商用车空调系统除霜改进提升研究

尚子威， 李豪杰

（徐州徐工汽车制造有限公司， 江苏 徐州 221000）

随着社会的不断进步与发展，重卡车辆已经成为中国公路货运中的重要运输装备。据统计，2021年国内重卡销量为139.5万辆，在重卡行业的蓬勃发展的同时，越来越多的人也开始意识到行车安全的重要性。在影响行车安全的各种因素中，风窗玻璃除霜性能直接影响到驾驶员的视野，因此提升风窗玻璃除霜性能具有重要意义。

本文以某重卡车型为例，通过在除霜模式下对风窗玻璃表面的速度场进行CFD分析，探究除霜风道风口流量分配及出风口风速对除霜效果的影响，其对于除霜效果的改进有重要工程价值和意义[1]。

1 商用车除霜原理和国标要求

1.1 商用车空调除霜系统原理

汽车风窗玻璃结霜的原因是，在冬季车内车外空气温差较大，玻璃外侧的低温饱和水蒸气遇到温度较高的风窗玻璃时，水蒸气会析出附着在玻璃外表面，而当周围环境温度低于其露点温度0℃时，玻璃表面的雾气就会结霜。

商用车空调除霜系统采用发动机冷却液为热源，其工作原理如图1所示。HVAC总成被安装在驾驶室仪表板内，其内部构造可分为空气进口、空气处理、空气分配3个部分。①空气进口部分有鼓风机和用来调节内、外空气循环的风门；②空气处理部分有用来制冷的蒸发器芯体、用来制热和除霜的加热器芯体和温度控制风门；③空气分配部分有各模式风门，用来调节不同的出风模式。

图1 汽车空调工作示意图

当开启除霜功能后，暖风水阀处于开启状态，高温的发动机冷却液流过加热器芯体，加热周围的空气，再通过鼓风机将热空气送入空气分配区[2]。此时除霜风门处于打开状态，其他风门处于关闭状态，通过除霜风道和出风口的热空气被吹到前挡风玻璃和侧玻璃区域，并使霜层融化，从而达到除霜目的[3]。

1.2 商用车空调除霜行业规范现状

目前，国内暂无商用车专用的除霜标准，GB 11555—2009《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法》是针对M1类车辆的除霜试验标准，重卡的相关试验可暂参考此标准[4]。

GB 11555—2009《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法》中规定的除霜A区域、B区域如图2、图3所示。A＇区是以汽车纵向中心平面为基准面，与A区域相对称的区域，侧玻璃除霜区域为后视镜在侧窗玻璃的投影区域。

图2 A区域

图3 B区域

标准要求：试验开始后20min，A区域有80%已完成除霜；试验开始后25min，A＇区域有80%已完成除霜；试验开始后40min，B区域有95%已完成除霜，试验开始后25min，侧窗区域有80%已完成除霜。

国外的除霜标准主要参考美国SAEJ 381《卡车、公共汽车和多用途汽车的挡风玻璃防霜系统试验规程和性能要求》，其除霜A、C区域要求如图4所示，区域绘制规则如表1所示，除霜性能要求满足表2。

图4 SAE J381中规定的A、 C区域

表1 A、 C区域绘制规则表

表2 除霜性能要求表

2 除霜性能的CFD分析和影响因素的探究

2.1 重卡除霜性能环境舱测试

对某车型进行环境舱除霜试验，环境温度为-18℃，发动机转速为1600r/min，其余条件均满足GB 11555—2009《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法》要求，试验中每间隔5min绘制一次除霜区域，试验共进行45min，试验结果如图5、图6所示。

图5 前风窗玻璃除霜结果

图6 侧窗玻璃除霜结果

试验结果显示，A区在20min内未有霜层融化，A＇在25min内未有霜层融化，B区在40min时约有20%的除霜区域完成除霜，侧窗在25min时未完成后视镜可见区域的除霜，前窗玻璃和侧窗玻璃除霜均不满足除霜要求。

2.2 重卡除霜CFD模型

为改进该车型的除霜性能，需对除霜风道进行CFD稳态数值模拟分析。

CFD即计算流体力学，是指对描写流动、传热、传值的控制方程采用数值方法通过计算机予以求解的一门流体力学和数值方法相结合的交叉学科，属于CAE的一个分支。

CFD分析在风道、风口设计过程中发挥着十分重要的作用，通过CFD分析结果我们可以知道设计的风道、风口是否满足法规、人机及使用要求，其主要输出物为玻璃内表面速度分布云图。

在CFD前处理阶段，对该车型划分驾驶室、除霜风道等模型网格。去除模型中对气流流动影响小的细小零件，将模型中小于3mm的凹槽和缝隙用平滑的曲面补平，简化处理后的模型如图7、图8所示。还需确定边界条件，仿真边界如表3所示。

表3 仿真边界条件表

图7 驾驶室分析模型

图8 除霜风道分析模型

2.3 除霜性能影响因素探究

对试验车型除霜风道进行CFD分析与计算，得到风窗玻璃的风速分布如图9所示，速度流线图如图10所示，各除霜风口的出风比例如表4所示。

图9 风窗玻璃风速分布图

图10 风窗玻璃速度流线图

表4 改进前各除霜风口出风比例

图9、图10表明风窗玻璃表面A、B区域风速偏低，风速不均匀；表4表明除霜风道各出风口出风流量分配不均匀。

分析结果显示，影响除霜效果的因素主要有以下两点：各出风口流量分配不均匀；风窗玻璃的除霜区域风速偏低。

3 空调系统除霜的优化改进

3.1 除霜风道的改进

针对以上问题，对除霜风道进行多次分析修改，各修改方案均进行CFD分析，各方案风窗玻璃风速分布图如图11所示。

图11 各改进方案风速分布图

基于以上分析结果，提出除霜风道改进方案如下。

1） 如图12所示，将主驾侧玻璃除霜风道折弯弧度减小，使风道风量增加，同时改变风口形状，使主驾侧玻璃着风面积增加。

图12 主驾侧玻璃风道改进对比图

2） 如图13所示，减小3、5号出风口大小，增大4号出风口，其他出风口也做相应调整，使改动后的出风口大小相当，进而使各出风口分风比例更均匀。

图13 前玻璃风道改进对比图

3） 完整除霜风道改进对比图如图14所示。

图14 完整除霜风道改进对比图

改进后，经CFD分析，各除霜风口分风比例如表5所示。

表5 改进后各除霜风口出风比例

可以看出，改进后的除霜风道各出风口分风比例更均匀，风窗玻璃着风面积增加明显，A、B区域中风速达1.5m/s的面积大幅增加，改进后该车型除霜性能满足行业规范要求。

3.2 除霜风道改进的试验验证

对改进除霜风道后的该车型重卡进行环境仓除霜试验验证，试验条件与改进前相同，试验中每间隔5min绘制一次除霜区域，试验共进行45min，试验结果如图15、图16所示。

图15 前风窗玻璃改进后除霜效果

图16 侧风窗玻璃改进后除霜效果

试验结果显示，除霜风道改进后，风窗玻璃的除霜面积大幅增加，A、B区域的除霜面积达到行业规范要求，侧玻璃除霜区域可以满足驾驶员观察后视镜的要求。

4 总结

重卡车辆的除霜效果提升往往受限于经济成本、无针对性国标等各种因素的影响，导致除霜效果提升困难。本文通过重卡风窗玻璃除霜试验以及CFD分析，重点对影响除霜性能的因素进行探究，并提出两点改进方向，即增大除霜区域着风点风速和平均分配各出风口分风比例。经验证，该改进方案除霜效果提升明显，对重卡的除霜性能改进有参考意义。