基于某車型開發(fā)的空調(diào)系統(tǒng)制冷性能提升

陳燕梅， 宗 新， 高李明， 楊河清

（1.南京理工大學(xué)， 江蘇 南京 210094；2.南京依維柯汽車有限公司， 江蘇 南京 211806）

汽車空調(diào)能改善駕駛員的工作條件，隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，用戶對(duì)汽車的舒適性要求越來越高，空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能效果的好壞甚至?xí)绊懙娇蛻糍徺I商用車的欲望。因某車型開發(fā)更改了頂蓋的材料降低了整車的隔熱效果，本文從成本和開發(fā)周期考慮，重新進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能，滿足制定的制冷目標(biāo)。

1 汽車空調(diào)系統(tǒng)工作原理

汽車空調(diào)系統(tǒng)一般由制冷系統(tǒng)、暖風(fēng)系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器帶風(fēng)機(jī)總成、儲(chǔ)液罐、膨脹閥和蒸發(fā)器（帶風(fēng)機(jī)總成） 組成。制冷原理為：低壓（低溫） 液態(tài)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，由于制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)氣化時(shí)的溫度低于管外空氣的溫度，因此能自動(dòng)吸收車內(nèi)空氣中的熱量，使空氣的溫度降低，產(chǎn)生冷效應(yīng)。然后，氣化了的制冷劑通過壓縮機(jī)壓縮，變成溫度高于車外空氣的高溫高壓氣體。這時(shí)，制冷劑通過布置在車外的冷凝器將熱量釋放到大氣中，制冷劑放熱變成高壓（高溫） 液態(tài)制冷劑。最后，經(jīng)過膨脹閥，恢復(fù)到低壓（低溫） 液態(tài)，如圖1所示。所以，當(dāng)空調(diào)要進(jìn)行制冷時(shí)，必須開啟壓縮機(jī)使制冷劑循環(huán)，從而降低車內(nèi)溫度。

2 某車型原狀態(tài)空調(diào)系統(tǒng)制冷性能

原車為客車車型，座位數(shù)11人，整車尺寸為4850×2000×2495，配備8kW空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)具體配置見表1。

按照企業(yè)的空調(diào)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，降溫效果、壓力試驗(yàn)在下述條件下滿足要求即達(dá)標(biāo)，具體要求見表2、表3。經(jīng)過環(huán)模試驗(yàn)，原車型的空調(diào)系統(tǒng)制冷效果見表4。

圖1 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)原理圖

表1 某車型空調(diào)系統(tǒng)配置

表2 降溫試驗(yàn)性能指標(biāo)

表3 壓力試驗(yàn)性能指標(biāo)

3 某車型新狀態(tài)的更改范圍

根據(jù)市場(chǎng)需求、產(chǎn)品定位、法規(guī)要求，因某款車型開發(fā)而修改車身的范圍如下。

1） 開發(fā)鐵頂：把玻璃鋼頂改鐵頂。

2） 開發(fā)高后開門：在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，加高車門上框尺寸，標(biāo)配高后開門，開度為90°和180°配置。

3） 開發(fā)側(cè)拉門：側(cè)拉門結(jié)構(gòu)形式和門附件借用已有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，滑動(dòng)副采用上中部承載，下部導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)形式，門鎖布置在后中部，采用一體式鎖，其中中控線束方式采用閉鎖接觸開關(guān)，最大開啟限位機(jī)構(gòu)，采用下滑軌導(dǎo)向槽末端Z型彈性鋼片。

4） 開發(fā)天窗：根據(jù)GB 13094-2017《客車結(jié)構(gòu)安全要求》法規(guī)4.5.2.6的要求，客車后圍增加一出口。

從上述車身更改范圍可以看出，車身的修改影響整車的保溫性能，自然影響空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果。參照J(rèn)T/T 216-2006《客車空調(diào)技術(shù)條件》對(duì)車身保溫能力的要求，在環(huán)境艙里模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為：環(huán)境溫度穩(wěn)定在40℃、熱輻射900W/㎡。試驗(yàn)結(jié)果從圖2可以看出新狀態(tài)的保溫性能比原狀態(tài)的差：整車從28℃升至35℃，某車型新狀態(tài)歷時(shí)2min5s，原狀態(tài)歷時(shí)3min45s；整車從25℃升至40℃，某車型新狀態(tài)歷時(shí)8min5s，原狀態(tài)歷時(shí)13min35s。

圖3 同款產(chǎn)品不同軸距的座椅頭部平均溫度新老狀態(tài)對(duì)比

4 某車型空調(diào)系統(tǒng)整改方案

影響車輛空調(diào)制冷性能的因素很多，如車輛密封性、汽車行駛速度、壓縮機(jī)性能、冷凝器的散熱能力、膨脹閥的開啟度、系統(tǒng)的壓力大小、冷媒加注量等。由于車輛的保溫變差，在不做任何變更的情況下，整車的空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果變差。按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，完成同款產(chǎn)品不同軸距的整車的降溫效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果從圖3可以看出：新狀態(tài)的整車降溫性能不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

為了滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)某車型的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行整改，結(jié)合實(shí)際情況，經(jīng)過計(jì)算和對(duì)比，形成以下3種技術(shù)方案，具體見表5。

經(jīng)過評(píng)審和討論，方案3既能滿足項(xiàng)目開發(fā)周期短，又能滿足成本要求。目前企業(yè)使用的壓縮機(jī)為7H15、WXH106、WXH166及其SP20。WXH166和SP20的壓縮機(jī)的換熱性能適合10kW的換熱系統(tǒng)，7H15、WXH106壓縮機(jī)的換熱性能（圖4） 更適合8kW的空調(diào)系統(tǒng)。兩款壓縮機(jī)的傳動(dòng)比（發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸帶輪直徑/壓縮機(jī)離合器帶輪直徑） 相當(dāng) （約1.42），結(jié)合圖4的性能曲線分析：7H15的壓縮機(jī)的性能比WXH106壓縮機(jī)的差，不能滿足8kW系統(tǒng)要求；活塞式7H15的壓縮機(jī)高速性能低于WXH106壓縮機(jī)，但低速性能略好。兩款壓縮機(jī)的整車狀態(tài)的環(huán)模試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

表5 某車型空調(diào)系統(tǒng)整改方案

圖5 WXH106和7H15的空調(diào)系統(tǒng)座椅頭部平均溫度對(duì)比

從壓縮機(jī)換熱性能曲線和環(huán)模試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，更換7H15的壓縮機(jī)不合適，需要找一款在低速情況下?lián)Q熱性能較好的壓縮機(jī)。經(jīng)過計(jì)算和評(píng)估，從產(chǎn)品系列外尋找體系內(nèi)供應(yīng)商，確定成本較低的SE10B17 的壓縮機(jī)較合適。SE10B17壓縮機(jī)的具體參數(shù)曲線圖如圖6所示，與7H15的壓縮機(jī)對(duì)比見表6。

圖6 SE10B17壓縮機(jī)性能曲線

表6 7H15壓縮機(jī)與10B17壓縮機(jī)的參數(shù)對(duì)比

某車型空調(diào)系統(tǒng)采用10B17的壓縮機(jī)，管路做適應(yīng)性更改，其他零部件不變的情況下，完成整車空調(diào)系統(tǒng)降溫試驗(yàn)，結(jié)果為：試驗(yàn)30min后，座椅頭部平均溫度22.68℃；試驗(yàn)60min后，座椅頭部平均溫度21.44℃；試驗(yàn)90min后，座椅頭部平均溫度24.86℃；試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)高壓不超過2.1MPa，低壓不超過0.3 MPa。所以，某車型選擇10B17的壓縮機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)，它的制冷性能能夠滿足整車目標(biāo)，但是成本需要增加106元?？紤]到開發(fā)周期少于1年，該車型的年銷售量約2000臺(tái)，更改壓縮機(jī)的方案最優(yōu)。

5 結(jié)論

本文從某車型修改車身降低了整車的保溫性能出發(fā)，以提高某車型的空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果來滿足標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，快速響應(yīng)開發(fā)新的空調(diào)系統(tǒng)?？紤]開發(fā)周期、成本及其年銷量，在對(duì)整車布置和空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不做大的改動(dòng)下，選擇合適的壓縮機(jī)發(fā)揮整個(gè)制冷系統(tǒng)的效能是最優(yōu)的方案。