輕卡空調(diào)出風(fēng)口溫度高問(wèn)題的研究與分析

摘要：汽車空調(diào)的制冷效果是考量行車舒適性最基本的指標(biāo)。由于商用車的駕駛室空間相對(duì)乘用車較小，密封性相對(duì)于乘用車較差，因此內(nèi)部空調(diào)溫度調(diào)節(jié)很大程度上依賴于空調(diào)出風(fēng)口的溫度。以華東地區(qū)反饋的空調(diào)系統(tǒng)問(wèn)題為調(diào)查對(duì)象，從空調(diào)系統(tǒng)壓力、管路密封性以及零部件布置位置等多方面進(jìn)行分析，并最終解決出風(fēng)口溫度高的問(wèn)題。研究結(jié)論可為空調(diào)設(shè)計(jì)和服務(wù)工作者提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：空調(diào)；出風(fēng)口；溫度

中圖分類號(hào)：U463 收稿日期：2023-04-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.017

1 前言

從近幾年調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，很多關(guān)于空調(diào)不制冷的故障，去服務(wù)站檢查時(shí)并沒(méi)有具體的故障件或者更換的故障件經(jīng)過(guò)回收復(fù)檢故障不再現(xiàn)。為了調(diào)查原因，在合肥的幾家服務(wù)站跟蹤了一個(gè)夏天，確實(shí)存在這種“無(wú)故障的故障車”。這類用戶都有一個(gè)共同的反饋，就是出風(fēng)口溫度達(dá)不到預(yù)期的效果。再結(jié)合前期輕卡空調(diào)制冷效果不好的研究成果，發(fā)現(xiàn)在特別炎熱的天氣下，15 ℃的出風(fēng)口溫度是一個(gè)分水嶺。

根據(jù)近幾年的調(diào)查，各品牌在近幾年，特別是夏季，空調(diào)的故障已經(jīng)高居第五，如表1所示。

空調(diào)制冷效果差有很多原因，零部件質(zhì)量問(wèn)題、系統(tǒng)裝配問(wèn)題、設(shè)計(jì)問(wèn)題均會(huì)導(dǎo)致制冷差故障數(shù)的上升。筆者將從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，探尋其中的設(shè)計(jì)原因，并給出改進(jìn)的建議。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

空調(diào)制冷效果差的直接原因是空調(diào)出風(fēng)口溫度不夠低，而造成出風(fēng)口溫度不夠低的因素有很多。首先，需要了解現(xiàn)狀，在環(huán)境溫度較高的時(shí)候，其出風(fēng)口溫度具體能達(dá)到多少度。隨機(jī)抽調(diào)某品牌兩臺(tái)車型，在43 ℃的環(huán)境溫度下，測(cè)量其出風(fēng)口溫度，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

由上面測(cè)量結(jié)果可以看出，空調(diào)出風(fēng)口溫度在車速較低的時(shí)候在20 ℃左右，車速較高時(shí)偶爾能達(dá)到15 ℃。再和國(guó)外某品牌標(biāo)桿作下對(duì)比，如表3所示，標(biāo)桿車型出風(fēng)口溫度在3個(gè)工況下都優(yōu)于我們，最低溫度接近10 ℃。

為達(dá)到不低于標(biāo)桿的制冷效果，解決市場(chǎng)上出風(fēng)口溫度高的問(wèn)題，設(shè)定最低溫度目標(biāo)為11 ℃，以期通過(guò)突破出風(fēng)口最低溫度來(lái)提升整體空調(diào)性能，解決該車型制冷性能差的問(wèn)題[1]。

3 空調(diào)出風(fēng)口溫度高分析

3.1 空調(diào)工作原理

空調(diào)工作原理如圖1所示，整個(gè)空調(diào)制冷系統(tǒng)主要分為：壓縮機(jī)、冷凝器及風(fēng)機(jī)、干燥瓶、蒸發(fā)器、膨脹閥以及管路。

a.壓縮機(jī)：空調(diào)系統(tǒng)的心臟，壓縮機(jī)的排量決定制冷量的上限。

b.冷凝器：熱交換原件，是空調(diào)系統(tǒng)的肺，將呼出的熱氣排出車外，能力越大，換熱量越多。

c.膨脹閥：空調(diào)系統(tǒng)的大腦，控制冷媒流量的核心部件。

d.蒸發(fā)器：蒸發(fā)器是空調(diào)系統(tǒng)的胃，負(fù)責(zé)將這種冷消化并輸送給鼓風(fēng)機(jī)，從而吹出來(lái)。

除了零部件的影響，外部因素如駕駛室，制冷介質(zhì)也會(huì)對(duì)出風(fēng)口溫度造成影響。

3.2 原因分析

空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)零部件猶如木桶效應(yīng)，決定制冷能力上限的并不是最長(zhǎng)的那塊板，而是最短的那塊。找到短板，并加以優(yōu)化，是改善空調(diào)制冷性能的常規(guī)思路。那么，究竟改善哪一塊短板，能最高效率實(shí)現(xiàn)制冷性能的最大化是我們關(guān)注的問(wèn)題。表4所示為引起出風(fēng)口溫度高的可能原因[2]。

3.2.1 壓縮機(jī)分析

抽調(diào)的樣車采用的壓縮機(jī)為當(dāng)前輕卡市場(chǎng)主流壓縮10S13系列，排量為140.3 cm3/r，與主要競(jìng)品標(biāo)桿138 cm3/r（5H14系列）相當(dāng)。

目前輕型貨車所用的空調(diào)壓縮機(jī)排量的計(jì)算值為120 cm3/r，按輕卡寬體駕駛室為目標(biāo)，熱負(fù)荷約為4.87 kW。

VS=GthV1/（NCNV×60×10-6）

式中，VS為壓縮機(jī)容量，cm3/r；NC為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；NV為壓縮機(jī)容積效率。

已知Gth=141.4 kg/h，V1=0.062 m3/kg，NC=1 800 r/min，NV取0.7，經(jīng)計(jì)算得：VS=116 cm3/r。

壓縮機(jī)排氣量以120%為設(shè)計(jì)目標(biāo)，VS=116×1.2 cm3/r=139.2 cm3/r，與選取值基本相當(dāng)。

搭載排量2.2國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪直徑148 mm，壓縮機(jī)電磁離合器皮帶輪直徑為120 mm，速比i=148/120=1.23；斜盤(pán)式壓縮機(jī)的速比設(shè)計(jì)的要求一般為1.1～1.3，符合設(shè)計(jì)要求。速比過(guò)高會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速向高速偏移，影響壽命；速比過(guò)低會(huì)導(dǎo)致車速上來(lái)時(shí)，壓縮機(jī)制冷量不足。

3.2.2 冷凝器分析

根據(jù)輕卡寬體駕駛室的冷負(fù)荷，Q=4 870 W，一般冷凝器性能在車速20 km/h，迎面風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到5.56 m/s，性能在20 km/h以上可以得到保障。設(shè)計(jì)目標(biāo)最大換熱量按怠速迎面風(fēng)速2 m/s、熱負(fù)荷的150%來(lái)設(shè)定，Qk=mQ=1.5×4 870 W=7 305 W，而我們冷凝器的設(shè)計(jì)最大換熱量為7.5 kW。能滿足換熱需求。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，觀察其在不同風(fēng)速下的換熱量表現(xiàn)及與標(biāo)桿的對(duì)比，如表5所示。

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，目前冷凝器芯體的散熱能力滿足系統(tǒng)需求。

筆者提及車型冷凝器布置位置在車架縱梁前端，與縱梁有一定夾角，這種布置方法與市場(chǎng)主流競(jìng)品和標(biāo)桿一致。這種布局的好處是冷凝器前方無(wú)遮擋，汽車前進(jìn)時(shí)配合冷凝器風(fēng)扇利于散熱。這種布置位置，周邊無(wú)熱源干擾，具有一定的迎風(fēng)能力，可以將冷凝器的換熱性能發(fā)揮出來(lái)。迎風(fēng)角度越大，單位面積的有效換熱面積也越大。

根據(jù)怠速情況下只能依靠冷凝器風(fēng)扇散熱的情況以及10S13壓縮機(jī)性能曲線：壓縮機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速（800 r/min）的制冷量為2 800 W，此時(shí)冷凝器設(shè)計(jì)散熱需求為：

（2 800+2 800×0.5）×1.25 W=5 250 W。

根據(jù)表4冷凝器的性能參數(shù)表反推需要冷凝器表面風(fēng)速約大于2.8 m/s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)是否運(yùn)行，冷凝器風(fēng)速均大于等于3.29 m/s，滿足大于2.8 m/s的要求。

3.2.3 冷媒加注量分析

某品牌輕卡采用的是過(guò)冷式冷凝器的空調(diào)系統(tǒng)，冷媒加注量通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)標(biāo)定綜合而得。

計(jì)算公式為：

Ws=Vr+Vl+0.27Vc+0.22Ve+0.27Vd+0.014Vs

式中，Ws為制冷劑加注量，g；Vr為干燥器容積，cm3；Vc為冷凝器容積，cm3；Ve為蒸發(fā)器容積，cm3；Vd為壓縮機(jī)高壓側(cè)+排氣管容積，cm3；Vs為壓縮機(jī)低壓側(cè)+吸氣管容積，cm3。由此可得出折合成計(jì)算冷媒加注量為413.03 g。

冷媒加注量標(biāo)定結(jié)果參考圖2。

冷媒加注量通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際標(biāo)定而得出，適合樣車的空調(diào)系統(tǒng)，過(guò)高和過(guò)低都會(huì)造成出風(fēng)口溫度上升。

3.2.4 蒸發(fā)器分析

影響蒸發(fā)器性能的主要參數(shù)如表6所示，最大換熱量和流阻滿足系統(tǒng)要求。扁管的規(guī)格、芯體布置形式及翅片參數(shù)為當(dāng)今主流結(jié)構(gòu)，在商用車上屬于成熟結(jié)構(gòu)。

3.2.5 鼓風(fēng)機(jī)分析

鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的大小決定了蒸發(fā)器換熱效率的好壞，如果鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致冷卻后的空氣無(wú)法被及時(shí)吹離芯體表面，影響散熱。鼓風(fēng)機(jī)的排量取決于蒸發(fā)器的換熱量QD及靜壓，在額定條件使用的過(guò)程中，駕駛室內(nèi)部靜壓約為100 Pa。排量公式Vae=QDV1t/Qlref-ton；其中V1t經(jīng)驗(yàn)值為365，Qlref-ton=3 320 kcal/h。

最終得Vae=4 894×0.86×365/3 320 m3/h=462.7 m3/h。

同時(shí)對(duì)該鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)并和標(biāo)桿進(jìn)行對(duì)比，如表7所示。

在100 Pa的情況下，24 V和27 V的端電壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別為519.91 m3/s和571.29 m3/s，滿足理論需求且表現(xiàn)優(yōu)于標(biāo)桿。

3.2.6 膨脹閥分析

現(xiàn)有車型膨脹閥的選取根據(jù)理論計(jì)算而來(lái)：在額定條件下，蒸發(fā)器出口溫度為15 ℃，h0=407.2 kJ/kg；蒸發(fā)器進(jìn)口溫度55 ℃，h1=279.3 kJ/kg；壓縮機(jī)單位制冷量為128.4 kJ/kg；額定條件壓縮機(jī)制冷量為4.8 kW。

根據(jù)公式Qox=qmx（h0-h1）K，最終算得Qox=4.64 kW，可換算為1.22 RT。

由于膨脹閥的容量在1.0～1.5 RT區(qū)間有兩種規(guī)格：1.0 RT和1.5 RT，結(jié)合標(biāo)桿車型（1.5 RT）的選取情況最終選取了1.5 RT的規(guī)格。

選取1.0 RT和1.5 RT的膨脹閥進(jìn)行整車搭載試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

在膨脹閥容量的選取上，理論計(jì)算選型結(jié)果沒(méi)有被實(shí)際試驗(yàn)情況驗(yàn)證，膨脹閥參數(shù)與現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)匹配出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)前期列出的可能原因進(jìn)行一一排查，最終確定了制冷能力差的主要原因?yàn)榕蛎涢y參數(shù)匹配不合理［3］。

4 改進(jìn)措施

4.1 膨脹閥選取

當(dāng)前車型使用的膨脹閥參數(shù)為1.5RT/1.5K/1.2S，標(biāo)桿車型使用的膨脹閥參數(shù)為1.5 RT/1.3 K/1.2 S?？紤]到給系統(tǒng)的膨脹閥容量留有一定的余量和對(duì)標(biāo)車型的情況，最終選取了容量為1.5 RT的膨脹閥［4］。

膨脹閥作為一個(gè)節(jié)流原件，容量大不意味著性能就好，這要看系統(tǒng)的整體情況。大容量的膨脹閥往往控制精度較低，雖然能提升單位時(shí)間內(nèi)的冷媒流量，但是對(duì)于本身冷媒量偏少的空調(diào)系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致膨脹閥無(wú)法充分將冷媒蒸發(fā)，進(jìn)而影響蒸發(fā)系統(tǒng)的過(guò)熱度，甚至沒(méi)有過(guò)熱，最終導(dǎo)致制冷性能變差。對(duì)1.0 RT/1.5 K/1.2 S、1.0 RT/1.3 K/1.2 S和1.0 RT/1.7 K/1.2 S等不同參數(shù)的膨脹閥進(jìn)行搭載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

結(jié)合降溫速率和后期溫度維持能力，發(fā)現(xiàn)1.5 K過(guò)熱度的膨脹閥表現(xiàn)最好。最終，膨脹閥的參數(shù)定為1.0 RT/1.5 K/1.2 S。

4.2 結(jié)果驗(yàn)證

隨機(jī)在生產(chǎn)線抽調(diào)該輕卡同型號(hào)車型，更換1.0 RT/1.5 K/1.2 S參數(shù)的膨脹閥，在43 ℃的環(huán)境溫度下，測(cè)量其出風(fēng)口溫度，測(cè)量結(jié)果如表9所示。

通過(guò)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，出風(fēng)口最低溫度為6.9 ℃，比表1測(cè)量的結(jié)果（15.6 ℃，17.0 ℃）有明顯提升，并且優(yōu)于標(biāo)桿（11.4 ℃）的表現(xiàn)，整體改進(jìn)效果明顯，駕駛室出風(fēng)口溫度顯著下降。

5 結(jié)語(yǔ)

本文充分運(yùn)用了對(duì)比分析法，每個(gè)環(huán)節(jié)同主流競(jìng)品進(jìn)行比對(duì)并反思自己選擇的初衷；同時(shí)理論校核和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，并最終解決該問(wèn)題，期望對(duì)從事空調(diào)設(shè)計(jì)和維修的人員提供一些幫助。

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作者簡(jiǎn)介：

章志才，男，1983年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠囯娖麟娮?、汽車線束、電器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、管理等平臺(tái)產(chǎn)品規(guī)劃和開(kāi)發(fā)。