陳燕梅, 宗 新, 高李明, 楊河清
(1.南京理工大學, 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)競爭日益激烈,用戶對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會影響到客戶購買商用車的欲望。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,重新進行方案設計,以提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能,滿足制定的制冷目標。
汽車空調(diào)系統(tǒng)一般由制冷系統(tǒng)、暖風系統(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、冷凝器帶風機總成、儲液罐、膨脹閥和蒸發(fā)器(帶風機總成) 組成。制冷原理為:低壓(低溫) 液態(tài)制冷劑進入蒸發(fā)器,由于制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)氣化時的溫度低于管外空氣的溫度,因此能自動吸收車內(nèi)空氣中的熱量,使空氣的溫度降低,產(chǎn)生冷效應。然后,氣化了的制冷劑通過壓縮機壓縮,變成溫度高于車外空氣的高溫高壓氣體。這時,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,恢復到低壓(低溫) 液態(tài),如圖1所示。所以,當空調(diào)要進行制冷時,必須開啟壓縮機使制冷劑循環(huán),從而降低車內(nèi)溫度。
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)試驗標準,降溫效果、壓力試驗在下述條件下滿足要求即達標,具體要求見表2、表3。經(jīng)過環(huán)模試驗,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 降溫試驗性能指標
表3 壓力試驗性能指標
根據(jù)市場需求、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)品的基礎上,加高車門上框尺寸,標配高后開門,開度為90°和180°配置。
3) 開發(fā)側拉門:側拉門結構形式和門附件借用已有產(chǎn)品的結構,滑動副采用上中部承載,下部導向的結構形式,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,最大開啟限位機構,采用下滑軌導向槽末端Z型彈性鋼片。
4) 開發(fā)天窗:根據(jù)GB 13094-2017《客車結構安全要求》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JT/T 216-2006《客車空調(diào)技術條件》對車身保溫能力的要求,在環(huán)境艙里模擬試驗,試驗工況為:環(huán)境溫度穩(wěn)定在40℃、熱輻射900W/㎡。試驗結果從圖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2min5s,原狀態(tài)歷時3min45s;整車從25℃升至40℃,某車型新狀態(tài)歷時8min5s,原狀態(tài)歷時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)對比
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)標準,完成同款產(chǎn)品不同軸距的整車的降溫效果對比實驗,試驗結果從圖3可以看出:新狀態(tài)的整車降溫性能不符合企業(yè)標準。
為了滿足企業(yè)標準,需要對某車型的空調(diào)系統(tǒng)進行整改,結合實際情況,經(jīng)過計算和對比,形成以下3種技術方案,具體見表5。
經(jīng)過評審和討論,方案3既能滿足項目開發(fā)周期短,又能滿足成本要求。目前企業(yè)使用的壓縮機為7H15、WXH106、WXH166及其SP20。WXH166和SP20的壓縮機的換熱性能適合10kW的換熱系統(tǒng),7H15、WXH106壓縮機的換熱性能(圖4) 更適合8kW的空調(diào)系統(tǒng)。兩款壓縮機的傳動比(發(fā)動機曲軸帶輪直徑/壓縮機離合器帶輪直徑) 相當 (約1.42),結合圖4的性能曲線分析:7H15的壓縮機的性能比WXH106壓縮機的差,不能滿足8kW系統(tǒng)要求;活塞式7H15的壓縮機高速性能低于WXH106壓縮機,但低速性能略好。兩款壓縮機的整車狀態(tài)的環(huán)模試驗結果如圖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比
從壓縮機換熱性能曲線和環(huán)模試驗數(shù)據(jù)可以看出,更換7H15的壓縮機不合適,需要找一款在低速情況下?lián)Q熱性能較好的壓縮機。經(jīng)過計算和評估,從產(chǎn)品系列外尋找體系內(nèi)供應商,確定成本較低的SE10B17 的壓縮機較合適。SE10B17壓縮機的具體參數(shù)曲線圖如圖6所示,與7H15的壓縮機對比見表6。
圖6 SE10B17壓縮機性能曲線
表6 7H15壓縮機與10B17壓縮機的參數(shù)對比
某車型空調(diào)系統(tǒng)采用10B17的壓縮機,管路做適應性更改,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,結果為:試驗30min后,座椅頭部平均溫度22.68℃;試驗60min后,座椅頭部平均溫度21.44℃;試驗90min后,座椅頭部平均溫度24.86℃;試驗過程中,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的壓縮機的空調(diào)系統(tǒng),它的制冷性能能夠滿足整車目標,但是成本需要增加106元。考慮到開發(fā)周期少于1年,該車型的年銷售量約2000臺,更改壓縮機的方案最優(yōu)。
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準為目標,快速響應開發(fā)新的空調(diào)系統(tǒng)??紤]開發(fā)周期、成本及其年銷量,在對整車布置和空調(diào)系統(tǒng)結構不做大的改動下,選擇合適的壓縮機發(fā)揮整個制冷系統(tǒng)的效能是最優(yōu)的方案。