某微型卡車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃朝斌

（安徽江淮汽車股份有限公司輕卡研發(fā)部，安徽 合肥 230000）

前言

汽車空調(diào)是汽車空氣調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)稱，即采用人工制冷和采暖的方法，調(diào)節(jié)車內(nèi)的溫度、濕度、空氣速度等參數(shù)指標(biāo)，從而為人們創(chuàng)造清新舒適的車內(nèi)環(huán)境。調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度是汽車空調(diào)的基本功能，多數(shù)汽車空調(diào)只具有這種單一功能。汽車空調(diào)在冬季利用其采暖裝置升高車室內(nèi)的溫度。轎車和中小型汽車一般以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)水作為暖風(fēng)的熱源。在夏季，車內(nèi)降溫由制冷裝置完成。部分高級(jí)轎車還具備車內(nèi)濕度，過濾凈化車內(nèi)空氣等等功能。

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展和人們生活水平的日益提升，人們對(duì)舒適性的要求越來越高。舒適性是由人對(duì)車內(nèi)的溫度、溫度、空氣流速等參數(shù)指標(biāo)的感覺和反映來決定的，普通人感到舒適的溫度為大約 21℃到 26℃， 相對(duì)濕度為 45%到50%。汽車空調(diào)就是將車內(nèi)內(nèi)空間環(huán)境調(diào)整到人體最適宜的狀態(tài)，創(chuàng)造良好的勞動(dòng)條件和工作環(huán)境，以提高駕駛員的勞動(dòng)生產(chǎn)率和行車安全。近年來越來越多的轎車、客車采用空調(diào)，貨車、工程車上也紛紛安裝空調(diào)裝置，可見人們對(duì)空調(diào)的需求越來越迫切、越來越必要性。因此，微卡有必要增加空調(diào)系統(tǒng)，這樣不僅能提高汽車的舒適性，也能提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

文章論述了汽車空調(diào)的結(jié)構(gòu)與原理，重點(diǎn)講述了制冷循環(huán)、采暖循環(huán)以及電氣控制的構(gòu)成與工作過程。并以某汽油機(jī)微卡為實(shí)例，詳細(xì)講解了整車空調(diào)系統(tǒng)的選型、開發(fā)設(shè)計(jì)過程。

1 汽車空調(diào)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 空調(diào)制冷循環(huán)

空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、壓縮機(jī)吸、排氣軟管、出液軟管、冷凝器總成、儲(chǔ)液器總成、H型膨脹閥、蒸發(fā)器總成；儲(chǔ)液器總成內(nèi)部包含干燥器、過濾器等零件，外殼上裝有高低壓壓力開關(guān)。

1.1.2 制冷原理

壓縮機(jī)吸入低溫低壓制冷劑氣體，并對(duì)低溫低壓制冷劑氣體進(jìn)行壓縮，變成高溫高壓制冷劑氣體，高溫高壓制冷劑氣體通過高壓軟管被送到冷凝器冷凝，向經(jīng)過冷凝器的空氣放熱，被冷凝成高壓中溫的液體，流向儲(chǔ)液器，在儲(chǔ)液器中制冷劑被過濾雜質(zhì)、脫去水分后，通過高壓軟管流至膨脹閥，經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓，變成低壓低溫液氣混合物，進(jìn)入蒸發(fā)器。低壓低溫液氣混合制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，從經(jīng)過蒸發(fā)器的車內(nèi)空氣吸熱，蒸發(fā)為過熱的氣體，進(jìn)入壓縮機(jī)并開始下一個(gè)制冷循環(huán)，周而復(fù)始的進(jìn)行。經(jīng)過蒸發(fā)器的車內(nèi)空氣向蒸發(fā)器放熱，變?yōu)槔淇諝?，同時(shí)由于蒸發(fā)器表面的溫度低于空氣露點(diǎn)，空氣中的水汽冷凝成為露水排出車外，從而降低了車內(nèi)空氣的溫度和濕度。空調(diào)制冷原理如圖1所示。

圖1 空調(diào)制冷原理

1.2 空調(diào)采暖循環(huán)

冷暖一體式空調(diào)制暖循環(huán)系統(tǒng)主要由暖風(fēng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、水閥、水箱、管路等組成。

1.2.1 采暖原理

利用水泵將發(fā)動(dòng)機(jī)的熱冷卻液泵入暖風(fēng)芯體，通過暖風(fēng)芯體進(jìn)行熱交換，向車內(nèi)空氣放熱，之后回到水箱進(jìn)入下一個(gè)采暖循環(huán)。如圖2所示。

圖2 空調(diào)采暖原理

1.3 電氣控制

電氣控制部分的主要由電源開關(guān)、電磁離合器、空調(diào)控制器、溫度開關(guān)、高低壓壓力開關(guān)、調(diào)速電阻、連接線束、繼電器等。

1.3.1 電氣控制原理

空調(diào)控制器是空調(diào)制冷和采暖部分的控制中樞，它通過旋鈕或按鍵來控制風(fēng)門或電控元件的工作狀態(tài)，從而控制制冷和制熱的開啟、關(guān)閉和空調(diào)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及溫度調(diào)節(jié)。

電源開關(guān)用于控制空調(diào)的動(dòng)力，它是空調(diào)控制器的主要零部件之一，起著開關(guān)空調(diào)的作用(通常又叫A/C開關(guān))，在風(fēng)擋開關(guān)按下時(shí)制冷工作。

1.3.2 溫度控制

當(dāng)駕駛室內(nèi)溫度下降，蒸發(fā)器內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值（一般為 3℃左右）時(shí)，溫度開關(guān)斷開；室內(nèi)溫度上升后溫度開關(guān)接通。使駕駛室保持在（22～25）℃的舒適溫度。

1.3.3 壓力保護(hù)控制

高低壓壓力開關(guān)是一個(gè)安全部件，以保證制冷系統(tǒng)的安全運(yùn)行。當(dāng)高壓壓力≥3.14MPa或低壓≤0.2MPa時(shí)，高低壓壓力開關(guān)斷開，壓縮機(jī)離合器被切斷，制冷系統(tǒng)停止工作，當(dāng)系統(tǒng)壓力高壓降到2.5MPa或系統(tǒng)低壓升到0.23MPa。

2 空調(diào)系統(tǒng)總體參數(shù)與結(jié)構(gòu)選型

2.1 空調(diào)系統(tǒng)的總體參數(shù)

車型：W3；乘員數(shù)：2人；驅(qū)動(dòng)方式：主機(jī)驅(qū)動(dòng)式。

制熱量：3462W；制冷量：2885W；制冷工質(zhì)：HFC134a；壓縮機(jī)額定轉(zhuǎn)速：1800r/min。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選型

采暖設(shè)備和制冷設(shè)備的安裝按相對(duì)位置可分為分置式、組合式等。分置式多用在原設(shè)計(jì)只裝采暖設(shè)備而不裝制冷設(shè)備的汽車上；一旦用戶需要即設(shè)置獨(dú)立的制冷器，冷、暖兩設(shè)備分別控制，分別送風(fēng)；分置式成本高，占據(jù)空間大，空調(diào)性能不完備。冷、暖組合式結(jié)構(gòu)是近年來在各載貨車上廣泛采用的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)用戶的需要可以隨時(shí)加裝制冷設(shè)備；當(dāng)不安裝制冷系統(tǒng)，只保留采暖時(shí)，車內(nèi)蒸發(fā)器不裝即可。本車選擇冷、暖組合式結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

圖3 冷、暖組合式結(jié)構(gòu)

2.2.1 制冷

車內(nèi)空氣經(jīng)蒸發(fā)器由鼓風(fēng)機(jī)吸入，經(jīng)冷卻、除濕，通過風(fēng)道，從儀表臺(tái)出風(fēng)口（駕駛員、副駕駛員座位各一個(gè)，中控臺(tái)兩個(gè)）吹出。

2.2.2 采暖

車內(nèi)空氣經(jīng)蒸發(fā)器由鼓風(fēng)機(jī)吸入，通過加熱器加熱，從下部吹出，后通過風(fēng)道，從儀表臺(tái)出風(fēng)口。

2.2.3 除濕

車內(nèi)空氣經(jīng)蒸發(fā)器由鼓風(fēng)機(jī)吸入，由蒸發(fā)器冷卻除濕，經(jīng)過加熱器再加熱，由通風(fēng)口吹出。

2.2.4 溫度調(diào)整

采用空氣混合方式，根據(jù)冷風(fēng)量和熱風(fēng)量的比例調(diào)整溫度。

2.2.5 出風(fēng)口的選擇

手動(dòng)控制，分別可選擇吹面、吹面/吹腳、吹腳、吹腳/除霜、除霜。

2.2.6 車內(nèi)空氣循環(huán)方式選擇

駕駛室空氣循環(huán)方式可分為三種：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)、內(nèi)外混合循環(huán)。本車選用內(nèi)外混合循環(huán)方式，通過進(jìn)風(fēng)模式旋鈕來調(diào)節(jié)內(nèi)外氣的進(jìn)氣量。

3 汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 壓縮機(jī)裝置設(shè)計(jì)

空調(diào)壓縮機(jī)是汽車制冷系統(tǒng)的心臟，是推動(dòng)制冷劑在制冷系統(tǒng)中不斷循環(huán)的動(dòng)源。除部分客車空調(diào)（獨(dú)立式空調(diào)）壓縮機(jī)是由專門的輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外，大部分汽車空調(diào)壓縮機(jī)均由汽車主發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)（非獨(dú)立式空調(diào)），本產(chǎn)品壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，變化很大，再加上其固定是通過支架與發(fā)動(dòng)機(jī)剛性連接，壓縮機(jī)的工作條件極差。因此對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)在性能和結(jié)構(gòu)上提出了下列特殊要求：

一是由于汽車使用區(qū)域廣，各地的熱、濕負(fù)荷變化大，在設(shè)計(jì)、選用壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)能保證在極端情況下仍能具有令人滿意的降溫性能。

二是要有良好的低溫性能，在怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，具有較大的制冷能力和較高的效率。

三是高速運(yùn)行時(shí)要求輸入功率低，這樣不僅能節(jié)省油耗，而且能降低發(fā)動(dòng)機(jī)用于空調(diào)方面的功率消耗，提高汽車動(dòng)力性。

四是體積小，重量輕，因?yàn)槲⒖ǖ陌l(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙空間很小，同時(shí)這也是所有汽車零件的要求。

3.1.1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

理論冷媒循環(huán)量計(jì)算：

式中：Q為制冷量（kcal/h）；Gth為理論冷媒循環(huán)量（kg/h）；△ie為蒸發(fā)器吸熱量（kcal/kg），取 29.6 kcal/kg。

前面已知Q=2885W（2482kcal/h）代入上式得：

式中：VS為壓縮機(jī)容量（cm3/r）；Nc為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；NV為壓縮機(jī)容積效率、V1為壓縮機(jī)入口氣體比體積（m3/kg）。

已知 Gth= 83.9 kg/h、V1取 0.062m3/kg、Nc取 1800rpm、NV取0.65，代入上式得：

3.1.2 壓縮機(jī)選用

根據(jù)壓縮機(jī)排氣量的設(shè)計(jì)目標(biāo) VS=88.9（cm3/r），并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，選擇活塞式壓縮機(jī)FM10G11-021A，額定電壓12V，4PK多楔帶傳動(dòng)，排量110（cm3/r）滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.3 壓縮機(jī)布置

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的外形及總布置的要求，壓縮機(jī)布置如圖 4所示：

圖4 壓縮機(jī)布置

3.2 冷凝器裝置設(shè)計(jì)

冷凝器的作用是使由壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器內(nèi)通過金屬管壁和翅片的與冷凝器外部的空氣進(jìn)行熱交換，將高溫高壓氣態(tài)制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏旱囊簯B(tài)制冷劑，并把熱量散發(fā)到車外環(huán)境中。制冷劑的換熱大體上可以分三個(gè)階段，即過熱、兩相和過冷。過熱和過冷階段制冷劑處于單相狀態(tài)，發(fā)生的是顯熱交換；而在兩相階段，制冷劑發(fā)生集態(tài)變化，即冷凝，屬于潛熱交換。在冷凝器中，制冷劑的大部分熱量是在凝結(jié)階段釋放的。

汽車用冷凝器均采用鋁，主要是考慮鋁的重量比較輕，作為鋁質(zhì)的冷凝器來講需要采取防腐蝕措施，如陽極氧化、化學(xué)處理、陰極防腐等方法。

冷凝器的結(jié)構(gòu)型式有：管片式、管帶式、平行流式，而平行流式冷凝器是目前較流行的結(jié)構(gòu)型式，本產(chǎn)品選用的冷凝器為平行流式冷凝器。

表1 冷凝器結(jié)構(gòu)型式的對(duì)比

3.2.1 冷凝器選型

根據(jù)整車的布置及現(xiàn)有的產(chǎn)品狀態(tài)，選用一款同系列車型上所用的冷凝器，平行流式冷凝器，散熱量 8000W，風(fēng)量840 m3/h，額定電壓DC12V，額定電流12A。

3.2.2 冷凝器性能校核

冷凝器散熱量的設(shè)計(jì)目標(biāo)按冷負(fù)荷的150%設(shè)定，為1.5×2885，得出4327.5W，

冷凝器的散熱量為8000W＞4327.5W，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 冷凝器布置

根據(jù)總布置要求，冷凝器側(cè)置，裝配在車架右縱梁內(nèi)側(cè)。如圖5所示。

圖5 冷凝器布置

冷凝器與傳動(dòng)軸間隙為35 mm，均滿足要求。如圖6所示。

圖6 與周邊部件間隙校核

3.3 冷暖主機(jī)設(shè)計(jì)

3.3.1 HVAC結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)駕駛室狀態(tài)，及現(xiàn)有的HVAC總成，選用一款同系列車型上所用的HVAC總成，中置鼓風(fēng)機(jī)加熱器總成加橫置蒸發(fā)器，非常適用于微型卡車的駕駛室結(jié)構(gòu)。加熱器散熱量4641W，蒸發(fā)器制冷量3704W。如圖7所示。

圖7 HVAC總成布置

3.3.2 HVAC部件性能校核

加熱器芯體性能以熱負(fù)荷的125%為設(shè)計(jì)目標(biāo)：1.25×Q熱=4327W。選用的加熱器散熱量4641W，可得其性能滿足設(shè)計(jì)要求。

蒸發(fā)器芯體性能以冷負(fù)荷的125%為設(shè)計(jì)目標(biāo)：1.25×Q冷=3600W。選用的蒸發(fā)器制冷量3704W，可得其滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 控制器裝置設(shè)計(jì)

3.4.1 靜控制器的確定

空調(diào)控制器采用旋鈕式控制器，保留進(jìn)、回風(fēng)。

圖8 控制器外形

3.4.2 控制器的功能

控制器功能如表2所示。

表2 控制器操作說明

3 結(jié)論

本論文從汽車空調(diào)的的概念、功能和特點(diǎn)出發(fā)，闡述了汽油機(jī)微卡增加空調(diào)系統(tǒng)的必要性，并論述了汽車空調(diào)的結(jié)構(gòu)與工作原理，最后以微卡W3為實(shí)例，詳細(xì)講解了整車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

在本次設(shè)計(jì)中，采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與匹配設(shè)計(jì)相結(jié)合設(shè)計(jì)方法，注重體現(xiàn)了規(guī)范化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的設(shè)計(jì)原則，并有同系列的柴油機(jī)微卡參數(shù)作為參考，進(jìn)一步提高空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)質(zhì)量、降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。這也詮釋了產(chǎn)品空調(diào)系統(tǒng)系列化、平臺(tái)化的重要性。

本文提出的微卡空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，雖不能完全應(yīng)用于商用車行業(yè)，但是本文所體現(xiàn)的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)讀者仍有一定的參考價(jià)值。

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