鄭淳允

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

引言

當(dāng)今，人們生活日益美好，汽車(chē)也隨之進(jìn)入了尋常百姓家。這樣，有車(chē)一族的人數(shù)也越來(lái)越多，人們對(duì)汽車(chē)節(jié)能降耗就有了更高的要求，而汽車(chē)空調(diào)的節(jié)能是整車(chē)節(jié)能的重要組成部分。汽車(chē)空調(diào)的節(jié)能性體現(xiàn)在人們通過(guò)對(duì)汽車(chē)空調(diào)的有效控制來(lái)降低油耗，即通過(guò)汽車(chē)空調(diào)的經(jīng)濟(jì)模式、外控變排量壓縮機(jī)、啟停功能的控制以及同軸管技術(shù)的應(yīng)用等達(dá)到降耗節(jié)能5%～10%目標(biāo)。由此可見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)空調(diào)的節(jié)能性，我們可從空調(diào)控制方面、新的零部件技術(shù)應(yīng)用等進(jìn)行系統(tǒng)集成，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的硬件、軟件等，以此達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能的目標(biāo)。

1 汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的組成和作用

汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)主要是由HVAC、壓縮機(jī)、冷凝器、空調(diào)面板、管路和傳感器組成[1]，見(jiàn)圖1所示。

圖1 汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的組成

汽車(chē)空調(diào)是現(xiàn)代汽車(chē)的重要組成部分之一，在炎熱的夏季或寒冷的冬季里，空調(diào)作為改善室內(nèi)環(huán)境舒適性的主要途徑，正在我們的生活中發(fā)揮重要的作用?？照{(diào)的主要作用是保證車(chē)內(nèi)一個(gè)舒適的環(huán)境，同時(shí)可以滿(mǎn)足除霜除霧的安全要求。

2 汽車(chē)空調(diào)節(jié)能技術(shù)的組成、原理和節(jié)能效果

當(dāng)前，隨著汽車(chē)主機(jī)廠和相關(guān)空調(diào)系統(tǒng)供應(yīng)商的大力開(kāi)發(fā)，汽車(chē)空調(diào)節(jié)能技術(shù)取得了較大的成果，主要有ECO經(jīng)濟(jì)模式控制、啟停功能控制等節(jié)能控制技術(shù)和外控變排量壓縮機(jī)、同軸管等新的節(jié)能空調(diào)零部件的應(yīng)用[2]，這些使汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯，為整車(chē)的節(jié)能降耗水平提到了一個(gè)新的高度。

2.1 ECO經(jīng)濟(jì)控制模式

汽車(chē)空調(diào)從控制上開(kāi)發(fā)了ECO經(jīng)濟(jì)控制模式，通過(guò)此模式[3]，使空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能，主要的控制方法如下：

當(dāng)HVAC_ACSt=1時(shí)，ECO控制邏輯如圖2、圖3所示。

*1：GSM_DriveMode 不等于1；

*2：GSM_DriveMode = 1（Eco Mode）；

*3：進(jìn)入Acmax狀態(tài)；

*4：退出Acmax狀態(tài)，且Acmax前一狀態(tài)為ECO ON的情況。

ECO ON：以降低部分舒適性為代價(jià)，達(dá)到節(jié)能目的，ECN模式下，通過(guò)提高TE，開(kāi)啟/關(guān)閉壓縮機(jī)。

ECO模式下，若當(dāng)前出風(fēng)模式為DEF以外的模式，則E0，E1由以下決定，E1 = E0+2；

當(dāng)外溫＞35 ℃時(shí)，E0=8 ℃（TBD）；

25 ℃＜外溫＜35 ℃時(shí)，E0=10 ℃（TBD）；

外溫＞25 ℃時(shí)，E0=12 ℃（TBD）；

通過(guò)以上的控制方法，可以有效控制空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果，在人體感到舒適的情況下，減少壓縮機(jī)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

目前無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，大約節(jié)能1%左右。

2.2 啟停功能控制

當(dāng)汽車(chē)在等待紅燈或者堵車(chē)時(shí)，啟停系統(tǒng)自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)，暫停發(fā)動(dòng)機(jī)工作，當(dāng)車(chē)輛感受到駕駛員的起步意圖時(shí)，快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。啟停系統(tǒng)在城市工況可以有效降低怠速油耗，減少汽車(chē)有害氣體的排放。

空調(diào)系統(tǒng)的啟停功能控制方法如下：

（1）當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)為OFF模式，則允許發(fā)動(dòng)機(jī)停止，不進(jìn)行任何條件的判斷。

（2）當(dāng)外溫OAT ∈ [ 15，25 ]（TBD），如果不在除霜狀態(tài)則允許發(fā)動(dòng)機(jī)停止，不進(jìn)行其他條件判斷，否則判斷條件C。

（3）當(dāng)外溫OAT＜15 ℃ 或＞25 ℃，判斷以下條件，任一條件為禁止，則禁止發(fā)動(dòng)機(jī)i-stop ，條件均成立時(shí)，才允許發(fā)動(dòng)機(jī)i-stop。

1）外溫OAT禁止條件。

當(dāng)外溫OAT ∈ [ -10，50 ]（TBD），外溫條件允許發(fā)動(dòng)機(jī)停止；除此以外，OAT＜-10 ℃ 或者OAT＞50 ℃，外溫條件禁止發(fā)動(dòng)機(jī)停止。

2）除霜禁止條件。

當(dāng)前處于除霜模式，并且鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速 FAN_Speed ＞= 1（即鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟）；除霜條件禁止發(fā)動(dòng)機(jī)停止，否則除霜條件允許發(fā)動(dòng)機(jī)停止。

3）鼓風(fēng)機(jī)禁止條件。

如果當(dāng)前鼓風(fēng)機(jī)檔位為7檔（即最大風(fēng)速），鼓風(fēng)機(jī)條件禁止發(fā)動(dòng)機(jī)停止，否則，鼓風(fēng)機(jī)條件允許發(fā)動(dòng)機(jī)停止。

4）內(nèi)溫禁止條件（制冷情況）。

當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)ON，HVAC ACSt = 1，GSM_DriveMode 不等于 1時(shí)，進(jìn)行如下判斷：

內(nèi)溫-Tset 小于T1度則允許，大于T2度則禁止。

在STOP狀態(tài)（進(jìn)入啟停后）如果溫差小于T3度則允許，大于T4度則禁止，采用以下公式運(yùn)算：

式中，T1為車(chē)內(nèi)溫度與設(shè)定溫度差值的允許啟停閾值；T0為與Tset相關(guān)的常數(shù)；K為陽(yáng)光強(qiáng)度的校正常數(shù)；TS為駕駛側(cè)陽(yáng)光強(qiáng)度，TSPA為副駕駛側(cè)的陽(yáng)光強(qiáng)度。

式中，T2為禁止啟停閾值。

式中，T3為進(jìn)入啟停后車(chē)內(nèi)溫度與設(shè)定溫度差值的允許啟停閾值 ，C為待標(biāo)定的常數(shù)。

式中，T4為進(jìn)入啟停后的車(chē)內(nèi)溫度與設(shè)定溫度差值的禁止啟停閾值。

通過(guò)集成其他零部件或系統(tǒng)的啟停功能，整車(chē)的啟停系統(tǒng)可以降低油耗6%左右。

2.3 外控變排量壓縮機(jī)特點(diǎn)與控制

2.3.1 外控變排量壓縮機(jī)的特點(diǎn)

汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)，是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的皮帶和電磁離合器來(lái)驅(qū)動(dòng)的；其功能是吸入在蒸發(fā)器中蒸發(fā)氣化后的低溫低壓氣態(tài)制冷劑，并壓縮，再將高溫高壓的氣態(tài)制冷劑送到冷凝器中。

從目前空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，空調(diào)壓縮機(jī)制造技術(shù)不斷追求的目標(biāo)：

1）結(jié)構(gòu)緊湊；2）高效節(jié)能；3）NVH性能好；4）綠色環(huán)保。

目前符合以上要求為外控變排量壓縮機(jī)[4]，壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要特點(diǎn)如下：

圖4 外控變排量壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1）采用外部信號(hào)控制方式保證系統(tǒng)平穩(wěn)而連續(xù)不間斷的運(yùn)行，保護(hù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2）加速時(shí)抑制過(guò)大的扭矩，提升車(chē)輛加速性（車(chē)輛與壓縮機(jī)扭矩相匹配，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)補(bǔ)充動(dòng)力），在壓縮機(jī)扭矩復(fù)位時(shí)循序漸進(jìn)減少?zèng)_擊感。

3）在加速之后的定速時(shí)防止溫度上升，同時(shí)實(shí)現(xiàn)省燃費(fèi)和空調(diào)舒適性。

4）通過(guò)控制蒸發(fā)溫度防止過(guò)度冷卻且降低溫度差，降低能源消耗。

5）由更多的傳感器布置和控制系統(tǒng)的調(diào)整來(lái)對(duì)環(huán)境的變化實(shí)現(xiàn)預(yù)反應(yīng)。

2.3.2 外控變排量壓縮機(jī)控制邏輯[5]

1）若空調(diào)系統(tǒng)高壓/低壓異?；蛘舭l(fā)器傳感器故障直接關(guān)閉壓縮機(jī)請(qǐng)求，否則判斷是否為ECO模式和前除霜模式。

2）若不在ECO模式或在前除霜模式，TE1=1，TE2 =2。若在 ECO模式且不在前除霜模式，判斷外溫，若外溫大于35 ℃，TE1=8，TE2=10，若外溫小于35 ℃且大于25 ℃，TE1=10，TE2=12，若外溫小于25 ℃，TE1=12，TE2=14。

3）若AC=false，關(guān)閉壓縮機(jī)請(qǐng)求，若AC=true，區(qū)分手動(dòng)空調(diào)和自動(dòng)空調(diào)，若為手動(dòng)空調(diào)，直接判斷蒸發(fā)器溫度，若為自動(dòng)空調(diào)則需綜合判斷外溫，內(nèi)外氣循環(huán)及蒸發(fā)器溫度：若外溫小于0 ℃，且內(nèi)外循環(huán)電機(jī)為外循環(huán)，關(guān)閉壓縮機(jī)請(qǐng)求，若蒸發(fā)器溫度小于TE1，關(guān)閉壓縮機(jī)請(qǐng)求；若外溫大于0 ℃，打開(kāi)壓縮機(jī)請(qǐng)求，若蒸發(fā)器溫度大于TE2，打開(kāi)壓縮機(jī)請(qǐng)求。

2.3.3 外控變排量壓縮機(jī)油耗測(cè)試

本次試驗(yàn)采用GB 18352.5-2013 輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法。

整車(chē)油耗對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 整車(chē)油耗測(cè)試結(jié)果

由表1而知，采用外控變排量壓縮機(jī)的控制此使整車(chē)的平均油耗減少了0.26 L/100 m。

2.4 同軸管

2.4.1 結(jié)構(gòu)及原理

空調(diào)系統(tǒng)中，低壓管中的制冷劑是氣態(tài)，而高壓管是液態(tài)。普通空調(diào)管路，高壓管和低壓管是單獨(dú)走向的，而同軸管相當(dāng)于把高壓管套在低壓管的外側(cè)，如圖5所示。

圖5 同軸管結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，高壓管的制冷劑在膨脹前得到進(jìn)一步冷卻，提高了過(guò)冷度。如圖6所示，蒸發(fā)的焓差從h 1～h 4，加大到h 1～h 5，從而提升了制冷效果。

圖6 同軸管制冷壓焓圖

2.4.2 作用

在達(dá)到相同的空調(diào)制冷效果時(shí)，可以減小壓縮機(jī)的排量，從而提高整車(chē)動(dòng)力性能，降低油耗；減小壓縮機(jī)的排量，通常意味著重量和成本上會(huì)有一定的好處。

（1）仿真計(jì)算：在最大制冷工況，外溫40 ℃，光照1 160 W，40 km/h條件下，搭載同軸管和普通管制冷仿真能耗對(duì)比見(jiàn)圖7所示。

圖7 同軸管仿真結(jié)果圖

根據(jù)仿真計(jì)算，同軸管在同等工況（外溫 40 ℃，光照1160 W，40 km/h），車(chē)內(nèi)恒定25 ℃，壓縮機(jī)節(jié)能132 W。

（2）實(shí)車(chē)驗(yàn)證：根據(jù)下面的試驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)試。

1）外溫：35 ℃；濕度：45%；光照：850 w；

2）空調(diào)設(shè)置：內(nèi)循環(huán)，AUTO，頭部熱電偶恒定維持25℃的溫度設(shè)置；

3）行駛工況：NEDC。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

表2 同軸管對(duì)比耗測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文是對(duì)汽車(chē)空調(diào)節(jié)能技術(shù)的總體介紹。通過(guò)對(duì)汽車(chē)空調(diào)所采用的 ECO經(jīng)濟(jì)模式控制、啟停功能的控制邏輯等說(shuō)明，以及詳細(xì)分析外控變排量壓縮機(jī)、同軸管的結(jié)構(gòu)、原理和節(jié)能油耗測(cè)試比較等，闡述了當(dāng)今以及未來(lái)近一段時(shí)間內(nèi)汽車(chē)空調(diào)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，為我們展開(kāi)汽車(chē)的節(jié)能技術(shù)的研究指出了方向，也進(jìn)一步說(shuō)明了汽車(chē)空調(diào)節(jié)能技術(shù)在整車(chē)節(jié)能技術(shù)的重要性。

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是研究開(kāi)發(fā)了外控變排量壓縮機(jī)控制、啟停功能控制等新的控制技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)空調(diào)的節(jié)能降耗，為未來(lái)新的節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

當(dāng)今節(jié)能技術(shù)是汽車(chē)新技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，同樣，在未來(lái)的空調(diào)技術(shù)研究中，可能會(huì)圍繞雙層流空調(diào)單元、新制冷工質(zhì)等零件和控制技術(shù)展開(kāi)新的節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以此適應(yīng)未來(lái)汽車(chē)新技術(shù)發(fā)展。