汽车空调小循环流阻过大可能导致的故障

谭冲

摘 要：在汽车空调系统开发的过程中，工程师往往忽略暖风芯体的流阻计算，实际上这一参数有可能影响到整个发动机冷却系统的正常工作。本文主要对这一参数与发动机冷却系统的散热性能关联性做出分析，并通过实际案例验证汽车空调暖风芯体流阻的优化对这一散热不良故障的消除，给同行业工程师在空调系统与发动机冷却系统的匹配设计时提供些许参考。

关键词：汽车空调；暖风芯体；流阻；发动机冷却；节温器

中图分类号：U463 文献标志码：A

1 汽车空调暖风系统原理

在普通燃油汽车中，空调的暖风系统是利用冷却液来吸收发动机的余热作为热源，引入到热交换器（暖风芯体）中，由空调鼓风机将车内或车外空气吹过热交换器表面而使之升温，从而满足乘员舱的采暖需求。这其实也是发动机冷却系统中的“小循环”系统，如图1所示。

2 发动机冷却系统原理

在汽车的发动机冷却系统循环中，可分为“小循环”与“大循环”。小循环即上一小节介绍到的冷却液仅在发动机与空调暖风芯体内的循环。而大循环则是指冷却液在发动机与散热器之间的循环。当发动机在冷车启动温度较低时，少量的冷却液会在发动机与暖风芯体内作小循环，使发动机能迅速达到工作温度；一旦达到设计温度，控制大、小循环转换的节温器则会开启，让冷却液能流至散热器内进行散热，随着发动机温度的升高，节温器开启的程度就越大，从而使更多的冷却液流动到散热器中，将发动机的热量完全散发到空气中，最后经过充分热交换的冷却液重新回到水泵里，通过水泵的加压，实现大小循环的不断流动。

3 案例分析

3.1 问题描述

某天接到售后部门反馈的一例电子扇常转的故障，根据如下电子扇的控制策略，证明发动机出水水温一直保持在91℃以上。而在正常情况下，水温超过82℃节温器将会开启，节温器开启后冷却液将流过散热器这一路大循环，散热器的出水管将会明显高于环境温度（实测散热器出水管表面温度与环境温度几乎一致），而发动机的出水温度也将相应降低，在非恶劣工况下水温低于91℃时，即电子扇会关闭，电子扇常转说明节温器工作不正常。

此种工况下发动机水温居高不下，散热器未能实现热量交换功能，电子扇一直在工作，导致油耗增加，能源消耗浪费，NVH舒适度降低，是一种较为明显的发动机冷却系统散热不良的故障，见表1。

3.2 根本原因分析

此款发动机的节温器布置在发动机的回水端， 由于空调系统的暖风芯体采用了两个流程的U-FLOW结构，性能较优，但流阻较大，导致发动机回水端流量低于限值，节温器不能正常冲开，大循环不能正常开启，电子扇一直在常转。

3.3 节温器的布置介绍

一般大多数节温器布置在发动机出水管路中。这种布置方式的优点是结构简单，能够灵敏感应到水温的变化，并且容易排除系统中的气泡；其缺点是在节温器工作时会产生振荡现象，这种现象是指在冬季起动冷态发动机时，由于冷却液温度低，节温器阀关闭。冷却液在进行小循环时，温度很快升高，节温器阀开启。与此同时，散热器内的低温冷却液流入机体，使冷却液又冷了下来，节温器阀重新关闭。等到冷却液温度再度升高，节温器阀又再次打开。直到全部冷却液的温度稳定之后，节温器阀才趋于稳定不再反复开闭。节温器阀在短时间内反复开闭的现象，称为节温器振荡。当出现这种现象时，将增加汽车的燃油消耗量。

但也有一部分发动机的节温器会布置在回水管路中，这种布置方式可以减轻或消除节温器振荡现象，但在普通蜡式节温器上容易产生系统匹配问题，严重时有可能导致发动机散热不良，即今天碰到的这个故障。

经过分析，此款发动机的节温器布置在发动机的回水端， 由于空调系统的暖风芯体采用了两个流程的U-FLOW结构，性能较优，但流阻较大（怠速工况下的流阻达到1.5kPa），导致发动机回水端流量低于限值，节温器不能正常冲开，大循环不能正常开启，电子扇一直在常转。

3.4 解决方案

将暖风芯体由原来的U-FLOW（双流程）结构更改为I-FLOW（单流程）结构，降低暖风芯体的流阻（怠速工况下由1.5kPa降低到0.8kPa），实车验证电子扇常转故障消除，如图2所示。

4 流阻计算总结

根据如上案例，可以总结出暖风芯体流阻的计算方法以供今后的设计参考。

4.1通过流量实验确定节温器正常工作需要的最小流速V。

4.2根据已知条件求出当前流体的状态，即求出雷诺数Re。

一般怠速情况下系统内冷却液流速不会过大，例如当流速为2.5m/s，管内直径为16mm时，根据公式

其中V为流速，D为管道直径，v为运动黏度（冷却液可参考水的参数大概为1.79*10-6㎡/s），可求出Re大约为2235。

备注：雷诺数是判别流动特性的依据，在管流中，雷诺数小于2300的流动是层流，雷诺数等于2300～4000为过渡状态，雷诺数大于4000时的是湍流。

4.3根据雷诺数，可求出沿程阻力损失系数λ，

当Re<2300时，

4.4根据沿程能量损失的计算公式，求出的最终可求出我们需要的流阻参数△P

式中λ为沿程阻力损失系数，v为流速，l为管壁长度，d为管壁直径，ρ为冷却液密度，g为重力加速度。

此值即可作为我们设计空调系统暖风芯体时的流阻上限参考。

结语

（1）结论一

空调暖风芯体流阻过大有可能会导致节温器不能正常開启，进而影响发动机冷却系统大循环的正常工作。

（2）结论二

大循环的非正常工作有可能导致电子扇常转，发动机水温持续过高。

（3）结论三

关于空调系统暖风芯体的流阻设计，可以通过以上公式计算或通过台架试验的方式确定小循环中暖风芯体的最小流量与流速，再通过节温器的台架试验即可确认当前的流阻参数是否会影响发动机冷却系统的正常工作。

参考文献

[1]杜广生，田瑞，王国玉，等.工程流体力学[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2]马明金.汽车空调构造使用与维修[M].北京：北京大学出版社，2005.

[3]于洪水.发动机与汽车原理[M].北京：北京大学出版社， 2005.