重型卡車空調系統節(jié)能降耗技術淺析

岳冬冬，劉治興，張輝，吳海，呂文帥，李賀

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

引言

“十三五”計劃明確指出節(jié)能減排和輕量化是汽車空調產業(yè)的發(fā)展重點，由此可見節(jié)能降耗越來越受重視、節(jié)能降耗刻不容緩。重型卡車的空調系統制冷能耗約占發(fā)動機的10%。在保證空調制冷效果的前提下，盡量降低能耗尤為重要，本文主要介紹重型卡車空調系統的節(jié)能降耗技術或措施。

1 空調系統工作原理

空調系統由制冷系統、暖風系統、通風系統、控制系統組成，共同實現對駕駛室內的空氣進行調節(jié)。

汽車空調系統由五大主要總件組成，即壓縮機、冷凝器、儲液干燥器、膨脹閥和蒸發(fā)器。汽車空調各部件用空調管路連接，形成一個密封系統，制冷劑以不同狀態(tài)在這個密封系統內循環(huán)，以氣體→液體→氣體的狀態(tài)變化。以實現壓縮、冷凝、降壓節(jié)流、蒸發(fā)四個基本循環(huán)。

2 空調系統節(jié)能降耗技術

2.1 同軸管換熱器技術

空調系統一般采用的單根型普通鋁管或鋼管，分別連接空調系統各個零部件，構成空調系統制冷回路?？照{系統為提高制冷效率，蒸發(fā)器后的氣體管路需要過熱處理，冷凝器后的液體管路需要過冷處理，同軸管換熱器便是利用熱量供需關系而設計的一種熱交換器，以達到余熱利用、節(jié)約能源的目的。

同軸管的結構一般有一體式同軸管（見圖3）與分離式同軸管（見圖4）。

圖2 同軸管換熱器示意圖

圖3 一體式同軸管截面圖

圖4 分離式同軸管截面圖

同軸管是將溫度高低不同的管路集成為內外層結構的同一根管路，內管與外管居于同一軸線，彼此分開，并不互通，內層流動的是5℃～10℃的低溫低壓制冷劑，外層流動的是70℃～80℃的高溫高壓制冷劑。內管與外管中的制冷劑流向相反，兩者相遇時，內管的低溫、低壓氣態(tài)制冷劑因得到熱量而實現過熱，外管的高溫、高壓制冷劑因散熱而實現過冷，從而使冷凝器出口的高溫高壓液態(tài)制冷劑增加了額外的冷卻性能、蒸發(fā)器出口的低溫低壓氣態(tài)制冷劑進一步過熱，使壓縮機在制冷劑至相同壓力下，功耗減少，達到提升整個空調系統制冷能效的目的。如圖5，1-1'表示增加的過熱部分，3-3'表示增加的過冷部分。

使用同軸管，空調出風口溫度可降低1℃～3℃，且燃油消耗降低。

2.2 采用集成油分離器的高效壓縮機

空調壓縮機是空調系統的心臟，是推動制冷劑在制冷系統中不斷循環(huán)的動力源，在相當大的程度上決定著系統的制冷性能。

在空調系統中，壓縮機的冷凍機油與制冷劑混合后在系統中循環(huán)，冷凍機油進入換熱器后會粘附在管道壁面上，增加制冷劑的流動阻力，且形成一層熱阻影響換熱器換熱性能，從而影響系統制冷能力。所以從空調系統制冷能力方面考慮，制冷劑中含油量越少越好。但壓縮機冷凍機油也影響壓縮機運行的可靠性，壓縮機冷凍機油潤滑壓縮機內的各運動部件，既減少摩擦和磨損，也起到冷卻作用，將運動部件保持較低溫度，以提高效率。所以壓縮機內也須保持一定量的冷凍機油。

采用集成油分離器的壓縮機，在壓縮機排出冷凍機油與制冷劑混合物之前將冷凍機油分離一部分然后回到壓縮機，使系統中的循環(huán)油量減少，有效降低系統中的油循環(huán)率，提升蒸發(fā)器內制冷劑的換熱效率。同時使排出壓縮機的一部分冷凍油又重新回到壓縮機，保證壓縮機運轉可靠性。

采用內置式油分離器的汽車空調系統，系統的油循環(huán)率明顯降低，制冷量約提高10%[1]。

2.3 雙驅空調系統

傳統空調系統，空調壓縮機由發(fā)動機或輔助發(fā)動機帶傳動，從而為整個空調系統提供動力輸出。當發(fā)動機停止運行時空調系統無法運行。在炎熱的夏天，駐車時，要保證駕駛室內的涼爽舒適性，發(fā)動機只能怠速運行，空調系統才能正常運轉，但會付出油耗的代價，而且發(fā)動機長時間怠速運行會加速部件磨損甚至產生積碳，發(fā)動機怠速狀態(tài)下運行空調系統油耗約為2L/h。

圖6 雙驅壓縮機原理圖

采用雙驅空調系統可解決此問題，達到節(jié)能的目的。雙驅空調系統的工作原理同蒸發(fā)式空調系統，采用雙驅壓縮機技術（原理見圖6），同時冷凝器增加冷凝風扇，即行車時為帶傳動壓縮機驅動，發(fā)動機為動力源；駐車時為電動壓縮機驅動，蓄電池為動力源（系統原理見圖7）。如此，在駐車時只需要消耗部分電能就可保證駕駛室內的涼爽舒適性，減少燃油消耗。

圖7 雙驅空調系統原理圖

2.4 高效智能空調系統

高效智能空調系統采用多傳感器技術，通過伺服電機或步進電機根據駕駛員設定溫度不斷檢測車內外溫度，太陽輻射等車內外環(huán)境變化，實現模式、內外循環(huán)、風量調節(jié)和溫度自動調節(jié)等功能，并且引入壓力采集更細分的壓力傳感器、更高效節(jié)能的外控式變排量壓縮機。構成更高效、自動控制精細化程度更高、更節(jié)能的空調系統。

圖8 高效智能空調原理框圖

采用外控式變排量壓縮機技術，可以根據環(huán)境溫度，發(fā)動機轉速，太陽輻射強度，車內溫度，送風溫度，送風風向以及空調模式設定等參數，由空調控制器來確定控制信號，再由外部（電磁）控制閥來控制壓縮機合適的排量，這樣可以根據當時的冷負荷情況確定一個合適的吸氣壓力，不需要再熱，從而達到節(jié)能的目的。

外控式變排量壓縮機的原理見圖8，根據各個傳感器發(fā)來的信號，空調控制器計算需要的壓縮機容量，并通過通斷頻率控制壓縮機電磁閥開關來調節(jié)容量。在無電流時，閥門開啟，高壓腔和壓縮機斜盤箱相通，高壓腔的壓力（即排氣壓力Pd）和斜盤箱的壓力（即控制壓力Pc）達到平衡，壓縮機的排量為0；在高熱負荷時，電流增加→吸引力（即電磁力）增加→閥門關閉→控制壓力Pc 降低→斜盤的傾斜角度加大直至達到100%的排量；在低熱負荷時，電流減小→吸引力（即電磁力）降低→閥門打開→控制壓力Pc 升高→斜盤的傾斜角度減小直至低于2%的排量。

當系統的低壓較高時，真空膜盒被壓縮，閥門挺桿被松開，繼續(xù)向下移動使得高壓腔和斜盤箱進一步被隔離，從而使壓縮機達到100%的排量；當系統的吸氣壓力特別低時，壓力元件被釋放，使挺桿的調節(jié)行程受到限制，這就意味著高壓腔和斜盤箱不再能完全被隔斷，從而使壓縮機的排量變小。

圖9 外控式變排量壓縮機原理圖

外控式變排量壓縮機的優(yōu)點：壓縮機一直運轉，無接合沖擊，提高了舒適性；通過調節(jié)蒸發(fā)器的溫度使制冷量和熱負荷及能量消耗完美匹配，減少了再加熱過程，使出風口的溫度，濕度恒定調節(jié)；壓縮機的功率消耗下降，燃油消耗下降。

壓力傳感器是由壓敏元件和轉換電路組成，利用被測介質壓力作用在壓敏元件上產生一個微小變化的電流或電壓輸出。傳感器需要同外部放大電路配合使用才能完成從壓力檢測到控制、顯示等過程?？梢允悄M信號，也可以是數字信號，后級處理方便，也可以變成標準變送器信號用于遠程傳輸。

壓力傳感器實時監(jiān)測空調系統壓力，控制模塊采集壓力傳感器的電壓或電流信號，根據采集的信號判斷空調系統壓力變化從而調節(jié)發(fā)動機風扇轉速，既保證空調冷凝器的散熱需求同時也減少了發(fā)動機風扇直連或高速運轉的時間，有效地降低了發(fā)動機功耗。相對于現行空調系統采用的三態(tài)壓力開關更節(jié)能，對系統壓力的監(jiān)測由高中低壓力檔位狀態(tài)升級為線性控制，控制細分化、精確化程度更高。

2.5 雙溫區(qū)自動恒溫空調系統技術

圖10 電器件構架圖

自動恒溫雙溫區(qū)空調系統能夠同時分別對車內兩個區(qū)域（左右）的出風溫度、風量、吹風模式進行獨立的自動控制。即可根據主駕和副駕的設定溫度，由左右儀表吹臉出風口、左右吹腳出風口、左右除霜出風口吹出與左右設定溫度相對應的溫度、風量、模式。同時根據陽光輻射強度，分別對左右溫區(qū)進行不同的補償。由于可以對主駕和副駕進行獨立區(qū)域控制，所以能夠滿足主駕和副駕人員的不同舒適度需求，也能根據冷負荷的不同降低壓縮機功耗。

3 結論

汽車空調系統的好壞直接影響車內的舒適性、司乘環(huán)境、經濟性。在汽車空調開發(fā)時應該考慮在不降低舒適性的前提下盡量節(jié)約能源，降低能耗。