改善车内空气品质的自动换气系统设计

可杰

(郑州宇通客车股份有限公司，河南郑州 450061)

0 引言

为满足车内乘客的乘坐舒适性，客车一般标配自动恒温空调。自动恒温空调带有换新风功能，在车辆运行过程中，根据温度设定的控制逻辑持续补充车内新鲜空气，调节车内空气质量，提高车内乘客的乘坐舒适度。但这种换气方式在车辆实际运行过程中存在的诸多问题：首先，车辆在恶劣天气行驶，空调新风功能无法工作时，顶风窗和推拉窗玻璃不能打开，长时间运行车厢内的空气质量差，影响乘客的乘坐舒适性；其次，即使有少许车辆安装有电动换气扇，但单个换气扇单位时间内的换气量小，仍不能满足整车换气需求；另外开启换气扇会产生噪声，同样影响乘客的乘坐舒适性。针对以上问题，设计一种能够保证车辆在行驶过程中不受外界环境因素影响的自动换气系统非常有必要。

1 自动换气系统实现原理

为了更好地表达自动换气系统实现的基本原理，以基础样车构建数值模型，采用流体分析软件CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟分析整车在行进过程中，外部风场在车身上形成的压力分布，如图1所示。

从压力分布图上可以看出车辆前围为正压区，此时除霜器外进风口通过过渡风道伸到正压区，利于气流通过除霜器进入车内。此时在行李舱前立面的前桥上方和木地板下方形成的区域为一个负压区，车辆运行车速越快，负压区与车内的气压差越大，如将车内和车外此负压区通过管道连通，在压差的作用下，车内浑浊气体会沿着连接管道自动向车外排出，以实现车辆自动换气功能，由此构成了自动换气系统实现原理的理论依据。如何开设车厢内的出气口和车厢外负压区的排气口？其设计方案首先要满足车厢内的出气口不能影响车型的整体美观性，综合考虑将车内排气口设置在凹地板过道两侧立面上。其次车外排气口要满足以下3点要求：首先，不能影响整车外轮廓的美观性，所以外排气口不能开在车身蒙皮上；其次，车辆在正常涉水深度时，不能因为此出风口导致水溅到车体内部；第三，车辆驻车时，不能有车外异味气体传入车内。综合以上3点将车外排风口开在前桥上部轮上舱体位置的行李舱前立面，左右两侧各开一个排气孔。此时，车厢内部气体通过凹地板过道两侧立面上的过气孔与行李舱贯通，然后通过行李舱前立面上的排气孔与车外气体相互连通，实现了自动换气系统的雏形。

图1 模拟整车运行中的压力分布图

2 自动换气系统的设计与验证

2.1 换气量的计算

根据国标JT/T 325-2018《营运客车类型划分及等级评定》中关于高一级、高二级客车换气量的强制要求，强制通风人均换气量不小于25 m3/h。

Q=n×25

式中：Q为整车需要的换气量；n为乘坐人数(驾驶员+乘客+导游员)。

以整车乘坐人数50为例，整车需要换气量Q=50×25=1 250 m3/h；按车辆正常运行过程中，空调自动开启，空调自带新风功能，每小时换气量近2 500 m3/h，再加上司机窗、顶风窗、前除霜的外进风等换气方式，总体换气量远远大于国标规定的人均换气量要求。但在特定运行环境，上述方式都无法开启时，从卫生要求出发，整车仍需要相应的换气量以满足车上乘客基本生理换气量要求。我国空调车车内二氧化碳控制标准为:容积浓度小于或等0.15%[5-7]，此时空调车厢内所需新风量的大小主要是根据室内允许二氧化碳的浓度来确定的。车厢内二氧化碳发生量的平衡式见图2。

图2 车厢内二氧化碳发生量平衡式

图中：QX1为所需换气量(m3/h);C2为新换气量中二氧化碳含量(m3/m3);n为车厢内人数;C1为每人每小时排出的二氧化碳量[m3/(h·人)];C3为车厢内二氧化碳的允许浓度(m3/m3)。

因此保证车厢内二氧化碳浓度不超过允许值所需的新换气量可按下列方法确定：

QX1C2+nC1=QX1C3

则车厢内每小时内所需换气量计算公式为

车上乘客按休息状态计算,每人每小时排出二氧化碳量C1为15 L/h,空气中的二氧化碳含量C2为0.03%。由上可知,车厢内允许的二氧化碳最大含量为0.15%,当n为50时,由下式可知：

QX1=625 m3/h

即当换气量QX1为625 m3/h时，能满足在特定环境条件下，当空调新风和顶风窗无法开启之时，仅靠自动换气系统保证车厢内二氧化碳浓度不超过允许值。

2.2 车内排气格栅孔面积的确定

由上一节可知车厢内换气量应满足：QX1≥625 m3/h，由于在整个工作过程中，当过道两侧立面上的格栅孔通过的空气流速大于2 m/s时，车内乘坐的乘客会明显感受到气体流动，影响乘客的乘坐体验。为满足乘客乘坐的舒适性，避免因短时间内，车内气压变化过大而导致车内乘客耳疼等问题,确立过道两侧立面上的格栅孔通过的空气流速小于等于2 m/s，格栅面积有效面积S1由以下公式可知：

S1为满足整车人均换气量所要求的通气格栅最小过气孔面积。根据实车状态在过道两侧立面开总面积为S2的格栅过孔，其中S1≤S2,考虑到整车换气的均匀性，在过道两侧前后均匀开10个270 mm×60 mm的过气孔，增加过气格栅后，过气孔有效面积为70%，计算得过气孔总面积为有效面积：S2=10×0.27×0.06×0.7=0.113 4 m2，满足换气量要求。

2.3 行李舱前立面过气格栅开孔面积确定

客车高速运行时，高速气流吹拂车体外表面,在紧贴车体外表面形成附面层,附面层区内为负压，气流速度越高，负压绝对值越大[8]。由于行李舱位置的车体外表面形成负压附面层以及舱门的密封作用，外部气体不会进入行李舱内，由此可假定此时的行李舱为一个密封长方体，仅有地板过道两侧立面上的过气开孔，以及行李舱前立面上部开的两个换气格栅孔，从而车体行李舱起到连通车厢内与车厢外气体流动的过渡风道作用，地板过道两侧的过气孔为过渡风管的进气口，行李舱前立面上部开的格栅孔为排气口。结合实车布置结构以及轮上舱体设计尺寸，确定左右轮上舱体各开一个排风孔，排风孔尺寸为300 mm×200 mm。为了避免地板过道两侧立面上的格栅孔处气流流速大于2 m/s，在行李舱前立面上部的排气孔上安装能自动调整开度的排气格栅，格栅的开度调整与过道左右两侧立面上的进气流速联动，当流速大于2 m/s，排气格栅开度减小，当流速小于2 m/s时，排气格栅开度趋向变大，自动调整，确保在整车换气的过程中，不影响乘客的乘坐舒适性。当可调节格栅全部开启后,有效面积率为75%,则此时的排气有效面积S3：

S3=0.3×0.2×2×0.75=0.09 m3

2.4 实车测量结果

在实车测试过程中，基于风速仪的实车测量数据如表1所示。

表1 风速仪实车测量相关数据

当实车车速达到100 km/h时，行李舱上部排气孔处的风速可达到4 m/s，此时排出风量Q出为

Q出=0.3×0.2×2×4×60×60=1 728 m3

Q出>Q满足整车换气量要求。为了保证地板过道两侧立面上的格栅孔处气流流速不大于2 m/s，在行李舱前立面上部的排气孔上安装有能自动调整开度的排气格栅，格栅的开度调整与过道左右两侧立面上的进气流速联动，当流速大于2 m/s，排气格栅开度减小，当流速小于2 m/s时，排气格栅开度趋向变大，自动调整，确保在整车换气的过程中，不影响乘客的乘坐舒适性。

3 结论

设计整车自动换气系统，通过理论分析结合应用实例，在满足整车换气量需求、提高乘客乘坐舒适性的同时，又能大大降低整车电耗，特别对于纯电车，自动换气系统不损耗整车电量，对提高整车续航里程、降低客运公司运行成本具有重要的意义。