汽車整車環(huán)境模擬氣候風(fēng)洞
同濟(jì)大學(xué)制冷與熱工程研究所
摘 要汽車整車環(huán)境模擬風(fēng)洞可以在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)自然條件，模擬環(huán)境溫濕度、日照強(qiáng)度、車速、廢氣排放與新鮮空氣供給等功能，對(duì)汽車開發(fā)具有重要意義。本文介紹了汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞的構(gòu)成，列舉了上部分環(huán)境模擬風(fēng)洞的主要模擬參數(shù)，并就環(huán)境模擬風(fēng)洞制冷空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論。
關(guān)鍵詞汽車，環(huán)境模擬風(fēng)洞，制冷空調(diào)系統(tǒng)
汽車環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置可以模擬汽車在實(shí)際行駛中遇到的雨、雪、陽光、振動(dòng)、冷熱負(fù)荷、高低氣壓和行駛速度等。在環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置中進(jìn)行整車試驗(yàn)具有不受地區(qū)、季節(jié)及時(shí)間限制可復(fù)現(xiàn)自然條件、模擬極值條件，可在相同環(huán)境條件下多次重復(fù)試驗(yàn)有利于評(píng)估和詳細(xì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)[1] 。
汽車環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置包括環(huán)境模擬風(fēng)洞和環(huán)境模擬試驗(yàn)室兩類。環(huán)境模擬風(fēng)洞和環(huán)境模擬試驗(yàn)室之間有很多相似之處，但又存在一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別，即對(duì)車身周圍氣流組織及邊界層速度分布的模擬精度要求不同。環(huán)境模擬風(fēng)洞不僅對(duì)溫濕度、太陽輻射模擬精度有很高的要求，而且對(duì)流過車身的空氣流組織和速度分布模擬精度要求也很高，而環(huán)境模擬室則對(duì)車身周圍氣流組織狀態(tài)無精度要求。而實(shí)際上，車輛在實(shí)際行駛過程中車身周圍的氣流組織必定會(huì)對(duì)車輛及其零部件的性能產(chǎn)生影響,從這個(gè)角度講，環(huán)境模擬風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果將更符合實(shí)際情況。本文僅涉及環(huán)境模擬風(fēng)洞相關(guān)技術(shù)。
汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞通常可以分為高溫、低溫和高低溫三種。根據(jù)試驗(yàn)車型及試驗(yàn)所需流場(chǎng)及溫、濕度場(chǎng)品質(zhì)要求，可以確定環(huán)境模擬風(fēng)洞的規(guī)模，然后相應(yīng)地確定風(fēng)洞的主要性能指標(biāo)。
1 汽車環(huán)境模擬試驗(yàn)類型
環(huán)境模擬風(fēng)洞可為汽車及其零部件進(jìn)行舒適性、安全性和可靠性提供多種多樣的氣候試驗(yàn)研究平臺(tái)。在汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞中可進(jìn)行下列試驗(yàn)：
l 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻試驗(yàn)
l 空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)
l 熱燃料處理試驗(yàn)
l 汽車城市循環(huán)工況分析
l 冷熱排放試驗(yàn)
l 加熱系統(tǒng)開發(fā)
l 冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)試驗(yàn)
l 去霧/除霜試驗(yàn)
l HVAC 系統(tǒng)標(biāo)定
2 汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞的組成
汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞是一個(gè)復(fù)雜的試驗(yàn)設(shè)備，不僅要模擬氣候條件和道路行駛情況，同時(shí)還需要模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況并具有相應(yīng)的控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。通常包括下列子系統(tǒng)及裝置：
(1)空氣溫、濕度保證子系統(tǒng)，用來預(yù)置和控制模擬環(huán)境溫度和濕度，其中包括冷卻盤管、加熱器、加濕器以及冷凍裝置、除濕裝置、蒸汽鍋爐等。
(2)太陽輻射模擬子系統(tǒng)，用來模擬和控制太陽輻射強(qiáng)度和輻射角度；
(3)車風(fēng)速模擬子系統(tǒng)，用來模擬汽車迎面風(fēng)速及汽車怠速狀態(tài)；
(4)道路阻力模擬子系統(tǒng)，用來模擬汽車行駛時(shí)的道路阻力狀態(tài)、上下坡、加減速情況；
(5)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放子系統(tǒng)，用來及時(shí)抽吸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣、保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作背壓；
(6)新風(fēng)子系統(tǒng)，用來為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)充新鮮空氣、保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于良好的燃燒工作狀態(tài)；
(7)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，用來控制各種設(shè)備、動(dòng)作器及試驗(yàn)程序、包括必要的控制硬件和軟件設(shè)備；
(8)安全監(jiān)控及報(bào)警處理子系統(tǒng)，用來對(duì)室內(nèi)有害氣體及關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警，包括有害氣體及關(guān)鍵設(shè)備的自動(dòng)報(bào)警裝置等。
(9)數(shù)據(jù)采集及處理子系統(tǒng)，用來采集各種汽車性能試驗(yàn)所要求的參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果處理及生成試驗(yàn)報(bào)告；
(10)其他環(huán)境模擬裝置，如下雨、降雪、風(fēng)沙、鹽霧、振動(dòng)等。
環(huán)境模擬風(fēng)洞可以是立式，也可以是臥式，采用立式主要是為了節(jié)省空間，而風(fēng)管的形狀一般為矩形。各管段及其中部件主要?jiǎng)t根據(jù)阻力損失及流場(chǎng)、溫濕度場(chǎng)的要求來設(shè)計(jì)、在保證試驗(yàn)段速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)品質(zhì)的前提下，盡可能地減小總的阻力損失，以節(jié)省風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及制冷空調(diào)系統(tǒng)的能耗圖。
1 為汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞的示意圖
3 世界各國環(huán)境模擬風(fēng)洞性能參數(shù)
為了能模擬汽車行駛時(shí)的實(shí)際情況，環(huán)境模擬風(fēng)洞必須能在一個(gè)很寬的溫、濕度范圍內(nèi)滿足各種汽車試驗(yàn)的要求。在環(huán)境模擬風(fēng)洞發(fā)展的初期，各國風(fēng)洞一般模擬其本國的氣候條件，隨著汽車市場(chǎng)的化，工況范圍逐步擴(kuò)展，目前各國風(fēng)洞的溫度范圍一般為-40℃~55℃，濕度范圍為10%~90%，zui大太陽輻射強(qiáng)度約1200W/m² 基本上覆蓋了的氣候條件。
世界各大汽車及零部件生產(chǎn)廠一般均有自己的環(huán)境模擬風(fēng)洞，有的還擁有多個(gè)風(fēng)洞，日本的DENSO 公司就擁有6 個(gè)環(huán)境模擬風(fēng)洞，其中5 個(gè)為高低溫風(fēng)洞，1 個(gè)為高溫風(fēng)洞。國內(nèi)汽車環(huán)境模擬室不少并且其數(shù)量有上升的趨勢(shì)，由于風(fēng)洞的投資較環(huán)模室更大，國內(nèi)目前數(shù)量還很少。表1 列出了世界各大汽車及零部件生產(chǎn)廠部分環(huán)境模擬風(fēng)洞的主要?dú)夂蚣败囁倌M參數(shù)。
4 汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞制冷空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)
汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞的空氣溫、濕度保證子系統(tǒng)，新風(fēng)子系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放子系統(tǒng)等構(gòu)成了一套復(fù)雜的制冷空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作特點(diǎn)與常規(guī)制冷空調(diào)系統(tǒng)相差很大。*,它為間歇運(yùn)行,而且運(yùn)行的時(shí)間較短,一次試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間通常只有3~5 小時(shí)而停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)。第二,其室內(nèi)空氣的溫度參數(shù)通常不是恒定的,而是要求按一定曲線變化。試驗(yàn)過程由降溫、恒溫和升溫3 個(gè)階段組成,交替進(jìn)行。因此整個(gè)試驗(yàn)中(包括恒溫階段) 其傳熱過程均為非穩(wěn)態(tài)傳熱,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和放熱(吸熱) 量在不斷變化。第三,試驗(yàn)過程中隨著室溫的變化,制冷系統(tǒng)的工況和制冷量等性能參數(shù)也在不斷地變化。第四，為滿足試驗(yàn)要求，環(huán)境模擬風(fēng)洞有升溫速率和降溫速率的要求，需要在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)達(dá)到試驗(yàn)段溫、濕度參數(shù)的穩(wěn)定。第五，由于風(fēng)速模擬系統(tǒng)中的大功率風(fēng)機(jī)和試驗(yàn)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，系統(tǒng)負(fù)荷大大高于常規(guī)制冷空調(diào)系統(tǒng)；第六，試驗(yàn)類型和車輛種類的多樣性決定了系統(tǒng)負(fù)荷變化范圍很大。
上述特點(diǎn)表明，汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞的制冷空調(diào)系統(tǒng)不僅負(fù)荷大，而且設(shè)備容量必須綜合考慮汽車行駛速度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和車輛各部分溫度場(chǎng)的變化，制冷系統(tǒng)狀態(tài)和性能變化以及室內(nèi)氣流組織和溫度場(chǎng)的變化情況下相互作用產(chǎn)生的降溫(升溫) 曲線的模擬方法來確定，而不能由一個(gè)冷(熱)負(fù)荷計(jì)算值來確定。其中風(fēng)速模擬系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，風(fēng)洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)和車輛蓄熱量的變化等內(nèi)部擾動(dòng)成為影響設(shè)備容量的zui主要因素,而室內(nèi)外溫差引起的外部擾動(dòng)則成為次要因素。
汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞一般采用蒸汽壓縮式制冷，盡管直接制冷比間接制冷節(jié)能，但為了風(fēng)洞良好的溫、濕度調(diào)節(jié)性能和對(duì)風(fēng)洞總阻力損失的要求，目前大多數(shù)環(huán)境模擬風(fēng)洞采用間接制冷方式；制冷系統(tǒng)一般采用雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)組。在制冷劑使用方面，早期的風(fēng)洞較多采用R22 為制冷劑，為了適應(yīng)臭氧層保護(hù)及溫室效應(yīng)的控制要求，目前采用自然工質(zhì)氨為制冷劑的環(huán)境模擬風(fēng)洞越來越多。
由于汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞的負(fù)荷大、工況調(diào)節(jié)范圍寬，有降（升）溫速率的要求同時(shí)具有間隙運(yùn)行的特點(diǎn)。當(dāng)模擬的低溫極值所需制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度達(dá)-70℃ 時(shí)，從設(shè)備投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能等角度綜合考慮，空氣制冷有一定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)空氣制冷還不存在CFC 的問題。事實(shí)上，國內(nèi)已經(jīng)在多項(xiàng)大中型綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備（非車輛用）中采用了該制冷方式[2] 。當(dāng)汽車環(huán)境模擬風(fēng)洞模擬極限溫度很低時(shí)（如模擬溫度達(dá)-50℃），其它制冷方式的經(jīng)濟(jì)性探討有著一定的實(shí)際意義。
由于環(huán)境模擬風(fēng)洞制冷空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷非常大，國外某專業(yè)風(fēng)洞設(shè)計(jì)單位已經(jīng)在系統(tǒng)熱回收上有了一定的構(gòu)思。鑒于環(huán)境模擬風(fēng)洞是一個(gè)試驗(yàn)設(shè)備，其運(yùn)行是間隙的，未來的風(fēng)洞是否會(huì)采用熱回收方案取決于投資和運(yùn)行費(fèi)用的綜合考慮，但展開理論上的分析無疑是有意義的。