鐘 凌

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某輕型客車采暖的理論分析與試驗

鐘 凌

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為適應(yīng)客戶不斷提高的乘坐舒適性，汽車空調(diào)設(shè)計開發(fā)也在不斷提高自身水平，以滿足市場需要。原有的空調(diào)設(shè)計、試驗、整改、再驗證的手段已經(jīng)逐漸不能適應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)周期?？照{(diào)的設(shè)計開發(fā)需要依靠一定的理論計算，為系統(tǒng)匹配、及整改方案提供理論依據(jù)。本文通過使用建立的理論分析模型，定性的、定量的對某輕型客車采暖性能問題進行分析，并提出整改驗證，試驗證明本文的理論分析模型方向是正確的。

理論分析；FTA分析模型；計算模型；試驗驗證

CLC NO.:U471.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-18-04

前言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車空調(diào)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代汽車的標準配置。國民經(jīng)濟水平的不斷提升，人們的購買能力逐漸提高，消費者在要求汽車具備強動力、低油耗、高安全、長壽命等的同時，開始越來越注重汽車的外觀、環(huán)保、舒適等指標，而空調(diào)系統(tǒng)滿足客戶需求的程度，是客戶評價車輛舒適性好壞的直接標準。為適應(yīng)更多的市場需求，在外界環(huán)境溫度較低時，如何為乘客提供溫暖舒適的環(huán)境；在無法提供客戶滿意的車內(nèi)溫暖環(huán)境時，如何進行采暖性能提升，便成了設(shè)計開發(fā)的研究對象。本文正是以某輕型客車為例，提出采暖性能分析的方法。

1、主要結(jié)構(gòu)、工作原理及現(xiàn)狀

1.1 該輕型客車采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該輕型客車暖風系統(tǒng)包括前、后暖風的雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中零部件結(jié)構(gòu)組成見圖1，冷卻液從3發(fā)動機出水管經(jīng)4前水閥，進入到1前加熱主機，再由6前暖風出水管經(jīng)4前

水閥到7后暖風進水管，進入9后加熱主機，最后由8后暖風出水管回到發(fā)動機，形成水路循環(huán)（水路循環(huán)簡圖見圖2）。

1.2 采暖系統(tǒng)工作原理

該輕型客車采暖系統(tǒng)的基本原理是：發(fā)動機產(chǎn)生熱量被冷卻液吸收后，通過暖風管路傳遞到暖風加熱器芯體，在加熱器芯體表面與冷空氣進行熱交換，并形成熱空氣進入到駕駛艙內(nèi)。冷卻液的傳遞在節(jié)溫器處有三個分支，如圖3示，當水溫低于82℃時，節(jié)溫器不開啟，大部分冷卻液進入加熱器，另一部分直接經(jīng)小循環(huán)回發(fā)動機；當水溫高于82℃時，節(jié)溫器開啟，一部分冷卻液由節(jié)溫器進入到散熱器，另一部分冷卻液進入加熱器，還有一部分直接經(jīng)小循環(huán)回發(fā)動機。

由暖風工作原理可知：當暖風主機不變時，進入加熱器芯體的水溫越高、水流量越大，進入到駕駛艙內(nèi)的空氣溫度越高。

1.3 該輕型客車采暖現(xiàn)狀說明

參照《GB/T 12782 汽車采暖性能試驗方法》，試驗得到該輕型客車采暖效果全面低于標準指標水平（如圖4），駕駛艙內(nèi)人員主觀感覺寒冷。

2、采暖性能理論分析

2.1 采暖理論正向計算分析法

2.1.1 理論依據(jù)說明

根據(jù)圖5的熱傳遞方向，要滿足整車采暖的熱量需求，首先要滿足以下公式：Q＞Qn＞Qj。

2.1.2 數(shù)學模型建立

2.1.2.1 冷卻液熱量計算

在采暖工況條件下，車輛勻速行駛，此時不存在坡度阻力Fi，加速阻力Fj，僅考慮滾動阻力Ff和空氣阻力Fw。

由汽車理論相關(guān)計算公式得出：

利用公式①～⑦計算得到該輕型客車在試驗工況下的發(fā)動機功率15.5kw，扭矩64.3N.m，查發(fā)動機萬有曲線特性，得到車輛在該工況條件下燃油消耗率b=279 g/(kW·h)。

冷卻液吸收熱量比例取25%，計算得到該輕型客車冷卻液吸收熱量為12.88kw

2.1.2.2 芯體熱交換計算

車輛暖風系統(tǒng)可提供熱量為暖風加熱器空氣側(cè)能量，其換熱能力與暖風加熱器自身性能、換熱利用率有關(guān)，本文通過平均溫差法進行計算。

主要用到兩類公式：傳熱方程式和熱平衡方程式。

（1）加熱器的傳熱方程式：

式中：ka為傳熱系數(shù)，W/(m2·k)；Fa空氣側(cè)傳熱面積，m2； △tm為換熱器進出口的對數(shù)平均溫差，℃；h為水側(cè)的

w換熱系數(shù)，W/(m2·k)；ha為空氣側(cè)的換熱系數(shù)，W/(m2·k)；Fw為水側(cè)的換熱面積m2。

其中，

式中：λw為冷卻液的熱導(dǎo)率，取為64.8×10-2W/(m·k)；Dw為水側(cè)的當量直徑，為1.8mm；Dwmax為水側(cè)矩形長，為25.7mm；Dwmin為水側(cè)矩形的寬，為0.94mm。

式中：j為空氣側(cè)換熱因子；Cpa為空氣的熱導(dǎo)率，取為1.005kJ/(kg·℃)；Ma為空氣側(cè)單位面積質(zhì)量流速，單位kg/(m2·s)；Pr為空氣的普朗特數(shù)，取0.669。

ReLp為以Lp為特征尺寸的空氣側(cè)雷諾數(shù)；Lp為百葉窗間距；v為空氣流速，m/s。

式中：tw、ta分別表示水側(cè)和空氣側(cè)的溫度；下標1,2分別表示進、出口。

（2）換熱器的熱平衡方程式：

式中：qmw為冷卻液質(zhì)量流量，kg/s；qma為空氣側(cè)質(zhì)量流量，kg/s；cpa為空氣比熱容，值為1.005kj/(kg·℃)；cpw為冷卻液比熱容，值為3.429kj/(kg·℃)。

利用公式⑧、⒀、⒁，給定該輕型客車前暖風進水溫度50℃，流量7.25L/min，進風溫度-25℃時，計算得到前暖芯體換熱量Qn1=6.6 kW，后暖風進水溫度37℃，流量7.25L/min，進風溫度0℃時，計算得到后暖芯體換熱量Qn2=2.6 kW。

該輕型客車暖風芯體轉(zhuǎn)化的熱量Qn=Qn1+Qn2=6.6+2.6=9.2 kW。

2.1.2.3 汽車冷負荷計算

汽車的冷負荷構(gòu)成包括車體結(jié)構(gòu)散熱、風擋玻璃散熱、新風、漏風熱消耗，如圖7示，其中：Qa為車身頂部耗熱量，Qb為玻璃門、窗耗熱量，Qc為車身側(cè)部耗熱量，Qd為車室內(nèi)地板散熱量。

車體結(jié)構(gòu)散熱計算公式：

式中：Ka為換熱系數(shù)，W/(m2·k)；Aa為傳熱面積，m2；ΔT為車室內(nèi)外空氣溫差，℃。

冷空氣滲透耗熱量計算公式為：

風擋玻璃耗熱量：

式中：Gf為用于風擋玻璃除霜的風量，m3/h；Δt為室內(nèi)室外空氣溫差。

計算得到該輕型客車冷負荷為：

3、試驗驗證

3.1 計算驗證

經(jīng)上述公式計算得到：Q=12.88kw；Qn=9.2kw；Qj=15.5kw。

結(jié)論：Q＞Qn，但是Q、Qn＜Qj；某輕型客車發(fā)動機熱量需求不能滿足整車負荷要求。即發(fā)動機提供的水溫、水流量不足。

3.2 解決方案

該輕型客車水溫、水流量提升方案：

（1）增加輔助加熱器，暖風前后水口溫度提升至℃。

（2）優(yōu)化暖風進出水口，前暖流量提升至L/min，后暖流量提升至L/min。

利用3.1.2公式計算得到：Qn=15.35kw；達到車輛冷負荷的99%。

3.3 驗證數(shù)據(jù)

試驗得到該輕型客車采暖效果已高于標準指標水平（如圖11），駕駛艙內(nèi)人員主觀感覺較為暖和。

4、結(jié)束語

采暖理論分析的研究，是為了系統(tǒng)的分析空調(diào)采暖性能問題，利用理論定性分析及定量計算，提出有效的性能提升方案，通過將采暖理論分析在某輕型客車采暖性能提升分析的應(yīng)用，驗證了理論分析技術(shù)，為空調(diào)系統(tǒng)的正向開發(fā)提供理論準備。

[1] 陸瑞松, 林發(fā)森, 張瑞. 內(nèi)燃機的傳熱和熱負荷[ M] .國防工業(yè)出版社, 1985.

[2] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(第三版) [ M] . 高等教育出版社, 1998.

[3] 李群科，發(fā)動機散熱器的設(shè)計研究[ J ] .發(fā)動機工程, 2001, 4 : 66 -69 .

[4] 王世平，汽車空調(diào)熱負荷分析與計算[ J ] .制冷與空調(diào), 2002, 2：50 - 54.

[5] GB/T 12782 《汽車采暖性能要求和試驗方法》[s]. 中國標準出版社, 2007 .

Theoretical Analysis and Experiment of a light bus heating

Zhong Ling
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

In order to meet increasing customer comfort, design and development of automotive air conditioning are also constantly improve their own level, to meet the needs of the market. Original air-conditioning design, testing, rectification, revalidation means has gradually unable to meet the product development cycle. Air conditioning design and development need to rely on some theoretical calculations, provide a theoretical basis for the system to match, and the rectification program. By using established analytical model, qualitative and quantitative performance issues on a light passenger heating analysis and the rectification validation test proved the theoretical analysis model in the right direction.

Theoretical Analysis；FTA Analysis Model；Calculation Model；Experimental Verification

U471.2

A

1671-7988(2014)11-18-04

鐘凌，工程師，就職于安徽江淮汽車技術(shù)中心，從事電器設(shè)計工作，研究方向汽車空調(diào)。