汽車空調系統(tǒng)電子流量調節(jié)問題研究

宋帥

摘要：隨著國際汽車市場競爭激烈程度的提高，汽車企業(yè)也越來越注重汽車駕駛的舒適性，而汽車空調的使用性能是汽車駕駛的舒適性的重要表現(xiàn)。隨著科學技術的進步，人們對汽車空調技術也提出了更高的要求，汽車空調技術也在向著更智能、電子控制與顯示更精密的方向發(fā)展。本研究分析探討了汽車空調系統(tǒng)電子流量調節(jié)問題研究。

關鍵詞：汽車空調；電子流量調節(jié)

1.汽車空調系統(tǒng)以及其工作原理

1.1汽車空調系統(tǒng)的組成和結構分析

汽車空調系統(tǒng)：由暖風裝置、制冷裝置、通風裝置、空氣凈化裝置和加濕裝置中的一個或多個部件以及必要的控制部件等構成，用于調節(jié)乘員艙內的溫度、濕度和潔凈度，并使其以一定速度在車內定向流動和分配，從而給駕駛員和乘員提供舒適的環(huán)境及新鮮空氣的系統(tǒng)。其關鍵零部件為壓縮機、冷凝器（附帶儲液干燥器）、蒸發(fā)器和膨脹閥，下面進行具體的介紹：

（1）壓縮機：壓縮機對于整個系統(tǒng)來說相當于心臟的作用，它是整個系統(tǒng)的關鍵所在也是動力源所在。壓縮機有兩個重要功能：一是使系統(tǒng)內產生低壓條件；二是把氣態(tài)制冷劑從低壓壓縮至高壓，并使其溫度提高，這兩種功能同時完成。壓縮機維持制冷劑在制冷系統(tǒng)中的循環(huán)，吸入來自蒸發(fā)器的低溫、低壓氣態(tài)制冷劑，壓縮氣態(tài)制冷劑，使其壓力和溫度升高，并將壓縮后的制冷劑送進冷凝器。壓縮機是制冷系統(tǒng)中低壓和高壓、低溫和高溫的轉換裝置，壓縮機正常工作是實現(xiàn)熱交換的必要條件。

（2）冷凝器：冷凝器是具有大量的金屬葉片的一組彎曲的管道，結構形式主要有管片式、管帶式和平行流式三種，從管片式向管帶式發(fā)展，并主要向平行流動式發(fā)展，其結構原理如下圖示：

為了在氣體通過時更好與葉片接觸，從而更好地完成冷凝過程，平行流動式的內部結構又在不斷發(fā)展，以利于進一步提高換熱效率和減輕重量，平行流動式冷凝器從單元平行流動式發(fā)展成多元平行流動式。由于采取減薄管片厚度、增加管子內肋片、翅片開切口、改變翅片形狀及開口角度等措施，加大了翅片散熱面積，強化了氣側和液側的熱交換效率，更好地完成物質之間的熱量傳遞和交換。冷凝器的安裝位置為車頭的水箱處，因為車頭水箱位置通風較好，方便氣體的冷凝。

儲液干燥器就是在制冷系統(tǒng)中臨時性地存儲制冷劑的部件，它會根據(jù)制冷負荷的需要，隨時供給蒸發(fā)器，并對系統(tǒng)中的水分和雜質進行干燥和過濾，即存儲制冷劑，過濾雜質和吸收濕氣。主要由儲液器、干燥劑、過濾器、觀察窗和安全裝置（易熔塞）等幾部分構成。其中儲液器主要用于儲存和供應制冷系統(tǒng)內的液體制冷劑，以便工況變動時能補償和調節(jié)液體制冷劑的盈虧；過濾器主要用于過濾清除掉雜物和污物，保證制冷劑順利流通；干燥劑用來吸收制冷劑中的水分；易熔塞是一種安全措施，一般裝在儲液干燥器的頭部，用螺塞擰入。

（3）膨脹閥：汽車空調系統(tǒng)的膨脹閥為內均衡式設計，制冷劑作為高壓液體進入入口和濾網中，必須通過計量口，由其控制流動，其結構如下圖二所示。由于制冷劑通過計量口，它由高壓液體轉為低壓液體。在空調單元中，膨脹閥的開度大小決定了進入蒸發(fā)器內部冷媒量的多少，在一定程度上也同時決定了蒸發(fā)器出口冷媒的過熱度的大小。

（4）蒸發(fā)器：汽車空調蒸發(fā)器按照結構型式分為管片式、管帶式、層疊式和平行流式四種結構，換熱效果依次遞增。在壓縮機的作用下，液態(tài)制冷劑通過膨脹閥的節(jié)流控制作用霧化并進入（低壓）蒸發(fā)器，制冷劑在蒸發(fā)器盤管內沸騰汽化，由液態(tài)蒸發(fā)成氣態(tài)的制冷劑溫度降低，從而使蒸發(fā)器盤管、吸熱片溫度降低。穿過蒸發(fā)器的空氣把車室內的熱量傳給蒸發(fā)器較冷的表面，因此冷卻了車室內的空氣。隨著車室內熱量由空氣傳給蒸發(fā)器，空氣中的水蒸氣（含濕量）凝結在蒸發(fā)器的外面，并成為液態(tài)水被排掉，蒸發(fā)器罩底部排水管把水導出至車外?？諝饷摑袷强照{系統(tǒng)為乘客提供舒適的附加特性。

1.2 汽車空調系統(tǒng)的工作原理

汽車空調系統(tǒng)工作的原理與其他制冷系統(tǒng)的基本工作原理相似，都是在外界輸入功的作用下，通過水的蒸發(fā)、冷凝過程來達到降低空氣溫度的目的。一般來說，汽車空調系統(tǒng)包括空氣凈化、制冷以及采暖這三個部分，而本研究主要針對汽車空調系統(tǒng)的制冷工作環(huán)節(jié)進行研究。

首先，壓縮機將蒸發(fā)器里的低壓制冷劑氣體吸入到壓縮機氣缸里，然后通過壓縮機將低壓制冷氣體壓縮形成相對來說高溫高壓的氣體，再經過冷凝器進行冷凝環(huán)節(jié)，形成高壓常溫的氣體，再通過膨脹閾降溫降壓，將高壓常溫的氣體形成低溫低壓的液體，將形成的低溫低壓的液體在蒸發(fā)器裝置中進行蒸發(fā)吸熱，最終汽化成氣體，以此種方式進行吸取空氣中的溫度，從而降低空氣溫度。汽車空調系統(tǒng)就是以這種循環(huán)的方式將冷風送入汽車內部空間，達到制冷的效果。

2.汽車空調系統(tǒng)電子流量調節(jié)現(xiàn)狀分析

汽車空調在運行過程中由于氣候、路況、負荷以及發(fā)動機的運轉情況的變化而出現(xiàn)不同程度的磨損情況。其制冷系統(tǒng)通常分別由相應的節(jié)流元件和熱力膨脹閥進行調整和控制，但由于這些元件在運行過程中，信號傳遞出現(xiàn)延遲、動作機構不是很適應劇烈的工況變化，當汽車的空調處于較高的車速環(huán)境之下，其制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器十分容易出現(xiàn)結霜的現(xiàn)象，在惡劣環(huán)境下甚至會喪失工作能力。不但會降低車主的用車舒適度，還會嚴重破壞整個制冷系統(tǒng)。根據(jù)很多汽車售后數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果分析顯示，有超過三分之一以上的汽車空調系統(tǒng)損壞原因是膨脹閥過熱度控制失靈而導致吸氣帶液產生液擊，進而產生故障。要想改善這種現(xiàn)狀，可以使用節(jié)流元件，比如電子膨脹閥，它可以在控制器的控制下由相應的程序對其進行相應的控制和開度調整，改變這種現(xiàn)狀。例如，可以將電子膨脹閥引入到汽車空調制冷系統(tǒng)中，這樣很可能會解決目前的汽車空調流量節(jié)流的各種問題。

在整個電子產業(yè)中，電子膨脹閥應用到其他類型制冷裝置中十分常見，曾經有研究學者就指出了，在未來汽車空調行業(yè)中，電子膨脹閥肯定會代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱力膨脹閥，因為它能夠及時處理制冷劑流量突變問題，現(xiàn)在這已經應驗了，隨著電子膨脹閥研究逐步深入，結構逐步成熟，質量逐漸穩(wěn)定，現(xiàn)已成功應用于汽車空調系統(tǒng)中，尤其是新能源車型上，其優(yōu)勢更加凸顯。

3.電子流量控制系統(tǒng)

作為汽車空調中的一個重要元件，電子膨脹閥的主要作用是節(jié)流調節(jié)。它的控制方法在很大程度上取決于空調控制器的特點和控制要求，一般可采用PWM、LIN通訊等控制防止方式?？照{控制器通常要兼顧保證行車人舒適和節(jié)能環(huán)保兩個原則，在整個運行和控制過程中，它不僅通過迅速降低車內溫度盡可能地為駕乘者提供穩(wěn)定的理想環(huán)境，而且還要在各種負荷條件下保持較大的效能比，因此，合理有效控制整個空調系統(tǒng)的壓縮機、制冷劑流量、蒸發(fā)器等部分之間的關系是十分重要的。而這一控制過程在很大程度上依賴于膨脹閥開度的調節(jié)，故而，電子膨脹閥在汽車空調系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位。

對于電子膨脹閥的控制要從兩方面考慮，一方面汽車空調壓縮機運行功率是變化的，因此電子膨脹閥對制冷劑流量的控制必須滿足壓縮機轉速變化這一特點，以保證其正常發(fā)揮功能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一方面，制冷劑流過蒸發(fā)器運行需要一個最佳液面，因而制冷劑流量也要考慮這個因素，此時主要控制對象是蒸發(fā)器的過熱度。因此，在汽車空調控制器中，設計電子膨脹閥的輸入?yún)?shù)時，應該充分考慮壓縮機的轉速和蒸發(fā)器的過熱度這兩個條件。將由壓縮機轉速確定的開環(huán)控制和汽車內部換熱器過熱度模糊閉環(huán)反饋的控制結合起來，能夠形成一個比較完善的控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)能夠很好地調節(jié)電子膨脹閥的開度，將壓縮機轉速作為參數(shù)輸入能使膨脹閥的設計更加符合實際使用情況，取得更好的效果。

比如：首先使制冷劑的流量、蒸發(fā)器的風機、冷凝器風機風量最大限度的滿足壓縮機功率的需求；其次電子膨脹閥在較短的時間內迅速接近目標控制值，從而提高系統(tǒng)反應能力；再次可避免空調啟動初期電子膨脹閥過熱度遲鈍問題的出現(xiàn)，并降低因此引發(fā)的調節(jié)困難；最后，因為在運行過程中，壓縮機轉速開環(huán)控制發(fā)揮了良好的調控作用，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度大大增加。因此，在確定過熱度反饋調節(jié)過程中可以考慮的更加細致，能夠更加靈活和精確的對系統(tǒng)進行調節(jié)，避免了單純的過熱度調節(jié)過程中震蕩過大的現(xiàn)象，調節(jié)的更加精細和穩(wěn)定，需要的時間進一步縮小。

結語

電子膨脹閥具有傳統(tǒng)熱力膨脹閥的作用，同時還具有自身的優(yōu)勢，調節(jié)范圍廣.控制精度高。同時還能起到電磁閥的作用。使用電子膨脹閥不但能夠使車內的溫度迅速平穩(wěn)接近預設的數(shù)值，并且保持穩(wěn)定，而且還能實現(xiàn)效能比的最大化。

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（作者單位：長城汽車股份有限公司；

河北省汽車工程技術研究中心）