汽车整车环境模拟气候风洞

                                                汽车整车环境模拟气候风洞
同济大学制冷与热工程研究所
摘 要汽车整车环境模拟风洞可以在实验室中复现自然条件，模拟环境温湿度、日照强度、车速、废气排放与新鲜空气供给等功能，对汽车开发具有重要意义。本文介绍了汽车环境模拟风洞的构成，列举了上部分环境模拟风洞的主要模拟参数，并就环境模拟风洞制冷空调系统的特点进行了分析和讨论。
关键词汽车，环境模拟风洞，制冷空调系统
汽车环境模拟试验装置可以模拟汽车在实际行驶中遇到的雨、雪、阳光、振动、冷热负荷、高低气压和行驶速度等。在环境模拟试验装置中进行整车试验具有不受地区、季节及时间限制可复现自然条件、模拟极值条件，可在相同环境条件下多次重复试验有利于评估和详细分析试验数据等优点[1] 。
汽车环境模拟试验装置包括环境模拟风洞和环境模拟试验室两类。环境模拟风洞和环境模拟试验室之间有很多相似之处，但又存在一个关键区别，即对车身周围气流组织及边界层速度分布的模拟精度要求不同。环境模拟风洞不仅对温湿度、太阳辐射模拟精度有很高的要求，而且对流过车身的空气流组织和速度分布模拟精度要求也很高，而环境模拟室则对车身周围气流组织状态无精度要求。而实际上，车辆在实际行驶过程中车身周围的气流组织必定会对车辆及其零部件的性能产生影响,从这个角度讲，环境模拟风洞试验的结果将更符合实际情况。本文仅涉及环境模拟风洞相关技术。
汽车环境模拟风洞通常可以分为高温、低温和高低温三种。根据试验车型及试验所需流场及温、湿度场品质要求，可以确定环境模拟风洞的规模，然后相应地确定风洞的主要性能指标。
1 汽车环境模拟试验类型
环境模拟风洞可为汽车及其零部件进行舒适性、安全性和可靠性提供多种多样的气候试验研究平台。在汽车环境模拟风洞中可进行下列试验：
l 发动机冷却试验
l 空调系统开发
l 热燃料处理试验
l 汽车城市循环工况分析
l 冷热排放试验
l 加热系统开发
l 冷启动和热启动试验
l 去雾/除霜试验
l HVAC 系统标定
2 汽车环境模拟风洞的组成
汽车环境模拟风洞是一个复杂的试验设备，不仅要模拟气候条件和道路行驶情况，同时还需要模拟发动机的实际运行情况并具有相应的控制系统、安全监控系统、试验数据采集及处理系统。通常包括下列子系统及装置：
(1)空气温、湿度保证子系统，用来预置和控制模拟环境温度和湿度，其中包括冷却盘管、加热器、加湿器以及冷冻装置、除湿装置、蒸汽锅炉等。
(2)太阳辐射模拟子系统，用来模拟和控制太阳辐射强度和辐射角度；
(3)车风速模拟子系统，用来模拟汽车迎面风速及汽车怠速状态；
(4)道路阻力模拟子系统，用来模拟汽车行驶时的道路阻力状态、上下坡、加减速情况；
(5)发动机废气排放子系统，用来及时抽吸汽车发动机排出的废气、保证发动机工作背压；
(6)新风子系统，用来为汽车发动机补充新鲜空气、保证发动机处于良好的燃烧工作状态；
(7)计算机控制系统，用来控制各种设备、动作器及试验程序、包括必要的控制硬件和软件设备；
(8)安全监控及报警处理子系统，用来对室内有害气体及关键设备进行监控和报警，包括有害气体及关键设备的自动报警装置等。
(9)数据采集及处理子系统，用来采集各种汽车性能试验所要求的参数、试验结果处理及生成试验报告；
(10)其他环境模拟装置，如下雨、降雪、风沙、盐雾、振动等。
环境模拟风洞可以是立式，也可以是卧式，采用立式主要是为了节省空间，而风管的形状一般为矩形。各管段及其中部件主要则根据阻力损失及流场、温湿度场的要求来设计、在保证试验段速度场、温度场和湿度场品质的前提下，尽可能地减小总的阻力损失，以节省风机系统及制冷空调系统的能耗图。
1 为汽车环境模拟风洞的示意图
3 世界各国环境模拟风洞性能参数
为了能模拟汽车行驶时的实际情况，环境模拟风洞必须能在一个很宽的温、湿度范围内满足各种汽车试验的要求。在环境模拟风洞发展的初期，各国风洞一般模拟其本国的气候条件，随着汽车市场的化，工况范围逐步扩展，目前各国风洞的温度范围一般为-40℃~55℃，湿度范围为10%~90%，zui大太阳辐射强度约1200W/m² 基本上覆盖了的气候条件。
世界各大汽车及零部件生产厂一般均有自己的环境模拟风洞，有的还拥有多个风洞，日本的DENSO 公司就拥有6 个环境模拟风洞，其中5 个为高低温风洞，1 个为高温风洞。国内汽车环境模拟室不少并且其数量有上升的趋势，由于风洞的投资较环模室更大，国内目前数量还很少。表1 列出了世界各大汽车及零部件生产厂部分环境模拟风洞的主要气候及车速模拟参数。
4 汽车环境模拟风洞制冷空调系统的特点
汽车环境模拟风洞的空气温、湿度保证子系统，新风子系统和发动机废气排放子系统等构成了一套复杂的制冷空调系统。该系统的工作特点与常规制冷空调系统相差很大。*,它为间歇运行,而且运行的时间较短,一次试验持续的时间通常只有3~5 小时而停机时间较长。第二,其室内空气的温度参数通常不是恒定的,而是要求按一定曲线变化。试验过程由降温、恒温和升温3 个阶段组成,交替进行。因此整个试验中(包括恒温阶段) 其传热过程均为非稳态传热,围护结构的温度场和放热(吸热) 量在不断变化。第三,试验过程中随着室温的变化,制冷系统的工况和制冷量等性能参数也在不断地变化。第四，为满足试验要求，环境模拟风洞有升温速率和降温速率的要求，需要在设计时间内达到试验段温、湿度参数的稳定。第五，由于风速模拟系统中的大功率风机和试验车辆的发动机的运行，系统负荷大大高于常规制冷空调系统；第六，试验类型和车辆种类的多样性决定了系统负荷变化范围很大。
上述特点表明，汽车环境模拟风洞的制冷空调系统不仅负荷大，而且设备容量必须综合考虑汽车行驶速度，围护结构和车辆各部分温度场的变化，制冷系统状态和性能变化以及室内气流组织和温度场的变化情况下相互作用产生的降温(升温) 曲线的模拟方法来确定，而不能由一个冷(热)负荷计算值来确定。其中风速模拟系统及发动机的运行情况，风洞围护结构和车辆蓄热量的变化等内部扰动成为影响设备容量的zui主要因素,而室内外温差引起的外部扰动则成为次要因素。
汽车环境模拟风洞一般采用蒸汽压缩式制冷，尽管直接制冷比间接制冷节能，但为了风洞良好的温、湿度调节性能和对风洞总阻力损失的要求，目前大多数环境模拟风洞采用间接制冷方式；制冷系统一般采用双级螺杆压缩机组。在制冷剂使用方面，早期的风洞较多采用R22 为制冷剂，为了适应臭氧层保护及温室效应的控制要求，目前采用自然工质氨为制冷剂的环境模拟风洞越来越多。
由于汽车环境模拟风洞的负荷大、工况调节范围宽，有降（升）温速率的要求同时具有间隙运行的特点。当模拟的低温极值所需制冷系统蒸发温度达-70℃ 时，从设备投资、运行维护费用和系统调节性能等角度综合考虑，空气制冷有一定的优势，同时空气制冷还不存在CFC 的问题。事实上，国内已经在多项大中型综合环境模拟试验设备（非车辆用）中采用了该制冷方式[2] 。当汽车环境模拟风洞模拟极限温度很低时（如模拟温度达-50℃），其它制冷方式的经济性探讨有着一定的实际意义。
由于环境模拟风洞制冷空调系统的负荷非常大，国外某专业风洞设计单位已经在系统热回收上有了一定的构思。鉴于环境模拟风洞是一个试验设备，其运行是间隙的，未来的风洞是否会采用热回收方案取决于投资和运行费用的综合考虑，但展开理论上的分析无疑是有意义的。