黃朝斌

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司輕卡研發(fā)部，安徽 合肥 230000）

前言

汽車空調(diào)是汽車空氣調(diào)節(jié)的簡稱，即采用人工制冷和采暖的方法，調(diào)節(jié)車內(nèi)的溫度、濕度、空氣速度等參數(shù)指標(biāo)，從而為人們創(chuàng)造清新舒適的車內(nèi)環(huán)境。調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度是汽車空調(diào)的基本功能，多數(shù)汽車空調(diào)只具有這種單一功能。汽車空調(diào)在冬季，利用其采暖裝置升高車室內(nèi)的溫度，一般以發(fā)動機(jī)冷卻循環(huán)水作為暖風(fēng)的熱源；在夏季，車內(nèi)降溫是由制冷裝置完成的。

人們俗稱的空調(diào)主要是指制冷裝置，一般在無特別說明時(shí)，空調(diào)指的就是制冷裝置。制冷裝置主要采用蒸氣壓縮式制冷，即利用液態(tài)制冷劑汽化吸熱產(chǎn)生冷效應(yīng)。簡而言之，就是冷凝器將壓縮機(jī)送來的高溫高壓氣態(tài)制冷劑，在冷凝器內(nèi)將熱量釋放給車外空氣中，使制冷劑冷凝成液體制冷劑，并送入車內(nèi)的蒸發(fā)器汽化，吸取空氣中的熱量，使空氣溫度降低，最后由送風(fēng)機(jī)將低溫的空氣吹送到車內(nèi)各部位。制冷裝置是一個(gè)獨(dú)立的、密封的工作冷循環(huán)體，主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、送風(fēng)機(jī)等部件組成。

本文以是汽車空調(diào)制冷裝置為切入點(diǎn)，介紹空調(diào)制冷裝置的組成部件和工作原理，講述了汽車空調(diào)冷凝器的功能、工作過程、結(jié)構(gòu)及分類。最后以載貨汽車為實(shí)例，重點(diǎn)講解了空調(diào)汽車?yán)淠鞯钠脚_化設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 制冷裝置的部件和制冷原理

1.1 制冷裝置的組成部件

制冷裝置主要由壓縮機(jī)、冷凝器總成、蒸發(fā)器總成三大部件，以及三大部件間的連接管路組成，其中冷凝器總成集成了儲液器總成，蒸發(fā)器總成集成了膨脹閥。壓縮機(jī)是整個(gè)裝置的動力輸出，負(fù)責(zé)制冷劑的壓縮和輸送；冷凝器的主要功能是制冷劑的冷凝和放熱；蒸發(fā)器主要是制冷劑蒸發(fā)吸熱，達(dá)到降溫目的。如下面圖1所示。

圖1 制冷裝置組成部件

1.2 制冷原理

制冷過程分四步完成：

壓縮過程：壓縮機(jī)吸入低溫低壓制冷劑氣體，并對低溫低壓制冷劑氣體進(jìn)行壓縮，變成高溫高壓制冷劑氣體，最后排出壓縮機(jī)。

冷凝過程：高溫高壓制冷劑氣體通過高壓軟管被送到冷凝器冷凝，向經(jīng)過冷凝器的空氣放熱，被冷凝成高壓中溫的液體，流向儲液器，在儲液器中制冷劑被過濾雜質(zhì)、脫去水分。

節(jié)流過程：制冷劑通過高壓軟管流至膨脹閥，經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓，變成低壓低溫液氣混合物，準(zhǔn)備進(jìn)入蒸發(fā)器。

蒸發(fā)過程：低壓低溫液氣混合制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，大量吸收車內(nèi)流經(jīng)蒸發(fā)器表面空氣的溫度，從而降低了氣溫，達(dá)到了制冷目的。

蒸發(fā)后的過熱制冷劑氣體，進(jìn)入壓縮機(jī)并開始下一個(gè)制冷循環(huán)，周而復(fù)始的進(jìn)行，達(dá)到了制冷目的，同時(shí)由于蒸發(fā)器表面的溫度低于空氣露點(diǎn)，空氣中的水汽冷凝成為露水排出車外，從而降低了車內(nèi)空氣的溫度和濕度?？照{(diào)制冷原理如圖2所示。

圖2 空調(diào)制冷原理

2 冷凝器的功能和分類

2.1 冷凝器的功能

冷凝器的功能是使由壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器內(nèi)通過金屬管壁和翅片的與冷凝器外部的空氣進(jìn)行熱交換，將高溫高壓氣態(tài)制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏旱囊簯B(tài)制冷劑，并把熱量散發(fā)到車外環(huán)境中。制冷劑的換熱大體上可以分三個(gè)階段，即過熱、兩相和過冷。過熱和過冷階段制冷劑處于單相狀態(tài)，發(fā)生的是顯熱交換；而在兩相階段，制冷劑發(fā)生集態(tài)變化，即冷凝，屬于潛熱交換。在冷凝器中，制冷劑的大部分熱量是在凝結(jié)階段釋放的。換熱過程如圖3所示。

圖3 冷凝器換熱過程

2.2 冷凝器的要求

在汽車上，冷凝器的布置較為困難，冷卻條件差，以及各部件之間連接管路長造成的能量損失，要求冷凝器要有更大的散熱面積或結(jié)構(gòu)有更高有傳熱效率。

汽車?yán)淠鞔蠖嗖贾迷谒淝懊妫囶^側(cè)面，或車架縱面，經(jīng)常有地面泥漿濺在冷凝器上，不僅要求冷凝器表面要有防腐措施，同時(shí)要考慮冷凝器的清洗問題。

由于汽車是運(yùn)動物體，對重量有嚴(yán)格的要求，同時(shí)考慮汽車的調(diào)速顛簸性，要求冷凝器重量不能太重，目前汽車用冷凝器均采用鋁，同時(shí)結(jié)構(gòu)要牢固、耐震性能好。歸納如下：

1）要有高的傳熱效率。2）耐腐蝕性能好。

3）重量輕，安裝空間小。4）抗震性能好。

5）內(nèi)外壁的阻力小。

2.3 冷凝器的結(jié)構(gòu)和分類

2.3.1 冷凝器結(jié)構(gòu)

冷凝器總成主要由貯液干燥器、集流管、扁管、翅片、壓力開關(guān)、冷凝風(fēng)扇等組合。其中貯液干燥器可獨(dú)立存在，也可集成在芯體上；壓力可集成在干燥器上，也可集成在液體管上。下面圖4為平行流式冷凝器帶風(fēng)扇總成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 冷凝器總成結(jié)構(gòu)

圖中：1為干燥器（過冷式）；2和7為集流管；3為扁管；4為翅片；5為連接管；6為壓力開關(guān)；8為冷凝風(fēng)扇；9為風(fēng)機(jī)插件。

2.3.2 冷凝器分類

冷凝器按芯體結(jié)構(gòu)分類有鰭片式（已淘汰）、管片式、管帶式、平行流式；按冷凝器風(fēng)扇分類有推風(fēng)式和吸風(fēng)式兩種。

管片式：將鋁翅片脹緊在紫銅管上，管的端部用U形彎頭焊接起來。管片式冷凝器是汽車空調(diào)中早期使用的冷凝器，其制造工藝簡單，加工方便，但換熱效率差。

圖5 管片式冷凝器芯體

管帶式：將扁平管彎成蛇形，并在其中安置散熱帶，然后在真空加熱爐中加熱，焊接好管帶。這種冷凝器的傳熱效率比管片式的可提高 15%-20%。制冷劑在蛇形扁管單通道中流動而進(jìn)行熱交換，加工工藝較復(fù)雜。

圖6 管帶式冷凝器芯體

平行流式：平行流冷凝器是在兩條集流管間用多條扁管相連，制冷劑在同一時(shí)間經(jīng)多條扁管流通而進(jìn)行熱交換。較高的單位迎風(fēng)面積和單位體積換熱能力，空氣側(cè)和制冷劑側(cè)流動阻力小，制冷劑的冷凝溫度和壓力較低，芯體厚度減薄，占用空間小。

圖7 平行流式冷凝器芯體

平行流式冷凝器是目前較流行的結(jié)構(gòu)型式，布置方式?jīng)Q定風(fēng)扇方式。

表1 冷凝器結(jié)構(gòu)型式的對比

3 冷凝器及其布置的平臺化設(shè)計(jì)

在載貨車上，冷凝器的布置位置常常受駕駛室平臺、車架軸矩段、冷卻系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、供油系統(tǒng)等影響，大多布置在水箱前面、車架左右縱梁前側(cè)和中部等，冷凝器的布置較為多樣化，故冷凝器種類也較為多樣化。這不僅增加了整車空調(diào)的設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)周期，也增加了設(shè)計(jì)成本。

因此，冷凝器及其布置的系列化、平臺化設(shè)計(jì)的有重大意義。目前載貨車上較為常見的是以軸矩段為平臺，建立冷凝器和布置的平臺化。

3.1 28及28以下軸矩段平臺

3.1.1 布置的平臺化

28軸矩段和28以下軸矩段是指軸矩等于或小于2800mm的短軸距輕型載貨車，此類車型主要負(fù)責(zé)城內(nèi)運(yùn)輸，特點(diǎn)就是小噸位、短軸矩。前后軸間車架縱梁內(nèi)、外側(cè)主要供空氣濾清器、燃油箱、蓄電池、排氣管、儲氣筒、尿素箱等裝置布置。如圖8所示。

圖8 2800軸矩段底盤布置

此類車型采用平行流式冷凝器，獨(dú)立式貯液干燥瓶，布置采用臥式，布置在車輛前端，底盤車架總成二號橫梁下方，與地面平行。此布置不會隨發(fā)動機(jī)動力變化、駕駛室平臺變化、制動方式（氣、液制動）等變化而變化，系列化、通用化強(qiáng)。如圖9、圖10所示。

圖9 28平臺冷凝器的布置

圖10 冷凝器的布置

3.1.2 冷凝器的平臺化

臥式冷凝器布置的平臺化均可應(yīng)用在28軸矩段和28以下軸矩段車型上，冷凝器布置的平臺化決定了冷凝器的平臺化，大大減少了冷凝器的品種，因車輛電壓的變化，可拓展出12V和24V電壓兩種冷凝器。

臥式冷凝器由固定支架總成，冷凝器芯體、風(fēng)扇總成、下防護(hù)隔柵、貯液干燥瓶等組成。如圖11所示。

圖11 臥式冷凝器帶風(fēng)扇總成

圖中：1為固定支架總成；2為冷凝器芯體及風(fēng)扇總成；3為下防護(hù)隔柵；4為貯液干燥瓶；5為液體管。

3.1.3 平臺化的優(yōu)點(diǎn)

平臺化設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）系列化、通用化強(qiáng)，可減少冷凝器的品種管道，縮短以后產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)周期，降低開發(fā)成本。

2）空調(diào)冷凝器裝置接近發(fā)動機(jī)和駕駛室，可縮空調(diào)系統(tǒng)管路的布置，減少了空調(diào)系統(tǒng)的能耗，降低管路布置成本。

3）在使用過程中，便于空調(diào)冷凝器裝置維護(hù)、維修，清洗方便。

3.2 33至47軸矩段平臺

3.2.1 布置的平臺化

圖12 3308軸矩段底盤布置

圖13 3815軸矩段底盤布置

33至47軸矩段是指軸矩從3308mm至4700mm的輕、中型載貨車，也是載貨車主流車型，主要負(fù)責(zé)城鄉(xiāng)間運(yùn)輸?shù)戎?、短途運(yùn)輸。此類車型匹配的動力多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多，底盤上燃油箱、蓄電池、排氣管、儲氣筒、尿素箱等裝置的布置會隨發(fā)動機(jī)動力變化而變化。如圖12和圖13所示。

此類車型冷凝器的平臺化布置可從車輛前端入手，采用平行流式冷凝器，集成式貯液干燥瓶（即貯液干燥瓶焊接在芯體上），布置采用立式，布置在車輛前端，車架總成右前側(cè)，如圖14所示。平臺化的優(yōu)點(diǎn)在3.1.3里已做過闡述。

圖14 33平臺冷凝器的布置

3.2.2 冷凝器的平臺化

同理，一類車型冷凝器布置的平臺化也促進(jìn)了冷凝器的平臺化，此類立式冷凝器布置的平臺化均可采用在33至47軸矩段車型上。立式冷凝器由固定支架總成，冷凝器芯體、風(fēng)扇總成、貯液干燥瓶等組成。如圖15所示。

圖15 冷凝器帶風(fēng)扇總成

圖中：1為固定支架總成；2為冷凝器芯體及風(fēng)扇總成；3為集成式貯液干燥瓶。

3.3 47以上軸矩段平臺

3.3.1 布置的平臺化

47以上軸矩段是指軸矩大于4700mm的重型載貨車，此類車型主要負(fù)責(zé)中、長途運(yùn)輸。此類車型影響冷凝器布置的因素主要是空間大、軸矩長、水箱大。如圖16所示。

圖16 4700軸矩段底盤布置

此類車型往往因水箱較大，

冷卻能力較強(qiáng)，冷凝器布置在水箱及中冷器前面的方案較優(yōu)。采用平行流式冷凝器，集成式貯液干燥瓶，布置方式為立式，布置在冷卻水箱前面，冷凝器不再自帶風(fēng)扇，而是與水箱共用一風(fēng)扇，達(dá)到降低能耗的目的。如圖17所示。平臺化的優(yōu)點(diǎn)在上面已闡述，此處不再闡述。

圖17 47平臺冷凝器的布置

3.3.2 冷凝器的平臺化

圖18 冷凝器總成

圖中：1為冷凝器芯體；2為集成式貯液干燥瓶。

此類冷凝器由冷凝器芯體和貯液干燥瓶等組成，均可應(yīng)該在47及以上軸矩段的重型載貨車。因不自帶風(fēng)扇，可達(dá)到降低能耗的目的。

4 結(jié)論

本論文從汽車空調(diào)的概念出發(fā)，闡述了空調(diào)制冷裝置的組成部件和工作原理，論述了汽車空調(diào)冷凝器的功能和工作過程，重點(diǎn)講述了冷凝器的結(jié)構(gòu)與分類。最后以載貨汽車為實(shí)例，講解了空調(diào)汽車?yán)淠鞯钠脚_化設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

本文提出的載貨汽車空調(diào)冷凝器及其布置的平臺化設(shè)計(jì)，雖不能完全應(yīng)用于商用車行業(yè)，但是本文所體現(xiàn)的平臺化設(shè)計(jì)思路，對讀者仍有一定的參考價(jià)值。

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