某轻型客车采暖的理论分析与试验

钟 凌

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某轻型客车采暖的理论分析与试验

钟 凌

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

为适应客户不断提高的乘坐舒适性，汽车空调设计开发也在不断提高自身水平，以满足市场需要。原有的空调设计、试验、整改、再验证的手段已经逐渐不能适应产品开发周期。空调的设计开发需要依靠一定的理论计算，为系统匹配、及整改方案提供理论依据。本文通过使用建立的理论分析模型，定性的、定量的对某轻型客车采暖性能问题进行分析，并提出整改验证，试验证明本文的理论分析模型方向是正确的。

理论分析；FTA分析模型；计算模型；试验验证

CLC NO.:U471.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-18-04

前言

随着汽车工业的高速发展，汽车空调系统已成为现代汽车的标准配置。国民经济水平的不断提升，人们的购买能力逐渐提高，消费者在要求汽车具备强动力、低油耗、高安全、长寿命等的同时，开始越来越注重汽车的外观、环保、舒适等指标，而空调系统满足客户需求的程度，是客户评价车辆舒适性好坏的直接标准。为适应更多的市场需求，在外界环境温度较低时，如何为乘客提供温暖舒适的环境；在无法提供客户满意的车内温暖环境时，如何进行采暖性能提升，便成了设计开发的研究对象。本文正是以某轻型客车为例，提出采暖性能分析的方法。

1、主要结构、工作原理及现状

1.1 该轻型客车采暖系统结构

该轻型客车暖风系统包括前、后暖风的双系统结构，系统中零部件结构组成见图1，冷却液从3发动机出水管经4前水阀，进入到1前加热主机，再由6前暖风出水管经4前

水阀到7后暖风进水管，进入9后加热主机，最后由8后暖风出水管回到发动机，形成水路循环（水路循环简图见图2）。

1.2 采暖系统工作原理

该轻型客车采暖系统的基本原理是：发动机产生热量被冷却液吸收后，通过暖风管路传递到暖风加热器芯体，在加热器芯体表面与冷空气进行热交换，并形成热空气进入到驾驶舱内。冷却液的传递在节温器处有三个分支，如图3示，当水温低于82℃时，节温器不开启，大部分冷却液进入加热器，另一部分直接经小循环回发动机；当水温高于82℃时，节温器开启，一部分冷却液由节温器进入到散热器，另一部分冷却液进入加热器，还有一部分直接经小循环回发动机。

由暖风工作原理可知：当暖风主机不变时，进入加热器芯体的水温越高、水流量越大，进入到驾驶舱内的空气温度越高。

1.3 该轻型客车采暖现状说明

参照《GB/T 12782 汽车采暖性能试验方法》，试验得到该轻型客车采暖效果全面低于标准指标水平（如图4），驾驶舱内人员主观感觉寒冷。

2、采暖性能理论分析

2.1 采暖理论正向计算分析法

2.1.1 理论依据说明

根据图5的热传递方向，要满足整车采暖的热量需求，首先要满足以下公式：Q＞Qn＞Qj。

2.1.2 数学模型建立

2.1.2.1 冷却液热量计算

在采暖工况条件下，车辆匀速行驶，此时不存在坡度阻力Fi，加速阻力Fj，仅考虑滚动阻力Ff和空气阻力Fw。

由汽车理论相关计算公式得出：

利用公式①～⑦计算得到该轻型客车在试验工况下的发动机功率15.5kw，扭矩64.3N.m，查发动机万有曲线特性，得到车辆在该工况条件下燃油消耗率b=279 g/(kW·h)。

冷却液吸收热量比例取25%，计算得到该轻型客车冷却液吸收热量为12.88kw

2.1.2.2 芯体热交换计算

车辆暖风系统可提供热量为暖风加热器空气侧能量，其换热能力与暖风加热器自身性能、换热利用率有关，本文通过平均温差法进行计算。

主要用到两类公式：传热方程式和热平衡方程式。

（1）加热器的传热方程式：

式中：ka为传热系数，W/(m2·k)；Fa空气侧传热面积，m2； △tm为换热器进出口的对数平均温差，℃；h为水侧的

w换热系数，W/(m2·k)；ha为空气侧的换热系数，W/(m2·k)；Fw为水侧的换热面积m2。

其中，

式中：λw为冷却液的热导率，取为64.8×10-2W/(m·k)；Dw为水侧的当量直径，为1.8mm；Dwmax为水侧矩形长，为25.7mm；Dwmin为水侧矩形的宽，为0.94mm。

式中：j为空气侧换热因子；Cpa为空气的热导率，取为1.005kJ/(kg·℃)；Ma为空气侧单位面积质量流速，单位kg/(m2·s)；Pr为空气的普朗特数，取0.669。

ReLp为以Lp为特征尺寸的空气侧雷诺数；Lp为百叶窗间距；v为空气流速，m/s。

式中：tw、ta分别表示水侧和空气侧的温度；下标1,2分别表示进、出口。

（2）换热器的热平衡方程式：

式中：qmw为冷却液质量流量，kg/s；qma为空气侧质量流量，kg/s；cpa为空气比热容，值为1.005kj/(kg·℃)；cpw为冷却液比热容，值为3.429kj/(kg·℃)。

利用公式⑧、⒀、⒁，给定该轻型客车前暖风进水温度50℃，流量7.25L/min，进风温度-25℃时，计算得到前暖芯体换热量Qn1=6.6 kW，后暖风进水温度37℃，流量7.25L/min，进风温度0℃时，计算得到后暖芯体换热量Qn2=2.6 kW。

该轻型客车暖风芯体转化的热量Qn=Qn1+Qn2=6.6+2.6=9.2 kW。

2.1.2.3 汽车冷负荷计算

汽车的冷负荷构成包括车体结构散热、风挡玻璃散热、新风、漏风热消耗，如图7示，其中：Qa为车身顶部耗热量，Qb为玻璃门、窗耗热量，Qc为车身侧部耗热量，Qd为车室内地板散热量。

车体结构散热计算公式：

式中：Ka为换热系数，W/(m2·k)；Aa为传热面积，m2；ΔT为车室内外空气温差，℃。

冷空气渗透耗热量计算公式为：

风挡玻璃耗热量：

式中：Gf为用于风挡玻璃除霜的风量，m3/h；Δt为室内室外空气温差。

计算得到该轻型客车冷负荷为：

3、试验验证

3.1 计算验证

经上述公式计算得到：Q=12.88kw；Qn=9.2kw；Qj=15.5kw。

结论：Q＞Qn，但是Q、Qn＜Qj；某轻型客车发动机热量需求不能满足整车负荷要求。即发动机提供的水温、水流量不足。

3.2 解决方案

该轻型客车水温、水流量提升方案：

（1）增加辅助加热器，暖风前后水口温度提升至℃。

（2）优化暖风进出水口，前暖流量提升至L/min，后暖流量提升至L/min。

利用3.1.2公式计算得到：Qn=15.35kw；达到车辆冷负荷的99%。

3.3 验证数据

试验得到该轻型客车采暖效果已高于标准指标水平（如图11），驾驶舱内人员主观感觉较为暖和。

4、结束语

采暖理论分析的研究，是为了系统的分析空调采暖性能问题，利用理论定性分析及定量计算，提出有效的性能提升方案，通过将采暖理论分析在某轻型客车采暖性能提升分析的应用，验证了理论分析技术，为空调系统的正向开发提供理论准备。

[1] 陆瑞松, 林发森, 张瑞. 内燃机的传热和热负荷[ M] .国防工业出版社, 1985.

[2] 杨世铭,陶文铨.传热学(第三版) [ M] . 高等教育出版社, 1998.

[3] 李群科，发动机散热器的设计研究[ J ] .发动机工程, 2001, 4 : 66 -69 .

[4] 王世平，汽车空调热负荷分析与计算[ J ] .制冷与空调, 2002, 2：50 - 54.

[5] GB/T 12782 《汽车采暖性能要求和试验方法》[s]. 中国标准出版社, 2007 .

Theoretical Analysis and Experiment of a light bus heating

Zhong Ling
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

In order to meet increasing customer comfort, design and development of automotive air conditioning are also constantly improve their own level, to meet the needs of the market. Original air-conditioning design, testing, rectification, revalidation means has gradually unable to meet the product development cycle. Air conditioning design and development need to rely on some theoretical calculations, provide a theoretical basis for the system to match, and the rectification program. By using established analytical model, qualitative and quantitative performance issues on a light passenger heating analysis and the rectification validation test proved the theoretical analysis model in the right direction.

Theoretical Analysis；FTA Analysis Model；Calculation Model；Experimental Verification

U471.2

A

1671-7988(2014)11-18-04

钟凌，工程师，就职于安徽江淮汽车技术中心，从事电器设计工作，研究方向汽车空调。