窗玻璃除霜結果

試驗結果顯示，A區在20min內未有霜層融化，A＇在25min內未有霜層融化，B區在40min時約有20%的除霜區域完成除霜，側窗在25min時未完成后視鏡可見區域的除霜，前窗玻璃和側窗玻璃除霜均不滿足除霜要求。

2.2 重卡除霜CFD模型

為改進該車型的除霜性能，需對除霜風道進行CFD穩態數值模擬分析。

CFD即計算流體力學，是指對描寫流動、傳熱、傳值的控制方程采用數值方法通過計算機予以求解的一門流體力學和數值方法相結合的交叉學科，屬于CAE的一個分支。

CFD分析在風道、風口設計過程中發揮著十分重要的作用，通過CFD分析結果我們可以知道設計的風道、風口是否滿足法規、人機及使用要求，其主要輸出物為玻璃內表面速度分布云圖。

在CFD前處理階段，對該車型劃分駕駛室、除霜風道等模型網格。去除模型中對氣流流動影響小的細小零件，將模型中小于3mm的凹槽和縫隙用平滑的曲面補平，簡化處理后的模型如圖7、圖8所示。還需確定邊界條件，仿真邊界如表3所示。

表3 仿真邊界條件表

圖7 駕駛室分析模型

圖8 除霜風道分析模型

2.3 除霜性能影響因素探究

對試驗車型除霜風道進行CFD分析與計算，得到風窗玻璃的風速分布如圖9所示，速度流線圖如圖10所示，各除霜風口的出風比例如表4所示。

圖9 風窗玻璃風速分布圖

圖10 風窗玻璃速度流線圖

表4 改進前各除霜風口出風比例

圖9、圖10表明風窗玻璃表面A、B區域風速偏低，風速不均勻；表4表明除霜風道各出風口出風流量分配不均勻。

分析結果顯示，影響除霜效果的因素主要有以下兩點：各出風口流量分配不均勻；風窗玻璃的除霜區域風速偏低。

3 空調系統除霜的優化改進

3.1 除霜風道的改進

針對以上問題，對除霜風道進行多次分析修改，各修改方案均進行CFD分析，各方案風窗玻璃風速分布圖如圖11所示。

圖11 各改進方案風速分布圖

基于以上分析結果，提出除霜風道改進方案如下。

1） 如圖12所示，將主駕側玻璃除霜風道折彎弧度減小，使風道風量增加，同時改變風口形狀，使主駕側玻璃著風面積增加。

圖12 主駕側玻璃風道改進對比圖

2） 如圖13所示，減小3、5號出風口大小，增大4號出風口，其他出風口也做相應調整，使改動后的出風口大小相當，進而使各出風口分風比例更均勻。

圖13 前玻璃風道改進對比圖

3） 完整除霜風道改進對比圖如圖14所示。

圖14 完整除霜風道改進對比圖

改進后，經CFD分析，各除霜風口分風比例如表5所示。

表5 改進后各除霜風口出風比例

可以看出，改進后的除霜風道各出風口分風比例更均勻，風窗玻璃著風面積增加明顯，A、B區域中風速達1.5m/s的面積大幅增加，改進后該車型除霜性能滿足行業規范要求。

3.2 除霜風道改進的試驗驗證

對改進除霜風道后的該車型重卡進行環境倉除霜試驗驗證，試驗條件與改進前相同，試驗中每間隔5min繪制一次除霜區域，試驗共進行45min，試驗結果如圖15、圖16所示。

圖15 前風窗玻璃改進后除霜效果

圖16 側風窗玻璃改進后除霜效果

試驗結果顯示，除霜風道改進后，風窗玻璃的除霜面積大幅增加，A、B區域的除霜面積達到行業規范要求，側玻璃除霜區域可以滿足駕駛員觀察后視鏡的要求。

4 總結

重卡車輛的除霜效果提升往往受限于經濟成本、無針對性國標等各種因素的影響，導致除霜效果提升困難。本文通過重卡風窗玻璃除霜試驗以及CFD分析，重點對影響除霜性能的因素進行探究，并提出兩點改進方向，即增大除霜區域著風點風速和平均分配各出風口分風比例。經驗證，該改進方案除霜效果提升明顯，對重卡的除霜性能改進有參考意義。