商務車空調系統(tǒng)結霜問題研究

鮑建名

（濰柴動力股份有限公司上海研發(fā)中心，上海 201100）

隨著人們對汽車駕乘舒適性要求的提高，作為汽車制冷擔當的空調系統(tǒng)不僅會成為整車系統(tǒng)的必須品，而且人們會對其降溫性能提出更高的要求。

夏季乘車情況下，空調系統(tǒng)正常工作時，會將車內的環(huán)境調節(jié)到乘員最舒適的狀態(tài)，創(chuàng)造良好的駕乘、休息環(huán)境，以提高規(guī)范駕乘效率和減少意外交通事故。但當空調系統(tǒng)出現故障時，例如蒸發(fā)器表面結霜，會導致出風口風量減少，車內溫度升高，無法創(chuàng)造良好的駕乘環(huán)境，將增加駕乘風險。本文以市場上某款出現蒸發(fā)器結霜現象的商務車為案例，對結霜問題進行研究、解決。

本文首先對空調系統(tǒng)結霜的原理進行講解，然后針對案例車結霜表現進行原因分析，對可能造成的因素一一測試排除，最終找到問題根本所在，針對問題點提出永久改進方案并進行實車驗證。驗證結果表明，蒸發(fā)器結霜現象消失，空調系統(tǒng)工作正常，降溫性能滿足乘客需求。

1 汽車空調系統(tǒng)蒸發(fā)器結霜原理

汽車空調系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、空調管路5部分組成，空調系統(tǒng)的制冷原理如圖1所示。

壓縮機將低溫低壓的制冷劑 (HFC-134a)氣體壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，氣體沿空調管路流至冷凝器，經冷凝器放熱冷凝，變?yōu)楦邷馗邏旱闹评鋭┮后w。液體經集液管干燥、過濾，流至膨脹閥，在膨脹閥處節(jié)流、膨脹，變?yōu)榈蜏氐蛪褐评鋭╈F。制冷劑霧沿管路流入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器芯體內流通，過程中不斷吸收流經蒸發(fā)器表面空氣的熱量，變?yōu)榈蜏氐蛪旱闹评鋭怏w，氣體沿管路重新流回壓縮機再次壓縮循環(huán)。而經過蒸發(fā)器降低溫度的空氣沿風道進入車廂，由出風口吹出，達到降低駕駛室內部溫度的目的。

圖1 空調系統(tǒng)組成

空調系統(tǒng)在制冷過程中，由于蒸發(fā)器表面溫度很低，熱空氣中的水蒸氣會遇冷液化成水滴附著在蒸發(fā)器芯體表面。當蒸發(fā)器表面溫度低于0℃時，蒸發(fā)器表面的水滴及周圍的水蒸氣會凝結成冰，附著在蒸發(fā)器表面，此種現象稱為蒸發(fā)器結霜現象。蒸發(fā)器表面結霜后，空氣通過蒸發(fā)器進入駕駛室的阻力會增大，致使出風口出風量減少，駕駛室內溫度升高。

2 問題車輛結霜表現及排查

某商務車已經處于SOP階段，AUDIT正常路試過程中發(fā)生儀表盤出風口風量衰減，直到無風吹出故障。路試人員反饋，下車查看車輛前圍，空調高壓管處有霜，根據以往經驗，初步判定空調蒸發(fā)器結霜。查閱該車型開發(fā)過程資料，前期路試時出現過該類故障模式：駕駛員長時間使用空調系統(tǒng) (約100 min)，制冷效果變差。后更換HVAC總成，效果得到優(yōu)化，臨時解決問題。

針對又出現的結霜問題，先進行資料收集和整理，2次車輛結霜的具體表現為：車速在60 km/h，車輛行駛時間在100 min以上，空調一直開啟狀態(tài)，空調風速在最低速。

首先，對問題車輛進行問題復現。在路試工況下，反復試驗6次 (每次時間150 min)，共出現2次結霜現象。后又在怠速、40 km/h、80 km/h等車速下進行測試，均出現蒸發(fā)器結霜問題。

本文中提到蒸發(fā)器結霜原因是蒸發(fā)器表面溫度到達0℃以下后，壓縮機并沒有停轉，一直處于工作狀態(tài)，使蒸發(fā)器表面的溫度一直保持在0℃以下，水蒸氣不斷在蒸發(fā)器表面凝結，致使蒸發(fā)器表面的霜越結越厚。

壓縮機啟停是通過蒸發(fā)器表面的溫度傳感器感知蒸發(fā)器表面的溫度，控制壓縮機的啟停。當蒸發(fā)器表面的溫度低于3℃時，溫度傳感器會輸出信號，使壓縮機停止工作，待蒸發(fā)器表面的溫度高于6℃時，溫度傳感器會再次向壓縮機輸出信號，使壓縮機開始工作。這樣使蒸發(fā)器表面的溫度一直處于3～6℃之間，既能滿足制冷需求，又不會發(fā)生結霜現象。而蒸發(fā)器一旦發(fā)生結霜現象，優(yōu)先考慮溫度傳感器出現問題。

首先列出了造成蒸發(fā)器結霜的幾個原因，針對這幾種狀況進行一一排查。

潛在故障分析：①蒸發(fā)器溫度傳感器插入位置不符合圖紙要求；②蒸發(fā)器溫度傳感器插入位置選點不合理；③蒸發(fā)器溫度傳感器實物損壞或R-T阻值特性不符合設計要求；④控制器錄入的傳感器R-T特性值不符合設計要求；⑤蒸發(fā)器內堵、內漏；

2.1 蒸發(fā)器溫度傳感器插入位置排查

對到廠HVAC總成進行抽查，查看蒸發(fā)器芯體溫度傳感器的插入位置是否符合設計要求。經過抽樣檢查，所有產品溫度傳感器插入位置均符合圖示要求，詳見圖2、圖3。

圖2 設計圖紙溫度傳感器位置

2.2 蒸發(fā)器溫度傳感器插入位置選點是否合理的排查

圖紙要求溫度傳感器位置如圖4所示，隨機選取3套蒸發(fā)器樣件 (圖5)，通過臺架實驗驗證選點位置是否合理。

圖3 蒸發(fā)器芯體溫度傳感器位置

圖4 圖紙要求溫度傳感器位置

溫度傳感器選點位置既不能選取最高溫度處，也不能選取最低溫度處。選取最高溫度處，當其達到3℃時，其他點處溫度已經在0℃以下，蒸發(fā)器會出現大面積結霜。選取最低溫度處，當達到3℃時，其他點處溫度過高，導致不能充分制冷。溫度傳感器的位置應選取在當此處的位置達到3℃時，最高溫度處0℃以上，最低溫度處0℃以下，且蒸發(fā)器表面20%～25%面積開始出現結霜，位置最佳。目前傳感器點為15點，從數據看此點選擇基本符合要求。

2.3 蒸發(fā)器溫度傳感器實物是否符合設計要求、有無損壞的排查

拆解問題車輛，查看傳感器實物無損壞，進行R-T阻值檢測，恒溫槽控制溫度為0℃，對蒸發(fā)器溫度傳感器阻值進行測試，檢測結果符合阻值特性。

2.4 控制器錄入的傳感器R-T特性值檢測

1)ON點檢查——指示燈亮，測得阻值23.7 kΩ，符合6℃對應阻值 (23.6～24.6 kΩ)。

2)OFF點檢查——指示燈滅，測得阻值27.9 kΩ，符合3℃對應阻值 (27.3～28.6 kΩ)。

2.5 蒸發(fā)器內堵、內漏測試

對問題車輛蒸發(fā)器進行內堵、內漏檢測，檢測無問題，如圖6所示。

2.6 故障原因及解決

所有故障都排除，未找到蒸發(fā)器結霜原因，再次進行實車排查。

首先將整車上溫度傳感器外表皮剝開，外接萬用表，測試溫度傳感器電阻值隨溫度變化。其次，在溫度傳感器位置插入熱電偶，同時測試溫度，詳見圖7。

圖5 隨機選取3套蒸發(fā)器樣件驗證選點位置

圖6 蒸發(fā)器內堵、內漏測試

車輛怠速，開啟空調系統(tǒng)。開始時空調系統(tǒng)表現正常，溫度顯示在3℃時壓縮機停止，在6℃時開啟，且萬用表測試溫度傳感器電阻值正常 (3℃時阻值27.9 kΩ，6℃時阻值23.7 kΩ)。持續(xù)工作，直到車輛運行100 min之后，第1次出現結霜現象，此時溫度傳感器阻值發(fā)生變化。溫度計顯示溫度傳感器位置處溫度為3℃，萬用表顯示溫度傳感器阻值為18 kΩ (對應溫度為10℃)，與溫度無法對應。由于溫度傳感器感應到蒸發(fā)器表面的溫度大于3℃ (實際已低于3℃)，因此未給壓縮發(fā)出停止工作信號，導致壓縮機一直工作，蒸發(fā)器表面結霜。關閉車輛，待蒸發(fā)器表面霜融化后，再次啟動車輛，重復測試。經過多次測試，每次結霜，溫度傳感器阻值表現相同。

圖7 外接萬用表和溫度計

之前檢測溫度傳感器本身品質并無問題，是什么原因導致溫度傳感器阻值發(fā)生大幅度滑變?或許是由于外在物質的原因導致溫度傳感器失靈。外在物質能對蒸發(fā)器產生影響的地方只有溫度傳感器接插頭處，所以對HVAC箱體接插頭查看，發(fā)現溫度傳感器接插件位置固定在蒸發(fā)器配管壓板正下方，詳見圖8。若長時間開啟空調，壓板處會形成冷凝水，若有冷凝水滴入傳感器插件內，可能會造成溫度傳感器出錯。

針對猜想，進行實車驗證。啟動車輛，開啟空調，當蒸發(fā)器表面溫度達到3℃，壓縮機停止工作，一切表現正常。待蒸發(fā)器表面溫度升高至6℃，壓縮機重新啟動，對溫度傳感器接插件處進行人工噴水，噴水之后，蒸發(fā)器表面溫度降低至3℃時，壓縮機并未停止，持續(xù)運轉，萬用表測試溫度傳感器阻值跟結霜時表現相同，運行一段時間后蒸發(fā)器表面開始結霜。在其他車輛上模擬實驗，表現相同。后將問題車輛溫度傳感器接插頭位置移到蒸發(fā)器配管壓板上方，再進行路試，所有車輛問題消失。

圖8 溫度傳感器接插件位置

3 總結

空調開啟時，殼體外會有冷凝水，該傳感器安裝位置貼近空調殼體，因對接件未做防水處理，殼體外的冷凝水會沿著電線或滴入對接件中形成短路，造成溫度傳感器阻值信號輸出錯誤，使壓縮機一直工作，導致蒸發(fā)器結冰。