宗碩,殷翔,黃龍飛等.新能源車用CO2空調(diào)系統(tǒng)泄漏特性仿真研究[J].制冷學(xué)報(bào),2023,44(06):22-28.

摘 要 

CO2 作為一種安全、高效且環(huán)境友好的自然工質(zhì),是未來汽車空調(diào)制冷劑替代方案的重要選擇。考慮到 CO2 系統(tǒng)制冷劑泄漏導(dǎo)致乘員艙氣體體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)的舒適及安全問題,本文使用三維仿真軟件 STAR-CCM+搭建乘員艙 CO2 制冷劑泄漏仿真模型,仿真分析兩種不同泄漏速率和泄漏圓孔孔徑下乘員艙乘客面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)變化情況。在 50 g / s 的高 CO2泄漏速率下,面部 CO2 體積分?jǐn)?shù)在泄漏完成時(shí)能夠達(dá)到 9%以上,需要切換送風(fēng)模式提供新風(fēng)來降低乘員艙內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?shù);在0. 1 g / s 的低 CO2 泄漏速率下,泄漏完成時(shí)面部 CO2 體積分?jǐn)?shù)不超過 3%,處于呼吸安全區(qū)范圍。

傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)大部分以 R134a[1] 作為制冷劑,R134a 因其良好的制冷性能而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,但高達(dá) 1 430 的 GWP(全球變暖潛值, GlobalWarming Potential)[2]使其在環(huán)保效益方面有所欠缺。隨著各類法律法規(guī)的出臺(tái),R134a 等傳統(tǒng)制冷劑將逐步淘汰使用。新能源汽車熱管理系統(tǒng)目前仍廣泛使用 HFC 類強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體(如 R134a 和 R407C) 作為制冷劑,而 CO2 作為自然工質(zhì)無毒沒有可燃性[3],其 ODP(臭氧損耗潛值,ozone depletion potential) 為0,GWP 為 1[4],是目前作為替代傳統(tǒng)制冷劑的理想選擇[5]。CO2 熱泵技術(shù)在車輛熱管理領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊,制熱能力明顯優(yōu)于采用 R134a、R407C、R1234yf等制冷劑[6]的方案。對于跨臨界 CO2 汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng),由于制冷劑 CO2 可能通過 HVAC 系統(tǒng)泄漏至乘員艙中,導(dǎo)致乘員艙內(nèi) CO2 氣體體積分?jǐn)?shù)過高影響乘員艙舒適性[7],因此研究 CO2 泄漏后乘員艙駕駛員和乘客呼吸處 CO2 體積分?jǐn)?shù)是有必要性的。

若 CO2 體積分?jǐn)?shù)超過人體可接受的閾值,則會(huì)產(chǎn)生威脅到人體健康的后果[8],且乘員艙內(nèi)人體不斷通過呼吸產(chǎn)生補(bǔ)充 CO2 。根據(jù)美國疾病控制和預(yù)防中心[9]的數(shù)據(jù),人體在體積分?jǐn)?shù)為 5% CO2 下暴露30 min 或在 7% ~10% CO2 體積分?jǐn)?shù)下暴露幾分鐘后將出現(xiàn)頭暈的癥狀。EPA(美國環(huán)境保護(hù)署,Environmental Protection Agency)將體積分?jǐn)?shù) 3%定義為乘客自由空間內(nèi)平均超過 15 min 的短期呼吸水平,并將4%定義為乘客呼吸區(qū)的上限。因此,在制冷劑泄漏特別是由蒸發(fā)器嚴(yán)重泄漏引起的情況下,評估汽車乘員艙 CO2 體積分?jǐn)?shù)對于制定應(yīng)對措施以確保乘客的安全至關(guān)重要,泄漏的開始可能是由于汽車碰撞事件、HVAC 系統(tǒng)的故障或長期使用導(dǎo)致的腐蝕。G.D. Mathur 等[10]通過實(shí)車測量乘客呼吸引起的 CO2體積分?jǐn)?shù)變化,乘員艙在 3 名乘客的呼吸作用下平均CO2 體積分?jǐn)?shù)在 50 min 內(nèi)能夠達(dá)到 0. 25%,空調(diào)在再循環(huán)模式下運(yùn)行。H. Jung[11] 開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型,用于預(yù)測空調(diào)再循環(huán)模式下乘員艙中的 CO2 體積分?jǐn)?shù)變化,作為乘員艙容積、車身泄漏和乘客數(shù)量的函數(shù),通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定相關(guān)系數(shù)。徐廷喜等[12]提出一種基于支持向量數(shù)據(jù)描述算法的變頻空調(diào)系統(tǒng)制冷劑泄漏故障檢測和診斷方法。

S. Yadav 等[13] 研究了 R290 和 R1234yf 兩種潛在替代制冷劑在蒸發(fā)器、冷凝器中的泄漏特性,并對其由于泄漏引起的爆炸特性進(jìn)行了分析。M. E. Koban 等[14]采用 CFD 模型模擬 HFO-1234yf 在不同空調(diào)管路破裂工況下的擴(kuò)散特性,結(jié)果顯示,由于空氣被夾帶到制冷劑射流中,制冷劑的泄漏過程得到快速稀釋。劉全義等[15]基于 Fluent 軟件模擬了水平和垂直方向不同位置抽氣口作用對建筑物內(nèi)泄漏丙烷后的混合氣體體積分?jǐn)?shù)場分布的影響規(guī)律,結(jié)果顯示,制冷劑泄漏后,垂直方向抽氣口位置越低,對于降低房間內(nèi)丙烷氣體體積分?jǐn)?shù)的效果越好。楊清泉等[16]采用實(shí)驗(yàn)的方法對 R32 制冷劑在運(yùn)行過程中發(fā)生的泄漏和爆炸的問題進(jìn)行研究,結(jié)果表明,不可燃時(shí)間值隨著泄漏速度的增加呈先下降后上升的趨勢。

R. Monforte 等[17] 使用 CFD 仿真模擬以評估R1234yf 制冷劑泄漏至乘員艙內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn),該 CFD 模型通過兩種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證,可在簡化的乘員艙中進(jìn)行測量和車輛測試。汪琳琳等[18] 通過數(shù)值模擬對R1234yf 制冷劑在蒸發(fā)器破損泄漏隨送風(fēng)進(jìn)入乘員艙后的體積分?jǐn)?shù)變化過程和最高體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測,研究發(fā)現(xiàn)汽車后排較前排更易發(fā)生制冷劑聚集。袁小勇[19]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法,分析以R32 空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生制冷劑泄漏的安全性,得到泄漏速度、窗開啟面積、障礙物與泄漏口的距離等因素對泄漏擴(kuò)散規(guī)律、體積分?jǐn)?shù)分布及房間內(nèi)安全性的影響。

本文通過 CFD 仿真軟件 STAR-CCM+建模,模擬CO2 制冷劑泄漏時(shí)乘員艙內(nèi)乘客面部測點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)變化,泄漏的場景參考 SAE J 2772 泄漏標(biāo)準(zhǔn)的測試場景[20],通過該模擬對兩種 CO2 制冷劑泄漏速率的場景做相應(yīng)的預(yù)估和分析,進(jìn)而提出相應(yīng)的應(yīng)對方法,CFD 模型能夠準(zhǔn)確地仿真乘員艙內(nèi)氣體 CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化趨勢。

1  乘員艙 CO2 氣體泄漏仿真模型建立

1  幾何模型和計(jì)算模型

圖 1 所示為乘員艙 CO2 氣體泄漏仿真的幾何模型,該幾何模型包含 HVAC 風(fēng)道、乘客、座椅以及車門縫。HVAC 風(fēng)道模型有一個(gè)總?cè)肟?、回風(fēng)口和連接到乘員艙內(nèi)部的出風(fēng)口,本節(jié)的仿真模型只開前排 4個(gè)吹面的出風(fēng)口,分別位于中間位置的兩個(gè)出風(fēng)口和兩側(cè)的兩個(gè)出風(fēng)口。汽車內(nèi)部容積為 2. 8 m3,乘員艙內(nèi)前后排座椅和 5 名乘客,在每個(gè)乘客的面部上設(shè)立一個(gè)出口用于考慮人體呼吸作用產(chǎn)生的 CO2 。車門縫參照實(shí)際汽車的車門縫隙尺寸,用于考慮外部環(huán)境通過車門縫隙泄漏進(jìn)入到乘員艙內(nèi)部的新風(fēng)。

美國汽車工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) SAE J 2772 中選取了腐蝕泄漏和碰撞泄漏兩種工況作為 R744 制冷劑泄漏典型工況[20]。在腐蝕泄漏工況下,泄漏孔直徑為0. 1 mm,對應(yīng) R744 泄漏速率為 0. 1 g / s;在碰撞泄漏工況下,泄漏孔直徑為 6. 35 mm,對應(yīng) R744 泄漏速率為 50 g / s。因此,本文仿真研究中泄漏孔的直徑設(shè)置為 6. 35 mm 和 0. 1 mm,分別對應(yīng)高流量(50 g / s)和低流量(0. 1 g / s)兩種泄漏速率。CO2 泄漏孔的位置位于蒸發(fā)器中央位置的上 1 / 3 高度處,如圖 2 所示?？紤]到實(shí)際高速泄漏工況存在節(jié)流和蒸發(fā)等復(fù)雜的物性變化過程,較難以三維仿真形式實(shí)現(xiàn)。同時(shí)HVAC 風(fēng)道的存在有利于均衡客艙內(nèi)部出風(fēng)口的CO2 體積分?jǐn)?shù)。因此本文對于 CFD 模型中的泄漏孔進(jìn)行合理簡化,僅考慮泄漏孔徑尺寸和泄漏質(zhì)量流量邊界條件。

仿真求解中將乘員艙內(nèi)部的空氣當(dāng)作不可壓縮流體,湍流模型選擇 realizable 模型。CO2 制冷劑泄漏過程中不與乘員艙內(nèi)的空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),選擇非反應(yīng)模型。氣體模型選用理想氣體模型,滿足理想氣體狀態(tài)方程。CO2 制冷劑泄漏過程中溫度恒定,不產(chǎn)生熱量交換,忽略重力的影響。

2   邊界條件

CFD 模型邊界條件設(shè)置為: 

1)泄漏孔設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口,流體為 CO2 ,泄漏速率為 50 g / s 和 0. 1 g / s,其中 50 g / s 泄漏持續(xù)時(shí)間為 8 s,0. 1 g / s 泄漏持續(xù)時(shí)間為 4 000 s,總泄漏量均為 400 g。

2)乘員艙內(nèi)有 5 名乘客,每名乘客面部設(shè)置 CO2質(zhì)量流量進(jìn)口,速率為 20 L / h。

3)空調(diào)循環(huán)模式為純回風(fēng)模式,總風(fēng)量設(shè)置為480 m3/ h,該模式下 CO2 泄漏所能達(dá)到的體積分?jǐn)?shù)為所有模式下最差的情況,回風(fēng)口設(shè)置為出口。

4)車身的車門縫與周圍環(huán)境存在空氣交換,空氣交換率設(shè)為 2,其含義為單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入乘員艙空氣量與乘員艙凈車內(nèi)容積的比率。

CFD 模型初始條件設(shè)置為: 

1)乘員艙內(nèi)外壓力為環(huán)境壓力 101 325 Pa,乘員艙內(nèi)外溫度為 298 K。 

2)乘員艙內(nèi)氣體組分為 100%空氣。

2  仿真結(jié)果與分析 

2. 1 泄漏過程 CO2 體積分?jǐn)?shù)分布

高流量泄漏為 CO2 在泄漏孔處泄漏速率為 50g / s,泄漏圓孔直徑為 6. 35 mm,泄漏時(shí)長為 8 s。圖 3所示為高流量泄漏過程中面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)變化。

泄漏過程中乘員艙內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?shù)迅速上升,面部測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)在 8 s 內(nèi)達(dá)到 8%以上,其中駕駛員測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 9%以上,大大超過了乘客呼吸安全區(qū)的上限值。因此在泄漏過程停止后,需要采取相應(yīng)的措施降低乘員艙內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?shù)。

圖 4 所示為高流量泄漏過程中 4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)中間特征截面面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)云圖,泄漏過程中制冷劑 CO2 從前排吹面出風(fēng)口吹入乘員艙,使得乘員艙內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?shù)迅速上升。泄漏的 CO2 氣體從乘員艙上方空間流動(dòng),先到達(dá)乘客的頭部再到達(dá)面部,因此頭部和面部的 CO2 體積分?jǐn)?shù)提升較為迅速,在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到 5%以上,泄漏的 CO2 氣體循環(huán)后流向回風(fēng)口的方向。

2. 2 泄漏過程動(dòng)態(tài)特性

高流量泄漏過程中,乘員艙內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?shù)超過了安全值,應(yīng)對措施最直接的方法是改變汽車空調(diào)的送風(fēng)模式,改為全新風(fēng)快速降低乘員艙內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?shù),圖 5 所示為全回風(fēng)和全新風(fēng)模式下 CO2 面部測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)變化。

如圖 5(a)所示,在 8 s 的泄漏時(shí)間結(jié)束后,如果不改變送風(fēng)模式,在門縫泄漏進(jìn)來的新風(fēng)和人呼吸產(chǎn)生的 CO2 綜合影響下,隨著時(shí)間的推進(jìn) CO2 會(huì)逐漸均勻散布在乘員艙內(nèi),各面部測點(diǎn)的 CO2 體積分?jǐn)?shù)逐漸趨于穩(wěn)定,在 100 s 內(nèi)面部測點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)仍在4%以上,超過了呼吸安全區(qū)的上限值。因此,不改變送風(fēng)方式僅依靠門縫新風(fēng)和 CO2 均勻化來降低呼吸體積分?jǐn)?shù)是不合理的。如圖 5(b)所示,在 8 s 的泄漏時(shí)間結(jié)束后改變送風(fēng)模式變成全新風(fēng),在新風(fēng)的作用下乘員艙內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?shù)快速降低,在 20 s 內(nèi)面部測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)已降至安全區(qū)范圍內(nèi),在 50 s 時(shí)已降至 1%以下。

低流量泄漏為 CO2 在泄漏孔處泄漏速率為 0. 1g / s,泄漏圓孔直徑為 0. 1 mm,泄漏時(shí)長為 4 000 s,總的泄漏量和高流量泄漏一樣均為 400 g。圖 6 所示為低流量泄漏全過程中面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)變化,在整個(gè)低流量泄漏過程中由于制冷劑 CO2 泄漏的速率較低,乘員艙內(nèi)各面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)上升的速度較為緩慢,使得汽車乘員艙內(nèi) CO2 氣體體積分?jǐn)?shù)較均勻。由于低流量泄漏下乘員艙內(nèi) CO2 氣體體積分?jǐn)?shù)較均勻,各面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)的差值較小。在第 4 000 s 時(shí)泄漏停止,此時(shí)乘員艙內(nèi)各面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)均在 3%以下,沒有達(dá)到 CO2 氣體體積分?jǐn)?shù)舒適性安全區(qū)的上限值。泄漏停止后在門縫漏進(jìn)乘員艙的新風(fēng)和人呼吸產(chǎn)生的 CO2 的綜合影響下,各面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)逐漸下降趨于平穩(wěn)。

不同于高流量泄漏情況,低流量泄漏在整個(gè)過程中面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)均在舒適性安全范圍之內(nèi),不需要空調(diào)系統(tǒng)切換送風(fēng)模式提供額外的新風(fēng)來降低乘員艙環(huán)境內(nèi)部的 CO2 體積分?jǐn)?shù),因此乘員艙在 CO2 制冷劑低流量泄漏下基本不會(huì)對人體呼吸造成安全影響。

3 結(jié)論

基于 CO2 汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑泄漏存在的乘員艙氣體舒適度隱患,本文使用三維仿真軟件 STARCCM+搭建乘員艙制冷劑泄漏仿真模型,仿真分析兩種不同泄漏速率和泄漏圓孔孔徑下乘員艙乘客面部測點(diǎn) CO2 體積分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)變化情況,為 CO2 系統(tǒng)制冷劑泄漏采取相應(yīng)措施提供參考。得到如下結(jié)論:

1) 汽車空調(diào)系統(tǒng)在 50 g / s 的高 CO2 泄漏速率下需要切換送風(fēng)模式提供新風(fēng)來使乘員艙內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到乘客呼吸安全區(qū),在 0. 01 g / s 的低 CO2泄漏速率下,CO2 體積分?jǐn)?shù)不會(huì)達(dá)到乘客呼吸安全區(qū)的上限值。

2) CO2 制冷劑泄漏速率為 50 g / s 的情況下,面部測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)在 8 s 內(nèi)達(dá)到 9%以上,在泄漏結(jié)束后切換為全新風(fēng)模式能夠在 20 s 內(nèi)使乘客面部 CO2體積分?jǐn)?shù)降至安全范圍。

3) CO2 制冷劑泄漏速率為 0. 1 g / s 的情況下,在乘客呼吸作用和門縫漏風(fēng)的共同影響下,泄漏完成時(shí)面部 CO2 體積分?jǐn)?shù)不會(huì)超過 3%。 

由上述結(jié)論可知,在完善極端泄漏工況送風(fēng)模式切換功能的前提下,CO2 汽車空調(diào)系統(tǒng)可以較好的規(guī)避乘員艙舒適度安全隱患。本文研究和分析主要基于仿真方法,限于實(shí)驗(yàn)條件暫無相應(yīng)整車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和校核仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性,在未來工作中有必要進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。