汽车前端热流场分析设计

吴刚 董奇奇

摘要：针对汽车空调夏季高温时怠速制冷效果差的现象，进行原因分析，发现发动机的散热流场对空调系统的制冷效果有很大影响。通过对发动机舱的热流场做仿真分析，提出应对方案。在试验验证后，解决了怠速制冷差问题。

关键词：汽车空调;怠速;压缩机;热回流。

引言

现代汽车均有空调装置，制冷能力在夏季时必不可少。

汽车空调的通过压缩机压缩制冷剂，将低温低压的制冷剂压缩到高温高压气体，高温高压气体制冷剂进入冷凝器后，通过空气散热。制冷剂冷却后发生相变，变成高温高压液体，经过膨胀阀后，在蒸发器中雾化蒸发，相变过程中大量吸热，冷却经过蒸发器表面的空气，达到制冷效果。室内降温带走的热量最终需要通过室外的冷凝器散发到空气中。

汽车空调的冷凝器通常有几种布置方式，最常见的是在车头通风格栅后。迎面风从格栅进入后，先经过冷凝器，然后经过发动机散热器，再经过散热器风扇。有些情况下还有中冷散热器、油冷器等散热部件。其他布置模式和本文无关，不做赘述。

1 前端散热系统的结构组成

本文研究车型散热系统如图1所示。动力总成为涡轮增压发动机，所以冷凝器下放还布置有中冷器散热器。车辆怠速时，通过散热器风扇强制通风，对前端各散热器进行冷却。散热器风扇转速通过PWM波控制。根据发动机水温及空调系统压力高低改变风扇转速。简单来说，水温越高，风扇转速越高;空调压力越高，风扇转速越高。

2试验现象及数据分析

一款在研车型在夏季高温时，怠速开空调，制冷效果很快变差，通常在10分钟左右空调彻底丧失制冷效果。根据问题工况，进行了重复试验并采集了试验过程中的空调系统压力值。如图2所示，空调高压在压缩机开启后持续上升，在25分钟时超过3.0MPa，然后开始下降。这是由于空调系统的控制策略造成的。空调系统为了保护系统正常工作，设定压力高于某一值时关闭压缩机，并在压力下降之后重新工作。如果没有这项功能，持续上升的空调压力会损坏空调部件。

造成冷凝器压力高的原因有很多，通常包括冷媒充注过多、热负荷太大、散热能力不足等。

冷媒加注量通过系统标定，设计值确认没有问题，对试验车辆重新充注冷媒，排除充注操作的问题。重新充注后的车辆，依然存在同样问题。可以排除冷媒充注过多的原因。

为验证冷凝器散热情况，监控了冷凝器表面6个位置的进气温度。如图2所示，图示曲线为冷凝器表面6个进气温度点对应时间的曲线。第一阶段曲线波动较多，是车辆低速行驶阶段，该阶段结束时有一个波峰，是车辆进入试验跑道在道闸前停车时。后续车辆以40km/h行驶，进气温度平稳保持40℃，减速掉头时进气温度迎来一个小波峰。然后继续以40km/h行驶，进气温度保持平稳。最后阶段为怠速工况，可见6个温度点均持续上升，根据位置不同最后的稳定值有高有低。当进气温度超过60℃时，空调冷凝器的散热效果就大受影响，进气超过70℃，冷凝器几乎不能为冷却剂提供过冷度，空调制冷效果几乎丧失。可见冷凝器散热能力不足时该问题的主要原因。

针对热负荷大问题，车辆在行驶中空调效果良好，说明空调系统制冷能力能满足整车热负荷要求。

3仿真结果与分析

为了评价冷凝器进气温度高的具体因素，对前端散热模块进行了模拟分析。

图4（a）为怠速工况下，冷凝器进风面的温度云图。图4（b）为Y=0 mm 剖面的速度云图。图4（c）为Z=400 mm 剖面的速度云图 。从图中可以看出：

1、热空气从水箱下横梁不散热器之间间隙回流进散热器;

2、热空气从散热器两侧间隙回流进散热器;

3、热空气从冷凝器和导风板之间间隙回流进冷凝器;

4、热空气从导风板和前保及防撞横梁之间间隙回流进冷凝器。

从图中看出冷凝器、散热器的热气回流主要来自于两侧和下部。

4结论

根据分析结果，采取对应措施。封堵冷凝器左右端及下端，具体措施如下：

1、封堵散热器挡风板上的管路开口和进气开口，与前保配合处增加包胶密封;

2、散热上下端粘贴海绵条密封;

3、中冷器上端增加海绵条;

4、增加下端擋风板，需要重新开发;

整改措施应用后，进行制冷试验，试验结果如图5所示。怠速工况下，高压压力平稳，车内平均温度平稳，空调制冷性能得到了保证。

参考文献

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