汽車整車環(huán)境模擬氣候風洞
同濟大學制冷與熱工程研究所
摘 要汽車整車環(huán)境模擬風洞可以在實驗室中復現(xiàn)自然條件，模擬環(huán)境溫濕度、日照強度、車速、廢氣排放與新鮮空氣供給等功能，對汽車開發(fā)具有重要意義。本文介紹了汽車環(huán)境模擬風洞的構(gòu)成，列舉了上部分環(huán)境模擬風洞的主要模擬參數(shù)，并就環(huán)境模擬風洞制冷空調(diào)系統(tǒng)的特點進行了分析和討論。
關(guān)鍵詞汽車，環(huán)境模擬風洞，制冷空調(diào)系統(tǒng)
汽車環(huán)境模擬試驗裝置可以模擬汽車在實際行駛中遇到的雨、雪、陽光、振動、冷熱負荷、高低氣壓和行駛速度等。在環(huán)境模擬試驗裝置中進行整車試驗具有不受地區(qū)、季節(jié)及時間限制可復現(xiàn)自然條件、模擬極值條件，可在相同環(huán)境條件下多次重復試驗有利于評估和詳細分析試驗數(shù)據(jù)等優(yōu)點[1] 。
汽車環(huán)境模擬試驗裝置包括環(huán)境模擬風洞和環(huán)境模擬試驗室兩類。環(huán)境模擬風洞和環(huán)境模擬試驗室之間有很多相似之處，但又存在一個關(guān)鍵區(qū)別，即對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)境模擬風洞不僅對溫濕度、太陽輻射模擬精度有很高的要求，而且對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)境模擬室則對車身周圍氣流組織狀態(tài)無精度要求。而實際上，車輛在實際行駛過程中車身周圍的氣流組織必定會對車輛及其零部件的性能產(chǎn)生影響,從這個角度講，環(huán)境模擬風洞試驗的結(jié)果將更符合實際情況。本文僅涉及環(huán)境模擬風洞相關(guān)技術(shù)。
汽車環(huán)境模擬風洞通常可以分為高溫、低溫和高低溫三種。根據(jù)試驗車型及試驗所需流場及溫、濕度場品質(zhì)要求，可以確定環(huán)境模擬風洞的規(guī)模，然后相應地確定風洞的主要性能指標。
1 汽車環(huán)境模擬試驗類型
環(huán)境模擬風洞可為汽車及其零部件進行舒適性、安全性和可靠性提供多種多樣的氣候試驗研究平臺。在汽車環(huán)境模擬風洞中可進行下列試驗：
l 發(fā)動機冷卻試驗
l 空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)
l 熱燃料處理試驗
l 汽車城市循環(huán)工況分析
l 冷熱排放試驗
l 加熱系統(tǒng)開發(fā)
l 冷啟動和熱啟動試驗
l 去霧/除霜試驗
l HVAC 系統(tǒng)標定
2 汽車環(huán)境模擬風洞的組成
汽車環(huán)境模擬風洞是一個復雜的試驗設備，不僅要模擬氣候條件和道路行駛情況，同時還需要模擬發(fā)動機的實際運行情況并具有相應的控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、試驗數(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度和輻射角度；
(3)車風速模擬子系統(tǒng)，用來模擬汽車迎面風速及汽車怠速狀態(tài)；
(4)道路阻力模擬子系統(tǒng)，用來模擬汽車行駛時的道路阻力狀態(tài)、上下坡、加減速情況；
(5)發(fā)動機廢氣排放子系統(tǒng)，用來及時抽吸汽車發(fā)動機排出的廢氣、保證發(fā)動機工作背壓；
(6)新風子系統(tǒng)，用來為汽車發(fā)動機補充新鮮空氣、保證發(fā)動機處于良好的燃燒工作狀態(tài)；
(7)計算機控制系統(tǒng)，用來控制各種設備、動作器及試驗程序、包括必要的控制硬件和軟件設備；
(8)安全監(jiān)控及報警處理子系統(tǒng)，用來對室內(nèi)有害氣體及關(guān)鍵設備進行監(jiān)控和報警，包括有害氣體及關(guān)鍵設備的自動報警裝置等。
(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所要求的參數(shù)、試驗結(jié)果處理及生成試驗報告；
(10)其他環(huán)境模擬裝置，如下雨、降雪、風沙、鹽霧、振動等。
環(huán)境模擬風洞可以是立式，也可以是臥式，采用立式主要是為了節(jié)省空間，而風管的形狀一般為矩形。各管段及其中部件主要則根據(jù)阻力損失及流場、溫濕度場的要求來設計、在保證試驗段速度場、溫度場和濕度場品質(zhì)的前提下，盡可能地減小總的阻力損失，以節(jié)省風機系統(tǒng)及制冷空調(diào)系統(tǒng)的能耗圖。
1 為汽車環(huán)境模擬風洞的示意圖
3 世界各國環(huán)境模擬風洞性能參數(shù)
為了能模擬汽車行駛時的實際情況，環(huán)境模擬風洞必須能在一個很寬的溫、濕度范圍內(nèi)滿足各種汽車試驗的要求。在環(huán)境模擬風洞發(fā)展的初期，各國風洞一般模擬其本國的氣候條件，隨著汽車市場的化，工況范圍逐步擴展，目前各國風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)境模擬風洞，有的還擁有多個風洞，日本的DENSO 公司就擁有6 個環(huán)境模擬風洞，其中5 個為高低溫風洞，1 個為高溫風洞。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，由于風洞的投資較環(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)境模擬風洞的主要氣候及車速模擬參數(shù)。
4 汽車環(huán)境模擬風洞制冷空調(diào)系統(tǒng)的特點
汽車環(huán)境模擬風洞的空氣溫、濕度保證子系統(tǒng)，新風子系統(tǒng)和發(fā)動機廢氣排放子系統(tǒng)等構(gòu)成了一套復雜的制冷空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作特點與常規(guī)制冷空調(diào)系統(tǒng)相差很大。*,它為間歇運行,而且運行的時間較短,一次試驗持續(xù)的時間通常只有3~5 小時而停機時間較長。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。試驗過程由降溫、恒溫和升溫3 個階段組成,交替進行。因此整個試驗中(包括恒溫階段) 其傳熱過程均為非穩(wěn)態(tài)傳熱,圍護結(jié)構(gòu)的溫度場和放熱(吸熱) 量在不斷變化。第三,試驗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，為滿足試驗要求，環(huán)境模擬風洞有升溫速率和降溫速率的要求，需要在設計時間內(nèi)達到試驗段溫、濕度參數(shù)的穩(wěn)定。第五，由于風速模擬系統(tǒng)中的大功率風機和試驗車輛的發(fā)動機的運行，系統(tǒng)負荷大大高于常規(guī)制冷空調(diào)系統(tǒng)；第六，試驗類型和車輛種類的多樣性決定了系統(tǒng)負荷變化范圍很大。
上述特點表明，汽車環(huán)境模擬風洞的制冷空調(diào)系統(tǒng)不僅負荷大，而且設備容量必須綜合考慮汽車行駛速度，圍護結(jié)構(gòu)和車輛各部分溫度場的變化，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，而不能由一個冷(熱)負荷計算值來確定。其中風速模擬系統(tǒng)及發(fā)動機的運行情況，風洞圍護結(jié)構(gòu)和車輛蓄熱量的變化等內(nèi)部擾動成為影響設備容量的zui主要因素,而室內(nèi)外溫差引起的外部擾動則成為次要因素。
汽車環(huán)境模擬風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，但為了風洞良好的溫、濕度調(diào)節(jié)性能和對風洞總阻力損失的要求，目前大多數(shù)環(huán)境模擬風洞采用間接制冷方式；制冷系統(tǒng)一般采用雙級螺桿壓縮機組。在制冷劑使用方面，早期的風洞較多采用R22 為制冷劑，為了適應臭氧層保護及溫室效應的控制要求，目前采用自然工質(zhì)氨為制冷劑的環(huán)境模擬風洞越來越多。
由于汽車環(huán)境模擬風洞的負荷大、工況調(diào)節(jié)范圍寬，有降（升）溫速率的要求同時具有間隙運行的特點。當模擬的低溫極值所需制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度達-70℃ 時，從設備投資、運行維護費用和系統(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，同時空氣制冷還不存在CFC 的問題。事實上，國內(nèi)已經(jīng)在多項大中型綜合環(huán)境模擬試驗設備（非車輛用）中采用了該制冷方式[2] 。當汽車環(huán)境模擬風洞模擬極限溫度很低時（如模擬溫度達-50℃），其它制冷方式的經(jīng)濟性探討有著一定的實際意義。
由于環(huán)境模擬風洞制冷空調(diào)系統(tǒng)的負荷非常大，國外某專業(yè)風洞設計單位已經(jīng)在系統(tǒng)熱回收上有了一定的構(gòu)思。鑒于環(huán)境模擬風洞是一個試驗設備，其運行是間隙的，未來的風洞是否會采用熱回收方案取決于投資和運行費用的綜合考慮，但展開理論上的分析無疑是有意義的。