基于不同暖风芯体空调采暖性能研究

魏启武,马胜龙,翟超，程建松，李海燕,郑涛

(1.奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖 241000；2.安徽省煤田地质局第二勘探队,安徽芜湖 241000)

0 引言

整车空调性能开发是整车性能开发过程中非常重要的属性，与用户体验紧密关联[1-2]。整车空调降温性能与采暖性能是整车舒适性的重要内容。降温性能相比采暖性能而言，关联零部件性能较多，研究起来复杂，因此，相关的仿真计算和试验研究也多，结果也比较可靠[3-5]，而采暖性能涉及关联零部件少，反而相应的仿真和试验研究较少，可供参考的文献有限。

整车空调采暖性能在实际开发过程中，往往涉及到一些关键零部件需要从成本和性能方面开展对比选型，虽然整车厂可以开展环境舱模拟验证，但试验周期较长，试验设备运行成本也相当昂贵，如何做到性能既能满足目标要求、成本最低，并能快速对比、正确选型是整车厂空调性能开发过程中经常遇到并亟需解决的问题。本文作者将借鉴空调降温性能开发思路利用仿真手段解决上述问题[6]。

1 采暖性能原理与仿真模型建立

1.1 空调采暖性能原理

燃油车空调采暖性能原理比较简单，其采暖的主要热源来源于燃油燃烧过程中释放的热量。热量通过发动机冷却液体进行热交换后，冷却液流经暖风芯体时与空调箱体从外部吸入的空气再次进行热交换，加热的空气吹入驾驶舱内，从而实现采暖。但整车采暖的效果与发动机水温高低、流量大小以及空调箱体的风量都有关系，这些因素相互影响，其中暖风芯体的性能起着至关重要的作用。对于相同动力总成(不考虑大循环开启)和空调箱体，如果暖风芯体换热性能相当或稍有差异，还不能简单、直接判断出其在整车上的采暖效果的优劣，如表1所示，还需进一步结合暖风芯体气侧和液侧阻力具体值开展量化分析。实际过程中往往因为这种多变量相互影响，造成芯体选型困难。

表1 暖风芯体气/液侧阻力对换热量影响

1.2 仿真模型建立

1.2.1 仿真模型假设

采暖仿真模型的建立主要分为两部分：一部分基于暖风芯体的系统台架试验搭建；另一部分基于整车搭建。

其中系统台架计算模型做如下假设：

(1)暖风芯体进、出水管绝热，与外界大气不发生热交换；

(2)暖风芯体出水管足够长，对暖风芯体出水口压力和温度不产生影响；

其中整车计算模型做如下假设：

(1)基于相同动力总成和空调箱体，冷却液吸收热量不因暖风芯体变化而变化；

(2)只考虑冷却系统大循环未开启状态；

(3)发动机自身换热情况较复杂，与外界视为绝热状态，不与外界空气发生热交换。

1.2.2 采暖系统台架与整车模型建立

文中采用AMESim软件搭建系统台架与整车仿真模型，如图1—图2所示。

图1 加热芯体台架系统仿真计算模型

图2 整车采暖仿真计算模型

2 仿真计算与分析

2.1 系统台架仿真计算与分析

2.1.1 流量、风量测试

文中有两种暖风芯体以供选型，一种为外购件，成本相对较高；一种为自制件，成本相对较低。

结合实际的整车环境模拟试验工况，对搭载两种暖风芯体的液侧流量与空气侧风量进行测试，测试结果见表2—表3。

表2 液侧流量测试结果

表3 空气侧风量测试结果 m3/h

2.1.2 计算结果分析

结合液侧流量与风量测试结果，通过系统台架仿真模型，对搭载两种暖风芯体系统开展计算，并与实际台架结果对比，结果如表4—表5所示。

表4 外购件台架仿真计算结果

表5 自制件台架仿真计算结果

根据计算结果与分析，得出暖风芯体出水温度与出风温度，其仿真精度与试验结果对比偏差最大可以控制6%左右，部分点精度甚至与试验结果非常接近。因此，采用的台架仿真模型可靠性可以满足工程设计需求[7]。

2.2 整车仿真计算与分析

为了对比整车采用两种暖风芯体后采暖性能的表现，将搭载两种暖风芯体后的整车置于低温环境舱中保温，待机油与冷却液水温都达-20 ℃后进行测试：先将空调关闭，发动机怠速，待水温达到80 ℃后，将鼓风机设置成7挡，温度设置成最高温度，测试20 min后将鼓风机挡位调至3挡，继续测试20 min，对比整个过程中空调出风温度情况。

其仿真计算过程与测试过程基本保持一致，仿真与测试结果如图3—图5所示。

图3 外购/自制件整车暖风出风温度仿真结果

图4 外购/自制件整车暖风出风温度测试结果

图5 外购/自制件整车暖风芯体换热仿真结果

计算结果表明：搭载自制件，空调出风温度整体较外购件高，趋势与实际的测试结果一致，但数值最大差异不大于10 ℃，这种差异性主要是由于发动机缸体的吸热与外界的换热导致。由于这部分边界瞬态吸换热情况实际比较复杂，仿真模型做了一些假设性考量，因此，整车仿真模型结果精度相比台架仿真结果稍差。但暖风芯体的换热量外购件稍优于自制件，差异性非常小。

3 结论

文中通过借鉴相关文献对整车空调降温性能的研究方法与思路，采用类似方法对空调采暖系统台架与整车进行了仿真分析与试验测试比较，并将其应用在整车空调采暖性能关键零部件的选型上。通过上述方法可以快速、准确对暖风芯体关键零部件做出判断选择，可以极大地降低试验成本和节省时间成本，经济有效地满足了项目开发的需要。

通过对两种暖风芯体的测试与分析，可以得出如下结论：

(1)两种暖风芯体台架测试与仿真结果差异小于7%，部分工况点精度甚至与测试结果完全一致，满足工程开发的需要；

(2)搭载两种暖风芯体的整车测试与仿真结果比较，趋势完全一致，差异不大于10 ℃，这种差异性主要是由于整车的复杂边界条件无法真实模拟，采用假设条件导致，后续可以尝试对边界条件进行调整提高仿真精度；

(3)两种暖风芯体在整车上仿真换热量差异性较小，但自制件较外购件出风温度高，整车表现更好，与整车实际测试结果一致；

(4)从整车采暖性能角度考量，采用成本相对较低的自制暖风芯体可以取代外购暖风芯体。