劉宇

摘 要：縮短空調(diào)開發(fā)周期，以滿足當(dāng)代整車短周期開發(fā)的要求，構(gòu)建空調(diào)模型，已成為研究汽車空調(diào)性能的趨勢。本文主要介紹汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)、空調(diào)箱、乘客艙等物理模型的建立方法和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：空調(diào);物理模型;性能

0 概述

汽車空調(diào)物理模型需要考慮兩相流、相變換熱、空調(diào)箱和乘客艙復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以及持續(xù)變化的外部環(huán)境和整車工作狀態(tài)，這些因素導(dǎo)致汽車空調(diào)物理模型的復(fù)雜性?；谖锢砟Ｐ偷膹?fù)雜性，使用AMEsim建立制冷系統(tǒng)物理模型，使用Simulink建立空調(diào)箱、乘客艙物理模型，通過跨平臺聯(lián)合仿真，完成空調(diào)最大制冷性能和制熱性能的模型計(jì)算和驗(yàn)證。

1 制冷系統(tǒng)物理模型

1.1 壓縮機(jī)物理模型

壓縮機(jī)是汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的核心部件，雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示，但在模型化過程中主要考慮對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響最大的兩大效率，即容積效率和絕熱效率，可通過公式進(jìn)行理論核算得出。

1.2 熱交換器物理模型

兩大換熱器：蒸發(fā)器和冷凝器，雖然結(jié)構(gòu)比壓縮機(jī)簡單，但是其換熱過程涉及沸騰換熱、冷凝換熱等相變過程，且制冷劑流動涉及兩相流，所以換熱器的模型是非常復(fù)雜的，為了完成模型的建立，適當(dāng)?shù)暮喕欠浅Ｓ斜匾?，兩相流的模型均簡化為均勻模型，即氣相和液相的溫度相同、流速相同。制冷劑?cè)流體流阻的計(jì)算，首先需要建立流阻-熱容節(jié)點(diǎn)，為了完成換熱器熱流傳遞計(jì)算模型的建立，需要建立熱容-熱阻節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，涉及管內(nèi)壁面對流換熱、管壁熱傳導(dǎo)、管外壁對流換熱制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)的計(jì)算?？諝鈧?cè)換熱關(guān)聯(lián)式系數(shù)可以通過蒸發(fā)器、冷凝器臺架數(shù)據(jù)擬合獲取。

1.3 膨脹閥物理模型

膨脹閥是制冷系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，一般安裝于儲液筒和蒸發(fā)器之間。膨脹閥使中溫高壓的液體制冷劑通過其節(jié)流成為低溫低壓的濕蒸汽，然后制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量達(dá)到制冷效果，膨脹閥通過蒸發(fā)器末端的過熱度變化來控制閥門流量，防止出現(xiàn)蒸發(fā)器面積利用不足和敲缸現(xiàn)象。物理建?？梢苑治鰞煞N形式：①根據(jù)受力分析進(jìn)行，依據(jù)QC/T663-2000搭建臺架試驗(yàn)，通過臺架試驗(yàn)測試的結(jié)果數(shù)據(jù)繪制四象限圖建模。②四象限建模法，主要包括：感溫包內(nèi)沖注介質(zhì)的溫壓特性，在給定感溫包溫度下膨脹閥開度和蒸發(fā)器出口壓力的關(guān)系，以及在給定高、低壓力、過冷度時(shí)膨脹閥開度和流量的關(guān)系。基于四象限，根據(jù)蒸發(fā)器出口溫度和時(shí)間常數(shù)計(jì)算感溫包溫度，根據(jù)第一象限可以計(jì)算膨脹閥開啟壓力，根據(jù)當(dāng)前蒸發(fā)器壓力和給定感溫包溫度下膨脹閥開啟壓力計(jì)算給定感溫包溫度下的蒸發(fā)器出口壓力，然后根據(jù)第二象限可以計(jì)算出膨脹閥的開度，根據(jù)第三象限可以計(jì)算出膨脹閥開度對應(yīng)的參考流量，根據(jù)參考流量和當(dāng)前的高、低壓、制冷劑密度可以最終計(jì)算制冷劑的流量。第②種形式建立模型準(zhǔn)確度較高，本文將著重講解和分析。

2 空調(diào)箱物理模型

空調(diào)箱內(nèi)部部件較多，主要包括空氣濾芯、蒸發(fā)器、加熱芯體、新風(fēng)風(fēng)門、溫度混合風(fēng)門、風(fēng)量分配風(fēng)門等?？墒褂迷囼?yàn)得出的空調(diào)箱風(fēng)量或?qū)嶋H實(shí)車測量值數(shù)據(jù)，空調(diào)箱換熱模型只涉及蒸發(fā)器出口至風(fēng)道出風(fēng)口部分;對于空調(diào)箱中的加熱器芯體，其熱源側(cè)為發(fā)動機(jī)冷卻液，另外一側(cè)為空氣，其換熱過程都沒有涉及相變，冷卻液側(cè)換熱，使用理論公式測算;對于空調(diào)箱殼體和管內(nèi)空氣的換熱，以及風(fēng)管和管內(nèi)空氣的換熱，使用理論公式測算。層流和紊流分別使用理論公式測算，這應(yīng)以來就可以建立簡化的物理模型。

3 乘客艙物理模型

3.1 熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

乘客艙主體包括玻璃和車身，把玻璃和車身細(xì)分成單元節(jié)點(diǎn)，其中玻璃可分六個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，包括前、后擋風(fēng)玻璃和四個(gè)側(cè)窗玻璃，車身可分十個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，包括儀表板上、下部，后排座椅、后排衣帽架、車頂棚、地板和四個(gè)車門節(jié)點(diǎn)，每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)包括內(nèi)、外兩個(gè)表面溫度節(jié)點(diǎn);乘客艙內(nèi)的空氣劃分為四個(gè)溫區(qū);車外空氣為節(jié)點(diǎn)、太陽為節(jié)點(diǎn)、天空節(jié)點(diǎn)、地面節(jié)點(diǎn)為等各節(jié)點(diǎn)之間有熱量傳遞，均可看成是具有集總參數(shù)的單元。車窗玻璃可以看作均勻介質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)可以通過試驗(yàn)測得，車身簡化為多層導(dǎo)熱問題。車身外表面時(shí)刻都在和周邊的環(huán)境發(fā)生著輻射換熱，對于車身、地面、天空的輻射換熱可以采用斯蒂芬-波爾茲曼定律。對于天空的發(fā)射率，采用Angstrom方程獲取;乘客艙內(nèi)部是一個(gè)密閉的空間，其各個(gè)表面之間存在著相互的輻射換熱，根據(jù)輻射換熱的基本定律可以得出;陽光對單元節(jié)點(diǎn)的影響，可以根據(jù)透射率、反射率、陽光強(qiáng)度、法向夾角，計(jì)算出吸收的熱量和透射的熱量。

3.2 計(jì)算模型建立

對于玻璃和車身細(xì)分成單元節(jié)點(diǎn)，在任意時(shí)刻，可計(jì)算流入任意節(jié)點(diǎn)的凈熱流率，在給定初始溫度后，可以迭代計(jì)算出任意時(shí)刻所有節(jié)點(diǎn)的溫度。通過殼體各個(gè)區(qū)域進(jìn)入乘客艙內(nèi)的熱量，同時(shí)考慮空調(diào)風(fēng)量和溫度對乘客艙內(nèi)溫度產(chǎn)生的影響，最終通過迭代計(jì)算出乘客艙內(nèi)空氣溫度。物理模型一旦建立完成，可通過簡單的結(jié)構(gòu)來模擬復(fù)雜的系統(tǒng)，為其系統(tǒng)整體控制策略設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為優(yōu)化設(shè)計(jì)就、和性能評價(jià)提供可行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

通過熱節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)及能量平衡理論、結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素等對熱流傳遞分析，完成空調(diào)制冷系統(tǒng)、空調(diào)箱、乘客艙的一維物理模型，為驗(yàn)證其物理模型的有效性可通過實(shí)車驗(yàn)證的方式進(jìn)行對比分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]石文星.變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)特性及其控制策略研究[D].北京：清華大學(xué)熱能工程，2000.

[2]劉占峰，宋力.汽車空調(diào)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.