汽車空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

【摘 要】汽車空調(diào)系統(tǒng)是影響汽車舒適性的主要因素之一，為汽車提供取暖、制冷、除霜、空氣凈化和濕度調(diào)節(jié)等功能。本文介紹了汽車空調(diào)系統(tǒng)的組成、應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了兩種新型汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，并在此基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)與方向。

【關(guān)鍵詞】汽車空調(diào)系統(tǒng)；應(yīng)用；發(fā)展

伴隨我國(guó)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，為獲得更多市場(chǎng)份額，生產(chǎn)出安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性好的高性價(jià)比汽車，成為各大汽車生產(chǎn)商的共同目標(biāo)?？照{(diào)系統(tǒng)是影響汽車舒適性的因素之一，為汽車提供取暖、制冷、除霜、空氣凈化和濕度調(diào)節(jié)等功能。

伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車空調(diào)結(jié)構(gòu)不斷完善。早在1925年，在美國(guó)就出現(xiàn)了利用冷卻液加熱器的方法取暖。1939年，通用汽車首先在轎車上安裝機(jī)械制冷降溫的空調(diào)器，成為汽車空調(diào)的先驅(qū)。1954年，通用汽車首先在納什（Nash）轎車上安裝了冷暖一體化的空調(diào)器。到了60年代，在高檔車中出現(xiàn)了只需預(yù)先設(shè)定好溫度，機(jī)器自動(dòng)在設(shè)定溫度范圍內(nèi)工作的自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。70年代后，隨著電子計(jì)算機(jī)的興起，在汽車中出現(xiàn)了用微機(jī)控制的空調(diào)系統(tǒng)，極大地提高了調(diào)節(jié)效果，節(jié)約了燃料，從而提高了汽車的整體性能，并達(dá)到最佳舒適性。80年代后，對(duì)環(huán)境問題的關(guān)注促使汽車空調(diào)技術(shù)的發(fā)展集中在制冷劑的替代上，從2000年后我國(guó)汽車空調(diào)已全部采用R134a（CH2FCF3）為制冷劑。伴隨環(huán)保觀念的普及以及對(duì)汽車舒適性要求的進(jìn)一步提高，汽車空調(diào)系統(tǒng)呈現(xiàn)出更高效、更節(jié)能、更環(huán)保及更穩(wěn)定的發(fā)展趨勢(shì)。

１．環(huán)保理念下汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的發(fā)展

隨著全球變暖趨勢(shì)的日益加劇而帶來的嚴(yán)重后果，如何限制溫室氣體排放越來越受到重視。R134a雖對(duì)臭氧層沒有破壞，溫室效應(yīng)僅為R12的1/6，具有低毒、不燃燒、制冷量與R12相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)，但由于其溫室效應(yīng)指數(shù)仍然較高（約為CO2的1300倍），而且R134a不溶于礦物油，還對(duì)銅管有腐蝕性，且在大氣中分解會(huì)產(chǎn)生一種吸濕力較強(qiáng)具有腐蝕性的液體三氟乙酸（C2HF3O2），可在不同地方聚集，對(duì)人體的健康有一定的危害。R134a制冷劑已被納入“京都議定書”限制生產(chǎn)和使用的范疇。解決R134a溫室效應(yīng)問題可從兩個(gè)方向入手：

1.1減少制冷劑的泄漏和排放

減少橡膠軟管的使用和接頭數(shù)量，改變壓縮機(jī)軸封形式等方法以減少零部件的泄漏。當(dāng)車輛報(bào)廢維和修空調(diào)系統(tǒng)時(shí)對(duì)制冷劑進(jìn)行回收，減少排放。

1.2新型制冷劑的采用

歐洲、美、日正在積極進(jìn)行CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究工作，2002年底日本電裝公司在20輛豐田電動(dòng)乘用車上批量安裝了CO2空調(diào)系統(tǒng)。但CO2制冷系統(tǒng)與目前的常規(guī)系統(tǒng)有很大不同，替換工作量和難度很大。目前可供選擇的制冷劑還有二甲醚、三氟甲醚等。

2.汽車空調(diào)系統(tǒng)的組成、功用及發(fā)展

2.1制冷系統(tǒng)的組成及其發(fā)展

2.1.1壓縮機(jī)

在定排量壓縮機(jī)方面，曲軸連桿式是最早出現(xiàn)的空調(diào)壓縮機(jī)，在轎車上已淘汰，目前僅在大客車上使用。目前轎車上應(yīng)用最多的是斜盤式和搖板式兩種。以上壓縮機(jī)必須設(shè)置吸氣、排氣裝置，容積效率較低，有逐漸被取消了吸氣裝置的旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)替代的趨勢(shì)。尤其是蝸旋式壓縮機(jī)進(jìn)一步取消了排氣裝置，因而吸排氣連續(xù)、效率高、振動(dòng)小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低；在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣流脈動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，是今后汽車空調(diào)壓縮機(jī)發(fā)展的主流方向。

在變排量壓縮機(jī)中，若制冷負(fù)荷不變，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，則壓縮機(jī)活塞行程減小，降低了壓縮機(jī)的排量，使制冷劑流量保持不變。這樣既滿足了制冷負(fù)荷的要求，同時(shí)也降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗。因排量可接近零，壓縮機(jī)的電磁離合器便可去掉，進(jìn)一步減少重量，且壓縮機(jī)不停運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了慣性耗能。變排量壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，無疑在汽車空調(diào)中會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

2.1.2換熱器

汽車空調(diào)中的換熱器包括：冷凝器和蒸發(fā)器。

汽車空調(diào)冷凝器有三種結(jié)構(gòu)形式，第一種是管片式，其結(jié)構(gòu)為鋁翅片脹緊在銅管上；第二種為管帶式，其結(jié)構(gòu)為鋁翅片焊接在扁平蛇形管間；第三種是平行流結(jié)構(gòu)，按照制冷劑因從氣態(tài)到液態(tài)而體積縮小的規(guī)律，將兩條集流管間用多條扁平管相連，將幾條扁平管隔成一組，將進(jìn)入處管道多，逐漸減少每組管道數(shù)，進(jìn)一步提高熱交換率。現(xiàn)在，平行流式已在轎車中逐漸普及。

蒸發(fā)器同樣有三種形式，前兩種同樣是管片式和管帶式，第三種為層疊式，其結(jié)構(gòu)是將兩片沖成復(fù)雜形狀的鋁板疊在一起組成制冷劑通道，中間夾有蛇形散熱鋁帶。層疊式經(jīng)歷了由雙儲(chǔ)液室向單儲(chǔ)液室的變化，換熱效率進(jìn)一步提高，結(jié)構(gòu)更加緊湊。

2.1.3節(jié)流機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)汽車上的節(jié)流機(jī)構(gòu)有熱力膨脹閥（CCTXV）和孔管（CCOT）兩大類型，熱力膨脹閥通過感溫包感測(cè)蒸發(fā)器出口溫度來調(diào)節(jié)膨脹閥閥口開度進(jìn)而調(diào)節(jié)的制冷劑流量大小。H型膨脹閥因其安裝簡(jiǎn)單、可靠性高，已逐漸取代F型膨脹閥的市場(chǎng)地位?？坠芤蛑痪哂泄?jié)流而不具備調(diào)節(jié)流量的功能，經(jīng)濟(jì)性較差，多用在早期的美國(guó)豪華轎車上。目前基本上采用熱力膨脹閥。

電子膨脹閥采用蒸發(fā)器出口的溫度或壓力信號(hào)，經(jīng)過ECU的分析計(jì)算，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)流量控制和調(diào)節(jié)。其制冷劑流量調(diào)節(jié)范圍大，蒸發(fā)器出口過熱度偏差小，允許系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)范圍大，在可遇見的未來將成為主流的節(jié)流機(jī)構(gòu)。

2.1.4儲(chǔ)液干燥器

儲(chǔ)液干燥器在制冷系統(tǒng)中起到對(duì)制冷劑干燥、過濾的作用，傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)中以獨(dú)立的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，現(xiàn)在很多車上將儲(chǔ)液干燥器直接做在冷凝器側(cè)面，將兩者變成一個(gè)整體，進(jìn)一步減少制冷劑泄漏的可能性。

2.2車內(nèi)空氣的過濾

車外的花粉進(jìn)入車內(nèi)會(huì)引起人們的過敏反應(yīng)，灰塵和刺激性氣體會(huì)使人感到不適甚至?xí)碳ぱ劬?、喉嚨鼻腔的粘膜組織。為了車上人員保持清醒的頭腦和愉悅的心情，必須使用空氣濾芯器和活性炭過濾器對(duì)空氣進(jìn)行過濾和凈化。

空氣濾芯器由合成微纖維或紙漿纖維混合制成，起到對(duì)100μm～0.01μm微粒進(jìn)行過濾。活性炭過濾器由多層的多孔紡織材料或泡沫材料組成，活性炭被固定在這些孔上，將有機(jī)和無機(jī)分子吸附在活性炭的內(nèi)外表面。目前，汽車上廣泛采用將兩者復(fù)合在一起的復(fù)合過濾器對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行過濾。

2.3相對(duì)濕度控制

人類覺得最舒適的相對(duì)濕度夏季為50%～60%，冬季為40%～50%。濕度過高，就會(huì)感覺到霉味，而且風(fēng)擋玻璃容易起霧；濕度過低，就會(huì)感到口腔、嘴唇、眼睛干澀。因此，有效控制空氣濕度是汽車空調(diào)系統(tǒng)重要功能之一。

通過調(diào)控蒸發(fā)器溫度就可降低空氣的相對(duì)濕度?？諝獾暮侩S溫度的下降而降低，當(dāng)濕空氣經(jīng)過蒸發(fā)器時(shí)，空氣溫度下降，水蒸氣析出，然后通過熱交換器將空氣加熱，將相對(duì)濕度控制理想范圍內(nèi)。

3.汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展

為使汽車空調(diào)系統(tǒng)正常工作，保證在某些特殊情況下能運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，維持車內(nèi)所需溫度，汽車空調(diào)需要一套控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)通過機(jī)械裝置感知系統(tǒng)溫度和壓力，來控制電磁壓力開關(guān)的通斷來控制壓縮機(jī)的運(yùn)行?？刂茀?shù)少、精度不高、靈敏度低。在原來的機(jī)械元件基礎(chǔ)上用某些電子元器件替換提高了控制精度和反應(yīng)速度，這就是電子式的空調(diào)控制系統(tǒng)。由于電子工業(yè)的高速發(fā)展，全自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，從而提高了汽車空調(diào)的綜合性能。汽車空調(diào)控制將朝著網(wǎng)絡(luò)化和功能集成化方向發(fā)展?，F(xiàn)在的空調(diào)系統(tǒng)采用多傳感器感測(cè)車內(nèi)、車外、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、光照強(qiáng)度等多個(gè)信號(hào)，傳輸至ECU，再由ECU驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制車內(nèi)的溫度、濕度、空氣流速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，提高成員舒適性并且降低能耗。模糊控制理論在空調(diào)系統(tǒng)上的應(yīng)用，大大提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。反饋信號(hào)的設(shè)置，大大提高了因車速、光照強(qiáng)度、負(fù)荷波動(dòng)的干擾下的溫度恒定控制。目前，很多車型的自動(dòng)空調(diào)裝置，還將車廂分成二到四個(gè)溫區(qū)，對(duì)其溫度、風(fēng)速進(jìn)行單獨(dú)控制，滿足各個(gè)乘客的單獨(dú)需求。

4.新型車用制冷系統(tǒng)舉例

4.1吸附式制冷系統(tǒng)

該空調(diào)系統(tǒng)是利用特殊物質(zhì)溫度變化時(shí)，能吸放另一氣態(tài)物質(zhì)，致使系統(tǒng)壓力變化的特性來制冷的。吸附器內(nèi)充滿吸附劑。當(dāng)吸附器被加熱時(shí)，已被吸附的吸附質(zhì)獲得能量，當(dāng)分子克服吸附劑的吸引力時(shí)，從吸附劑表面脫出，系統(tǒng)內(nèi)壓力逐漸升高。當(dāng)壓力大到一定程度時(shí)，脫附出來的吸附質(zhì)開始液化，進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行冷凝放熱。當(dāng)吸附劑開始冷卻，其吸附能力又逐步提高，開始吸附蒸發(fā)器過來的低壓低溫吸附劑蒸氣，并造成系統(tǒng)中的真空狀態(tài)，使液體制冷劑不斷汽化。制冷劑在低溫下汽化時(shí)，吸收車內(nèi)的熱量，達(dá)到制冷的目的。脫附、吸附循環(huán)便是如此周而復(fù)始地進(jìn)行，完成制冷工作。而給吸附器加熱的能量可直接由發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣或冷卻液提供。目前開發(fā)出的吸附劑對(duì)主要有沸石-水、硅膠-水、活性碳-氨、活性碳-甲醇和堿土金屬的氯化物-氨等。

4.2蓄冷制冷系統(tǒng)

當(dāng)制冷負(fù)荷小于制冷量時(shí)，原汽車制冷系統(tǒng)就會(huì)切斷電磁離合器。此時(shí)，若加裝以蒸餾水或乙二醇溶液為載冷劑的蓄冷裝置，將多余制冷量?jī)?chǔ)存起來，以防止汽車在怠速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)過熱；也可在制冷負(fù)荷大于制冷量時(shí)，啟動(dòng)蓄冷系統(tǒng)向車室內(nèi)補(bǔ)充供冷，滿足乘客的舒適性要求。

5.結(jié)語

采暖和制冷的實(shí)現(xiàn)都是以犧牲驅(qū)動(dòng)動(dòng)力為代價(jià)的。在國(guó)際環(huán)保主義潮流的推動(dòng)下，汽車空調(diào)技術(shù)正朝著更節(jié)能環(huán)保的方問不斷發(fā)展。對(duì)于傳統(tǒng)的轎車而言，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液余熱足夠提供車內(nèi)的除霜和采暖的需要，但隨著汽油機(jī)和柴油機(jī)的機(jī)械效率越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱會(huì)逐步減少，所以必須通過提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的自身效率來降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。而對(duì)于如電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃料電池等他新一代環(huán)保型汽車而言，其自身能量消耗遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)動(dòng)力車輛，能夠提供給空調(diào)系統(tǒng)的能量極其有限。鑒于此，開發(fā)更節(jié)能、高效且高可靠性的空調(diào)系統(tǒng)必將是未來汽車空調(diào)技術(shù)的發(fā)展方向。

【參考文獻(xiàn)】

［１］肖軍.現(xiàn)代汽車空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].技術(shù)發(fā)展，2006，(09).

［２］聞芳.當(dāng)前汽車空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì)探究[J].黑龍江科技信息，2010，(04).

［３］孔德玲，趙蘭萍，楊志剛.汽車空調(diào)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].技能，2008，(05).