乘用车空调除霜性能要求与试验方法研究

冯鸿飞 王 坤 李四旺

乘用车空调除霜性能要求与试验方法研究

冯鸿飞1王 坤2李四旺1

（1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广州 511434；2．中国第一汽车股份有限公司研发总院 长春 130011）

针对我国北方寒冷冬季行车对空调除霜功能的需求，讨论应用现行国标考核除霜性能的局限性。为量化环境温度对除霜效果的影响，在验证CFD计算可靠性的基础上，利用CFD瞬态分析得出了环境温度与整车除霜时间，除霜面积之间的关系。综合CFD分析和试验结果，对国标除霜法规中乘用车除霜性能要求和试验方法提出修改建议：即将A区完成80%所需时间由现行20min缩短至15min，并增加怠速工况除霜性能考核：即25min后，A区完成80%。

除霜；CFD分析；性能要求；试验方法

0 引言

汽车空调除霜性能的好坏直接关系到整车的行驶安全[1]，乘员舱气流的速度场和温度场的影响因素众多[2-5]，国家法规GB-11555中对汽车空调除霜性能要求为：环境温度-18℃条件下，20min内A区完成80%；25min内A’区完成80%；40min内B区完成95%[6]。我国幅员辽阔，北方地区冬季环境温度可能远低于国标中的规定值，图1收集了1980～2010年北方四城市1月份日最低温度平均值，图2收集了1980～2010年北方四城市1月份日湿度曲线，从两图中可以看出，部分地区冬季环境温度会达到-30℃及以下，相对湿度会达到75%甚至更高。

如果没有除霜装置，汽车行驶几公里后，前风窗玻璃就会结满霜。霜厚一般在0.5～1mm之间，此时风窗会变成全盲区，致使驾驶员无法驾驶车辆。由此可见，除霜与汽车安全性密切相关，如何有效除霜是一个值得深入研究的课题。

图1 北方四城1980～2010年1月份日最低温度情况

图2 北方四城1980～2010年1月份日湿度分布情况

为解决上述问题，在优化乘用车空调除霜系统设计的同时需要从法规上对除霜系统的性能要求进行重新限定，即降低除霜法规中环境温度值以适应寒区工况，相应地需要试验室内提供更低的环境温度作为支持。考虑到获取低温工况需要的高成本，建议在维持当前试验环境温度的条件下，缩短除霜规定时间。另外，考虑到冬季冷启车过程，需增加对车辆怠速过程中除霜性能的考核。

文献[7-11]采用了CFD的方法车辆乘员舱进行了数值模拟和研究。将瞬态CFD分析应用到除霜系统的模拟计算中，不仅能得到整个流动区域的速度、温度分布，还能直观地表现出整个除霜的动态过程[12]。为分析环境温度对除霜效果的影响，首先建立整车除霜瞬态CFD分析模型并将分析结果与现有试验数据进行对比，以验证模型的正确性；然后通过瞬态CFD计算，分别获得环境温度-25℃、-30℃、-35℃下除霜时间及除霜效果；最后提出对国标除霜法规的修改建议：将原要求中的20min内A区完成80%，提升至15min内A区完成80%；并增加怠速工况下，25min内，A区完成80%。

1 模型建立

1.1 模型描述及理论分析

在实车除霜过程中，热空气通过供热通风与空气调节（HVAC）总成除霜出风口，经过除霜风道、除霜喷嘴后吹入车室内。考虑到实际情况中车内通风集中于前半区，因此本文建立车室内前半部分模型，具体构成如图3和图4所示。

图3 整车除霜模型简化示意图

图4 除霜风道

在整车除霜过程中，车室内速度场达到稳定状态所需时间远小于温度场达到稳定状态所需时间。因此，文中除霜性能模拟分两步进行。首先，通过求解连续性方程、动量方程和湍流方程得出车室内速度场的分布；随后利用速度场的稳态解，完成能量方程的求解，得出整个流场区域的瞬态温度场和除霜情况。在对除霜过程瞬态求解过程中，基于以下两点简化：不考虑热空气与霜层之间的辐射换热；不考虑融化后的水在玻璃表面的流动，即认为融化过程中的冰水混合物及融化后的水静止在玻璃表面上。

其中

式中：为液态潜热。

能量方程可写成：

1.2 网格划分及边界条件设置

采用四面体网格对热空气流经的区域划分，并将除霜风道、除霜喷嘴、前风窗、侧风窗附近网格进行加密；风窗玻璃、霜层采用偏移的棱柱网格，网格划分示意如图5所示。

图5 网格划分

模型入口设置在除霜风道进口处，定义该位置体积流量为320m3/h，出口设置在B柱后侧，设置相对压力为0Pa。瞬态计算过程中，时间项采用一阶隐式格式离散，时间步长设置为5s；计算过程中涉及的物性参数如表1所示。

表1 物性参数表

2 模型验证及分析

2.1 国标工况下计算分析及试验验证

为验证CFD瞬态分析的可信度，根据现有的除霜试验数据（环境温度-18℃），提取出热空气温度随时间的变化关系，计算及结果如图6、图7所示。

图7 左侧风窗除霜效果

从图6和图7中可以看出，前风窗10min后，A区完成50%左右，12min后，A区完成90%以上，16min后，A区完全除净；侧风窗8min 开始化霜，12min后视野区完全除净，16min整个侧风窗基本除净。

通过与图6、图7中的试验数据图8和图9对比可以看出，前风窗除霜过程，司机侧8min、10min的计算结果与试验结果吻合较好，副驾驶侧8min、10min时刻计算结果稍慢于试验结果；12min以后，前风窗整体除霜效果与试验基本相符。侧风窗除霜过程，12min之前，计算结果与试验结果较为相符；12min后，计算结果稍快于试验结果。瞬态CFD计算的除霜过程与试验结果在时间上存在的差异，分析原因为：CFD计算在处理传热及相变过程中做了大量简化，并且没有考虑霜层融化后水的流动带来的影响；试验用的风道及除霜喷嘴为试制件，配合处存在漏风，导致喷嘴实际出风量与理论值有差异，造成除霜效果的差异。

图8 前风窗除霜试验曲线

图9 左侧风窗除霜试验曲线

对比以上瞬态CFD仿真结果和试验除霜曲线后认为，利用瞬态CFD分析预测乘用车空调除霜效果是可行的。

2.2 环境温度对除霜效果影响研究

为研究环境温度对除霜效果的影响，分别计算了环境温度在-25℃、-30℃、-35℃条件下的除霜时间及除霜效果，如图10、图11和图12所示。同时为确保计算的一致性，忽略了环境温度对发动机水温上升速率的影响，即认为在此三种工况下，入口热空气温度随时间变化关系是相同的。

图10 -25℃环境温度下12min前风窗除霜效果

图11 -30℃环境温度下12min前风窗除霜效果

图12 -35℃环境温度下12min前风窗除霜效果

从图10、图11和图12可以看出，环境温度对除霜效果的影响是十分明显的，在寒区条件下，需要更长是时间完成除霜过程，不同环境温度下除霜效果对比如图13所示。

从图13中可以看出，除霜时间与环境温度之间的变化关系基本是线性的，若要保证在-35℃环境下实现A区20min内完成80%的要求，至少需要-18℃环境下（国标工况）A区12min完成，这样在-35℃下才可以取得比较好的除霜效果。综合考虑后建议将原国标要求中的20min内A区完成80%，提升至15min内A区完成80%。

2.3 怠速工况下除霜效果分析

为考核怠速工况下的除霜效果，对环境温度-18℃工况进行模拟，入口热空气温度随时间的变化关系来源于试验数据，怠速工况前风窗除霜效果如图14所示。

图14 怠速工况前风窗除霜效果

从图中可以看出，环境温度-18℃，怠速工况除霜时，10min后，前风窗玻璃开始化霜；15min后，A区除霜完成50%；20min后，A区除霜完成80%以上。冬季车辆怠速除霜，用户希望时间越短越好，所以有必要对整车的低温怠速除霜增加考核工况。综合考虑后，建议在原国标要求中增加怠速工况考核，要求25min后，A区完成80%以上。

3 结束语

（1）建立整车除霜瞬态CFD分析模型，并将分析结果与现有试验数据对比，结果表明利用瞬态CFD分析预测乘用车空调除霜效果是可行的；

（2）除霜时间与环境温度之间的变化关系基本是线性的，并且随着环境温度的降低，B区除霜的效率与A区的除霜效率差异逐渐增大。

（3）利用瞬态CFD分析得出了不同环境温度下前风窗、侧风窗的除霜情况，量化了环境温度对除霜效果的影响和怠速工况对于除霜效果的影响结果。对国标除霜法规提出修改建议：将原要求中的20min内A区完成80%，提升至15min内A区完成80%，并增加怠速工况考核，即要求25min内，A区完成80%。

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Study on the Performance Requirement and Testing Method in Passenger Car’s Defrosting Process

Feng Hongfei1Wang Kun2Li Siwang1

( 1.GAC R&D CENTER, Guangzhou, 511434; 2.FAW Research and Development, Changchun, 130011 )

In view of the requirement of the defrosting function in cold northern China, the limitations of the national standard (GB) in judging the defrosting performance were discussed. In order to quantify the relationship between the ambient temperature and the defrosting effect, the relationship between the ambient temperature and the vehicle’s defrosting time, defrosting area were studied based on the verification of the CFD reliability. Combination of CFD analysis and the experiment data, the GB defrosting regulations in passenger car defrosting performance requirements and test methods proposed were changed. The defrosting time of A zone with 80% completion was shortened from 20min to 15min, and the examination of idle defrosting performance that A zone finished 80% after 25 minutes was added.

defrosting; CFD analysis; performance requirements; test method

U461

A

1671-6612（2020）05-592-05

冯鸿飞（1988.01-），女，本科，工程师，E-mail：fenghongfei@gacrnd.com

2019-12-16