某汽车空调系统怠速性能分析及改进

2018-01-24孙强陈博郭艳

汽车实用技术 2017年24期

孙强，陈博，郭艳

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601）

引言

汽车前端进风被用于冷却发动机（散热器）和空调（冷凝器）的散热，部分车型用于中冷器或变速箱油冷器的散热。随着对车燃油经济性以及排放标准的要求也越来越高。许多新技术以及新装置应运而生，如进气增压中冷技术、废气再循环（EGR）技术等。汽车动力舱的内部结构本身就比较复杂，半封闭的空间内包含了车辆的动力及传动装置，冷却系统，以及汽车空调系统等整车重要组成部分增加了这些新装置新技术后，使得动力舱内的位置更加紧凑，在运行状态下，各系统的热状态之间难免产生相互影响，不利于各系统的散热。因此，动力舱内的热流动问题以及如何发展更加高效的热管理系统，已经成为改善车辆散热性能、提高整车动力性的关键问题[1]。

前端进风量及进风有效性一直是各企业研究的重点之一。进气通风量及开口比例主要受造型约束条件影响，在此前提下，通风效率对冷却，空调具有重要影响。

本文对某车型前端散热开展分析及优化，通过改进提升了空调系统怠速性能。

1 存在问题及原因分析

表1 空调降温性能温度数据

某车型在空调系统性能验证中存在空调系统怠速性能不合格的问题。试验标准及工况：环境温度43℃，光照条件1000 W/ m2，驾驶室温升至60℃，按照《QC/T 658 汽车空调整车降温性能试验方法》工况进行测试。

图1 空调降温性能压力曲线

怠速工况，空调系统压力上升比较快。

图2 前端进风温度曲线

从前端进风温度曲线来看，怠速工况，进入冷凝器进风温度上升明显，已经到达70℃以上。

因此，热回风是造成空调怠速性能差的主要原因。

图3 动力舱内风扇的回流作用

动力舱内部，由于冷却风扇的抽吸作用，在风扇前形成负压区，将气流吸入，在风扇后，由于风扇的旋转作用，气流的压力得到提升，高压的气流将向低压区域进行扩散，因此形成了风扇的回流怠速工况下，由于车速较低，舱内流动主要靠冷却风扇的作用，因此，怠速工况下动力舱内的回流状况非常严重。动力舱后部的高温气流在冷却风扇的抽吸作用下，从散热器模块与舱顶部和底部的空隙中再次流回冷凝器和散热器的前端，导致进入换热的空气并非环境温度的冷却空气，而是发动机舱后部的高温气流，这使得冷凝器和散热器的散热受到影响，散热不充分，可导致空调系统统性能变差甚至失效。

2 计算模型建立

2.1 理论数学模型

流体传热过程中都受物理守恒定律制约，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等。

质量守恒方程也称为连续性方程：

上式中第 2、3、4项是质量流密度 (单位时间内通过单位面积的流体质量)的散度，可用矢量符号表示为：

动量方程：

式中：τij 为应力矢量；ρgi 为 i 方向的重力分量；Fi 为由于阻力和能源而引起的其他能源项。

能量方程：

式中：h 为熵；k 为分子传导率；kt 为由于湍流传递而引起的传导率；Sh 为定义的体积源。

鉴于发动机舱内流动环境复杂，而 SSTk模型在近壁面及远场都能准确反映真实流动状况，选用 SST k-ω模型作为三维数值计算的模型。

2.2 几何模型建立

为了研究前舱热流场对空调的影响，利用STAR C CM+，建立发动机舱模型。为了准确反映机舱内的真实流动情况，发动机舱内的所有模块和零部件，包括发动机 (如图4示)、车架、变速箱、风扇、散热器、和冷凝器等零部件都得到保留。在保证计算精度的基础上对直径较小的油、水、电管路以及细小的螺钉螺母进行简化处理。

图4 汽车模型

图5 发舱模型

2.3 网格划分

利用前处理软件 Hypermesh对简化后的几何模型进行二维面网格的划分。汽车发动机舱内的各零部件的外形十分复杂，由于三角形非结构化的网格具有良好的适应性，因此选用三角形非结构化网格对发动机舱的几何模型进行网格划分。为了保证计算精度，在模型处理的环节尽量保留几何细节。

2.4 计算边界条件

计算中将发动机舱外部的边界条件归类为外部边界条件。计算时所设定的主要的外部边界类型有：速度入口、压力出口、壁面无滑移边界。具体的参数设置为：速度入口：计算工况下的行车速度 (怠速为 0Km/h，压力出口：环境压力壁面边界：包括地面、车身表面以及各零部件的表面计算时采用的求解参数为：选取SST(Shear-Stress Transport)k湍流模型，能量方程，辐射模型选用 P1模型。用一阶迎风格式进行空间离散，采用 SIMPLE压力速度耦合方法进行迭代求解。

将发动机舱内部的边界条件归类为内部边界条件。冷凝器、散热器以及风扇采用多孔介质模型。