一種汽車空調(diào)制冷劑及冷凍機油存儲測控裝置的設(shè)計*

王 濤 ，關(guān)參記

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣東 佛山 528137；2.廣州市標榜汽車用品有限公司，廣東 廣州 511365）

0 引言

汽車空調(diào)制冷是靠制冷劑在管路中吸熱放熱實現(xiàn)的，因此制冷劑的多少直接影響制冷效果。制冷劑常溫常壓下沸點較低，所以汽車空調(diào)管路需要長期保持較高的壓力，而壓力高通常會導(dǎo)致制冷劑泄漏（空調(diào)每年制冷劑泄漏量小于15 g 為正常），壓力低時可以降低汽車空調(diào)制冷劑的泄漏量，如果冬季不制冷時，降低空調(diào)的壓力，可以減少制冷劑的泄漏，延長汽車空調(diào)的使用年限。通過不同的試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空調(diào)管路中制冷劑泄漏量達到標準量的30%時，汽車空調(diào)制冷效果變化比較明顯，中央出風(fēng)口的溫度可達到13 ℃～15 ℃，這時乘客會明顯感覺空調(diào)制冷不足，隨著制冷劑的繼續(xù)泄漏，制冷效果會更差[1-2]。此時維修診斷結(jié)果顯示，空調(diào)高、低壓管路壓力均低，需要補充制冷劑[3-5]。在補充制冷劑時，需要補充相同型號的制冷劑，不然會影響制冷效果，甚至損壞壓縮機，而使用了很久的汽車，往往找不到相同型號的制冷劑，此時加入不同型號的制冷劑，空調(diào)往往不能達到最佳制冷效果[6-7]。

影響汽車空調(diào)制冷效果的另外一個關(guān)鍵因素是冷凍機油，研究發(fā)現(xiàn)整個汽車空調(diào)循環(huán)管路中都有冷凍機油，冷凍機油與制冷劑可以無限互溶，其中，冷凍機油占比大約為壓縮機50%、冷凝器10%、儲液干燥器10%、蒸發(fā)器20%、制冷管路10%，而冷凍機油的多少直接影響空調(diào)的使用。當(dāng)系統(tǒng)缺少冷凍機油時，壓縮機活塞摩擦阻力增大，空調(diào)發(fā)出異響并且底座發(fā)熱，而冷凍機油如果加注過多也會影響空調(diào)的制冷效果[8]。市場上冷凍機油廠家較多，各廠家生產(chǎn)的冷凍機油型號不一，添加不同的冷凍機油會使空調(diào)制冷效果變差，甚至損壞壓縮機，且維修費用不低，因此需要換相同廠家及型號的產(chǎn)品。通常由于使用時間較久型號沒標注，很難找到相同的產(chǎn)品。目前各種型號的汽車空調(diào)，都是僅僅在外部標注一個大概的制冷劑及冷凍機油的加注量，出現(xiàn)故障需要去維修店維修，由于年份久遠等各種原因，維修店加注的制冷劑及冷凍機油往往品牌不一、數(shù)量不等，不能使空調(diào)保持一個最佳的工作狀態(tài)，甚至由于標牌不統(tǒng)一而損壞空調(diào)[9]。

綜上所述，課題組設(shè)計了一款汽車空調(diào)制冷劑及冷凍機油存儲測控裝置，該裝置可以根據(jù)空調(diào)工作的需要，夏季自動補充或回收制冷劑及冷凍機油，從而使空調(diào)保持最佳的工作狀態(tài)，冬季回收制冷劑，降低空調(diào)管路的壓力，進而減少制冷劑的泄漏量，延長汽車空調(diào)的使用壽命，降低維修成本[10-11]。

1 汽車空調(diào)測控系統(tǒng)的設(shè)計

汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、儲液干燥器、膨脹閥、蒸發(fā)器及管路等組成，空調(diào)制冷是靠制冷劑（目前較多使用R134a）在管路中吸熱放熱實現(xiàn)的。壓縮機吸收空調(diào)管路中低溫低壓的氣體，通過壓縮后，變成高溫高壓的氣體，通過管路流到冷凝器中進行散熱處理，變成中溫高壓的液體，再沿著管路流入儲液干燥器進行儲存干燥后流經(jīng)膨脹閥，經(jīng)過節(jié)流膨脹后變成低溫低壓的液體，最后流入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中沸騰吸熱，吸收鼓風(fēng)機鼓進的外界熱風(fēng)的熱量，制冷劑變成低溫低壓的氣體，被壓縮機吸收后進入下個循環(huán)，外界熱空氣熱量被吸收后，變成了冷風(fēng)，沿著風(fēng)道流入車內(nèi)進行制冷。因此，汽車空調(diào)制冷是把熱量從低溫處推向高溫處，消耗機械能，遵循能量守恒定律。由于汽車空調(diào)制冷劑R134a 常溫常壓下的沸點為-26.5 ℃，所以空調(diào)正常工作時，壓力均大于外界的大氣壓。長時間處于高壓狀態(tài)，會導(dǎo)致每年都有微量的制冷劑及冷凍機油泄漏，由于汽車使用年限較久，當(dāng)制冷劑或冷凍機油泄漏量達到一定量時，空調(diào)會出現(xiàn)故障，需要維修。如果維修廠所添加的制冷劑和冷凍機油與原廠配置不一樣，就會相互污染，影響制冷效果，甚至?xí)箍照{(diào)損毀。為了減少污染，降低維修成本，延長空調(diào)的使用壽命，設(shè)計一款汽車空調(diào)制冷劑及冷凍機油儲存控制裝置，該裝置安裝在汽車空調(diào)管路中，儲存較多的制冷劑及冷凍機油。當(dāng)空調(diào)長時間運行導(dǎo)致制冷劑泄漏時，通過傳感器檢測空調(diào)管路制冷劑缺失情況，并適時將系統(tǒng)內(nèi)部儲存的制冷劑釋放到空調(diào)管路中。當(dāng)系統(tǒng)檢測到制冷管路中缺少冷凍機油時，系統(tǒng)可以釋放出一部分冷凍機油，避免維修時二次添加，導(dǎo)致機油混雜，影響制冷效果，從而使空調(diào)維持最佳工作狀態(tài)。

1.1 機械設(shè)計

設(shè)計一款汽車空調(diào)制冷劑及冷凍機油存儲控制裝置，該裝置串聯(lián)在空調(diào)管路中（相當(dāng)于儲液干燥器），存儲兩倍的空調(diào)制冷劑及冷凍機油。該裝置的剖面圖如圖1 所示，該裝置中有4 個電磁閥，分別標注為①、②、③、④，儲存室上、下部各有一個口連接空調(diào)管路，作為空調(diào)制冷時，液態(tài)制冷劑的流入、流出口。在上、下口的連接處，分別由兩個常開的電磁閥組成，見圖1 中標注①和②部分，空調(diào)正常工作時，兩閥門常開。腔體左右兩邊設(shè)置兩個獨立的儲存室，分別盛放多余的制冷劑及冷凍機油。兩個儲存室的下部分別設(shè)置出口，由常閉電磁閥控制開口，見圖1中標注③和④部分，當(dāng)系統(tǒng)需要補充制冷劑或冷凍機油時，電磁閥打開，制冷劑或冷凍機油可以通過孔流出對空調(diào)內(nèi)部進行補充。該裝置底部分別有兩個維修接口，可以通過其從外部補充制冷劑或冷凍機油。三個腔體共同作用，可以實現(xiàn)制冷劑及冷凍機油的自動補充和回收。

圖1 空調(diào)制冷劑及冷凍機油存儲控制裝置剖面圖

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用Arduino 控制，使用Arduino 的UNO 板及Arduino IDE 進行系統(tǒng)開發(fā)和控制，系統(tǒng)通過連接WIFI 模塊，與Android 手機進行通信，利用MIT App Inventor 進行App 的開發(fā)，可以在手機上實時進行空調(diào)的監(jiān)控及數(shù)據(jù)的傳輸。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，控制系統(tǒng)通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集處理等工作，控制系統(tǒng)可根據(jù)需要完成汽車空調(diào)各種運行狀態(tài)下的制冷劑和冷凍機油補充工作。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

汽車空調(diào)控制電路由傳感器及開關(guān)、控制單元、執(zhí)行機構(gòu)和輔助電路組成。當(dāng)汽車空調(diào)運行時，檢測空調(diào)管路的各種壓力及壓縮機底座的溫度，從而判斷制冷劑及冷凍機油是否缺少。當(dāng)檢測到壓力信號低于設(shè)定值時，系統(tǒng)認為缺少制冷劑，控制單元發(fā)出一個高電平，使電磁閥③打開，釋放一部分制冷劑，每次設(shè)定一定的時間，對系統(tǒng)進行制冷劑補償，通過運行空調(diào)檢測補償是否合適，同時防止加多制冷劑。當(dāng)傳感器檢測到壓縮機溫度過高時，打開電磁閥④，補充冷凍機油。當(dāng)進入冬季，汽車不需要制冷時，按下關(guān)閉開關(guān)（防止誤操作，需要連按兩次），此時控制單元使電磁閥②關(guān)閉，運轉(zhuǎn)空調(diào)，使空調(diào)管路中的制冷劑大部分進入存儲設(shè)備后，再關(guān)閉電磁閥①，此時汽車空調(diào)管路壓力較低，可以避免制冷劑泄漏，延長空調(diào)使用壽命。當(dāng)汽車運行時，座位重量傳感器檢測乘客數(shù)量，并根據(jù)溫度、制冷劑流速等各種信號，控制乘客側(cè)的出風(fēng)口翻板電機，使空調(diào)制冷效果達到最優(yōu)。如果是電動汽車，監(jiān)控電池電量，當(dāng)電量消耗70%時，系統(tǒng)發(fā)出提醒，此時通過控制壓縮機轉(zhuǎn)速降低制冷效果，當(dāng)電量消耗85%時，系統(tǒng)關(guān)閉空調(diào)，需要再次打開空調(diào)才可以使用。

手機App 通過WIFI 模塊實現(xiàn)與空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，可以通過手機界面手動添加制冷劑及冷凍機油，也可以通過監(jiān)控汽車空調(diào)的運行狀況，自動添加制冷劑和冷凍機油，實現(xiàn)對汽車空調(diào)的實時監(jiān)控。當(dāng)空調(diào)制冷功能出現(xiàn)問題時，可以存儲故障信息，方便后續(xù)的檢測維修。如圖3 所示，通過手機App 可以查看并操控空調(diào)，點擊數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)按鈕，會顯示空調(diào)監(jiān)控的實時數(shù)據(jù)；點擊手動添加制冷劑按鈕，系統(tǒng)可以添加制冷劑；點擊手動添加冷凍機油按鈕，系統(tǒng)可以添加冷凍機油；點擊自動補充按鈕，系統(tǒng)可以根據(jù)空調(diào)的運行狀況，自動補充制冷劑和冷凍機油；點擊電磁閥1、2、3、4按鈕可以實現(xiàn)對電磁閥的手動操作。

圖3 App 顯示部分

2 系統(tǒng)試驗

2.1 填充試驗

汽車空調(diào)制冷劑及冷凍機油填充試驗是與廣州市標榜汽車用品有限公司合作完成的，在不同的幾款車上加注標榜生產(chǎn)的R134a 制冷劑及冷凍機油。試驗是將原車制冷劑及冷凍機油全部排空并補充冷凍機油后，再抽20 min 真空，然后添加制冷劑，系統(tǒng)加注完制冷劑后關(guān)閉制冷，風(fēng)速調(diào)最大，溫度最熱，風(fēng)機運轉(zhuǎn)10 min，讓空調(diào)恢復(fù)常溫狀態(tài)，然后把發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制在2 000 r/min，風(fēng)速調(diào)到最大，溫度調(diào)到最低時進行制冷試驗。填充試驗數(shù)據(jù)如表1 所示，通過幾款不同車型空調(diào)制冷劑填充試驗，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到空調(diào)制冷異常時，可以進行制冷劑及冷凍機油的間斷性補充，從而使汽車空調(diào)達到最佳制冷狀態(tài)。

表1 填充試驗數(shù)據(jù)

2.2 極端狀態(tài)試驗

在汽車空調(diào)正常制冷的過程中，制冷劑與冷凍機油的比例大致為10∶1，當(dāng)冷凍機油加注量過大時，會影響空調(diào)的制冷效果，并且會導(dǎo)致空調(diào)管路壓力的變化。冷凍機油加注量不同，空調(diào)運行的工作狀況也不相同。

1）冷凍機油加注量多于標準量的10%～20%時，汽車空調(diào)變化為低壓管路的壓力與標準量相比基本沒變化，高壓壓力升高。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，此時會在冷凝器內(nèi)部表面形成一層油膜，導(dǎo)致冷卻效果變差，從而導(dǎo)致高壓壓力升高，而此時對蒸發(fā)器的影響有限，但是與正常值比較時，制冷效果變差。

2）冷凍機油加注量多于標準量的40%～50%時，汽車空調(diào)變化為高壓壓力、低壓壓力均會升高。經(jīng)過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，此時低壓壓力變大，冷凍機油在蒸發(fā)器內(nèi)部形成較厚油膜，從而影響熱量的交換，使空調(diào)制冷效果變得較差。

3）冷凍機油加注量多于標準量的70%時，汽車空調(diào)變化為低壓升高、高壓降低。經(jīng)過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，冷凍機油加注量過多，會導(dǎo)致空調(diào)運行時膨脹閥流通不良，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的量不足，從而使低壓升高、高壓降低，制冷效果嚴重變差。

汽車空調(diào)制冷時，最佳的效果是制冷劑與冷凍機油的量要達到標準工作量，且比例符合要求。課題組設(shè)計的裝置可以通過檢測汽車空調(diào)壓縮機殼體的溫度，判斷制冷劑及冷凍機油是否缺少，進行制冷劑及冷凍機油的補充，且避免加注量過多，使空調(diào)始終保持在最佳工作狀態(tài)。