陳 炳

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

重型商用車（以下簡(jiǎn)稱重卡）對(duì)于用戶的概念基本與家相同，特別是長(zhǎng)途物流，車可認(rèn)為是移動(dòng)之家，適宜的車內(nèi)微氣候是維持車內(nèi)乘員人體熱平衡，保持體溫調(diào)節(jié)處于正常狀態(tài)的必要條件，若車內(nèi)微氣候的變動(dòng)超過一定范圍，人體的體溫調(diào)節(jié)就會(huì)處于一種緊張的狀態(tài)，長(zhǎng)此以往將影響人體的神經(jīng)、消化、呼吸和循環(huán)系統(tǒng)的功能，造成緊張、疲憊、工作效率低，反應(yīng)遲鈍或誤操作引發(fā)的安全事故，故汽車空調(diào)平衡車內(nèi)的微氣候的作用對(duì)于用戶尤為重要[1]。

1 重卡空調(diào)制冷系統(tǒng)及布置簡(jiǎn)介

空調(diào)制冷系統(tǒng)的兩大功能主要為炎熱氣候環(huán)境下的降溫，及高濕環(huán)境下的除濕，從而平衡車內(nèi)微氣候，保持車內(nèi)的舒適環(huán)境。該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、空調(diào)主機(jī)、控制器及其管路組成（圖1），其中冷凝器是系統(tǒng)中散熱模塊，內(nèi)部流道流入的制冷劑為高溫高壓氣態(tài)制冷劑，通過扁管和翅片，與外界空氣進(jìn)行熱交換，從而將氣態(tài)制冷劑向液態(tài)轉(zhuǎn)變，過程中會(huì)釋放出大量熱量，最終在冷凝器內(nèi)部流道出口處流出的是液態(tài)高壓制冷劑[2]。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖

冷凝器作為系統(tǒng)中唯一的散熱模塊，其散熱性能的優(yōu)劣直接影響著空調(diào)制冷效果，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明（表1），冷凝器的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速與冷凝器換熱性能成正比。

表1 冷凝器性能參數(shù)表

目前重卡普遍將冷凝器與前端冷卻（中冷器和水箱）集成，且布置在發(fā)動(dòng)機(jī)之前，即發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇之前（圖2），整車怠速工況時(shí)冷凝器散熱依靠發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇，正常行駛時(shí)散熱依靠發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇+迎面風(fēng)。

圖2 重型商用車布置圖

2 重卡發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的演變史

重卡的布置結(jié)構(gòu)說明發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇直接影響空調(diào)冷凝器的散熱效果，在演變過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇出現(xiàn)過多種結(jié)構(gòu)型式，最初是剛性風(fēng)扇，即風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與速比乘積，該種結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇不控制，只要整車啟動(dòng)后風(fēng)扇就一直處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)，由于進(jìn)風(fēng)風(fēng)速達(dá)，冷凝器散熱良好，空調(diào)性能表現(xiàn)不錯(cuò)，但油耗較高；為解決油耗問題，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇進(jìn)入了第二階段，發(fā)動(dòng)機(jī)廠開始推廣普通硅油風(fēng)扇，相比于剛性風(fēng)扇，該種結(jié)構(gòu)增加了硅油腔（圖3），風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和硅油腔內(nèi)的硅油量決定，而控制硅油量的“控制器”為簡(jiǎn)單的感溫包，通過溫度前方的水箱溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅油腔閥門控制，從而控制硅油量，但溫度未達(dá)到控制點(diǎn)前，風(fēng)扇一直以最低轉(zhuǎn)速（即跟轉(zhuǎn)）運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到控制點(diǎn)后提速到最大轉(zhuǎn)速。

圖3 普通硅油風(fēng)扇實(shí)物

通過普通硅油風(fēng)扇的響應(yīng)機(jī)制中可知，其只對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫進(jìn)行響應(yīng)控制，無法感知到其他的需求，也無法對(duì)其他需求開展響應(yīng)，故推行后，由于空調(diào)開啟，風(fēng)扇并未響應(yīng)并一直處于最低轉(zhuǎn)速，此時(shí)冷凝器進(jìn)風(fēng)風(fēng)速低，換熱量小，散熱性能差，從而出現(xiàn)市場(chǎng)上普遍反饋空調(diào)效果差的問題；為解決油耗與空調(diào)性能這一矛盾，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進(jìn)入到第三階段，電控階段，即發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 通過電信號(hào)傳輸，采集到水溫、進(jìn)氣溫度及空調(diào)這些對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇由需求的信號(hào)，通過算法分析，精準(zhǔn)控制硅油腔的閥門開啟及關(guān)閉程度，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制（圖4），該種結(jié)構(gòu)同時(shí)兼顧空調(diào)及發(fā)動(dòng)機(jī)，是當(dāng)前主流技術(shù)路線。

圖4 電控硅油風(fēng)扇原理結(jié)構(gòu)圖

3 電控硅油的幾種響應(yīng)機(jī)制及其對(duì)冷凝器散熱的影響

在接收到空調(diào)請(qǐng)求信號(hào)后，不同發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 的響應(yīng)機(jī)制也存在略微不同，主要有定轉(zhuǎn)速控制，直連控制，及雙條件的直連控制，以下主要闡述這幾種的控制方式及對(duì)冷凝器散熱的影響。

3.1 定轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)機(jī)制

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 接收到空調(diào)請(qǐng)求信號(hào)后，隨即讓風(fēng)扇達(dá)到某一轉(zhuǎn)速，該理論轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，是響應(yīng)機(jī)制下理想的目標(biāo)值，目前常見的風(fēng)扇定轉(zhuǎn)速為800 rpm。

對(duì)于空調(diào)冷凝器散熱影響：在整車怠速時(shí)，受定轉(zhuǎn)速值和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速（約650 rpm）實(shí)際能提供的轉(zhuǎn)速值雙影響，風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速只能達(dá)到其較小值，這也幾乎等于直連，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速也低，空調(diào)系統(tǒng)所需的散熱需求不大，故冷凝器散熱良好；正常行駛條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)一般會(huì)落到經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速中（重卡經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速為1 000 rpm～1 500 rpm），此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高，空調(diào)系統(tǒng)所需散熱能力加大，如果整車在低速行駛下，由于迎面風(fēng)不足，定轉(zhuǎn)速值又限制了冷凝器的散熱，從而影響空調(diào)制冷效果，而如果整車在高速行駛，此時(shí)迎面風(fēng)增大，迎面風(fēng)+定轉(zhuǎn)速風(fēng)量滿足冷凝器散熱，空調(diào)效果較好；故對(duì)于牽引、載貨車這類以高速運(yùn)行為主的車型，運(yùn)用該機(jī)制風(fēng)險(xiǎn)不大，而對(duì)于攪拌、工程、城市灑水/清潔車輛這類低速行駛車輛，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。

3.2 直連控制響應(yīng)機(jī)制

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 接收到空調(diào)請(qǐng)求信號(hào)后，即讓風(fēng)扇達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，為百分百的響應(yīng)，該轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速息息相關(guān)，是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇速比的乘積，類似剛性結(jié)構(gòu)型式（空調(diào)信號(hào)控制回路圖見圖5）。

圖5 直連控制原理圖

對(duì)于空調(diào)冷凝器散熱影響：由于風(fēng)扇對(duì)空調(diào)的響應(yīng)達(dá)到最大值，一般都能滿足冷凝器散熱需求，整車制冷效果良好。

3.3 雙條件的直連控制響應(yīng)機(jī)制

某些廠家也認(rèn)為直連控制并不是最佳平衡點(diǎn)（綜合油耗/空調(diào)/水溫下的最理想狀態(tài)），比如車輛高速行駛下，整車迎面風(fēng)就能滿足冷凝器散熱效果，此時(shí)ECU 雖然接收到空調(diào)開啟信號(hào)，但出于節(jié)油考慮，風(fēng)扇無需百分百響應(yīng)，無需提速到直連狀態(tài)，故需在空調(diào)信號(hào)的基礎(chǔ)上，再引入其他有關(guān)空調(diào)的條件，常見的是引入空調(diào)系統(tǒng)壓力，即空調(diào)信號(hào)+系統(tǒng)壓力雙條件下的直連控制響應(yīng)機(jī)制，經(jīng)驗(yàn)證該方案比直連控制節(jié)油約3 %。原理實(shí)現(xiàn)方面，在空調(diào)請(qǐng)求控制回路上，串聯(lián)進(jìn)系統(tǒng)中壓壓力值（見圖6）。

圖6 雙條件直連控制原理圖

該機(jī)制在高速行駛下風(fēng)險(xiǎn)不大，但在低速或者怠速時(shí)，由于此時(shí)風(fēng)扇對(duì)冷凝器的散熱起到主要作用，冷凝器一旦散熱不良，系統(tǒng)壓力就會(huì)上升，達(dá)到系統(tǒng)壓力控制點(diǎn)后，才會(huì)觸發(fā)風(fēng)扇的響應(yīng)，而風(fēng)扇響應(yīng)后，系統(tǒng)壓力立即會(huì)下降，低于控制點(diǎn)后，風(fēng)扇會(huì)立刻停止響應(yīng)，故風(fēng)扇會(huì)頻繁響應(yīng)/停止，而空調(diào)系統(tǒng)壓力也會(huì)出現(xiàn)頻繁跳動(dòng)問題，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)及風(fēng)扇都存在可靠性問題，為解決這一矛盾，延時(shí)控制（接收到信號(hào)后，風(fēng)扇限制最短工作時(shí)間）的思路完美地解決了該問題，比如低速下的180 s 延時(shí)控制（車速＜臨界值（9.6 km/h）），及常規(guī)下的30 s 延時(shí)控制（康明斯控制策略見圖7）：

圖7 康明斯控制策略

對(duì)于空調(diào)冷凝器散熱影響：理想狀態(tài)下，只要設(shè)定的壓力值合適，風(fēng)扇能滿足冷凝器的散熱需求，但實(shí)際情況是硅油風(fēng)扇提速有一定的滯后性，硅油完全進(jìn)入到硅油腔后才會(huì)完全響應(yīng)，此過程需要物理時(shí)間，與硅油腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇的硅油黏性及當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等都有關(guān)系，比如發(fā)動(dòng)機(jī)1 300 rpm，環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，測(cè)試出來的物理時(shí)間為4 s，而怠速時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)情況下，物理時(shí)間能達(dá)到5 min以上，該種響應(yīng)機(jī)制需要更多條件下的道路標(biāo)定，以匹配系統(tǒng)合適的中壓值。

4 驗(yàn)證

不管何種響應(yīng)機(jī)制，為降低風(fēng)險(xiǎn)及平衡冷凝器散熱需求，都需要有針對(duì)性地開展相關(guān)的散熱性能測(cè)試，或者整車空調(diào)環(huán)境倉/道路試驗(yàn)。

整車道路試驗(yàn)：按行標(biāo)QC/T 658 開展汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能道路試驗(yàn)，整車在完成升溫后，汽車以 40 km/h 的車速穩(wěn)定行駛45 min 后，再以 60 km/h 的車速穩(wěn)定行駛 15 min～20 min，采集下系統(tǒng)壓力、出風(fēng)口溫度、駕駛室內(nèi)的溫度等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行評(píng)判是否達(dá)標(biāo)。

風(fēng)速測(cè)試及仿真分析：在基礎(chǔ)型車型開發(fā)完成后，由于變動(dòng)變形產(chǎn)品短平快的特點(diǎn)（這種開發(fā)模式在重卡上非常常見），這類產(chǎn)品的驗(yàn)證確認(rèn)工作就需要開展仿真分析，以確認(rèn)是否需要再試驗(yàn)，此時(shí)冷凝器仿真模型已經(jīng)成型，其散熱性能主要要評(píng)價(jià)整車進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，故需要測(cè)試整車不同工況下（怠速、低速、高速）冷凝器的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，該風(fēng)速間接反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的響應(yīng)情況。

5 結(jié)論

重型商用車發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的不同結(jié)構(gòu)型式以及主流電控硅油風(fēng)扇的不同響應(yīng)機(jī)制下，都對(duì)冷凝器散熱有著直接的影響，并且影響著駕駛室內(nèi)的微環(huán)境，甚至影響著人身安全，故在產(chǎn)品開發(fā)過程中，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要特別關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇這一關(guān)鍵邊界點(diǎn)，做好充分的校核及驗(yàn)證工作，以確?？照{(diào)冷凝器的散熱需求得到充分滿足。