高溫氣候下汽車空調性能優(yōu)化設計與效果分析

孫玉，郁強，唐鵬，張恒，曾濤

（上汽集團商用車技術中心，上?！?00438）

高溫氣候下汽車空調性能優(yōu)化設計與效果分析

孫玉*，郁強，唐鵬，張恒，曾濤

（上汽集團商用車技術中心，上海200438）

為了解決中東地區(qū)高溫氣候下汽車空調降溫效果差及系統(tǒng)壓力過高的問題，本文提出了空調系統(tǒng)性能優(yōu)化設計的方案。針對高溫氣候下冷負荷增大導致的冷凝器負荷增大的特點，設計了一套副冷凝器系統(tǒng)；通過更換后空調風道保溫材料降低了風道內的冷量損失，通過增加窗簾減少了環(huán)境向車內傳遞的熱負荷；在增加副冷凝器系統(tǒng)后，冷媒充注量也相應增加了270 g。實驗測試了優(yōu)化方案實施前后的空調系統(tǒng)的性能。實驗結果表明，行車過程中前出風口溫度降低了6 ℃，后出風口溫度降低了8 ℃左右。本文提出的優(yōu)化方案實施效果良好，能有效解決高溫氣候下汽車空調存在的一些問題。1

汽車空調；高溫氣候；充注量；優(yōu)化效果

0　引言

高溫空調主要應用在特種運載裝備等高溫和寬溫度變化范圍的環(huán)境，要求其在高溫環(huán)境下能夠穩(wěn)定、可靠運行［1］。空調系統(tǒng)在高溫環(huán)境下是否具有良好的制冷性能，其技術關鍵在于空調系統(tǒng)的結構設計。

已有對于高溫空調裝置的研究表明，在高溫空調裝置中通過增加渦流管［2］、卸荷閥和卸荷毛細管［3］、輔助噴液制冷系統(tǒng)［4-5］，可以提高空調系統(tǒng)在高溫環(huán)境下運行的可靠性；通過采用混合制冷劑、控制混合制冷劑的配比，可以調節(jié)制冷量的變化［6-8］。對于車用高溫空調系統(tǒng)，中高溫混合制冷劑的合理使用可改善制冷系統(tǒng)的高溫運行性能和可靠性，拓寬其運行溫度范圍［1］。

上述研究主要是針對家用空調、特種車用空調。對于乘用車，已有的研究主要針對制冷量不足的故障問題［9-11］。在中國市場正常上市銷售的乘用車，直接出口到中東市場，因為高溫氣候會導致空調降溫效果差及系統(tǒng)壓力過高的問題，不能滿足中東市場的技術要求［12］。本文提出通過增加副冷凝器、更換保溫材料、增加窗簾等方案，改進汽車空調高溫氣候下的空調性能，解決高溫氣候下汽車空調降溫效果差及系統(tǒng)壓力過高的問題。

1　中東地區(qū)高溫氣候下商用汽車空調存在問題及初步改進方案分析

中東地區(qū)高溫氣候下商用車的使用工況（環(huán)境溫度45 ℃，太陽輻射1，200 W/m2，起始車內溫度60 ℃）?？蛻羝谕?5分鐘內頭部溫度低于25℃、出風口溫度在4 ℃～8 ℃。某款國產(chǎn)商用汽車怠速降溫能力為出風口15 ℃，頭部溫度28 ℃左右。

針對客戶的需要，通過將發(fā)動機怠速轉速由800 r/min提升至1，000 r/min、增加冷凝風扇高檔運行時間、前擋玻璃增加Solar綠玻配置等簡單的改進方案，來驗證是否能夠滿足客戶需求。驗證結果如表1所示。

由表1可知，更改前后對比，15 min出風口溫度降低3.6 ℃，頭部溫度降低2.9 ℃，主觀評估反饋有較大改善，但前排出風口溫度仍未達到客戶期望。因此，除了發(fā)動機怠速進一步提升之外，還需要輔助其他的改進措施。

表1　初步改進方案的實施效果及評價

2　高溫氣候下商用汽車空調的冷負荷及改進措施

為了滿足高溫氣候下客戶對汽車空調制冷要求，需要對現(xiàn)有的空調負荷及部件進行校核，找出合理的改進方向。

本文選用某商用汽車作為分析對象。空調系統(tǒng)原理如圖1所示。

針對中東地區(qū)的商用汽車空調冷負荷計算所需的工況如表2所示。

圖1　某商用汽車空調系統(tǒng)示意圖

表2　中東地區(qū)高溫氣候商用汽車冷負荷計算工況

汽車空調冷負荷的計算公式［13-14］為：

式中：

Q1——車頂/外圍底板等車身外構件傳入的熱量；

Q2——玻璃傳入的熱量；

Q3——發(fā)動機室傳入的熱量；

Q4——室外送風/空氣泄漏傳入的熱量；

Q5——車內人員、車內電機及照明燈等的散熱量；

K——修正系數(shù)。

根據(jù)公式（1）得出中東地區(qū)高溫氣候下空調冷負荷為12.5 kW。根據(jù)空調制冷系統(tǒng)壓-焓圖進行分析，并考慮惡劣環(huán)境條件下的修正余量，對原有空調系統(tǒng)部件熱負荷校核計算，結果匯總如表3所示。根據(jù)表3進行改進設計時，增加副冷凝器的同時需要增加制冷劑充注量［15-17］。通過上述措施，有望解決空調系統(tǒng)在高溫氣候下運行存在的問題。

表3　原有空調系統(tǒng)部件熱負荷校核及改進方案

3　改進方案的實施細節(jié)

改進方案的實施細節(jié)如下所述：

1）為了提高怠速工況下的空調效果，將發(fā)動機怠速由800 r/min提升為1，100 r/min；

2）為了減少整車熱負荷，最見效的方案是在兩側玻璃內通過增加窗簾（如圖2所示），以阻擋陽光直射、減少玻璃傳遞的熱量；

3）為了提高制冷系統(tǒng)的冷凝量，設計了一個副冷凝器系統(tǒng)，工作原理如圖3所示；副冷凝器系統(tǒng)的安裝設計到電器線束、動力空調標定策略、車身焊接支架及植釘、轉向助力管理系統(tǒng)等；增加的副冷凝器系統(tǒng)示意圖如圖4所示；增加副冷凝器系統(tǒng)的同時，系統(tǒng)制冷劑充注量由1，750 g增加到2，020 g；

4）為了減少空調風道冷量損失，將后空調風道的保溫材料進行了改進，由5 mm厚PU開孔發(fā)泡、克重25 kg/m3、部分包覆的保溫方案，改為6 mm厚EPDM閉孔發(fā)泡、克重80 kg/m3、風道全包覆的保溫方案。

上述改進方案的實施，單車成本累計共增加約730元。

圖2　兩側玻璃內增加窗簾

圖3　增加副冷凝器的工作原理示意圖

圖4　副冷凝器系統(tǒng)示意圖

4　改進方案的實施效果實驗及分析

改進方案實施效果的實驗示意圖如圖5所示。實驗環(huán)境溫度為45 ℃，光照強度為1，000 W；運行工況包括：車速50 km/h運行20分鐘（內循環(huán)）、車速80 km/h運行20分鐘（內循環(huán)）、車速50 km/h運行20分鐘（外循環(huán)）、車速80 km/h運行20分鐘（外循環(huán)）、怠速30分鐘（內循環(huán)）。改進方案的實施效果結果如表4和表5所示。

圖5　改進方案實施效果環(huán)境艙實驗示意圖

表4　改進方案實施前后系統(tǒng)壓力的對比

表5　改進方案實施前后溫度測點數(shù)據(jù)對比

由表4和5可知，經(jīng)過改進方案的實施，系統(tǒng)壓力降低，壓縮機效率提高；行車過程前出風口平均溫度降低6 ℃～7 ℃，后出風口平均溫度降低8 ℃左右。改進后的空調系統(tǒng)，滿足中東地區(qū)高溫氣候條件下客戶的需求，實現(xiàn)了優(yōu)化設計的目標。

5　結論

針對商用汽車在中東地區(qū)高溫氣候下空調溫降差及系統(tǒng)壓力過高的問題，提出了空調系統(tǒng)性能優(yōu)化設計的方案。設計了一套副冷凝器系統(tǒng)，通過更換后空調風道保溫材料降低了風道內的冷量損失，通過增加窗簾減少了環(huán)境向車內傳遞的熱負荷；在增加副冷凝器系統(tǒng)后，冷媒充注量增加了270 g。經(jīng)環(huán)境艙測試表明，優(yōu)化方案的實施能有效降低系統(tǒng)內的運行壓力，使得行車過程中前出風口溫度降低6℃～7 ℃、后出風口溫度降低8 ℃左右；優(yōu)化方案能夠有效解決高溫氣候下商用汽車空調存在的問題。

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Performance Optimal Design and Effect Analysis of Vehicle Air Conditioning System under High Temperature Climate

SUN Yu*，YU Qiang，TANG Peng，ZHANG Heng，ZENG Tao
（Commercial vehicle technology center of Shanghai Automotive Industry Corporation，Shanghai 200438，China）

In order to solve the problems of poor cooling effect and high system pressure of vehicle air conditioner under high temperature climate for Middle East，the optimal design scheme for air conditioning system was proposed.Aiming at the character of the increasing condenser heat load caused by the increase of cooling load under high temperature climate，a set of auxiliary condenser system was designed.The cooling capacity lost was decreased by replacing the thermal insulation material for the back side air duct of the air conditioner，and the heat load transfer from ambient to the inside of the vehicle was decreased by adding the curtain.The refrigerant charge amount was increased by 270 g corresponding to the addition of auxiliary condenser.The performances of the air conditioning systems before and after the optimization scheme implementation were tested.The test results show that，the outlet air temperatures of the front side and back side are decreased by 6oC and 8oC，respectively.The implementation effect of the optimization scheme is very good，and the optimization scheme proposed in the present study can effectively solve the problems for the air conditioner operating under high temperature climate.

Vehicle air conditioner；High temperature climate；Refrigerant charge amount；Optimization effect

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.202

*孫玉（1981-），女，工程師，本科。研究方向：汽車空調。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路2500號，郵編：200438。聯(lián)系電話：18818031151。E-mail：sunyu20030613@163.com。