关于汽车车身泄压阀及整车气密性对关门能量的影响研究

刘禹呈，周杰，李涛

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

0 引言

随着汽车工业的发展和大众生活水平的提高，消费者对汽车的各方面性能和操作体验都有着越来越高的要求。汽车作为日常重要的交通运载工具，其车内的独立空间体验是其重要性能之一，整车气密性则是决定独立空间体验的重要性能指标。另外，目前车身都安装有泄压阀，以解决车载空调在外循环模式下，空调鼓风机对车舱内鼓风引起车舱内压力升高问题，以保证驾乘人员的舒适性等[1]。

目前及未来的一段时间内，传统旋转门仍是最为普遍的汽车车门形式，它在关闭过程中往往需要使用者施加一定的力和能量。这个关闭车门所用的能量，一般称为关门能量，而关闭某一车门所需的最小能量，则称为最小关门能量，这一能量直接反映使用者关闭车门的难易程度，而更便利容易的关门操作往往给使用者更好的操作体验，这就往往需要较小的关门能量[2]。

在关闭旋转门的过程中，需要克服一系列阻力，其中空气阻力是重要的一部分，而空气阻力中重要的一部分是旋转门将空气扇入并压入车舱内的空气阻力[3]。其中，在扇入和压入过程中，空气从各个泄漏路径的排出情况决定着过程空气压阻，也就是车门关闭过程中重要的一部分阻力。车舱的泄漏路径主要由车身泄压阀和整车的气密性决定[4]。因此关门能量与车身泄压阀及整车气密性有着密切的关系，本文作者将对车身泄压阀及整车气密性对关门能量及最小关门的影响进行研究。

1 车身泄压阀和整车泄漏

1.1 车身泄压阀

如上文所述，车身泄压阀是用于释放车舱内过高的压力单向气阀，如图1所示。一般车舱内的气压升高主要有两种情况：一是由于车载空调在外循环模式下运行时，空调鼓风机将车外的空气鼓入车舱内，车舱内气体增加压力升高；二是在关闭旋转门等开闭件过程中，开闭件将空气扇入和压入车舱内，致使车舱内气压快速升高。一般卸压阀的结构为机械单向阀，且在受到不同压力时，打开不同的泄漏面积，从而在不同压力下被动地产生不同的车舱内空气流出车舱的泄漏流量。泄压阀的卸压能力设计，一方面需要考虑上述车舱内压力升高时的卸压效果，另一方面也是在合理车舱位置进行卸压，保证所需的车舱内空气流通，可提高空调调温效率和除霜效率等。

以某一实际泄压阀泄压曲线为例，如图2所示，当泄压阀两侧压力差增大时，通过泄压阀的流量增加，也就是当关闭转门时气体压入，车舱内压力升高，泄压阀的流出流量随之增大，从而降低车舱内压力。

图1 泄压阀示意图

图2 泄压阀泄漏曲线图

1.2 整车气密性和泄漏量

车辆的气密性决定了车舱内空间的隔绝能力和独立性，简单的说气密性越高，车舱内外的气体越难交互。如前文所述，较高的气密性可以保证车舱的独立性，从而提高驾乘过程中对风噪、路噪、异味灰尘侵入的控制。车辆的气密性可以用整车的泄漏量来衡量，泄漏量一般指车舱内加压到一定压力下，整车车舱通过车体向车外泄漏气体的流量[1,4]。

一般来说，整车的泄漏量(Lv)由两个部分组成：一是通过设计的泄漏路径，基本可控的泄漏量，如前文所述的通过泄压阀的泄漏量，称之为可控泄漏量(Lc)；二是通过整车某些客观存在的不可控的空间或间隙(如门缝、内饰拼接缝隙等)的泄漏量，称之为不可控泄漏量(Lu)。当控制整车的密闭性能时，需要考虑这两部分的泄漏量总和产生的整车泄漏情况，可以认为存在式(1)关系：

Lv=Lc+Lu

(1)

对于车舱内不同压力下的泄漏量，其中不可控泄漏量(Lu)因泄漏面积基本稳定，流量与压力近似满足伯努利方程关系，流量的平方与压力差呈正比，如式(2)所示：

Δp=kv2

(2)

而称之为可控泄漏量(Lc)与泄压阀零件设计有关，且零件状态随压力变化而变化，需要用零件自身性能的压力-流量曲线(图2)进行表征。

整车泄漏量是两部分泄漏量的叠加，对于整车的泄漏量可通过实车试验进行测量，对车舱内充气加压，测量整车的泄漏量，得到表征整车泄漏情况的封闭式整车泄漏(Closed Vehicle Leakage，CVL)曲线，如图3所示。一般定义某固定压力下的泄漏量为整车泄漏量状态的性能参数值。

图3 封闭整车泄漏曲线图

2 关门能量与车舱内压阻

2.1 关门能量与整车泄漏量

关门能量反映操作者关闭车门时所需要的能量，而最小关门能量是操作者在一定操作位置关闭车门所需的最小能量。最小关门能量反映车辆关闭车门的舒适性和便利性，以下针对最小关门能量进行研究，并简称关门能量。

关门能量的实际测量往往比较困难，可以通过测量关门速度以表征关门能量，车门转动可视为刚体绕固定轴转动[5-6]，符合旋转体动能公式(式3)，转门转动惯量和旋转半径一定，关门能量与关门线速度的平方呈正比(式4)。

(3)

(4)

关门过程中所涉及的空气流动状态及空气阻力，可简化示意图如图4所示。

图4 车门旋转关闭气体流动示意图

由于转门扇动，空气随关门过程向转动方向流动，流量为Qc，所扇入的气体一部分在门未关闭过程沿车门与车身空间空隙流出流量Qu，一部分进入车舱内沿前文所研究的整车泄漏流出流量Qv，其余部分留在车舱内，致使车舱内压力升高。如前文所述，整车泄漏流量与车舱内的压力相关，且两者互相影响，当整车泄漏的流量较小时，车舱内会积蓄更多转门压入的气体，致使车内压力升高，增加关门过程中的阻力，使关闭转门需要更大的关门能量及更高的关门速度。同时，车舱内的压力升高，也会给驾乘者带来不适感，如耳鸣等[7]。

2.2 关门能量与泄压阀

对于整车泄漏，一般常见的可控的功能性泄漏量是由泄压阀(Pressure Relief Valve,PRV)决定和控制的。泄压阀的泄漏参数状态影响着整车泄漏量，从而影响车舱内压力，从而影响关门过程中克服的空气阻力，进而影响关门所需的关门能量。

利用理论计算工具，对某两个车型轿车空调内循环模式下，泄压阀不同状态的关门速度进行分析，分别为泄压阀50%、67%、84%、100%正常工作状态(泄压阀正常工作状态为在空调最大流量下，占整车泄漏量的75%)，得到两个车型前后门关门速度如表1所示。由理论计算值可得到，泄压阀 50%工作状态时，关门速度提高10%，转化为能量则关门能量提高20%。

表1 泄压阀不同状态下最小关门速度理论计算结果 m/s

在某车型上进行不同工况下泄压阀对关门速度影响的测量，结果如表2所示。可以看到在泄压阀50%工作状态和100% 工作状态时，实测关门速度也有10%左右的差异，与理论计算结果相一致，则关门能量有20%左右的差异。

表2 泄压阀不同状态下最小关门速度实测结果 m/s

3 结论

从整车密封性和泄漏量角度出发，研究了泄压阀和整车泄漏量对最小关门能量及速度的影响，通过理论计算和实际测量定量研究了不同设计和工作状态下，泄压阀对最小关门能量及速度的影响。

(1)整车泄漏量由不可控泄漏量和可控泄漏量组成，可控泄漏量主要由泄压阀控制。

(2)关门过程克服的空气阻力由转门扇动气压阻力、车舱空气压缩阻力组成，其中车舱空气压缩阻力与整车密封性和泄漏量相关。

(3)在关门过程压力下，泄压阀泄漏量较小时，车舱空气压阻增大，关门能量和关门速度增大。通过理论和实际测量，50%泄压阀状态下，最小关门速度提高约10%，最小关门能量提高约20%。