重型載貨車駐車空調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉文元 段振濤 姚紅 梁海明

【摘要：】為了滿足載貨車司乘人員在駐車休息或停車待貨時(shí)使用車載空調(diào)在駕駛室休息的需求，文章將某重型商用車配裝的柴油發(fā)動機(jī)搭載的發(fā)電機(jī)改為發(fā)電-電動一體機(jī)，通過電機(jī)控制器使發(fā)電-電動一體機(jī)按車輛的使用場景在發(fā)電機(jī)與電動機(jī)兩種工作模式下相互切換，并優(yōu)化發(fā)動機(jī)曲軸與發(fā)電-電動一體機(jī)及空調(diào)壓縮機(jī)之間的傳動方式，使車載空調(diào)可以在發(fā)動機(jī)曲軸間接驅(qū)動與電機(jī)直接驅(qū)動兩種方式間切換，以滿足載貨車發(fā)動機(jī)停機(jī)時(shí)司乘人員使用空調(diào)的要求。

【關(guān)鍵詞：】車用空調(diào);駐車空調(diào);電動空調(diào);發(fā)電-電動一體機(jī)

U260.9+2A591953

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，載貨車駕乘舒適性的提升已經(jīng)成為提高產(chǎn)品競爭力的方向之一。重型載貨車多為長途運(yùn)輸，在其使用過程中經(jīng)常會遇到堵車、裝卸貨、休息等非行駛狀態(tài)，由于其使用場景的特殊性，司乘人員經(jīng)常需要開啟空調(diào)讓駕駛室降溫，而現(xiàn)有的載貨車原車空調(diào)采用發(fā)動機(jī)皮帶驅(qū)動，空調(diào)開啟時(shí)發(fā)動機(jī)不能停機(jī)，發(fā)動機(jī)怠速的燃油消耗增加了車輛的使用成本，且易對環(huán)境造成污染。發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)燃燒不充分，排放的廢氣中含有CO等大量有害氣體，積聚在車輛的周圍對司乘人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為了滿足駐車時(shí)使用空調(diào)的需求，通過后期改裝增加一套駐車空調(diào)，即利用電瓶供電的外掛空調(diào)來滿足駐車時(shí)駕駛室的制冷需求。常見的有如下幾種：（1）頂置式駐車空調(diào)采用一體機(jī)結(jié)構(gòu)，安裝在駕駛室天窗位置，結(jié)構(gòu)簡單，但運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲大，隔振與密封材料老化易導(dǎo)致密封處漏水;（2）背包式駐車空調(diào)采用了家用壁掛式空調(diào)的外形，外機(jī)掛在駕駛室背后，內(nèi)外機(jī)距離短，效率高，但行車過程中的振動容易導(dǎo)致空調(diào)制冷銅管斷裂;（3）并聯(lián)式駐車空調(diào)安裝一個(gè)獨(dú)立的壓縮機(jī)與冷凝器，并接入原車的空調(diào)系統(tǒng)，但安裝難裝大;（4）趙強(qiáng)[1]提出的雙動力源車用空調(diào)壓縮機(jī)傳動系統(tǒng)利用行星齒輪機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)與發(fā)動機(jī)皮帶的混合驅(qū)動既滿足駐車空調(diào)的需求，又使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文通過對車載空調(diào)系統(tǒng)駐車時(shí)使用工況的分析，提出了一種新的駐車空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，本文提出的方案具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點(diǎn)，具備很好的工程應(yīng)用前景。

1 方案設(shè)計(jì)

本文通過將車載發(fā)電機(jī)改造成發(fā)電-電動一體機(jī)，并優(yōu)化曲軸與發(fā)電-電動一體機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)的傳動方式，通過電機(jī)控制器在發(fā)動機(jī)停機(jī)時(shí)使發(fā)電-電動一體機(jī)作為電動機(jī)使用來驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足司乘人員駐車時(shí)使用空調(diào)的要求。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時(shí)，發(fā)動機(jī)曲軸皮帶輪通過傳動皮帶Ⅰ及單向皮帶輪帶動發(fā)電-電動一體機(jī)、電機(jī)皮帶輪一起旋轉(zhuǎn)，此時(shí)發(fā)電-電動一體機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，為整車電器供電及電瓶充電，同時(shí)通過傳動皮帶Ⅱ帶動電磁離合器空轉(zhuǎn);當(dāng)駕駛員通過空調(diào)控制系統(tǒng)開啟空調(diào)時(shí)，電磁離合器吸合帶動空調(diào)壓縮機(jī)工作為駕駛室制冷。

當(dāng)發(fā)動機(jī)停機(jī)時(shí)，駕駛員通過空調(diào)控制系統(tǒng)開啟空調(diào)需滿足兩個(gè)條件：

（1）電機(jī)控制器需要檢測并確認(rèn)發(fā)動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)信號。

（2）電機(jī)控制器需要檢測電瓶電壓，當(dāng)電瓶電壓>22.5 V時(shí)才可啟動空調(diào)，以避免空調(diào)系統(tǒng)過度消耗蓄電池電量導(dǎo)致整車無法啟動。

當(dāng)上述條件滿足時(shí)，電機(jī)控制器使發(fā)電-電動一體機(jī)工作在電動機(jī)模式下，由電瓶供電驅(qū)動發(fā)電-電動一體機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并由電機(jī)皮帶輪、傳動皮帶Ⅱ帶動電磁離合器殼空轉(zhuǎn)。同時(shí)，空調(diào)控制器控制電磁離合器吸合帶動空調(diào)壓縮機(jī)工作為駕駛室制冷，并控制電子風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)發(fā)電-電動一體機(jī)上的電機(jī)皮帶輪外圈因?yàn)閭鲃悠Б竦淖枇ψ饔帽３朱o止，內(nèi)圈則隨電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)。

2 主要參數(shù)

本文方案基于某品牌的所配裝的11 L國六柴油發(fā)動機(jī)所搭載的電動機(jī)及空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)的主要性能參數(shù)如表1～3所示。

2.1 發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)

2.2 發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)

2.3 空調(diào)壓縮機(jī)的主要參數(shù)

排量為155 cc的空調(diào)壓縮機(jī)在工況為Pd/Ps=1.650/0.284 MPa（A），SC/SH=5/10 ℃時(shí)的性能如表4、圖2所示。

3 設(shè)計(jì)校核

根據(jù)表1～3的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出原車發(fā)動機(jī)曲軸皮帶輪直徑D曲軸、電機(jī)皮帶輪直徑D電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)皮帶輪直徑D壓縮機(jī)的比為：

由此可知，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)的最低及最高工作轉(zhuǎn)速分別如下：

n壓縮機(jī)min=D曲軸D壓縮機(jī)×n怠速Ⅱ=206119×800=1 385（r/min）

n壓縮機(jī)max=D曲軸D壓縮機(jī)×n=206119×1 900=3 289（r/min）

當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作時(shí)，發(fā)電-電動一體機(jī)驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)工作，需綜合考慮空調(diào)制冷性能、系統(tǒng)續(xù)航能力及成本。因商用車供電系統(tǒng)采用24 V電源，由P=U×I可知，當(dāng)電機(jī)功率過大時(shí)會導(dǎo)致供電線路的電流過大，而電流過大會引起線路發(fā)熱。為避免供電線路過熱產(chǎn)生安全事故，需采用大直徑線纜供電;為了提高駐車時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的使用時(shí)間，需采用多組電瓶并聯(lián)的方案來增大蓄電池的容量。因此，駐車時(shí)用電驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)不能一味地追求制冷性能，應(yīng)在滿足用戶基本需求的情況下盡量減少蓄電池電量的消耗。根據(jù)市場調(diào)查結(jié)果[2]，當(dāng)室外溫度為35 ℃時(shí)，駕駛室溫度維持在26 ℃左右，用戶在駕駛室休息時(shí)感覺較為滿意。因此，將駕駛室溫度維持在26 ℃作為駐車時(shí)空調(diào)壓縮機(jī)的制冷量需求，來核算發(fā)電-電動一體機(jī)在作為電動機(jī)使用時(shí)的輸出功率。

重型卡車駕駛室開啟空調(diào)維持駕駛室內(nèi)溫度為26 ℃時(shí)，夏季時(shí)駕駛室各時(shí)刻總體冷負(fù)荷如表5所示[3]。

由表5可知，駕駛室需要的最大冷負(fù)荷為4 094 w;根據(jù)圖2所示，當(dāng)空調(diào)壓縮機(jī)制冷量在4 094 w時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為n′壓縮機(jī)=1 454 r/min，需要消耗的功耗為P′壓縮機(jī)=1.8 kW;由表2、表3電機(jī)皮帶輪直徑D電機(jī)與壓縮機(jī)皮帶輪直徑D壓縮機(jī)可求得電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

n電機(jī)=D壓縮機(jī)D電機(jī)×n′壓縮機(jī)=11960×1 454=2 884（r/min）

根據(jù)電機(jī)改造要求，取電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為3 000（r/min）。

考慮電機(jī)的效率、傳動損失及功率儲備要求，發(fā)電-電動一體機(jī)的額定功率按壓縮機(jī)的實(shí)際需求功率的1.1倍計(jì)算，可知發(fā)電-電動一體機(jī)的額定功率為：

P電機(jī)=1.1×P壓縮機(jī)=1.1×1.8=1.98 kW

綜上，改造后的發(fā)電-電動一體機(jī)的性能參數(shù)如表6所示，即可滿足駐車空調(diào)的使用要求。

目前駐車空調(diào)后裝市場根據(jù)用戶需求，加裝的最大容量的蓄電池為Q=220 AH，商用車采用U=24 V電壓供電系統(tǒng)，可以測算出駐車時(shí)采用蓄電池給發(fā)電-電動一體機(jī)供電驅(qū)動空調(diào)壓縮時(shí)最短可連續(xù)使用的時(shí)間t為：

t=Qp電機(jī)×U=2201 980×24=2.67 h

4 結(jié)語

綜上所述，采用發(fā)電-電動一體機(jī)對現(xiàn)有載貨車輛的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，只需對發(fā)動機(jī)上的發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)布置方案進(jìn)行局部優(yōu)化，即可完成對整車動力系統(tǒng)的重新配套。此方案無須改變整車空調(diào)系統(tǒng)布置及零件，不影響整車的生產(chǎn)效率，整車廠對方案變更的可接受程度較高。由于方案優(yōu)化只涉及發(fā)動機(jī)上的零件，針對售后市場需加裝駐車空調(diào)的客戶，具有改裝成本低、方案簡單的特點(diǎn)，無車輛的外觀改變引起的違法風(fēng)險(xiǎn)。本方案共用了原車空調(diào)系統(tǒng)且在不改變其制冷性能的條件下，解決了載貨車用戶駐車或停車待貨時(shí)在駕駛室休息的舒適性難題?，F(xiàn)有載貨車輛車載蓄電池最大的容量為220 AH，按本方案的電機(jī)功率核算，蓄電池的電量僅能維持駐車空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)工作3 h左右，與用戶實(shí)際希望在不啟動發(fā)動機(jī)的情況下使用8 h的時(shí)長存在差異。目前可根據(jù)具體的客戶需求，通過并聯(lián)蓄電池來增大電池容量的方案來提高續(xù)航能力。但此方案會使整車成本及空載質(zhì)量增加，影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性及載貨重量。因此，除了優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的能效比外，后續(xù)改進(jìn)方向主要是通過PI控制[4]來優(yōu)化電驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)工作時(shí)的能耗，以及提升車輛駕駛室絕熱保溫性能來降低車輛駕駛室的總冷負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)：

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