帶回?zé)崞鞯恼嚳照{(diào)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究及系統(tǒng)匹配法則

錢銳，韓曉波，孟祥軍

(泛亞汽車技術(shù)中心，上海 200438)

帶回?zé)崞鞯恼嚳照{(diào)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究及系統(tǒng)匹配法則

錢銳*，韓曉波，孟祥軍

(泛亞汽車技術(shù)中心，上海 200438)

本文分析了回?zé)崞鳎↖HX）在汽車空調(diào)系統(tǒng)匹配中的匹配機(jī)制，提出了加入回?zé)崞饕院笃溆嗥嚳照{(diào)部件以及系統(tǒng)的一些應(yīng)用法則。利用汽車空調(diào)環(huán)模試驗(yàn)，研究了回?zé)崞髟诓煌囁俸湍Ｊ较聦?duì)汽車整車性能的影響。研究結(jié)果表明，經(jīng)過合理匹配的IHX系統(tǒng)可以使得空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)口平均溫度比原系統(tǒng)降低約1.5 ℃，在獲得同樣的系統(tǒng)制冷性能情況下，系統(tǒng)能耗可以降低約10%。

汽車空調(diào)；系統(tǒng)匹配；整車試驗(yàn)；回?zé)崞?/p>

0 前言

在汽車空調(diào)的應(yīng)用領(lǐng)域，回?zé)崞骷夹g(shù)原來主要用于CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)，BOEWE D E等[1]、KWON Y C等[2]和王鳳坤等[3]均通過試驗(yàn)方法研究了不同結(jié)構(gòu)形式的回?zé)崞骷盎責(zé)嵫h(huán)形式等對(duì)CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，回?zé)崞骺商岣呦到y(tǒng)效率約20%。但是，鑒于CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)始終存在系統(tǒng)壓力偏高，和原有HFC134a系統(tǒng)相比，系統(tǒng)遷移的復(fù)用性較低，這一技術(shù)應(yīng)用不廣泛；后來隨著HFC134a的主要替代制冷劑HFC1234YF的推廣使用，回?zé)崞骷夹g(shù)也逐漸回暖。目前，隨著壓縮機(jī)技術(shù)的推進(jìn)，回?zé)崞骷夹g(shù)甚至在傳統(tǒng)的HFC134a系統(tǒng)中也有較大程度的推廣使用，究其原因是因?yàn)椴捎昧嘶責(zé)崞鞯钠嚳照{(diào)系統(tǒng)的能耗（主要指壓縮機(jī)能耗）在同等制冷性能下，能夠被降低約10%[4-5]。

本文首先分析了原有空調(diào)系統(tǒng)加入回?zé)崞饕院螅到y(tǒng)各主要零部件運(yùn)行工況的偏移以及系統(tǒng)優(yōu)化的方向和一般性準(zhǔn)則；然后進(jìn)行了兩組環(huán)模試驗(yàn)，分別針對(duì)兩個(gè)車型使用IHX的整車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，印證原有的系統(tǒng)匹配原則。最后介紹了回?zé)崞飨到y(tǒng)匹配的關(guān)注點(diǎn)，并且強(qiáng)調(diào)了整車試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)的一般差異性，為后續(xù)工程的開發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 汽車回?zé)崞鞯睦碚摲治?/h2>

和傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)相比，汽車回?zé)崞鞯南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看出，汽車回?zé)崞飨到y(tǒng)利用冷凝器出來的高溫高壓的液態(tài)制冷劑與蒸發(fā)器出來的低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)行換熱，進(jìn)一步增加了冷凝器過冷度和壓縮機(jī)進(jìn)口過熱度。過冷度的提高能夠增加系統(tǒng)單位制冷量，而壓縮進(jìn)口過熱度的增加對(duì)于防止吸氣溫度過低，壓縮機(jī)外壁結(jié)霜很有幫助。對(duì)于汽車空調(diào)常用制冷工質(zhì)R134a而言，采用回?zé)崞髂軌蛱岣呦到y(tǒng) COP（制冷系數(shù)）。下面是回?zé)崞飨到y(tǒng)的簡(jiǎn)單理論分析。整個(gè)汽車空調(diào)系統(tǒng)回?zé)嵫h(huán)如圖2所示，回?zé)崞靼惭b位置如圖。

圖1 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)與帶回?zé)崞骺照{(diào)系統(tǒng)對(duì)比

圖2 汽車空調(diào)回?zé)嵫h(huán)

如圖3所示，其中循環(huán)A-B-C-D-A表示不帶回?zé)崞鞯睦碚撗h(huán)，A-A＇-B＇-B-C-C＇-D＇-D-A表示帶回?zé)崞鞯闹评溲h(huán)，其中A-A＇和C-C＇表示回?zé)徇^程。在單位質(zhì)量下，回?zé)嵫h(huán)的制冷量為 A＇到 D＇的焓差，傳統(tǒng)循環(huán)的制冷量為A到D的焓差，所以制冷量增加值等于：

回?zé)嵫h(huán)的功耗增量為：

令K1= ΔQ/Q，K2= ΔW/W，據(jù)分析推論可知[6]，對(duì)于R134a，存在K1＞K2，得：(K1+1)/(K2+1)＞1，所以，回?zé)嵫h(huán)制冷系數(shù)為：

以上是回?zé)嵫h(huán)的理論分析，下面是回?zé)嵫h(huán)的整車試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 帶回?zé)崞餮h(huán)壓焓圖

2 試驗(yàn)裝置

整車空調(diào)試驗(yàn)采用整車環(huán)境模擬風(fēng)洞進(jìn)行，環(huán)模風(fēng)洞（以下簡(jiǎn)稱環(huán)模）是目前汽車空調(diào)行業(yè)最復(fù)雜、最精密的試驗(yàn)?zāi)M設(shè)備。建造整車環(huán)模的意義在于最大限度地模擬全球各區(qū)域客戶可能遇到的各種氣候和路況條件，開發(fā)和驗(yàn)證符合客戶需求的整車，減少道路實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間，提升開發(fā)效率。環(huán)模主要由五大部分組成：安裝了日照模擬系統(tǒng)/底盤測(cè)功計(jì)和邊界層系統(tǒng)等設(shè)備的主試驗(yàn)倉(cāng)，主風(fēng)機(jī)以及鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)道系統(tǒng)，溫度控制的制冷/制熱機(jī)組，濕度控制系統(tǒng)，新風(fēng)控制及其輔助系統(tǒng)。

通過功能區(qū)分，整車環(huán)模主要由控制室、主實(shí)驗(yàn)艙以及后端控制設(shè)備三部分組成，這里主要介紹試驗(yàn)相關(guān)的控制室和主實(shí)驗(yàn)艙兩部分。

1) 控制室：控制室安裝了一整套系統(tǒng)匹配及協(xié)調(diào)軟件，通過該協(xié)調(diào)軟件，可以同時(shí)對(duì)風(fēng)速、車速、溫度、濕度、日照以及雨雪模擬等系統(tǒng)完成協(xié)調(diào)控制，并通過全球最先進(jìn)的IPEtronik數(shù)采系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。此外，控制系統(tǒng)中的安全模塊可以對(duì)試驗(yàn)倉(cāng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過強(qiáng)制換氣以及高壓細(xì)水霧噴淋等分級(jí)安全措施，保障試驗(yàn)室的安全。

2) 主實(shí)驗(yàn)艙：首先，試驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)口面積為7 m2，相對(duì)應(yīng)的最高風(fēng)速為200 km/h，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成 5 m2的高速風(fēng)口后相對(duì)應(yīng)的最高風(fēng)速為250 km/h，這是目前國(guó)內(nèi)所達(dá)到的最高模擬風(fēng)速。風(fēng)口截面氣流均勻性的誤差在 1%之內(nèi)，如此高的空氣氣流均勻性和品質(zhì)也是國(guó)內(nèi)最好的。與之相匹配的，四驅(qū)底盤測(cè)功計(jì)最高車速可達(dá)到 250 km/h，前軸為固定軸，后軸為可移動(dòng)軸，因此軸距控制范圍可達(dá)1,778 mm～4,597 mm。軸距與風(fēng)口的匹配可以使試驗(yàn)倉(cāng)覆蓋從小型家轎到大型SUV和MPV的全尺寸乘用車，達(dá)到車型型譜全覆蓋的目標(biāo)。其次，試驗(yàn)室的溫度范圍為-40 ℃～60 ℃，可覆蓋模擬全球各種地域從極寒到極熱的溫度工況，而溫度的變化速率為0.6 ℃/min。

3 整車試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)車輛：選取兩部車A和B，其中A車不帶回?zé)崞鳎▓D中稱為IHX）試驗(yàn)結(jié)果為a，簡(jiǎn)單加上回?zé)崞?，不作任何系統(tǒng)優(yōu)化匹配獲得的回?zé)崞髟囼?yàn)結(jié)果為a＇；B車不帶回?zé)崞髟囼?yàn)結(jié)果為b，優(yōu)化系統(tǒng)并重新匹配以后的帶回?zé)崞髟囼?yàn)結(jié)果為b＇。

試驗(yàn)工況：環(huán)境溫度38 ℃，環(huán)境濕度40%，A車空調(diào)設(shè)定為外循環(huán)、最大制冷，車速工況參見圖4；B車空調(diào)設(shè)定和車速工況見圖5。

圖4 A車試驗(yàn)車速設(shè)定

圖5 B車試驗(yàn)車速及循環(huán)設(shè)定

比較內(nèi)容為空調(diào)壓力以及空調(diào)出風(fēng)溫度。

A車的試驗(yàn)結(jié)果比較見圖6和圖7。A車的試驗(yàn)結(jié)果分析：比較a和a'發(fā)現(xiàn)，在無任何匹配優(yōu)化的前提下，簡(jiǎn)單更換回?zé)崞鳎↖HX），從圖7可以看出，整車試驗(yàn)的結(jié)果顯示幾乎完全一樣的出風(fēng)溫度，這說明整車在風(fēng)側(cè)的表現(xiàn)一致，但是通過圖6發(fā)現(xiàn)，制冷劑側(cè)的表現(xiàn)并不完全一致，a'的系統(tǒng)壓力表現(xiàn)說明改裝回?zé)崞饕院螅谝欢▔嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)的低壓升高、高壓降低，說明系統(tǒng)具有更大的質(zhì)量流量，但是受限于壓縮機(jī)的能力，系統(tǒng)的壓差不能有效建立。a和a'兩個(gè)系統(tǒng)具有不同的過熱度表現(xiàn)，但是由于均在熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)能力范圍之內(nèi)，系統(tǒng)提供給蒸發(fā)器側(cè)的冷量在a和a'仍可保持一致，故整車制冷系統(tǒng)表現(xiàn)相當(dāng)，回?zé)崞魑茨茉谡嚳照{(diào)試驗(yàn)中展現(xiàn)任何優(yōu)勢(shì)。

圖6 A車系統(tǒng)高低壓對(duì)比

圖7 A車前排出風(fēng)溫度對(duì)比

B車的試驗(yàn)結(jié)果比較見圖8和圖9。B車的試驗(yàn)結(jié)果分析：比較b和b'發(fā)現(xiàn)，在更換回?zé)崞鬟^程中，充分考慮加裝回?zé)崞骱?，制冷劑?cè)是一個(gè)更加強(qiáng)勁的系統(tǒng)，需要從系統(tǒng)沖注量、熱力膨脹閥的設(shè)定、壓縮機(jī)出口溫度和熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)范圍四個(gè)方面充分考慮制冷系統(tǒng)的容差，這是回?zé)崞飨到y(tǒng)匹配的四個(gè)要素。從圖9可以看出，整車試驗(yàn)的結(jié)果顯示，匹配回?zé)崞饕院?，調(diào)整了系統(tǒng)沖注量，將膨脹閥的設(shè)定值調(diào)高以后，高壓雖有所降低，但是低壓也同樣有所降低。b'與b相比，整車空調(diào)出風(fēng)溫度有平均 1.5 ℃以上的降低，這說明回?zé)崞饔行г黾恿藢?duì)系統(tǒng)制冷劑側(cè)的助力。。測(cè)量壓縮機(jī)功耗，同樣制冷性能條件下，壓縮機(jī)能耗能夠下降10%左右（視具體工況有所不同）。

圖8 B車系統(tǒng)高低壓對(duì)比

圖9 B車前排出風(fēng)溫度對(duì)比

4 結(jié)論

1) 更換回?zé)崞鲿?huì)造成系統(tǒng)的沖注量變化，如果不重新充注，會(huì)造成質(zhì)量流量不夠，而且沖注量一定要加大。在一個(gè)增大了能力的系統(tǒng)面前，如果沖注量不足，可能會(huì)造成低壓降低，高壓降低。

2) 在蒸發(fā)器側(cè)，由于蒸發(fā)器側(cè)總體能力加大，但是熱負(fù)荷增大（需要額外散掉冷凝器出口的部分熱負(fù)荷），所以低壓會(huì)升高。

3) 在蒸發(fā)器側(cè)，相對(duì)于增加的蒸發(fā)能力而言，制冷劑流量不足，所以壓縮機(jī)進(jìn)口過熱度會(huì)大幅增大，但是注意，由于蒸發(fā)器本身沒有變化，而蒸發(fā)器進(jìn)口的焓值減?。ㄓ捎谶^冷度增大），所以最終蒸發(fā)器出口的過熱度減小。

4) 蒸發(fā)器出口過熱度減小和壓縮機(jī)進(jìn)口過熱度增大會(huì)指向兩條不同的膨脹閥調(diào)節(jié)方向，在系統(tǒng)匹配過程中，仍然會(huì)以壓縮機(jī)出口溫度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為了防止壓縮機(jī)出口溫度過高，熱力膨脹閥設(shè)定值加大，也就是一般所說，系統(tǒng)向著“調(diào)濕”的方向進(jìn)行匹配。

5) 在冷凝器側(cè)，由于冷凝器側(cè)總體能力加大（增加的冷凝器也就是增加了過冷度），但是沖注量相對(duì)不夠，所以高壓會(huì)明顯降低；當(dāng)然增加沖注量，同樣會(huì)得到降低高壓的效果。

6) 壓縮機(jī)本身能力對(duì)回?zé)崞髂芰Φ陌l(fā)揮有重要影響，壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)的唯一動(dòng)力源，要求能夠適應(yīng)改裝回?zé)崞饕院蟮闹评湎到y(tǒng)壓差需求。

7) 回?zé)崞飨到y(tǒng)匹配的本質(zhì)是在系統(tǒng)沖注量、熱力膨脹閥的設(shè)定、壓縮機(jī)出口溫度和熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)范圍四個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡，充分考慮制冷系統(tǒng)的容差，獲得最后的優(yōu)化結(jié)果。

8) 回?zé)崞鞅旧淼脑O(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)最終匹配結(jié)果有直接關(guān)聯(lián)，回?zé)崞鞯拈L(zhǎng)度和直徑對(duì)最終整車匹配的結(jié)果有直接影響。

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Experimental Study and System Matching Principles for the Performance of Vehicle Air Conditioning System with Internal Heat Exchanger

QIAN Rui*,HAN Xiao-bo,MENG Xiang-jun
(Pan Asia Technical Automotive Center,Shanghai 200438,China)

The matching mechanisms for the application of internal heat exchanger (IHX) in the vehicle air conditioning system were analyzed,and the matching principles for the rest air conditioner components and the system after adding IHX were proposed.The effect of IHX on the vehicle performance under the conditions of different vehicle speeds and modes was investigated through the automotive air conditioning environment experiment.The research results show that,the reasonably matched IHX system may decrease the average discharge temperature by 1.5 °C than the original system,and reduce the system power consumption under the condition of the same system refrigeration performance.

Automotive air conditioner;System match;Vehicle test;Internal heat exchanger

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.103

*錢銳（1972-），男，高級(jí)工程師，博士。研究方向：熱力學(xué)架構(gòu)開發(fā)，汽車空調(diào)系統(tǒng)匹配。聯(lián)系地址：上海市龍東大道3999號(hào)泛亞汽車技術(shù)中心空調(diào)電子部，郵編：200438。聯(lián)系電話：021-50161436。E-mail：Rui_Qian@PATAC.com.cn。