【摘 要】针对空调箱温度线性的现状，本文通过CFD**对空调箱体内流场和温度场进行分析，监测空调箱暖风量的比例曲线和各风门开口出风口的总平均温度曲线， 并优化和调整温度阻尼器附近外壳的关键尺寸。经验证，实验测得的新温度线性数据与初次结果吻合较好，满足客户对温度线性度的要求，新方案不影响空调总风量和噪声性能。 对汽车空调温度线性分析具有参考价值。
汽车空调的热舒适性是整车制冷制热的关键环节，良好的热舒适性不仅为乘客舱提供了充足的新鲜空气，有效调节了每个出风口的温度、湿度和风速，还有助于汽车的安全驾驶。 因此，汽车制造商和消费者越来越关注车内对空气的需求。
在传统燃油汽车中，制冷过程中，新鲜空气在空调箱内的蒸发器表面进行交换，蒸发器吸收热量，降低空调箱内新风的温度，然后通过空调配电箱将低温新风输送到各个风道出口。 加热时，一般情况下，空调箱暖风换热器的扁管通道与燃油机的冷却水系统相连，冷却水系统向暖风换热器内部提供稳定的高温冷却液，新鲜空气在暖风换热器表面进行热交换， 暖风换热器放热量，加热空调箱内的新风温度，高温新风也通过空调配电箱输送到各风道的出口。考虑到乘客舱对送风温度的需求，送风温度可分为全冷、全热、随风门开启呈线性温度变化（温度线性）、头冷脚热（垂直温差）、单模式各出风口温度均匀（水平温差）。
当开发某种空调系统时，温度阻尼器开度从总制冷的0%到总供暖的100%分为10个不等度。 当阻尼器从0%开到100%时，温度阻尼器旋转角度依次减小。 每个阻尼器开度对应的旋转角度如图1所示。
图1 每个阻尼器的开度与旋转角度相对应。
以吹气模式为例，在线性实验中测试空调的温度。 如图2所示，空调箱各风道出口的总平均温度变化可分为三个区域：温度阻尼器开度为10%至80%，总平均温度线性温和上升温度阻尼器开度为80%至90%，总平均温度急剧升高;温度阻尼器开度为90%至100%，总平均温度温和上升。 相较于主机厂提出的出风温度线性要求，温度线性度的下限一般为风管的出口温度从全冷到全热，温度线性度的上限一般为风管的出口温度从全热到全冷设置， 并且测得的温度需要落在温度线性度的上下限内。在图2中，测得的出风口总平均温度不在线性温度范围内，空调箱的线性温度不满足需求。 根据实测数据的初步判断，不同风门开度的空调箱内冷暖风量占总风量的比例存在问题。 为了解决空调箱的温度线性问题，需要同时保证空调箱各模式的总进风量，保持空调箱内的制冷和制热性能，不产生额外的空气动力噪音。
图2 测得的不同阻尼器开口的平均温度比例。
分析了原空调箱吹风面模式的温度，不同风门开口的暖风量占比如图3所示。 温度阻尼器开度为10%至90%，空调箱内暖风量比例线性缓缓增加温度阻尼器开度为90%至100%，空调箱内暖风比例急剧增加。 **获得的暖空气比例趋势与上一时期一致**。
图3 不同风门开口下暖风量比例。
如图4所示，温度阻尼器开度为10%至100%，通过CFD**得到的每个风管出口的总平均温度与实测数据吻合较好。 在CFD**中，出风口总平均温度的突变点是温度阻尼器开度的90%在测量中，出口空气总平均温度的突变点为风门开度温度的80%*阻尼器开度存在差异，对应于测量的总平均温度的急剧升高。
图 4 **与实际测量值相比，不同阻尼器开口的平均温度百分比。
各风门的开度、空调箱内流场和温度场的分布如图5所示。 随着风门开度的增加，出口的总平均温度逐渐升高。 当温度阻尼器开度为10%至90%时，冷空气主要从温阻尼器与空调箱壳之间形成的冷风通道流向各风道的出口，通过冷风通道的冷空气过多，导致出风口总平均温度较低。 温度阻尼器全开，即空调通道关闭，总平均温度急剧上升。 温度阻尼器与壳体之间形成的上部空调通道的大小对出风口的总平均温度影响很大。
图5 优化前不同阻尼器开口的空调箱内流场和温度场分布。
根据原CFD分析结果，考虑到空调箱体总风量不变，采用如下优化方案，如图6所示： 在空调箱壳体上加一个弧板（黑色圆圈），弧板与原壳体的挡板相切， 沿C方向加长至175mm，加长挡板在B方向拉伸2mm;外壳上的密封挡板在A方向加长3mm将外壳和温度阻尼器之间的最小间隙 d 减小到 15m。
图6 温度线性优化方案。
如图7所示，优化方案中暖风量占比随温度阻尼器开度的增加呈线性增加阻尼器开度为10%-50%，优化方案中暖风量占比较原方案略有增加风门开度为60%-90%，优化方案中暖风量占比大于原方案。 优化后，出口空气总平均温度满足各温度阻尼器开口处的温度线性要求，如图8所示。
图7 优化后暖风量占比线性图。
图8 优化出风口的总平均温度满足温度线性要求。
图 9 显示了优化阻尼器开度为 10% 至 90% 的空调箱的内部流场和温度场。 当温度风门开度为10%至60%时，上部风冷通道面积比原空调通道面积小，但冷通道面积的减少相对较小，出风口总平均温度略有升高。 当温度阻尼器开度为60%至90%时，上部空调通道的面积比原空调通道的面积小，但冷通道面积的减少相对较大，出风口总平均温度大大提高。
图9 优化后空调开度为10%和90%的空调内部流场和温度场等值线图。
2.4.1 实验测试方法。
空调箱、风道、出风格栅安装在试验台上，模拟实际车辆状态，所有出风口格栅全开。 在温度线性测试中，温度阻尼器记录每种模式的稳定出口空气温度，并以10%的步长绘制从0%到100%到0%的温度线性曲线。 由于本文未考虑温度的滞后，因此此处仅显示温度阻尼器从0%到100%对应的温度线性数据。
测量点的位置如下：2 4个热电偶测量点布置在距离风管出口10mm处。
2.4.2 协议验证。
考虑到原始状态实验结果与第一数据对应的阻尼器开度的差异，在对新方案进行实验验证之前，在温度阻尼器轴的两端增加薄垫片，以减小与空调箱壳体的匹配间隙。
使用新方案，实验和**的线性温度曲线如图10所示。 整个阻尼器开度的温度线性度结果与实验的温度线性度吻合较好，实验的总平均温度值在温度线性度的上下限内，满足温度线性度要求。
图10 实验温度的线性曲线和**。
表1和表2分别为原方案与新方案空调箱的噪声对比和总风量对比，新方案与原方案的风量变化不大，噪声差异也较小。
表1 新方案与原方案噪声数据对比
表2 新方案与原方案风量结果对比
本文对某空调箱内部流场和温度场进行了CFD**分析，监测了各温阻尼器开口处空调箱暖风量占比和风道出风口面总平均温度曲线，得到了温度阻尼器附近壳体关键尺寸的优化方案。 同时，在减小了温度阻尼器轴与壳体轴孔之间的间隙后，再次测试了新方案的温度线性度。 **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。 新方案对空调总风量和噪声影响不大，对汽车空调温度的线性提升具有参考意义。
作者：陶颖、王浩、杨怀龙、王大建.南京协众汽车空调集团***