王東芳，高志強(qiáng)

（北京汽車集團(tuán)越野車有限公司，北京 101300）

隨著中國經(jīng)濟(jì)和汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車行業(yè)競爭日益激烈，用戶對(duì)駕駛舒適性的要求越來越高，汽車空調(diào)除了給人們帶來舒適的乘車環(huán)境外，還對(duì)汽車行駛安全性有重要影響［1］。本文從某車型與市場競爭車型的空調(diào)環(huán)境模擬試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果出發(fā)，通過大量的零部件臺(tái)架試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)、環(huán)境模擬試驗(yàn)手段，對(duì)某車型的空調(diào)系統(tǒng)降溫性能進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 汽車空調(diào)系統(tǒng)工作原理

汽車空調(diào)系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成［2］：制冷系統(tǒng)、暖風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器 （包括冷凝風(fēng)扇）、膨脹閥和蒸發(fā)器 （包括鼓風(fēng)機(jī)）組成。其制冷原理是低壓 （低溫）液態(tài)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，由于制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)氣化時(shí)的溫度低于管外空氣的溫度，因此能自動(dòng)吸收車內(nèi)空氣中的熱量，使空氣的溫度降低，產(chǎn)生冷效應(yīng)。然后，氣化了的制冷劑通過壓縮機(jī)壓縮，變成溫度高于車外空氣的高溫高壓氣體。這時(shí)，制冷劑通過布置在車外的冷凝器將熱量釋放到大氣中，制冷劑放熱變成高壓 （高溫）液態(tài)制冷劑。最后，經(jīng)過節(jié)流閥，恢復(fù)到低壓（低溫）液態(tài)。所以，當(dāng)空調(diào)要進(jìn)行制冷時(shí)，必須開啟壓縮機(jī)使制冷劑循環(huán)，從而降低車內(nèi)溫度。

2 車型原空調(diào)系統(tǒng)降溫性能

該車型與競爭車型在同一個(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)，采用相同的試驗(yàn)工況，進(jìn)行了最大降溫性能試驗(yàn)。從表1整車環(huán)境模擬試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可以看出，該車在運(yùn)行工況下，系統(tǒng)的高壓和低壓并不高，表明冷凝器和壓縮機(jī)的能力能夠滿足制冷要求。但該車的出風(fēng)口溫度和呼吸點(diǎn)溫度均明顯高于競爭車型。該車型各吹面出風(fēng)口溫度較競爭車型高出約1～4℃不等，出風(fēng)口溫度會(huì)直接影響整車呼吸點(diǎn)溫度，這是由于該車型空調(diào)系統(tǒng)制冷能力不足導(dǎo)致的。

表2是該車型HVAC總成與其余3個(gè)公司現(xiàn)有資源車型的風(fēng)量對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該車型HVAC總成風(fēng)量在各個(gè)模式下均與其他車型存在較大差距，這也是該車型空調(diào)系統(tǒng)降溫效果差的原因之一。

3 性能提升方案

綜合考慮整車邊界條件、開發(fā)費(fèi)用、開發(fā)周期等因素，性能提升方案分析方法如下：①盡量使用現(xiàn)有空間；②利用供應(yīng)商成熟且先進(jìn)技術(shù)來設(shè)計(jì)零部件；③結(jié)合零部件臺(tái)架試驗(yàn)、系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)和環(huán)境模擬試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)后的系統(tǒng)性能。

Erik Lundberg［3］在2002年SAE會(huì)議上提出，強(qiáng)化R134a空調(diào)系統(tǒng)性能和環(huán)境友好性的幾個(gè)重要途徑，其中包括提高系統(tǒng)效率，使用更為緊湊的高效換熱器。因此，提高蒸發(fā)器換熱能力和換熱效率是該空調(diào)系統(tǒng)性能提升的重要目標(biāo)之一。鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小也是影響蒸發(fā)器換熱效率的重要影響因素，風(fēng)量越大，換熱效率越高。同時(shí)，為更好地發(fā)揮HVAC降溫性能，膨脹閥的匹配也是非常重要的部分。

表1 整車環(huán)境模擬降溫性能對(duì)比結(jié)果

表2 HVAC總成風(fēng)量對(duì)比試驗(yàn)

3.1 蒸發(fā)器選型

汽車空調(diào)蒸發(fā)器置于HVAC內(nèi)，它屬于直接風(fēng)冷式結(jié)構(gòu)。用于汽車空調(diào)上的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)型式主要有管片式、管帶式、層疊式和平行流式。平行流蒸發(fā)器是新一代的汽車空調(diào)蒸發(fā)器，其特點(diǎn)是換熱效率高、表面溫度分布均勻等。研究表明，同樣迎風(fēng)面積的平行流蒸發(fā)器，38～40mm厚，可以替代60mm及以上厚度的層疊式蒸發(fā)器，材料和空間得到大幅的節(jié)省。新開發(fā)的汽車空調(diào)中，平行流蒸發(fā)器的應(yīng)用已成為趨勢(shì)［4］。原車型上使用的是層疊式蒸發(fā)器，為提升蒸發(fā)器換熱效率，擬對(duì)HVAC殼體進(jìn)行局部修改，將其更改為平行流式蒸發(fā)器。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，選擇了不同型號(hào)的蒸發(fā)器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)樣件狀態(tài)：HVAC總成裸態(tài)、未帶膨脹閥。試驗(yàn)條件：制冷劑側(cè)：膨脹閥前壓力1700kPa，膨脹閥前溫度55℃，膨脹閥后壓力310kPa，膨脹閥后溫度10℃；空氣側(cè)：進(jìn)口溫度40℃，濕度40%，進(jìn)氣流量480m3／h。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，在相同的試驗(yàn)工況下，平行流蒸發(fā)器樣件與原狀態(tài)蒸發(fā)器相比，換熱能力提升較大，其中樣件B換熱能力最大，達(dá)到7504.4kW。

表3 蒸發(fā)器換熱能力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

3.2 鼓風(fēng)機(jī)選型

鼓風(fēng)機(jī)將加熱器芯體和蒸發(fā)器芯體產(chǎn)生的熱量和冷量吹到車內(nèi)，為駕駛室內(nèi)的通風(fēng)、換氣提供動(dòng)力。HVAC風(fēng)量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，試驗(yàn)結(jié)果表明原狀態(tài)的鼓風(fēng)機(jī)效率低下，抗阻性能差。因此帶上風(fēng)道測試，空調(diào)系統(tǒng)的總風(fēng)量不能滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到開發(fā)周期、開發(fā)成本等條件，在供應(yīng)商成熟的產(chǎn)品序列中選擇了4款風(fēng)機(jī)效率較高的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行匹配。風(fēng)量提升程度最大的是樣件B，風(fēng)量達(dá)到480m3／h，較原狀態(tài)提升26%。測試方法：HVAC總成 （不帶風(fēng)道）外循環(huán)全冷吹面。

表4 HVAC風(fēng)量對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

3.3 膨脹閥選型

為匹配新的蒸發(fā)器，需重新對(duì)膨脹閥進(jìn)行選型。根據(jù)系統(tǒng)制冷量水平，選擇了4款不同型號(hào)的膨脹閥進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：制冷劑側(cè)：閥前壓力1700kPa，閥前溫度55℃，閥后壓力310kPa；空氣側(cè)：進(jìn)口溫度／濕度：40℃／40%。試驗(yàn)件狀態(tài)：HVAC總成裸態(tài)，帶膨脹閥。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，4款樣件的系統(tǒng)匹配性能均優(yōu)于原膨脹閥。其中樣件D的性能更符合實(shí)際運(yùn)行工況要求，故最終選用樣件D。

表5 膨脹閥匹配對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

4 改進(jìn)后空調(diào)系統(tǒng)性能分析

4.1 改進(jìn)后系統(tǒng)臺(tái)架性能

性能提升方案確定后，利用蒸發(fā)器樣件B、鼓風(fēng)機(jī)樣件B、膨脹閥樣件D組成了新的HVAC總成，然后與壓縮機(jī)、冷凝器組成新的空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行了制冷性能系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：內(nèi)循環(huán)，最大制冷，吹面模式，蒸發(fā)器入口干球溫度27±1℃，濕球溫度19.5±0.5℃，冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度35±1℃，風(fēng)機(jī)端電壓13.5V。表6試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的空調(diào)系統(tǒng)性能提升效果明顯，改進(jìn)方案得到了初步驗(yàn)證。

4.2 改進(jìn)后整車空調(diào)降溫性能

為驗(yàn)證改進(jìn)后空調(diào)系統(tǒng)在整車上的表現(xiàn)，將搭載新空調(diào)系統(tǒng)的整車在風(fēng)洞環(huán)境模擬試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了最大降溫性能試驗(yàn)。試驗(yàn)規(guī)范與競爭車型和原車型的最大降溫性能試驗(yàn)規(guī)范相同。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，該車改進(jìn)后狀態(tài)已經(jīng)完全達(dá)到競爭車型的水平。與該車型原狀態(tài)相比，空調(diào)降溫性能有非常大的提升。

表6 改進(jìn)狀態(tài)空調(diào)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

表7 整車降溫性能對(duì)比

5 結(jié)論

本文根據(jù)原車型與競爭車型降溫?cái)?shù)據(jù)的比較結(jié)果，分析原車型降溫效果差的主要原因，并提出整改方案。通過零部件臺(tái)架試驗(yàn)、系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)及環(huán)境模擬試驗(yàn)等手段，驗(yàn)證了性能提升方案的可行性。改進(jìn)后的整車空調(diào)性能與改進(jìn)前相比較，呼吸點(diǎn)溫度在前20min降低6℃～7℃，制冷性能提升明顯。