基于某车型机舱热流场分析的空调系统优化

宋瀚 张亚国 汪沛伟 顿栋梁 程爽

（东风汽车公司技术中心）

随着汽车技术的不断发展，以及人们对汽车舒适性要求的不断提高，空调在整车上的配置越来越普遍。空调系统是实现对驾驶室内空气进行制冷、加热、换气及空气净化的装置。优秀的汽车空调系统是整车舒适性不可或缺的一部分，能为驾乘人员提供舒适的乘车环境以降低驾驶员的疲劳强度，提高行车安全，对整车的舒适性和经济性影响很大。空调系统的性能主要受到循环机构的环境温度影响，因此空调系统的热环境研究是提升整车舒适性的重要课题，是整车设计的重要性能目标之一。为解决某车型空调系统基于现有的布置未能很好地达到性能目标的问题，通过发动机机舱热流场分析，快速找到有效的优化方案，改善了空调性能，提升了整车舒适性和品质感[1]。

1 空调系统与发动机机舱热流场的影响解析

1.1 空调系统环境影响因素

压焓图描述了空调系统的运行状态，如图1所示。图1中，1—2属于空调压缩机压缩做功的过程，此过程不断进行能量累积；2—5属于空调压缩机冷凝的过程，此过程空调系统对外散热；5—6属于制冷剂膨胀的过程；6—1属于制冷剂蒸发的过程，此过程空调系统制冷，发动机机舱对空调系统传导热量。

图1 汽车空调系统压焓图

从图1可以看出，当发动机机舱环境温度过高时，影响空调压缩机冷凝过程，空调压力上升，使冷凝压力升高，导致空调出风口温度较高。

1.2 某车型发动机机舱布置特点

1）某车型的发动机机舱较对标车x向缩小80 mm，零部件布置相对紧凑；

2）冷凝器、风扇受x向空间布置影响，无法继续优化；

3）发动机涡轮增压装置位于发动机机舱后端，导致发动机机舱前围附近温度较高；

4）格栅进风投影面积较对标车小，正投影面积只有17%，影响发动机机舱进风量。

1.3 某车型发动机机舱热流场分析

发动机机舱热流场同时包含流动和传热的问题，可将气体视为非可压缩流体计算，把发动机机舱看作能量守恒的热交换流动系统，通过STAR－CCM+软件进行CAE仿真分析。

通过CAE软件对该车型发动机机舱方案进行仿真分析，具体从气体流动和能量传递2个方向进行分析，发现从格栅处进入的一部分气流绕过冷却系统上下两端进入发动机机舱，并在散热器上下端和后部形成一定的“涡流”，导致冷却系统上下端存在一定的漏风现象[2]。这些气流“泄漏”及“涡流”不利于舱内热量排出，影响了空调的制冷性能。图2示出某车型发动机机舱截面流场速度矢量图。

图2 某车型发动机机舱截面流场速度矢量图

该车型受发动机机舱布置影响，前围距离发动机过近，前围局部区域传递热量较高，影响空调管路局部温场。图3示出某车型发动机机舱前围区域温场仿真图。

图3 某车型发动机机舱前围区域温场仿真图

1.4 某车型发动机机舱热环境转毂试验

1.4.1 整车发动机机舱热环境转毂试验标准

空调性能试验标准：按照某企业标准的要求，在环境温度35～40℃，环境相对湿度为45%～55%的条件下[3]，进行汽车多种工况转毂试验，采集空调出风口处测点的温度，评测空调制冷性能。

1.4.2 整车发动机机舱热环境转毂试验

某车型空调冷凝器进风处外表面按照编号依次布置温度测量点16个，如图4所示。图5示出某车型空调冷凝器多工况转毂试验进风测点温度图。通过图5可以看出，冷凝器上端4个测点的进风温度较高，发动机机舱上端存在热风回流。而空调管路布置位于发动机机舱z向上端，热风回流导致空调管路周边温度上升影响空调制冷效果，因此冷凝器上端密封有待改善。

图4 某车型空调冷凝器进风口测点位置示意图

图5 某车型空调冷凝器多工况转毂试验进风测点温度图

对该车型进行发动机机舱热环境转毂试验，环境温度35℃条件下，某车型空调系统多工况关键测点环境温度最大测量值，如表1所示。

表1 某车型空调系统多工况关键测点环境温度最大测量值 ℃

通过如图5和表1可知，受发动机机舱布置影响，发动机机舱内空调系统周边温度上升，管路从环境中吸热，导致空调系统压力过高。经测该环境温度下空调出风口温度为22～25℃（空调系统外循环），说明制冷效果不理想。

2 发动机机舱热流场优化方案

针对发动机机舱前端空调管路周围环境气体存在泄露与涡流和前围处空调管路周围环境能量辐射过大2个问题，提出优化措施。

1）针对气体存在泄露与涡流的问题，设计一款四周密封性良好的导流板，导流板尽量与冷却格栅贴合，减少导流板与环境件的间隙，尽量避免气体泄漏和涡流出现[3]。图6示出某车型空调冷凝器增加上下导流板示意图。

图6 某车型空调冷凝器增加上下导流板示意图

2）针对前围处空调管路周围环境能量辐射过大的问题，CAE仿真结果显示前围局部区域传递热量较高，影响空调管路局部温场，需要采用隔热罩进行包裹的措施，图7示出某车型发动机机舱前围处空调管路隔热罩包裹图。

图7 某车型发动机机舱前围处空调管路隔热罩包裹图

3 转毂试验验证效果

为了验证优化效果，在此进行转毂热环境试验，图8示出某车型发动机机舱前围空调管路测点环境温度优化前后对比图。

图8 某车型发动机机舱前围空调管路测点环境温度优化前后对比图

从图8可以看出，空调系统的管路和膨胀阀外表面温度下降明显，说明优化后发动机机舱前围管路周边温度改善效果良好。

图9示出某车型空调系统主驾驶出风口数据图。从图9可以看出，优化后驾驶室空调出风口最高温度下降明显，说明空调制冷效果得到改善，空调舒适性得到提高。

图9 某车型空调系统主驾驶出风口数据图

4 结论

文章通过对发动机机舱热流场的仿真分析和试验验证[4]，找到了发动机机舱内空调管道的热气流及能量辐射这2个对空调性能影响的重要因素，通过改善热环境的影响，优化了现有发动机机舱的布置，改善发动机机舱内流场和热辐射的分布，从而快速并经济地实现了空调性能的提升。为后续同类发动机机舱环境的车型空调开发提供了重要的设计依据。