趙軍，張海燕，潘華

(蕪湖博耐爾汽車電器系統(tǒng)有限公司，安徽蕪湖241000)

由于受汽車內(nèi)部空間限制、模具、獨特性等要求，空氣處理系統(tǒng)的許多組件必須具有獨特性，特別是整車除霜/除霧系統(tǒng)，并且與整車的其他多個部件都有耦合關(guān)系。整車除霜除霧功能是安全考核項目，對整車的駕駛安全性能至關(guān)重要，設(shè)計中需要考慮的因素更多、更復(fù)雜，筆者將對此作詳細(xì)介紹。

1 除霜/除霧原理

如圖1所示，整車除霜除霧系統(tǒng)一般是利用發(fā)動機(jī)的熱水，通過空調(diào)系統(tǒng)的暖風(fēng)水箱，把空氣加熱成高溫的干空氣，然后從空調(diào)除霜風(fēng)口送出，通過整車的除霜風(fēng)道和出風(fēng)口，吹到擋風(fēng)玻璃和側(cè)玻璃后視鏡區(qū)域。通過熱空氣將玻璃加熱，融化掉霜層或利用干空氣將霧驅(qū)散掉。

2 除霜/除霧的影響因素

要想達(dá)到良好的除霜/除霧效果，整個除霜/除霧系統(tǒng)的組成零部件和相關(guān)影響因素都必須設(shè)計良好，運(yùn)行正常。下面，分別從冷卻系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)兩方面來分析一下對除霜除霧有影響的因素。

2.1 整車?yán)鋮s系統(tǒng)對除霜除霧的影響因素

2.1.1 發(fā)動機(jī)水溫的影響

除霜除霧所需的熱風(fēng)熱量是來源于發(fā)動機(jī)熱水的，因此熱水的水溫、流量發(fā)生變化時，暖風(fēng)水箱的換熱量就會變化，影響除霜出風(fēng)溫度。目前這個地方存在一個很難解決的問題，就是隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的提高，其效率不斷提高，導(dǎo)致余熱下降，發(fā)動機(jī)水溫上升慢，水溫低。特別是柴油發(fā)動機(jī)，這個問題更加明顯，導(dǎo)致除霜效果差。

現(xiàn)在低檔車一般是通過調(diào)整發(fā)動機(jī)ECU的控制，增加低溫時的供油量，以此迅速將水溫升高。但隨著排放指標(biāo)和節(jié)能環(huán)保的要求，這個方法已經(jīng)不適用于將來的新車型了。

比較高檔的汽車，一般可以增加燃油輔助加熱，蓄熱裝置或電加熱方式，以此來彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)熱量不足和升溫過慢的問題。另外還有通過加熱玻璃洗滌液的方式，直接用熱的洗滌液來融化掉玻璃表面的霜層，迅速除霜。

2.1.2 暖風(fēng)水箱水流量的影響

冷卻系統(tǒng)常見影響除霜除霧的因素是暖風(fēng)水箱的水流量問題，根據(jù)筆者的經(jīng)驗，正常的車在進(jìn)行低溫除霜試驗時，其暖風(fēng)水箱的進(jìn)出水溫差在7～10℃左右。一但水溫差異過大，則說明通過暖風(fēng)水箱的熱水流量低，產(chǎn)生這個問題的原因一般有如下幾種:

(1)節(jié)溫器泄漏或失效;

(2)水泵有效揚(yáng)程不足;

(3)發(fā)動機(jī)水套內(nèi)部泄漏;

(4)小循環(huán)水路流阻過大、堵塞;

(5)發(fā)動機(jī)防凍液不足，水位過低;

(6)水路設(shè)計不好，分流不均。

另外水路排氣不好，暖風(fēng)水箱中存在空氣也會影響采暖效果。

這些問題一般比較容易發(fā)現(xiàn)，處理方法也比較成熟，在此就不繼續(xù)討論了，下面，著重分析一下除霜除霧裝置空氣系統(tǒng)的一些影響因素。

2.2 整車空氣系統(tǒng)對除霜除霧的影響

除霜/除霧狀態(tài)時，空調(diào)是調(diào)整到全暖外循環(huán)模式，風(fēng)量的要求是不一樣的，一般要求鼓風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時能保證除霜要求，而在低速運(yùn)行時能滿足除霧需求。常規(guī)轎車的推薦值為:鼓風(fēng)機(jī)高速擋，除霜模式下，出風(fēng)口的出風(fēng)量≥300 m3/h，出風(fēng)風(fēng)速為5 m/s左右;除霧模式下，出風(fēng)口的出風(fēng)量≥17 m3/h即可。

這個要求對于目前的汽車空調(diào)HVAC總成來說很容易做到，現(xiàn)在的鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量在滿足噪音要求的情況下，基本都可以達(dá)到0 Pa背壓時，500 m3/h以上風(fēng)量。

而兩器也大量采用高效的層疊式或平行流式換熱器，厚度薄，風(fēng)阻小，全暖時的風(fēng)阻總和在200 Pa左右也基本都能達(dá)到，所以除霜風(fēng)量對于HVAC來說是可以滿足的，在此就不論述了。

2.2.1 除霜風(fēng)道對除霜/除霧的影響

首先簡單介紹一下整車的除霜風(fēng)道系統(tǒng)，如圖2所示。

從圖2可以看出，除霜風(fēng)道主要可以分成3部分:

1——中央除霜風(fēng)道:將風(fēng)導(dǎo)到前擋風(fēng)玻璃除霜出風(fēng)口;

2 /3——左/右側(cè)除霜風(fēng)道:將風(fēng)導(dǎo)到左/右側(cè)玻璃除霜出風(fēng)口。

由于車廂內(nèi)空間有限，而且風(fēng)道在儀表臺下方布置，要考慮避讓其他零部件和滿足安裝需求，基本上風(fēng)道就是哪里有空間就從哪里走，所以風(fēng)道經(jīng)常設(shè)計得外型彎曲，粗細(xì)不均。這樣就導(dǎo)致風(fēng)道的風(fēng)阻增大，氣流分配不均等問題，會使除霜出風(fēng)量減少，出風(fēng)不均勻，特別是側(cè)除霜風(fēng)量小，后視鏡區(qū)域難以除掉霜層或霧氣。

筆者曾經(jīng)遇到過這樣一個案例，某車廠設(shè)計的一款轎車，由于HVAC布置得稍微偏副駕側(cè)，所以中央除霜風(fēng)道設(shè)計時，導(dǎo)流片將大部分氣流導(dǎo)向主駕側(cè)，經(jīng)CFD模擬計算，發(fā)現(xiàn)副駕側(cè)除霜效果很差，如圖3、4所示。

為了解決此問題，對此車的中央除霜風(fēng)道進(jìn)行了優(yōu)化整改工作，大致過程如下:

在原風(fēng)道導(dǎo)流片角度的基礎(chǔ)上，根據(jù)CFD計算的結(jié)果，依次調(diào)整各個導(dǎo)流片的角度，并導(dǎo)入CFD進(jìn)行計算驗證，最終從很多種優(yōu)化方案中得到一個效果比較理想的方案，其CFD模擬結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，此車的前擋風(fēng)玻璃主要除霜/除霧區(qū)域速度分布已大于0.6 m/s，有利于除霜效果的提高。并且在設(shè)計車輛的環(huán)模試驗中，此車的除霜/除霧效果也可以順利通過試驗要求。

2.2.2 除霜出風(fēng)口對除霜/除霧效果的影響

另外一個對除霜/除霧有重要影響的因素——出風(fēng)口布置和結(jié)構(gòu)，也是我們業(yè)內(nèi)比較難處理的一個問題。主要是出風(fēng)口布置是由整車內(nèi)飾儀表臺的造型決定，其大小和形狀要符合造型的整體需求。但它又對氣流的風(fēng)速、風(fēng)量和風(fēng)向起到很大的影響作用，所以必須要注意幾個原則性的設(shè)計要求，否則就會產(chǎn)生不好的影響。

下面介紹筆者搜集的一些汽車廠和設(shè)計公司的設(shè)計經(jīng)驗，希望可以給相關(guān)設(shè)計人員一些參考，避免初期設(shè)計不當(dāng)，給后期帶來整改麻煩。

2.2.2.1 出風(fēng)口位置

除霜風(fēng)道出口與擋風(fēng)玻璃在水平方向平行，出風(fēng)口中心距前擋玻璃跟部 (擋風(fēng)玻璃和儀表盤交點)的水平距離推薦值如圖7和表1所示。

表1 除霜出風(fēng)口位置與玻璃角度關(guān)系

2.2.2.2 出風(fēng)口形狀

出風(fēng)口形狀常見的主要有如圖8所示幾種形式。

圖8和圖9中的出風(fēng)口形式進(jìn)行組合，可以有多種不同的具體效果形式。具體形式的確定主要依賴于整車儀表臺下零部件的布置需要及儀表臺外觀設(shè)計要求而綜合確定的。

2.2.2.3 出風(fēng)口大小

除霜/除霧出風(fēng)口開口大小需要依據(jù)一定設(shè)計原則:開口過大，氣流速度過小，氣流發(fā)散，部分氣流將直接貼附儀表臺流向車廂內(nèi);開口過小，氣流速度過大，導(dǎo)致明顯的氣流噪音，影響整車舒適性。除霜出風(fēng)口大小可以通過除霜出風(fēng)量及出風(fēng)速度計算得到。

出風(fēng)口設(shè)計中需要注意以下問題:

(1)出風(fēng)口最小面積為90～116 cm2，縱向最短距離為1.8 cm;

(2)兩個格柵或支撐肋片之間的間距不得大于17.5 mm，以使硬幣不會落入風(fēng)道 (國外設(shè)計要求，國內(nèi)設(shè)計僅作參考);

(3)格柵的作用不在于對除霜氣流導(dǎo)流作用，它主要用于避免異物從除霜風(fēng)道出風(fēng)口掉入風(fēng)道內(nèi)，且格柵不能限制氣流的流動，同時格柵的設(shè)計還要盡可能減小對氣流的紊亂度;

(4)格柵葉片的最厚部分的厚度不得大于2 mm，葉片底部 (面向氣流的面)的半徑不得超過0.5 mm，格柵葉片的厚度從底部向上遞增;

(5)儀表盤上的開口面積要略大于除霜出風(fēng)口的面積，且上邊緣需要作倒角處理，以防止除霜出風(fēng)口氣流的方向受其影響而發(fā)生改變。

2.2.2.4 除霜風(fēng)口氣流方向

除霜氣流的方向，對于整車除霜/除霧性能的影響是非常關(guān)鍵的。設(shè)計中必須保證從除霜/除霧風(fēng)道內(nèi)吹出來的熱氣流是吹向擋風(fēng)玻璃的要求除霜/除霧區(qū)域，而不是吹向其他地方。設(shè)計中應(yīng)考慮如下幾點:

(1)除霜風(fēng)道的出風(fēng)不能直接吹入司機(jī)或乘客的眼睛;

(2)除霜風(fēng)道的設(shè)計應(yīng)保證除霜氣流緊貼擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面流動;

(3)為了避免擋風(fēng)玻璃因氣流沖擊力的作用而破碎，從出風(fēng)在玻璃上的噴射點到擋風(fēng)玻璃底部的最短距離為18 cm;

(4)保證有足夠的除霜氣流吹向擋風(fēng)玻璃上雨刮器下部的區(qū)域，以避免該區(qū)域堆積過多的霜層;

(5)除霜/除霧風(fēng)道出風(fēng)口氣流方向與擋風(fēng)玻璃的夾角一般取值范圍為30～60°。在MVSS 103規(guī)范的氣流方向如圖10所示，氣流吹向擋風(fēng)玻璃“C”區(qū)的底部。依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，推薦除霜/除霧風(fēng)道出風(fēng)口氣流初始設(shè)計方向取30°～35°，后期可以通過CFD分析進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與調(diào)整。

2.2.2.5 側(cè)除霜/除霧風(fēng)口布置

除霜模式時，除霜/除霧風(fēng)道的左/右端應(yīng)引導(dǎo)熱氣流吹向側(cè)窗玻璃。除霜/霧出風(fēng)口的最佳位置是位于A柱區(qū)域或儀表臺的外側(cè)邊緣，如圖11所示;不宜將除霜/霧出口布置在側(cè)窗玻璃以下的門飾內(nèi)，因為這樣不能使氣流完全覆蓋整個側(cè)窗玻璃。

另外，如果側(cè)除霜/除霧出風(fēng)口布置在儀表臺上，則應(yīng)盡可能地布置在儀表臺的邊緣，以減小熱氣流的流通路徑。

3 結(jié)論

(1)筆者通過常年對整車除霜/除霧系統(tǒng)的問題研究，總結(jié)了一些常見的問題現(xiàn)象和產(chǎn)生原因，對指導(dǎo)設(shè)計和處理問題可以起到一定的幫助作用。

(2)影響除霜/除霧的因素中，風(fēng)道和出風(fēng)口設(shè)計問題是比較重要而且難以處理的，一定要在設(shè)計初期充分利用CFD模擬計算進(jìn)行驗證，避免后期整改帶來的麻煩。

(3)從目前的整車技術(shù)水平發(fā)展來看，傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)余熱采暖除霜除霧設(shè)計存在弊端，新的除霜除霧安全裝置存在很大的需求空間。