李 昕

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

汽車空調(diào)，顧名思義是汽車的空氣調(diào)節(jié)裝置，其作用是對(duì)通往車內(nèi)空氣進(jìn)行冷卻、加熱、凈化或過濾，并將經(jīng)過這樣處理過的空氣以一定方式送至車內(nèi)，使之符合人們舒適性的需要?，F(xiàn)代汽車空調(diào)中的主要內(nèi)容包括制冷，制熱，過濾，濕度調(diào)節(jié)等，本文所說的汽車空調(diào)裝置指代制冷裝置。與一般建筑空調(diào)相比，汽車空調(diào)的工作環(huán)境惡劣、條件差，因而難度要增加很多，簡(jiǎn)而言之就是汽車的車身尺寸，材料，行駛工況等因素決定了汽車內(nèi)部制冷需要很高的換熱量以及工作效率很高的制冷劑和循環(huán)系統(tǒng)。

1 空調(diào)系統(tǒng)概述

汽車空調(diào)采用蒸氣壓縮式制冷，熱傳導(dǎo)介質(zhì)常用R134a。一般商用車空調(diào)系統(tǒng)的主要組成有壓縮機(jī)，冷凝器，蒸發(fā)器，干燥閥，風(fēng)道，風(fēng)機(jī)，空調(diào)控制器，溫控開關(guān)，壓力開關(guān)，空調(diào)管線路，其中用做熱交換器的部件是冷凝器和蒸發(fā)器，由鋁制薄片組成。系統(tǒng)動(dòng)力源為壓縮機(jī)，通常由皮帶輪與發(fā)動(dòng)機(jī)相連。與用戶直接接觸的是空調(diào)控制器和風(fēng)道（出風(fēng)口）?？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際上是對(duì)上述組成零部件的設(shè)計(jì)與匹配，使之滿足整體工作性，可靠性的需要。

空調(diào)制冷的基本原理如下圖所示，圖中箭頭所指描述了制冷劑在系統(tǒng)中的循環(huán)過程：

圖1 循環(huán)過程

空調(diào)壓縮機(jī)把制冷劑從低壓區(qū)抽取來經(jīng)壓縮后送到高壓區(qū)冷卻凝結(jié)，通過冷凝器散發(fā)出熱量到空氣中，制冷劑也從氣態(tài)變成液態(tài)，壓力升高，溫度維持。隨后制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，液體變回氣態(tài)，吸收大量熱量，自身溫度降低，有效降低周圍空氣溫度。隨后制冷劑回流到低壓區(qū)，如此循環(huán)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)這套系統(tǒng)的開始，首先要明確需求，即系統(tǒng)需要多大的制冷量。

2 駕駛室冷負(fù)荷

駕駛室冷負(fù)荷是為了維持駕駛室內(nèi)設(shè)定的溫度，在某一時(shí)刻需要空調(diào)系統(tǒng)向駕駛室提供的制冷量。是根據(jù)空調(diào)設(shè)計(jì)要求，使車內(nèi)空氣參數(shù)達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)而必須除去的車內(nèi)多余熱量，是確定制冷裝置容量的主要依據(jù)。通過對(duì)冷負(fù)荷的計(jì)算，得到空調(diào)的制冷量，作為空調(diào)設(shè)計(jì)和空調(diào)選型的主要依據(jù)。下圖為某輕卡冷負(fù)荷的構(gòu)成：

圖2 輕卡冷負(fù)荷構(gòu)成圖

在夏天的時(shí)候，車外溫度高于車內(nèi)，加上太陽(yáng)輻射的作用，有大量熱量通過車壁及門窗玻璃傳入車內(nèi)，由于密封不良，會(huì)有不少熱空氣通過門窗及地板縫隙漏入車內(nèi)，帶來新風(fēng)熱；人體發(fā)出的汗熱和濕熱也使車內(nèi)溫度升高；通過座椅下方以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩還會(huì)傳來發(fā)動(dòng)機(jī)的部分熱量；暴露在車廂下面的冷風(fēng)管道及地板還會(huì)有地幔反射熱傳入；車內(nèi)零部件如座椅、儀表面罩等會(huì)吸收大量太陽(yáng)輻射熱，然后慢慢向車內(nèi)散出。上述熱量之和構(gòu)成來車身冷負(fù)荷，其平衡方程式表達(dá)如下：

Qg為冷負(fù)荷；Q0為制冷量；k為儲(chǔ)備系數(shù)

目前普遍采用的一種方法是將車體的傳熱系數(shù)、內(nèi)外對(duì)流換熱系數(shù)、太陽(yáng)直射、散射強(qiáng)度等數(shù)據(jù)取為經(jīng)驗(yàn)值，作為穩(wěn)態(tài)傳熱過程處理。將各部分冷負(fù)荷一一算出，然后加起來，實(shí)際汽車作為一種運(yùn)動(dòng)的物體，其車體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)際制冷量往往與理論值有一定差距，目前還無法通過前期的冷負(fù)荷計(jì)算準(zhǔn)確得出空調(diào)制冷量，本文通過這種方法估算冷負(fù)荷，得出理論制冷量，并在整車空調(diào)系統(tǒng)制冷性能試驗(yàn)后作必要的修正。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)汽車的制冷量作出了如下的總結(jié)，僅供參考：

表1 車型及制冷量

為了能最大地滿足整車制冷量需求，我們實(shí)際制冷量Q的選擇要在額定制冷量的基礎(chǔ)上再增加10%—20%。

3 壓縮機(jī)裝置設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)作為空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，扮演著“發(fā)動(dòng)機(jī)”的角色，其作用是在空調(diào)制冷劑回路中壓縮驅(qū)動(dòng)制冷劑，讓制冷劑得以有效循環(huán)。在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)時(shí)需要遵循以下的流程：

3.1 確定壓縮機(jī)排量V

壓縮機(jī)的排量根據(jù)制冷量而來，需要通過一定的理論計(jì)算：

a.冷媒循環(huán)量計(jì)算：

式中：Q為制冷量（kcal/h）；Gth為理論冷媒循環(huán)量（kg/h）；Δie為蒸發(fā)器吸熱量（kcal/kg）

b.理論排量的計(jì)算：

式中：Vs為壓縮機(jī)容量（cm3/r）；Nc為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；Nv為壓縮機(jī)容積效率；V1—壓縮機(jī)入口氣體比體積（m3/kg）。

c.實(shí)際排量計(jì)算：壓縮機(jī)排氣量以120%為設(shè)計(jì)目標(biāo)：

3.2 確定壓縮機(jī)速比i

壓縮機(jī)皮帶輪直徑d根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)輪直徑D大小來選取，通常速比滿足如下關(guān)系：

表2

確定壓縮機(jī)傳動(dòng)比后，必須校核，檔汽車在最高車速行駛時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速要小于其允許的極限轉(zhuǎn)速，否則要選用大的壓縮機(jī)重新設(shè)計(jì)其傳動(dòng)比。

3.3 循環(huán)量確定

壓縮機(jī)制冷能力取決于壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)強(qiáng)制循環(huán)的制冷量和單位制冷劑循環(huán)時(shí)的制冷能力，壓縮機(jī)循環(huán)量一定程度反映了制冷能力大小，計(jì)算公式如下：

式中：P為壓縮機(jī)循環(huán)量；i為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)比；Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

壓縮機(jī)循環(huán)量確定后可通過與標(biāo)桿車在典型工況下循環(huán)量的比較，檢驗(yàn)是否達(dá)到標(biāo)桿車水平。

3.4 共振校核

為避免壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振而做的校核（主要針對(duì)活塞式壓縮機(jī)）。活塞式壓縮機(jī)震動(dòng)頻率：

式中：m為激發(fā)的諧量分析階數(shù)

單缸單作用壓縮機(jī)，m=1，2，3，…

對(duì)單缸雙作用壓縮機(jī)，m=2，4，6，…

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率：

式中：N為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)；Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；C為沖程數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)頻率比值：

若避免共振Z應(yīng)為非整。

3.5 壓縮機(jī)支架設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)支架設(shè)計(jì)應(yīng)遵循3個(gè)原則：1.方便壓縮機(jī)裝配、拆卸，具有一定的通用性；2.支架強(qiáng)度要高；3.壓縮機(jī)安裝后滿足共面要求：

圖3

壓縮機(jī)皮帶輪中心線與發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪、漲緊輪的中心線應(yīng)當(dāng)在同一平面上。

3.6 壓縮機(jī)皮帶輪設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)用的帶輪主要分為以下幾類如表3：

通常依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪形式選取相應(yīng)壓縮機(jī)皮帶輪。

壓縮機(jī)設(shè)計(jì)完畢后，裝配皮帶輪，擰緊漲緊輪，通過測(cè)力計(jì)測(cè)量張力。皮帶張緊要求：于皮帶中間位置垂直施加98N的力，皮帶變形在（8～10）mm范圍內(nèi)合格。

4 冷凝器裝置設(shè)計(jì)

冷凝器是系統(tǒng)中熱量交換的部件，是把來自壓縮機(jī)的高溫高壓氣態(tài)制冷劑通過管壁和翅片將其中的熱量傳遞給冷凝器外的空氣，從而使氣態(tài)制冷劑冷凝成高溫高壓的液體，通過膨脹閥后吸收大量熱量而氣化。冷凝器中制冷劑的放熱過程有三個(gè)階段，即降低過熱、冷凝和過冷三個(gè)階段：進(jìn)入冷凝器的制冷劑是高壓的過熱氣體，向外放出熱量后并在冷凝壓力下，放出熱量逐漸冷凝成液體，溫度保持不變。最后繼續(xù)放出熱量，液態(tài)制冷劑溫度下降，成為過冷液體。

4.1 設(shè)計(jì)原則

我們說的冷凝器裝置，包含冷凝器芯體、冷凝器支架、冷凝機(jī)風(fēng)扇有時(shí)根據(jù)整車布置需要將干燥瓶及壓力開關(guān)集成于冷凝器裝置中。在輕卡平臺(tái)中，以五十鈴為基本型，冷凝器通常布置在車架右縱梁前端，駕駛室登車踏板下方。如圖所示：

圖4 冷凝器右前方布置圖

也有很多車布置在橫梁下方，車架后端甚至是中冷器前方，具體根據(jù)整車布置來確定，需遵循布置原則：1.不影響空調(diào)系統(tǒng)及冷凝器正常功能；2.不影響其他部件正常功能；3.兼顧整車配重。冷凝器設(shè)計(jì)原則：1.體積小，輕量化好；2.換熱效率高；3.可靠性好，抗震動(dòng)，耐久；4.風(fēng)阻小，內(nèi)外壁阻力小。

4.2 冷凝器換熱量計(jì)算

冷凝器理論散熱量：

式中：Qc為冷凝器散熱量；m為負(fù)荷系數(shù)，通常取1.5。

在空調(diào)系統(tǒng)的匹配校核時(shí)，冷凝器實(shí)際散熱量取值應(yīng)大于理論散熱量。

4.3 冷凝器風(fēng)扇選型

冷凝器風(fēng)扇是幫助冷凝器散熱的裝置，在選取時(shí)應(yīng)當(dāng)注意與芯體的匹配及整車電壓，風(fēng)向不應(yīng)該和整車前進(jìn)方向相同。當(dāng)冷凝器有迎風(fēng)面積時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)速不少于2.5m/s。

4.4 冷凝器支架設(shè)計(jì)

冷凝器支架起支撐和過渡作用。冷凝器風(fēng)扇和芯體的配合需要支架作為連接，同時(shí)冷凝器裝配在整車上需要一個(gè)穩(wěn)定的支撐。

5 空調(diào)管路設(shè)計(jì)

空調(diào)管路在空調(diào)系統(tǒng)中起連接作用，是制冷劑流動(dòng)的介質(zhì)、管道?？照{(diào)管路由吸氣管、排氣管及液體管組成（中間連接壓縮機(jī)總成、冷凝器總成、干燥瓶和HVAC總成等部件），管路固定部件由管夾和線夾組成，有時(shí)為帶有護(hù)套、支架、扎帶等輔件，具體結(jié)構(gòu)如圖：

圖5 管路連接圖

在設(shè)計(jì)空調(diào)管路時(shí)，應(yīng)避免管路與周圍部件發(fā)生干涉，管路盡量平直讓冷媒流通順暢，阻力小。一根空調(diào)管路由壓板，O型圈（起密封作用），裝配前帶有防塵罩（保持內(nèi)部清潔），硬管，扣押頭，軟管等組成，有時(shí)可將冷媒加注口集成于硬管中：

圖6 空調(diào)吸氣管總成

空調(diào)管路應(yīng)具有良好的耐腐蝕性，可靠性，密封性，穩(wěn)定性，耐熱性以及較輕的材料，因此管路的硬管部分采用鋁制材料：A3003。軟管部分采用汽車上常用的橡膠管：EPDM+HNBR，由于輕卡車架側(cè)面復(fù)雜的管線路系統(tǒng)，橡膠管表面最好帶波紋管，起一定地保護(hù)作用，必要時(shí)可增加鋁箔保護(hù)軟管免受熱害影響。兩頭硬管中間軟管及管夾固定是最為簡(jiǎn)單的一種管路走向，具有維修簡(jiǎn)單，PPM值低，成本低的優(yōu)點(diǎn)。

5.1 空調(diào)線路設(shè)計(jì)

通過以上內(nèi)容基本完成空調(diào)系統(tǒng)在底盤的硬件布置，眾所周知，空調(diào)系統(tǒng)中還有幾個(gè)零部件需要用電力來驅(qū)動(dòng)，從而滿足整體制冷的需要。同整車中的其他用電器，空調(diào)系統(tǒng)的供電也采取單線制。

5.2 控制邏輯

電氣原理圖如下：

圖7 空調(diào)底盤部分電氣原理圖

三個(gè)繼電器分別控制壓縮機(jī)電磁離合器，冷凝器風(fēng)扇，空調(diào)怠速提升信號(hào)給ECU。控制端采用蓄電池電，配合AC開關(guān)，需要注意的是AC開關(guān)有效的前提是鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)擋開關(guān)打開。各個(gè)用電器供電電源來自發(fā)電機(jī)。

汽車在行駛中，底盤部分面對(duì)的環(huán)境要比駕駛室內(nèi)部惡劣很多，在選取線束及線束連接器時(shí)一定要有足夠的防水防塵等級(jí)和耐震動(dòng)等級(jí)。

5.3 系統(tǒng)保護(hù)

除了上圖中的保險(xiǎn)絲外，空調(diào)系統(tǒng)還需要另一套保護(hù)裝置：空調(diào)系統(tǒng)的正常工作壓力范圍高壓一般是1.5MPa左右，低壓是0.25MPa左右，過低過高的系統(tǒng)壓力不僅影響壓縮機(jī)的壽命制冷效果也會(huì)有所降低，因此需要在系統(tǒng)中增加壓力開關(guān)來控制系統(tǒng)的壓力。由于空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，從減少成本的角度考慮，一般將一個(gè)壓力開關(guān)置于液體管中，檢測(cè)高壓端壓力。壓力過高過低均斷開開關(guān)，從而使壓縮機(jī)和冷凝器風(fēng)扇斷電。

6 總結(jié)

本文通過對(duì)壓縮機(jī)裝置的設(shè)計(jì)選型，冷凝器裝置的設(shè)計(jì)選型以及空調(diào)管線路的設(shè)計(jì)，講述空調(diào)制冷系統(tǒng)在底盤上的設(shè)計(jì)與匹配，通過另一個(gè)角度體現(xiàn)看不見的熱交換過程，從零部件的角度體現(xiàn)制冷介質(zhì)的變化。結(jié)合底盤搭載的駕駛室，通過合理地計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，最終呈現(xiàn)給用戶一個(gè)完美的空調(diào)體驗(yàn)。

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