高能效商用車(chē)空調(diào)匹配技術(shù)的研究

任建華，楊菲菲

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 前言

眾所周知，車(chē)載空調(diào)系統(tǒng)制冷時(shí)，壓縮機(jī)做功需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，造成油耗上升。為了滿足現(xiàn)階段工信部對(duì)于商用車(chē)油耗限值要求，各主機(jī)廠投入大量人力物力，努力設(shè)計(jì)研發(fā)高效節(jié)能的商用車(chē)型，目前輕型商用車(chē)空調(diào)系統(tǒng)普遍采用定排量壓縮機(jī)，整體能效比（COP）較低，顧客開(kāi)啟關(guān)閉空調(diào)時(shí)油耗差異明顯。而乘用車(chē)采用的變排量壓縮機(jī)技術(shù)路線，由于成本較高、耐候性較差等影響因素，不適用于競(jìng)爭(zhēng)激烈的商用車(chē)型，因此提高空調(diào)系統(tǒng)的能效比成為節(jié)油的關(guān)鍵。

空調(diào)系統(tǒng)的COP（能效比）可以通過(guò)提升來(lái)實(shí)現(xiàn)，空調(diào)系統(tǒng)零部件在現(xiàn)有的技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，系統(tǒng)部件之間需要進(jìn)行多輪次的匹配與耦合，空調(diào)系統(tǒng)和整車(chē)需要進(jìn)行匹配優(yōu)化，最終尋找到能效比、制冷性能和可靠性的最優(yōu)搭配。

2 高能效空調(diào)系統(tǒng)方案

2.1 技術(shù)原理

空調(diào)系統(tǒng)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率主要為空調(diào)壓縮機(jī)的做功，通過(guò)系統(tǒng)匹配對(duì)制冷量Q0和冷凝器散熱量Qk進(jìn)行提升，大幅提升COP，采用小功率壓縮機(jī)降低空調(diào)系統(tǒng)的做功，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。

2.2 壓縮機(jī)平臺(tái)選擇

根據(jù)整車(chē)的熱負(fù)荷（圖1），進(jìn)行壓縮機(jī)的排量計(jì)算，選擇141ml/r壓縮機(jī)代替167ml/r的壓縮機(jī)平臺(tái)作為優(yōu)化方案。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算

2.3 整車(chē)油耗計(jì)算

進(jìn)行整車(chē)的油耗分析計(jì)算，優(yōu)化后的壓縮機(jī)滿足降油耗的目標(biāo)。

按照我司輕型車(chē)項(xiàng)目上普遍應(yīng)用的油電轉(zhuǎn)化效率0.27，計(jì)算如下：

式中：δ——柴油的燃燒熱值，10267kcal/kg；ρ——柴油密度，835kg/m；η——油電轉(zhuǎn)化效率，0.35。

具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 整車(chē)油耗節(jié)能計(jì)算表

2.4 基于空調(diào)匹配的空調(diào)系統(tǒng)瓶頸識(shí)別

確認(rèn)壓縮機(jī)后，將新壓縮機(jī)帶入空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化，從整車(chē)的熱負(fù)荷作為輸入，進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算，建立空調(diào)系統(tǒng)的熱力學(xué)模型（圖2），對(duì)逐個(gè)零部件進(jìn)行匹配分析，最終確認(rèn)蒸發(fā)器和冷凝器為空調(diào)系統(tǒng)的性能瓶頸。

圖2 空調(diào)熱力學(xué)模型

2.5 蒸發(fā)器14孔微通道匹配多孔板技術(shù)

蒸發(fā)器芯體從8孔微通道提升到14孔微通道，加強(qiáng)熱交換有一定的效果，同時(shí)對(duì)集流管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從隔片式變?yōu)槎嗫装迨?，使冷媒在蒸發(fā)器內(nèi)分布更均勻。表2為蒸發(fā)器微通道對(duì)比。

表2 蒸發(fā)器微通道對(duì)比表

結(jié)論：450m/h工況，蒸發(fā)器能力（空氣側(cè)）從4055W提升到4696W，提升約15.8%。

2.6 冷凝器翅片加密技術(shù)

針對(duì)目前量產(chǎn)冷凝器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化提升，采用多方案并行原則。

1）方案1：將目前的冷凝器芯體的翅片波距從1.5mm加密到1.2mm。

2）方案2：將翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升換熱面積。

3）方案3：在方案2的基礎(chǔ)上，扁管采用預(yù)噴涂技術(shù)，提升換熱效率。

最終試驗(yàn)驗(yàn)證，在4.5m/s，冷凝器能力（空氣側(cè)）方案1比量產(chǎn)，從6659.59W提升到7344.46W，提升約10.3%。

雖然方案2、方案3也有較大提升，但風(fēng)阻隨之大幅增加，整車(chē)表現(xiàn)不佳，最終選擇方案1。

2.7 IHX同軸換熱技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)有市場(chǎng)上車(chē)用空調(diào)制冷管路大多采用高、低壓分體式結(jié)構(gòu)，即高、低壓分管道獨(dú)立運(yùn)輸冷媒。低壓管中冷媒在經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器后溫度較低需要吸熱，高壓管在經(jīng)過(guò)冷凝器溫度較高后則需要散熱，分體式結(jié)構(gòu)無(wú)法有效利用這一物理特性，形成能量浪費(fèi)，能效降低。

為解決上述問(wèn)題，引入同軸管（圖3），即中間熱交換技術(shù)（IHX）。該技術(shù)是將高、低壓管結(jié)合為一根管路，分為內(nèi)外的高壓腔、低壓腔后，通過(guò)高、低壓管在工作過(guò)程中自身的物理特性，蒸發(fā)器進(jìn)出口處高、低壓管路溫差大相互傳遞能量，能夠有效起到節(jié)能，提高制冷性能的作用，見(jiàn)圖4。同軸段外部管路高溫高壓，內(nèi)部管低溫低壓，既有利于高溫管散熱，又能有效隔絕發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱源對(duì)低溫低壓管的干擾。

圖3 同軸段制冷管路結(jié)構(gòu)

圖4 同軸管制冷循環(huán)

空調(diào)系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)可以客觀反映空調(diào)系統(tǒng)搭載在整車(chē)上的工況，利用IHX系統(tǒng)的二次熱交換，提高了空調(diào)系統(tǒng)的換熱性能，蒸發(fā)器換熱能力在各工況均有較大的提升，達(dá)到了10%左右?？照{(diào)系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)誤差在3%以內(nèi)，從數(shù)據(jù)來(lái)分析，IHX系統(tǒng)對(duì)制冷性能的提升有非常大的作用，見(jiàn)表3和圖5。

圖5 臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比曲線

表3 性能臺(tái)架對(duì)照表

2.8 空調(diào)系統(tǒng)匹配優(yōu)化

零部件結(jié)構(gòu)性能的突破和IHX熱交換技術(shù)在臺(tái)架試驗(yàn)上進(jìn)行匹配驗(yàn)證，通過(guò)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器過(guò)熱度、冷凝器的過(guò)冷度和膨脹閥的參數(shù)，保證每個(gè)零部件在系統(tǒng)中最匹配，從而實(shí)現(xiàn)COP的最大化。在制冷效率提升后降低壓縮機(jī)功率，從而達(dá)到降油耗的目的。

3 方案驗(yàn)證

通過(guò)零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、同軸管技術(shù)的應(yīng)用、空調(diào)系統(tǒng)匹配優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)空調(diào)效率的提升，配合降功率壓縮機(jī)，達(dá)到整車(chē)油耗的下降。方案整體可通過(guò)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)及整車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 環(huán)境溫度35℃臺(tái)架驗(yàn)證

試驗(yàn)條件：①冷凝器進(jìn)口溫度35℃±1℃；②蒸發(fā)器進(jìn)口干球溫度27℃±1℃，濕球溫度19.5℃±0.5℃；③壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與冷凝器風(fēng)速相對(duì)應(yīng)為1800r/min與4.5m/s；④鼓風(fēng)機(jī)端電壓27V；⑤吹面+制冷+內(nèi)循環(huán)。試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 35℃環(huán)境溫度下1800r/min、4.5m/s試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

試驗(yàn)條件同上，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與冷凝器風(fēng)速相對(duì)應(yīng)為2800r/min與7.5m/s，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 35℃環(huán)境溫度下2800r/min、7.5m/s試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

3.2 環(huán)境溫度43℃臺(tái)架驗(yàn)證

試驗(yàn)條件：①冷凝器進(jìn)口溫度43℃±1℃；②蒸發(fā)器進(jìn)口干球溫度27℃±1℃，濕球溫度19.5℃±0.5℃；③壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與冷凝器風(fēng)速相對(duì)應(yīng)為1800r/min與4.5m/s；④鼓風(fēng)機(jī)端電壓27V；⑤吹面+制冷+內(nèi)循環(huán)模式。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 43℃環(huán)境溫度下1800r/min、4.5m/s試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

試驗(yàn)條件同上，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與冷凝器風(fēng)速相對(duì)應(yīng)為2800r/min與7.5m/s，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 43℃環(huán)境溫度下2800r/min、7.5m/s試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

3.3 壓縮機(jī)功率計(jì)算（表8）

表8 壓縮機(jī)功率計(jì)算結(jié)果

壓縮機(jī)使用功率降低≥10%，實(shí)際降低平均20.8%，達(dá)成目標(biāo)。

3.4 整車(chē)油耗降低計(jì)算

按照我司綠程1.0項(xiàng)目上普遍應(yīng)用的油電轉(zhuǎn)化效率0.27，計(jì)算如下：

式中：δ——柴油的燃燒熱值，10267kcal/kg；ρ——柴油密度，835kg/m；η——油電轉(zhuǎn)化效率0.35。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 整車(chē)油耗降低計(jì)算結(jié)果

目標(biāo)油耗降低1%，實(shí)際80km/h工況平均降低1.68%，實(shí)車(chē)測(cè)試1.44%，達(dá)成目標(biāo)。

3.5 空調(diào)能耗比（COP）計(jì)算（表10）

目標(biāo)空調(diào)能耗比（COP）提升15%，實(shí)際80km/h、環(huán)境溫度43℃工況提升21.1%，達(dá)成目標(biāo)。

表10 空調(diào)能耗比COP計(jì)算

3.6 整車(chē)制冷性能驗(yàn)證

選取某車(chē)型搭載優(yōu)化后系統(tǒng)進(jìn)行制冷性能驗(yàn)證，結(jié)果該試驗(yàn)樣車(chē)空調(diào)制冷性能滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。

表11 整車(chē)制冷具體數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

目前高效空調(diào)系統(tǒng)是車(chē)用空調(diào)行業(yè)著力推進(jìn)的重點(diǎn)工作之一。受工信部委托，中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)汽車(chē)空調(diào)委員會(huì)一直在積極推動(dòng)“高效空調(diào)獎(jiǎng)勵(lì)方案”，希望通過(guò)激勵(lì)的方式促進(jìn)整車(chē)企業(yè)使用先進(jìn)技術(shù)。美國(guó)、歐盟已制定并實(shí)施了相關(guān)的獎(jiǎng)勵(lì)措施，而高能效空調(diào)就是其中一項(xiàng)重要的獎(jiǎng)勵(lì)措施。

2019年6月13日，發(fā)改委等7部門(mén)發(fā)布《綠色高效制冷行動(dòng)方案》，推動(dòng)節(jié)能減排工作。后期汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的COP（能效比）將會(huì)成為影響汽車(chē)銷(xiāo)售的一個(gè)重要指標(biāo)，本項(xiàng)目的研究應(yīng)用有利于進(jìn)一步提升企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本項(xiàng)目的研究應(yīng)用可以節(jié)油1%，有利于體現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能的社會(huì)形象，提升企業(yè)的品牌價(jià)值。