某汽车空调系统温度线性研究

【摘要】本文针对某空调箱温度线性的现状，通过对空调箱内部流场及温度场进行CFD 仿真分析，监测各风门开度空调箱暖风风量占比曲线和风道出风总平均温度曲线，优化调整了温度风门附近壳体的关键尺寸。经验证，实验测得的新温度线性数据与仿真结果吻合较好，满足了客户对温度线性的要求，新方案也不影响空调箱总风量及噪声性能。对汽车空调的温度线性分析具有参考价值。

1 前言

汽车空调的热舒适性是整车制冷/供暖的关键一环，良好的热舒适性不仅给乘员舱提供充足的新风，有效调节各出口的温度、湿度、风速，还有助于汽车的安全行驶。因此汽车制造商与消费人群越来越重视车舱内的出风需求。

传统的燃油车中，制冷时，新风在空调箱内蒸发器表面进行换热，蒸发器吸收热量，降低空调箱内的新风温度，低温新风再经空调分风箱输送到各个风道出口。制热时，一般情况下，空调箱的暖风换热器扁管通道与燃油发动机冷却水系统相连，冷却水系统给暖风换热器内部提供稳定的高温冷却液，新风在暖风换热器表面进行换热，暖风换热器释放热量，加热空调箱内的新风温度，高温新风同样经空调分风箱输送到各个风道出口。考虑到乘员舱对送风温度的需求，在空调箱内设置模式风门与不同开度的温度风门，送风温度可分为全冷、全热、温度随风门开度线性变化（温度线性）、头冷脚热（垂直温差）、单模式各出口温度均匀（水平温差）等。

2 空调温度线性的分析与方案验证

2.1 温度线性案例

某款空调箱系统开发时，温度风门开度从全冷0%到全热100%，分成10个不等分开度。随着风门开度0%到100%，温度风门转动角度依次减小。各个风门开度对应转动角度见图1。

图1 各个风门开度对应转动角度

空调箱温度线性实验测试，以吹面模式为例。如图2所示，空调箱各个风道出口的总平均温度变化可分成3个区间：①温度风门开度10%～80%，总平均温度线性平缓上升；②温度风门开度80%～90%，总平均温度急剧升高；③温度风门开度90%～100%，总平均温度平缓上升。对比整车厂提出的出风温度线性要求，一般将温度风门由全冷开到全热的风道出口温度设置成温度线性的下限，将温度风门由全热开到全冷的风道出口温度设置成温度线性的上限，实测温度需落在温度线性的上下限区间内。图2中实测出风总平均温度不在温度线性区间内，空调箱温度线性不满足需求。对实测数据初步判断，不同风门开度空调箱内部冷暖风风量占总风量比例存在问题。若要解决空调箱的温度线性问题，需同时确保空调箱各模式的进风总风量，保持空调箱内的制冷/供暖性能，也不产生额外的气动噪声等。

图2 实测不同风门开度的平均温度占比

2.2 温度线性仿真模型建立及内流场分析

对原空调箱状态吹面模式进行温度仿真分析，不同风门开度的暖风风量占比如图3所示。温度风门开度10%～90%，空调箱的暖风风量占比呈线性平缓增加；温度风门开度90%～100%，空调箱的暖风风量占比急剧增加。仿真得到的暖风占比趋势与前期预测一致。

图3 不同风门开度的暖风风量占比

如图4所示，温度风门开度10%～100%，CFD仿真得到的各个风道出口总平均温度与实测数据整体吻合较好。CFD仿真时，出风总平均温度突变点是温度风门开度90%；在实测中，出风总平均温度突变点是温度风门开度80%；仿真与实测总平均温度急剧升高对应的风门开度存在差异。

图4 仿真与实测不同风门开度的平均温度占比

各个风门开度，空调箱内部的流场及温度场分布如图5所示。随着风门开度加大，出口总平均温度逐渐升高。温度风门开度10%～90%时，冷风主要从温度风门与空调箱壳体间形成的冷气通道流到各个风道出口，通过冷气通道的冷风过多，导致出风总平均温度偏低。温度风门全开，即冷气通道关闭，总平均温度急剧升高。温度风门与壳体间形成的上层冷气通道尺寸对出口总平均温度影响较大。

图5 优化前不同风门开度的空调箱内部的流场及温度场分布云图

2.3 温度线性优化方案

根据原状态CFD 分析结果，综合考虑空调箱总出风风量不变，采用如下优化方案，如图6所示：①空调箱壳体上增加一块圆弧板（黑圈），圆弧板与原壳体的挡板相切，并沿着C方向加长到17.5mm，加长后的挡板沿B方向拉伸2mm；②壳体上的密封挡板沿A方向加长3mm；③将壳体与温度风门之间的最小间隙D减小至1.5m。

图6 温度线性优化方案

如图7所示：①随着温度风门开度加大，优化方案的暖风风量占比近似呈线性增加；②风门开度10%～50%，优化方案较原方案的暖风风量占比小幅增加；③风门开度60%～90%，优化方案较原方案的暖风风量占比增幅较大。优化后，在各个温度风门开度，出风总平均温度满足温度线性要求，见图8。

图7 优化后的暖风风量占比线性图

图8 优化后出风总平均温度满足温度线性要求

图9为优化后风门开度10%～90%空调箱内部流场和温度场云图。温度风门开度10%～60%时，上层冷气通道面积比原冷气通道面积小，但冷通道面积的减小量相对较小，出风总平均温度小幅提升。温度风门开度60%～90%时，上层冷气通道面积也比原冷气通道面积小，但冷通道面积的减小量相对较大，出风总平均温度大幅提升。

图9 优化后风门开度10%～90%空调箱内部流场和温度场云图

2.4 温度线性实验验证

2.4.1 实验测试方法

在实验台架上模拟实车状态安装空调箱、风道和出风格栅，所有出风格栅皆为完全打开状态。温度线性测试时，温度风门以10%的步长从0%到100%再到0%，记录各个模式稳定的出风温度并绘制温度线性曲线。因文中暂不考虑温度的迟滞性，此处只展示温度风门从0%～100%对应的温度线性数据。

测点位置如下：距离风道出口10mm 处布置2～4个热电偶测点。

2.4.2 实验方案验证

考虑原状态实验结果和仿真数据对应的风门开度存在差异，新方案实验验证前，在温度风门轴两轴端增加薄垫片，减小与空调箱壳体的配合间隙。

采用新方案，实验与仿真的温度线性曲线如图10所示。整个风门开度，实验与仿真的温度线性结果吻合较好，实验总平均温度值都在温度线性上下限范围内，满足了温度线性要求。

图10 实验与仿真的温度线性曲线

表1和表2分别为原方案、新方案空调箱的噪声对比和总出风风量对比，新方案与原方案的风量变化不大，噪声差异也较小。

表1 新方案、原方案噪声数据对比

表2 新方案、原方案风量结果对比

3 结论

文中对某空调箱内部流场及温度场进行CFD仿真分析，监测各温度风门开度空调箱的暖风风量占比和风道出口面总平均温度曲线，获得温度风门附近壳体关键尺寸的优化方案。同时，经减小温度风门轴与壳体轴孔的轴间间隙后，实验再一次测试了新方案的温度线性。仿真与实验的温度线性吻合较好，实验结果也满足温度线性要求。新方案对空调箱的总风量及噪声影响小，对汽车空调的温度线性改善具有参考意义。