汽車空調(diào)低溫異味觸發(fā)機(jī)理及解決方案研究

王丹瑜，馬效文，范永堅

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208）

0 引言

目前汽車空調(diào)系統(tǒng)有幾大問題，如制冷不夠快[1]、鼓風(fēng)機(jī)噪音大、空調(diào)系統(tǒng)異味[2-5]，一致困擾著汽車用戶和開發(fā)人員，其中空調(diào)異味問題最為復(fù)雜和難以解決。

空調(diào)異味并不是汽車空調(diào)獨(dú)有的問題，民用空調(diào)也有很多類似的抱怨，但是汽車空調(diào)的表現(xiàn)更加多樣。常見的空調(diào)異味有霉味、酸臭味、塵土味、塑料橡膠味[6]等。

為了減緩異味的產(chǎn)生和釋放，不少空調(diào)廠家也做了很多努力，如采用具備親水涂層的蒸發(fā)器[7-9]和能過濾臭味分子的多效濾網(wǎng)等。由于多數(shù)氣味分子都和蒸發(fā)器（空調(diào)箱里冷熱交換元件）的制冷過程有關(guān)，進(jìn)一步地和空氣中水分的冷凝和蒸發(fā)強(qiáng)相關(guān)，所以有些主機(jī)廠采用控制鼓風(fēng)機(jī)延時關(guān)閉的邏輯[10-11]清理制冷循環(huán)結(jié)束后蒸發(fā)器表面殘余的冷凝水，這些措施都取得了一定的效果。

1 常規(guī)汽車空調(diào)異味產(chǎn)生機(jī)理

空調(diào)異味從本質(zhì)來說是空調(diào)蒸發(fā)器表面吸附的某些化學(xué)分子或者由于蒸發(fā)器表面不潔產(chǎn)生的真菌細(xì)菌的代謝產(chǎn)物，通過空調(diào)風(fēng)吹到乘客艙，使乘客感受到不愉快的氣味。空調(diào)系統(tǒng)伴隨著壓縮機(jī)的啟動和斷開有兩段比較明顯的氣味釋放過程，原理如圖1。

異味釋放階段①：異味分子在蒸發(fā)器上堆積，壓縮機(jī)啟動初期的十幾秒內(nèi)，蒸發(fā)器表面溫度迅速降至空氣露點(diǎn)以下產(chǎn)生冷凝水，這個階段疏水特性的分子無法溶解在水里，因此會隨著空調(diào)冷風(fēng)吹出來，這個時候的異味多數(shù)表現(xiàn)為酸臭味。

異味釋放階段②：壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行一段時間，關(guān)閉壓縮機(jī)后的幾秒鐘，隨著制冷能力的消失，流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣溫度迅速上升，使得殘留在蒸發(fā)器表面的水膜，迅速蒸發(fā)，帶著親水的異味分子同時揮發(fā)到空氣中，這個時候異味以霉味居多。

圖1 異味發(fā)生時間條件示意圖

2 空調(diào)低溫異味

由于現(xiàn)在車輛的油耗指標(biāo)越來越苛刻，新開發(fā)的車輛很多都帶自動啟停功能，以響應(yīng)新的油耗要求。這個功能對于空調(diào)直接的影響是控制邏輯的變化[12-15]，空調(diào)壓縮機(jī)（非電動壓縮機(jī)）隨著發(fā)動機(jī)熄火后停止工作，如果乘客艙內(nèi)的溫度隨著時間推移上升到臨界舒適溫度（可標(biāo)定數(shù)值），會使得發(fā)動機(jī)退出停止而進(jìn)入啟動狀態(tài)，同時帶動壓縮機(jī)開始制冷。這個過程中，為了使得乘客艙內(nèi)快速冷下來，壓縮機(jī)的輸入通常比較大，使得蒸發(fā)器的表面溫度短暫過沖到0 ℃以下。

如圖2所示，這種過沖隨著系統(tǒng)和控制邏輯的不同，過沖到0 ℃（A點(diǎn)為第一次降溫到0度的點(diǎn)，B點(diǎn)為溫度回升到0度的點(diǎn)）以下的時間段有長有短，本案例的時間為80 s左右，另外最低溫度達(dá)到-7 ℃(C 點(diǎn))。

本研究通過整車及臺架實驗發(fā)現(xiàn)，這種控制邏輯會使得客戶很容易感知到一種新的空調(diào)異味。此空調(diào)異味聞起來略帶刺激性，類化學(xué)溶劑氣味，比較容易識別，對客戶影響較大。

這種空調(diào)異味隨著蒸發(fā)器表面結(jié)冰而產(chǎn)生，蒸發(fā)器溫度上升到0 ℃以上消失，稱之為低溫異味。在整車路試過程中，可以穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)這個氣味，這個氣味只和蒸發(fā)器表面溫度相關(guān)，在吐魯番和上海這兩種溫濕度完全不同的環(huán)境下都很容易復(fù)現(xiàn)。

后續(xù)用新品空調(diào)箱搭了如圖3的一個臺架，發(fā)現(xiàn)新的空調(diào)箱也能復(fù)現(xiàn)，說明和蒸發(fā)器老化和耐久無關(guān)。另外測試了不同廠家的蒸發(fā)器，試換幾種不同的親水涂層，甚至無涂層的零件，都能復(fù)現(xiàn)相同的異味。

圖2 帶啟停功能的壓縮機(jī)啟動控制圖

圖3 異味復(fù)現(xiàn)臺架

3 解決途徑研究

3.1 控制邏輯研究

為了解決這個異味問題，最直接的方法就是控制蒸發(fā)器溫度傳感器（下文簡稱EAT）溫度不要到達(dá)0 ℃以下。就目前的控制邏輯而言，可以調(diào)整壓縮機(jī)的控制，在緩解過沖的同時，使得蒸發(fā)器的表面溫度同樣快速地到達(dá)目標(biāo)溫度，如圖4實線，既不會引起異味抱怨，又可以實現(xiàn)目標(biāo)溫降。當(dāng)然這個和蒸發(fā)器溫度傳感器是否在蒸發(fā)器的最低溫度點(diǎn)以及蒸發(fā)器的整體溫度均勻性相關(guān)。對于壓縮機(jī)控制軟件的調(diào)整，臺架完成驗證之后還需要進(jìn)行整車標(biāo)定的驗證，確保整車舒適性沒有降低。

如圖5所示，在控制邏輯圖里面調(diào)整了小虛線框內(nèi)的積分項輸入，從0.95一直調(diào)整到0.55，得到如下表所示不同積分項下的蒸發(fā)器低溫過沖表現(xiàn)，測試條件為鼓風(fēng)機(jī)低風(fēng)量，外界溫度15 ℃，65%相對濕度，EAT目標(biāo)溫度4 ℃。數(shù)據(jù)表明，如果要限制低溫異味的產(chǎn)生，積分控制系數(shù)這個標(biāo)定參數(shù)要限制在0.55以下。

如圖5中大虛線框所示列表，綜合不同工況下（主要是鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和外界溫度），標(biāo)定參數(shù)的調(diào)整方法，確保新的壓縮機(jī)控制軟件適應(yīng)不同制冷負(fù)荷的要求，達(dá)到降溫速度和控制低溫過沖的平衡。

圖4 壓縮機(jī)控制曲線及EAT表現(xiàn)曲線

圖5 PID控制邏輯修改方法

表1 典型工況下臺架實驗數(shù)據(jù)

3.2 雙效濾網(wǎng)的作用

在臺架實驗進(jìn)行過程中，本意是為了使用雙效濾網(wǎng)去除實驗室內(nèi)油液等化學(xué)品的干擾，但是發(fā)現(xiàn)活性炭濾網(wǎng)可以有效減少此類異味的發(fā)生頻次和強(qiáng)度[16]。

空調(diào)設(shè)定在35 ℃、50%相對濕度的高濕度環(huán)境下，風(fēng)量為中間擋位，在平均經(jīng)過3到4個壓縮機(jī)切換周期后，氣味強(qiáng)度明顯減弱，甚至無法識別。這個和我們原先的認(rèn)知不同，活性炭濾網(wǎng)主要用于吸收尾氣中的氣味成分，但此項實驗表明它也可以從氣流上游攔截其他刺激性異味的分子，從而減少在下游蒸發(fā)器表面的堆積和釋放。

活性炭在初始吸附氣味分子的時候吸附率尚可（如丁烷、甲苯、SO2、NO2、NOx），但是經(jīng)過一段時間的持續(xù)吸附會有明顯下降的過程，特性如圖6。

圖6 活性炭吸附特性曲線

圖6中表示的是氣味隨時間的穿透比率，隨著時間增加，穿透率上升，表明吸附率下降。測試氣體濃度為甲苯和丁烷80 mg/L，二氧化硫30 mg/L。

考慮到此類空調(diào)異味只出現(xiàn)在蒸發(fā)器溫度低于0 ℃的短暫時間（100 s內(nèi)），此時氣味的穿透率尚小，因此作為措施是有效的。從耐久性來說，4輛試驗車在試車場各跑了20,000 km左右，吸附效果并無明顯衰退的跡象。

3.3 硬件改造

從原理來看，調(diào)整壓縮機(jī)控制邏輯可以減少甚至消除異味，但是可能會犧牲一些制冷性能。造成這個矛盾的一個重要原因是目前的這一套控制系統(tǒng)的檢測及反饋機(jī)制。

由于考慮到售后維修的方便性，采用了空氣側(cè)的EAT，而不是翅片式的，空氣側(cè)的蒸發(fā)器溫度傳感器（EAT）布置在蒸發(fā)器的下游，一般距離蒸發(fā)器10 mm左右，而不是直接接觸蒸發(fā)器翅片/扁管，所以從制冷劑的實際溫度表現(xiàn)到 EAT的讀數(shù)滯后次序依次為制冷劑溫度、扁管溫度、翅片溫度、下游空氣、蒸發(fā)器溫度傳感器。這個滯后對于壓縮機(jī)控制來說相當(dāng)關(guān)鍵，這意味著要得到同樣的制冷效果，蒸發(fā)器表面溫度會有更大的過沖。如果某些車型因為布置的需求，不得不把空氣側(cè)EAT布置到非最低溫度區(qū)域[17-19]，由于蒸發(fā)器溫度表面溫度分布的不一致性（通常 4 ℃到 5 ℃差別），從而使得結(jié)霜情況更為嚴(yán)重[20]。采用翅片式傳感器可以更好地解決這個問題，因為它是直接插到翅片上，減少溫度傳遞路徑，而且一般不考慮直接在車載情況下維修傳感器，布置相對更為靈活，可以布置在最低溫度區(qū)域?？刂艵AT的目標(biāo)溫度就可以確保每個工況下所有區(qū)域的蒸發(fā)器的表面溫度都高于0 ℃。

除此之外，也可以考慮在蒸發(fā)器上加管壁溫度傳感器（進(jìn)口側(cè)）或者蒸發(fā)器管路壓力傳感器（多用在電動車上），做到提前控制，但是需要更多的標(biāo)定實驗工作。

4 空調(diào)異味釋放機(jī)理及解決方案

到目前為止，完整的空調(diào)異味釋放機(jī)理如圖7所示，包含3個區(qū)段，區(qū)段③就是本文研究的低溫異味。

氣味從本質(zhì)上來說還是吸附的氣味，可能是外界空氣，或者乘客艙內(nèi)空氣，也有可能是發(fā)動機(jī)艙內(nèi)氣體。為了解決圖7中的3種空調(diào)異味尤其是低溫異味，可以采用的方法如下：

1）蒸發(fā)器表面使用抗菌涂層，或者其他阻礙微生物繁衍的物質(zhì)，并且時刻保持蒸發(fā)器表面清潔，使得微生物沒有生存的條件；

2）蒸發(fā)器改良翅片設(shè)計和使用親水涂層，使得冷凝水更難殘留在蒸發(fā)器上，從而減少異味的產(chǎn)生；

3）作為去除蒸發(fā)器冷凝水殘留的補(bǔ)充手段，通過設(shè)計鼓風(fēng)機(jī)后吹風(fēng)的功能，在停車后自動進(jìn)行吹風(fēng)操作，吹落殘留在翅片里的水滴；

4）推薦采用活性炭濾網(wǎng)，并及時更換，使得空調(diào)內(nèi)部可以和異味分子或異物隔離；

5）采用穩(wěn)健的空調(diào)控制，使得蒸發(fā)器的表面溫度始終保持在0 ℃以上，杜絕低溫異味的發(fā)生。

其中方案 1～4經(jīng)過驗證對于所有空調(diào)異味基本都有效，方案5主要是針對低溫異味。其他方面，還需要做好內(nèi)外飾材料的把控，把控異味的源頭。

圖7 空調(diào)異味釋放機(jī)理圖

5 結(jié)論

1）低溫異味的反復(fù)發(fā)生嚴(yán)重影響乘客的感受。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因是主機(jī)廠不斷地追求強(qiáng)勁的制冷能力，尤其是在汽車啟停配置日漸增多的背景下，更要求空調(diào)系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)退出停止而進(jìn)入啟動狀態(tài)時快速制冷，使得蒸發(fā)器的表面溫度過沖到0 ℃以下。

2）空調(diào)低溫異味和蒸發(fā)器的形式和蒸發(fā)器的表面處理組分無關(guān)，只和低于0 ℃的程度和時間長短相關(guān)，目前所有的主流的空調(diào)蒸發(fā)器廠家的產(chǎn)品在低溫下都有這個現(xiàn)象。

3）解決低溫異味目前最有效的解決措施，是開發(fā)新的軟件和標(biāo)定策略，以精準(zhǔn)控制壓縮機(jī)排量和鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及風(fēng)門角度等參數(shù)，使得蒸發(fā)器表面溫度極限靠近0 ℃，而又不低于冰點(diǎn)，從而達(dá)到制冷能力和氣味的平衡。