新能源车用 CO2 空调系统泄漏特性仿真研究

宗硕,殷翔,黄龙飞等.新能源车用CO2空调系统泄漏特性仿真研究[J].制冷学报,2023,44(06):22-28.

摘 要 

CO2 作为一种安全、高效且环境友好的自然工质,是未来汽车空调制冷剂替代方案的重要选择。考虑到 CO2 系统制冷剂泄漏导致乘员舱气体体积分数超标的舒适及安全问题,本文使用三维仿真软件 STAR-CCM+搭建乘员舱 CO2 制冷剂泄漏仿真模型,仿真分析两种不同泄漏速率和泄漏圆孔孔径下乘员舱乘客面部测点 CO2 体积分数的动态变化情况。在 50 g / s 的高 CO2泄漏速率下,面部 CO2 体积分数在泄漏完成时能够达到 9%以上,需要切换送风模式提供新风来降低乘员舱内 CO2 体积分数;在0. 1 g / s 的低 CO2 泄漏速率下,泄漏完成时面部 CO2 体积分数不超过 3%,处于呼吸安全区范围。

传统的汽车空调系统大部分以 R134a[1] 作为制冷剂,R134a 因其良好的制冷性能而被广泛应用于各个领域,但高达 1 430 的 GWP(全球变暖潜值, GlobalWarming Potential)[2]使其在环保效益方面有所欠缺。随着各类法律法规的出台,R134a 等传统制冷剂将逐步淘汰使用。新能源汽车热管理系统目前仍广泛使用 HFC 类强温室效应气体(如 R134a 和 R407C) 作为制冷剂,而 CO2 作为自然工质无毒没有可燃性[3],其 ODP(臭氧损耗潜值,ozone depletion potential) 为0,GWP 为 1[4],是目前作为替代传统制冷剂的理想选择[5]。CO2 热泵技术在车辆热管理领域发展前景广阔,制热能力明显优于采用 R134a、R407C、R1234yf等制冷剂[6]的方案。对于跨临界 CO2 汽车热泵空调系统,由于制冷剂 CO2 可能通过 HVAC 系统泄漏至乘员舱中,导致乘员舱内 CO2 气体体积分数过高影响乘员舱舒适性[7],因此研究 CO2 泄漏后乘员舱驾驶员和乘客呼吸处 CO2 体积分数是有必要性的。

若 CO2 体积分数超过人体可接受的阈值,则会产生威胁到人体健康的后果[8],且乘员舱内人体不断通过呼吸产生补充 CO2 。根据美国疾病控制和预防中心[9]的数据,人体在体积分数为 5% CO2 下暴露30 min 或在 7% ~10% CO2 体积分数下暴露几分钟后将出现头晕的症状。EPA(美国环境保护署,Environmental Protection Agency)将体积分数 3%定义为乘客自由空间内平均超过 15 min 的短期呼吸水平,并将4%定义为乘客呼吸区的上限。因此,在制冷剂泄漏特别是由蒸发器严重泄漏引起的情况下,评估汽车乘员舱 CO2 体积分数对于制定应对措施以确保乘客的安全至关重要,泄漏的开始可能是由于汽车碰撞事件、HVAC 系统的故障或长期使用导致的腐蚀。G.D. Mathur 等[10]通过实车测量乘客呼吸引起的 CO2体积分数变化,乘员舱在 3 名乘客的呼吸作用下平均CO2 体积分数在 50 min 内能够达到 0. 25%,空调在再循环模式下运行。H. Jung[11] 开发了一个数学模型,用于预测空调再循环模式下乘员舱中的 CO2 体积分数变化,作为乘员舱容积、车身泄漏和乘客数量的函数,通过拟合实验数据确定相关系数。徐廷喜等[12]提出一种基于支持向量数据描述算法的变频空调系统制冷剂泄漏故障检测和诊断方法。

S. Yadav 等[13] 研究了 R290 和 R1234yf 两种潜在替代制冷剂在蒸发器、冷凝器中的泄漏特性,并对其由于泄漏引起的爆炸特性进行了分析。M. E. Koban 等[14]采用 CFD 模型模拟 HFO-1234yf 在不同空调管路破裂工况下的扩散特性,结果显示,由于空气被夹带到制冷剂射流中,制冷剂的泄漏过程得到快速稀释。刘全义等[15]基于 Fluent 软件模拟了水平和垂直方向不同位置抽气口作用对建筑物内泄漏丙烷后的混合气体体积分数场分布的影响规律,结果显示,制冷剂泄漏后,垂直方向抽气口位置越低,对于降低房间内丙烷气体体积分数的效果越好。杨清泉等[16]采用实验的方法对 R32 制冷剂在运行过程中发生的泄漏和爆炸的问题进行研究,结果表明,不可燃时间值随着泄漏速度的增加呈先下降后上升的趋势。

R. Monforte 等[17] 使用 CFD 仿真模拟以评估R1234yf 制冷剂泄漏至乘员舱内的风险,该 CFD 模型通过两种实验方法进行了验证,可在简化的乘员舱中进行测量和车辆测试。汪琳琳等[18] 通过数值模拟对R1234yf 制冷剂在蒸发器破损泄漏随送风进入乘员舱后的体积分数变化过程和最高体积分数进行了动态监测,研究发现汽车后排较前排更易发生制冷剂聚集。袁小勇[19]通过实验和数值模拟的方法,分析以R32 空调系统发生制冷剂泄漏的安全性,得到泄漏速度、窗开启面积、障碍物与泄漏口的距离等因素对泄漏扩散规律、体积分数分布及房间内安全性的影响。

本文通过 CFD 仿真软件 STAR-CCM+建模,模拟CO2 制冷剂泄漏时乘员舱内乘客面部测点的体积分数动态变化,泄漏的场景参考 SAE J 2772 泄漏标准的测试场景[20],通过该模拟对两种 CO2 制冷剂泄漏速率的场景做相应的预估和分析,进而提出相应的应对方法,CFD 模型能够准确地仿真乘员舱内气体 CO2体积分数随时间的变化趋势。

1  乘员舱 CO2 气体泄漏仿真模型建立

1  几何模型和计算模型

图 1 所示为乘员舱 CO2 气体泄漏仿真的几何模型,该几何模型包含 HVAC 风道、乘客、座椅以及车门缝。HVAC 风道模型有一个总入口、回风口和连接到乘员舱内部的出风口,本节的仿真模型只开前排 4个吹面的出风口,分别位于中间位置的两个出风口和两侧的两个出风口。汽车内部容积为 2. 8 m3,乘员舱内前后排座椅和 5 名乘客,在每个乘客的面部上设立一个出口用于考虑人体呼吸作用产生的 CO2 。车门缝参照实际汽车的车门缝隙尺寸,用于考虑外部环境通过车门缝隙泄漏进入到乘员舱内部的新风。

美国汽车工程学会标准 SAE J 2772 中选取了腐蚀泄漏和碰撞泄漏两种工况作为 R744 制冷剂泄漏典型工况[20]。在腐蚀泄漏工况下,泄漏孔直径为0. 1 mm,对应 R744 泄漏速率为 0. 1 g / s;在碰撞泄漏工况下,泄漏孔直径为 6. 35 mm,对应 R744 泄漏速率为 50 g / s。因此,本文仿真研究中泄漏孔的直径设置为 6. 35 mm 和 0. 1 mm,分别对应高流量(50 g / s)和低流量(0. 1 g / s)两种泄漏速率。CO2 泄漏孔的位置位于蒸发器中央位置的上 1 / 3 高度处,如图 2 所示。考虑到实际高速泄漏工况存在节流和蒸发等复杂的物性变化过程,较难以三维仿真形式实现。同时HVAC 风道的存在有利于均衡客舱内部出风口的CO2 体积分数。因此本文对于 CFD 模型中的泄漏孔进行合理简化,仅考虑泄漏孔径尺寸和泄漏质量流量边界条件。

仿真求解中将乘员舱内部的空气当作不可压缩流体,湍流模型选择 realizable 模型。CO2 制冷剂泄漏过程中不与乘员舱内的空气发生化学反应,选择非反应模型。气体模型选用理想气体模型,满足理想气体状态方程。CO2 制冷剂泄漏过程中温度恒定,不产生热量交换,忽略重力的影响。

2   边界条件

CFD 模型边界条件设置为: 

1)泄漏孔设置为质量流量进口,流体为 CO2 ,泄漏速率为 50 g / s 和 0. 1 g / s,其中 50 g / s 泄漏持续时间为 8 s,0. 1 g / s 泄漏持续时间为 4 000 s,总泄漏量均为 400 g。

2)乘员舱内有 5 名乘客,每名乘客面部设置 CO2质量流量进口,速率为 20 L / h。

3)空调循环模式为纯回风模式,总风量设置为480 m3/ h,该模式下 CO2 泄漏所能达到的体积分数为所有模式下最差的情况,回风口设置为出口。

4)车身的车门缝与周围环境存在空气交换,空气交换率设为 2,其含义为单位时间内进入乘员舱空气量与乘员舱净车内容积的比率。

CFD 模型初始条件设置为: 

1)乘员舱内外压力为环境压力 101 325 Pa,乘员舱内外温度为 298 K。 

2)乘员舱内气体组分为 100%空气。

2  仿真结果与分析 

2. 1 泄漏过程 CO2 体积分数分布

高流量泄漏为 CO2 在泄漏孔处泄漏速率为 50g / s,泄漏圆孔直径为 6. 35 mm,泄漏时长为 8 s。图 3所示为高流量泄漏过程中面部测点 CO2 体积分数变化。

泄漏过程中乘员舱内 CO2 体积分数迅速上升,面部测点体积分数在 8 s 内达到 8%以上,其中驾驶员测点体积分数达到 9%以上,大大超过了乘客呼吸安全区的上限值。因此在泄漏过程停止后,需要采取相应的措施降低乘员舱内 CO2 体积分数。

图 4 所示为高流量泄漏过程中 4 个时间点中间特征截面面部测点 CO2 体积分数云图,泄漏过程中制冷剂 CO2 从前排吹面出风口吹入乘员舱,使得乘员舱内 CO2 体积分数迅速上升。泄漏的 CO2 气体从乘员舱上方空间流动,先到达乘客的头部再到达面部,因此头部和面部的 CO2 体积分数提升较为迅速,在极短时间内达到 5%以上,泄漏的 CO2 气体循环后流向回风口的方向。

2. 2 泄漏过程动态特性

高流量泄漏过程中,乘员舱内 CO2 体积分数超过了安全值,应对措施最直接的方法是改变汽车空调的送风模式,改为全新风快速降低乘员舱内 CO2 体积分数,图 5 所示为全回风和全新风模式下 CO2 面部测点体积分数变化。

如图 5(a)所示,在 8 s 的泄漏时间结束后,如果不改变送风模式,在门缝泄漏进来的新风和人呼吸产生的 CO2 综合影响下,随着时间的推进 CO2 会逐渐均匀散布在乘员舱内,各面部测点的 CO2 体积分数逐渐趋于稳定,在 100 s 内面部测点的体积分数仍在4%以上,超过了呼吸安全区的上限值。因此,不改变送风方式仅依靠门缝新风和 CO2 均匀化来降低呼吸体积分数是不合理的。如图 5(b)所示,在 8 s 的泄漏时间结束后改变送风模式变成全新风,在新风的作用下乘员舱内 CO2 体积分数快速降低,在 20 s 内面部测点体积分数已降至安全区范围内,在 50 s 时已降至 1%以下。

低流量泄漏为 CO2 在泄漏孔处泄漏速率为 0. 1g / s,泄漏圆孔直径为 0. 1 mm,泄漏时长为 4 000 s,总的泄漏量和高流量泄漏一样均为 400 g。图 6 所示为低流量泄漏全过程中面部测点 CO2 体积分数变化,在整个低流量泄漏过程中由于制冷剂 CO2 泄漏的速率较低,乘员舱内各面部测点 CO2 体积分数上升的速度较为缓慢,使得汽车乘员舱内 CO2 气体体积分数较均匀。由于低流量泄漏下乘员舱内 CO2 气体体积分数较均匀,各面部测点 CO2 体积分数的差值较小。在第 4 000 s 时泄漏停止,此时乘员舱内各面部测点 CO2 体积分数均在 3%以下,没有达到 CO2 气体体积分数舒适性安全区的上限值。泄漏停止后在门缝漏进乘员舱的新风和人呼吸产生的 CO2 的综合影响下,各面部测点 CO2 体积分数逐渐下降趋于平稳。

不同于高流量泄漏情况,低流量泄漏在整个过程中面部测点 CO2 体积分数均在舒适性安全范围之内,不需要空调系统切换送风模式提供额外的新风来降低乘员舱环境内部的 CO2 体积分数,因此乘员舱在 CO2 制冷剂低流量泄漏下基本不会对人体呼吸造成安全影响。

3 结论

基于 CO2 汽车空调系统制冷剂泄漏存在的乘员舱气体舒适度隐患,本文使用三维仿真软件 STARCCM+搭建乘员舱制冷剂泄漏仿真模型,仿真分析两种不同泄漏速率和泄漏圆孔孔径下乘员舱乘客面部测点 CO2 体积分数的动态变化情况,为 CO2 系统制冷剂泄漏采取相应措施提供参考。得到如下结论:

1) 汽车空调系统在 50 g / s 的高 CO2 泄漏速率下需要切换送风模式提供新风来使乘员舱内 CO2 体积分数达到乘客呼吸安全区,在 0. 01 g / s 的低 CO2泄漏速率下,CO2 体积分数不会达到乘客呼吸安全区的上限值。

2) CO2 制冷剂泄漏速率为 50 g / s 的情况下,面部测点体积分数在 8 s 内达到 9%以上,在泄漏结束后切换为全新风模式能够在 20 s 内使乘客面部 CO2体积分数降至安全范围。

3) CO2 制冷剂泄漏速率为 0. 1 g / s 的情况下,在乘客呼吸作用和门缝漏风的共同影响下,泄漏完成时面部 CO2 体积分数不会超过 3%。 

由上述结论可知,在完善极端泄漏工况送风模式切换功能的前提下,CO2 汽车空调系统可以较好的规避乘员舱舒适度安全隐患。本文研究和分析主要基于仿真方法,限于实验条件暂无相应整车实验验证和校核仿真模型的准确性和可靠性,在未来工作中有必要进行对比实验验证。