汽车空调通风系统参数设计

摘 要：汽车空调通风系统的好坏直接影响空调系统性能的发挥，好的通风能更好的发挥空调制冷、采暖及除霜除雾等性能。本文就汽车空调吹面、 除霜、 除雾和吹角出风口面积及风速参数的设计进行了经验总结与探讨。

1  引言

汽车空调系统已成为汽车中具有举足轻重的功能部件。汽车空调系统为汽车提供制冷、 取暖、除霜、 空气过滤和湿度控制功能，使乘室内人员更加舒适，驾驶更加安全。

在整个汽车空调系统中，风道和出风口组成空调的通风系统，担负着将经过处理（温度调节，湿度调节，净化）的气流送到汽车驾驶舱内，以完成驾驶舱内通风，制冷，加热，除霜除雾，净化空气等的功能。通风系统如何设计才能使空调系统的性能发挥到最大化，通风参数如何设定才能驾驶室感觉更舒适、与探讨。

2  汽车空调通风系统参数设计

2.1  风道的布置

风道是连接空调器与出风口的通道,是空调系统中制冷和制热空气的通道。目前空调系统零部件由空调厂商提供,作为空调系统一部分的风道设计, 需汽车整车设计部门做匹配设计, 车厢内的空气流场与温度场不仅与车厢结构以及空调制冷系统有关,还与空调风道的结构形状密切相关。风道的布置走向、 风道占用空间(截面积)以及风道中空气的流速等均影响车厢内的制冷效果,影响系统的经济性和舒适性，以轿车为例，风道的布置如图 1。


图 1 风道布置示意图

2.2  吹面风道设计

2.2.1  横截面

欲获得满意的出风口空气流量，必先获得满足要求的风道横截面积，为达到空调系统给出的流量要求，风道设计允许的最低限度应为 10CFM的流量有 1.0 平方英寸的面积，即风道横截面积不能低于这一最低限度要求。举个例子，假如某吹面风道出风口的流速要求是 65CFM,，则最小横截面积要求为 6.5 平方英寸。故而通向该出风口的风道轴向上每一点的横截面积都必需大于等于 6.5平方英寸，如图 2。


图 2 风道截面示意图

在保持最小面积不变的情况下，沿风道轴向的横截面积可能保持不变，也可能逐渐减少（收缩）或变大（扩张），对于收缩部分，收缩角必须小于 40°，一般说来，收缩角要尽量小，如图 3。


图 3 风道收缩角截面示意图

对于扩张部分，两壁间的夹角要小于 14°，以免风流紊乱和不必要的压力损失，这二者会导致风量减少和噪音增加，如图 4。


图 4 风道扩张角截面示意图

对任何截面积的突变都要予以避免，因为横截面的突变会增加压力损失，从而导致风量的减小。在 HVAC 与吹面风道的对接处，风道垂直深度不能小于出风宽度，这样做的目地是避免吹面风道进风高压损失，进而风量减小，如图 5。


图 5 风道垂直长度示意图

2.2.2  转角

所有转角折弯都须有很大的转角半径以使转角处的压力损失最小化。减少风道转弯次数并尽量保持风道在转角处以最大内侧半径转弯，转角内侧半径的尺寸最小要于转角处风道宽度相等。例如：风道宽度 50mm，则转角内侧半径最小为50mm。假如转角内侧半径太小的话，将会引起风流紊乱。风流紊乱致使转角后部出现涡旋，会极大的减小风道的有效横截面积，进而导致压力损失、噪音增加以及风量减小。如图 6。


图 6 风道转弯半径示意图

当有造型要求时，需要用到风道的长宽比来满足系统性能，所必须的内侧转角半径可以通过风道自身来减小，即将风道设计成沿横截面最小长度来转弯。如图 7。


图 7 风道转弯半径示意图

2.2.3  风道的分支

对于有两个或更多分支的风道，每个分支的最小横截面积需要根据所需的出风口风速来定。例如三分支的风道横截面积的需求。#3 出风口的出风面积是出风口 #1 和#2 的两倍，因为出风口#3 的风量要求是其他两个出风口的两倍，如图 8。


图 8 风道分支风速与截面积示意图

例如五分支的风道横截面积的需求，如图 9。


图 9 风道分支风速与截面积示意图

2.2.4  风流方向性

风道和出风口的设计应能使吹面风直接吹到乘员身体上的正确目标点，乘员应能通过吹面风道格栅的叶片根据舒适性需求自如的调节风向，经典目标区域垂直分布于目标点（乘员眼部）和 H点（乘员髋部）之间，横向目标区域为每一个乘员的从左侧至右侧的区间，吹面风应能自然的将目标面积中的每一个角落吹到。当风道上出风那一段是直接指向目标区域的中点时，出风格栅叶片是影响风向的第一要素。笔直指向出风口的风道长度最少应为 “压力直径” 的 3 倍，风道的压力直径由以下式定义：

压力直径 =4×横截面积÷风道周长

2.3  除霜除雾风道设计

除霜风道最重要的作用是将结在挡风玻璃外侧 的 冰 融 化 掉 ， 目 前 本 公 司 采 用 的 是 国 标“GB11555-2009汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法”。除霜系统的设计目标是清除标准规定的前挡风玻璃的区域、鼓风机低速运转时能防止挡风玻璃内表面结雾等。为达到以上目标，需要确定出风口数量和出风口位置等，不同数量的出风口有以下优缺点及出风口位置，如表 1、 表 2。

表 1 不同数量出风口的优缺点列表


表 2 挡风玻璃角度与出风口位置示意图


为达到标准预期目标，风道在除霜出风口前应有一段笔直的部分，其长度是 2 倍的压力直径。流向与挡风玻璃的夹角（流向影响角），应控制在30°到 60°之间。如图 10。


图 10 风速流向与挡风玻璃的夹角示意图

2.4  吹脚风道

吹角风道的作用是向驾驶员和附驾驶员的脚部输送暖风，并通过后吹脚风道分配一部风流量到后排空间出风口风速 400 英尺 / 分。吹脚模式下由 HVAC 吹出的总风量分配如表3。

表 3 HVAC 出风口风量分配


对于有后吹脚风道的汽车，前部和后部的风量分配都要做到左右均衡，推荐对风量作如表 4。

表 4 HVAC 后吹脚风道分配