商用车暖风系统的匹配设计

韩殿荧，张凌露，宋伟（南京依维柯汽车有限公司产品工程部，南京210028）

商用车暖风系统的匹配设计

韩殿荧，张凌露，宋伟
（南京依维柯汽车有限公司产品工程部，南京210028）

结合南京依维柯某款商用车改型开发项目，对暖风系统进行匹配设计，同时对技术方案进行试验验证，最终达到预期性能目标。

商用车；暖风系统；匹配设计

目前商用车正朝着专用化和市场区域化方向发展，其中根据发动机性能和成本差异，同款车配备不同型号的发动机，就非常有代表性。针对不同型号的发动机，对暖风系统进行匹配，是暖风设计人员必须掌握的设计技能。暖风效果好坏对整车的舒适性影响很大。本公司某款17座轻型客车选用满足排放法规的F型发动机。通过性能参数分析，发现F型发动机工作水温比原型车选用的S型发动机工作水温低约11℃，两款发动机的水套容量及水泵功率基本相同。发动机水温特性对于利用发动机余热的非独立式暖风系统而言，对暖风性能起着至关重要的作用。按设计原则，首先应确保暖风性能；其次要有效地控制成本；再次要考虑市场的差异性及特殊需求。因此，暖风系统的匹配设计面临着诸多困难与挑战。本文以对F型发动机被选用后，暖风系统匹配设计为实例进行介绍。

1　防冻液余热式暖风系统性能提升

1.1暖风系统结构及摸底试验数据

原型车采用防冻液余热式暖风系统。暖风系统由5 kW前暖风串联4 kW后暖风的方式构成。其中前暖风与空调制冷模块集成在一起，布置于仪表板下方；后暖风布置在乘客区第一排双人座椅与第二排双人座椅之间。

为尽量控制开发成本和了解原型车暖风系统与F型发动机匹配的实际情况，对现暖风系统不进行任何调整，参照GB/T 12782-2007《汽车采暖性能要求和试验方法》［1］，进行原型车和改型车暖风性能摸底试验，试验数据见表1（试验环境温度是-15℃）。

表1　采暖摸底试验数据及对比

由上面数据可知，原型车的暖风性能是能满足标准要求的；改型车采用F型发动机配暖风系统，暖风性能达不到标准要求，尤其是乘员脚部平均温度比标准及原型车明显偏低。

1.2原因分析

1）冷负荷计算。通常用车身冷负荷来确定采暖系统的放热功率。由于理论计算过于复杂和不确定因素较多，在实际应用中一般按下式［2］计算冬天稳定状态下的车身冷负荷：功率Pe=500×n（W），式中：n为额定乘员数。

车身冷负荷主要由从车身钣金热传导传出的热量、从玻璃传出的热量、由于新风的进入等需补偿的热量三部分构成［3-4］。计算时设定如下条件：外部气温-15℃，车内温度希望控制在16℃。目前此车型额定乘员数是17人，那么对暖风系统的理论放热功率要求是Pe=500 n=500×17=8.5 kW，即冷负荷功率是8.5 kW。

2）造成性能不足的原因。影响暖风性能的因素主要有整车密封隔热性、发动机水温特性、发动机防冻液流量、暖风系统放热功率、暖风装置结构。因原型车的暖风性能是能达标的，改型车的整车密封隔热性、暖风系统额定放热功率、暖风装置结构与原型车均相同，只是改型车的F型发动机的水温特性与原型车的S型发动机不同，所以影响改型车暖风性能的最主要因素是发动机水温特性。通过发动机水温曲线可知，改型车发动机水温最高只有68℃，平均水温约63℃；另可知暖风系统进气温度在10℃左右。因此，进水与进气温差约为63℃-10℃=53℃，明显低于设计状态下进水与进气温差（65℃）。而进水与进气温差是影响暖风系统实际功率的最直接因素。经计算，实际暖风性能只发挥出额定功率的81%。因此，暖风系统实际所发挥出的功率低于额定功率，从而致使改型车（摸底试验）的暖风性能不及原型车。

3）提升方向。前暖风主要控制驾驶员区域的温度，后暖风主要控制乘员区域的温度。通过摸底试验可知，改型车驾驶员脚部温度基本能达到标准要求，乘员脚部平均温度与标准和原型车相差较多。虽然提高发动机水温是提升暖风性能最直接的措施，但因发动机水温是发动机固有的特性，从技术角度很难进行调整，即使能调整，但成本很高，周期过长。基于设计原则，要考虑开发成本及零部件的通用化。因此，为补偿因水温低而未发挥出的放热功率，可通过加大后暖风的放热功率，优化风量与吹风方向来提升暖风性能［5］。

1.3提升方案

前面已计算出暖风系统实际功率只发挥出设计额定功率的81%，设计状态额定功率是9 kW，那么，实际功率就是7.3 kW，比额定功率低了1.2 kW。因前暖风与蒸发器集成在一起，位于仪表板下方，如增大前暖风功率，需对前空调总成进行大幅度修改。经分析，不具备可行性；且由于驾驶区采暖温度已满足要求，因此也没有必要。所以只能增大后暖风的额定功率，把其功率由4 kW增大到6 kW，同时增大风量与优化吹风方向。

提升后暖风功率，暖风系统为乘客区提供了更多的热量，会提升乘客区温度。后暖风风量的增加，会加快乘客区气流循环速度，进而提高乘客区温升速度。通过改变后暖风的吹风方向，使气流从乘客区前面吹向后面，可实现乘客区内的气流循环更为顺畅，进而均匀乘客区前后排温度分布［6］。

1.4提升情况验证

实施提升方案后，改型车在环境温度-15℃条件下，驾驶员脚部平均温度为15.6℃，乘员脚部平均温度为12.7℃，效果较好，明显优于之前的性能，与原型车相当，完全能达到标准要求。

发动机水温曲线对比见图1（环境温度-15℃）。通过水温曲线可知，后暖风的功率加大后，发动机水温虽有所降低，但最小值仍高于55℃，对发动机的使用寿命影响不大。

综上所述，通过加大后暖风的功率和优化后暖风结构，可实现暖风效果明显提升，温度分布均匀性及温升速度也得到显著提高，能优于原型车，完全能达到标准要求。

2　综合式暖风系统设计

由于原型车在东北地区冬季使用时，部分用户对暖风性能不足存在一定抱怨。针对此市场需求，结合改型车项目，需开发针对东北市场的综合式暖风系统。

2.1东北冬季冷负荷计算

结合车辆在东北冬季的具体使用环境温度，选定-25℃作为理论计算的环境温度，仍设定车厢内采暖预期所达到温度为16℃。同样可推导出，车身冷负荷功率Pe=650 n=650×17=11.05 kW。显然，环境温度-25℃时的车身冷负荷功率比环境温度-15℃时大2.55 kW。因此，在环境温度低于-15℃时，暖风性能不足，用户会存在抱怨。

2.2综合式暖风系统方案

因不能无限制地增大后暖风的功率；通过调整发动机自身的方式来提升水温的方案前面已经分析过，其技术难度大、成本高、周期长，不具备实施可行性。因此，只能通过外围辅助加热设备，对发动机进行加热，从而提升水温，增大暖风系统的热量供应，使水温保持在75℃左右，同时使暖风系统的额定放热功率达到11kW。

具体思路是在前述改型车提升方案的基础上，设计发动机余热式暖风系统与独立燃油暖风系统相结合的综合式暖风系统。系统组成见图2。通过使用独立燃油暖风加热器，对发动机进行辅助加热，使水温达到75℃左右。这样进水与进气之间的温差就能达到65℃左右，如此就能保证暖风系统的额定放热功率100%地发挥出来［7］。

2.3独立加热器功率需求计算

车内采暖功率Pe由两部分组成，即Pe=Ph+Pen。

式中，Pe也就是车身冷负荷功率，前面已推导出在环境温度-25℃时，Pe=11.05 kW；Ph是独立燃油暖风加热器放热功率；Pen是发动机工作时，单位时间内传递给暖风系统防冷却液的热量。

通过查询此改型车所搭载发动机的参数，并通过经验公式计算，可知Pen≈7 kW。因此，Ph=Pe-Pen=4.05 kW。根据现有资源，选定使用放热功率为5 kW的独立燃油暖风加热器。

2.4效果验证

在环境温度为-25℃时，温度提升效果见表2；发动机水温对比见图3。

表2　改型车综合式暖风系统试验效果

通过对比可知，改型车使用了综合式暖风系统后，暖风性能明显优于摸底试验时的性能，尤其是乘员脚部平均温度提升更为明显。

通过水温曲线可知，改型车（综合式暖风）发动机水温曲线明显高于改型车（摸底试验）。可见独立燃油暖风加热器在为整车采暖做出贡献的同时，也提高了发动机水温。

3　结束语

对于非独立燃油暖风系统而言，影响暖风系统的主要因素是发动机水温特性及暖风系统的额定放热功率，而发动机水温特性是发动机自身的固有参数。一般情况下，难以进行调整。在调整暖风系统的额定放热功率的同时，要充分考虑对发动机水温的影响，不能无限地提高暖风系统的额定放热功率。把非独立暖风系统和独立暖风系统有效地结合起来的综合暖风系统，既能解决整车乘员采暖问题，又能对提高整车冷启动性、降低发动机磨损、提高除霜除雾性能起到显著的作用。在设计时，需特别注意暖风系统各部件接口结构、布置方式等具体细节。

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［1］GB/T 12782-2007，汽车采暖性能要求和试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［2］赵书明.客车采暖系统现状及发展趋势［J］.城市车辆，2009，（6）：56-59.

［3］胡运学.客车采暖系统设计与选型［C］.2005年中国客车学术年会论文集，2005.

［4］刘彬，梁虹，陈研，等.发动机余热回收技术的研究现状及发展趋势［J］.小型内燃机与摩托车，2011，（2）：93-96.

［5］周庆辉，纪威，王夺.汽车空调暖风机热交换器的优化设计［J］.工程设计学报，2010，（2）：156-160.

［6］范敬槐，沈之雄.大客车液体加热器安装要点［J］.客车技术与研究，2001，23（2）：28-29.

［7］李恒.车载暖气系统的设计与安装［J］.客车技术与研究，2003，25（6）：21.

修改稿日期：2015-04-06

Match and Design on Heating Equipmentof CommercialVehicle

Han Dianying，Zhang Linglu，SongWei
（Production Engineering Department，NAEVCO Ltd，Nanjing 210028，China）

Based on themodification developmentofa commercial vehicle of NAVECO，the authorsmatch and design the heating system，atthesame time they testand verify the techniqueprogram，and finally they achieve the desired performance targets.

commercial vehicle；heating system；match and design

U464.333

B

1006-3331（2015）05-0034-03

韩殿荧（1984-），男，工程师；技术主管；研究方向：汽车空调制冷与采暖。