空調(diào)用高低壓管一體式節(jié)能同軸管路

李東武， 張加聰， 陳文強， 韋興民， 馮擎峰

（吉利汽車研究院， 浙江杭州 311228）

近年來， 隨著汽車產(chǎn)業(yè)的更新， 對整車的環(huán)保節(jié)能技術(shù)有了更高的要求， 任何對汽車發(fā)動機排放及節(jié)能的提升， 都會對汽車空調(diào)系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)， 尤其對于能源利用率最高的電動車、 混合動力車、 燃料電池車等低排放車， 由于其本身動力輸出有限， 這樣能夠提供給空調(diào)系統(tǒng)的動力受到嚴格限制， 這就對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能高效提出更高要求， 空調(diào)系統(tǒng)必須通過自身改進結(jié)構(gòu)或采用新技術(shù)來實現(xiàn)節(jié)能、 高效。

目前絕大多數(shù)汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的空調(diào)管路都為高、 低壓分體式， 即高壓管路和低壓管路是兩根獨立的輸送管道。 考慮到空調(diào)系統(tǒng)工作過程中兩根管路的物理特性， 低壓管路中制冷劑剛從蒸發(fā)器出來溫度較低要從環(huán)境中吸熱， 這樣如果不能有效利用這部分能量， 因整車行駛過程中發(fā)動機機艙溫度較高， 這部分能量就通過熱輻射的方式散失掉， 造成能量的損失； 同時， 空調(diào)高壓管路高溫高壓制冷劑需散熱來提高制冷性能， 空調(diào)用高低壓管一體式節(jié)能同軸管路能夠有效解決上述問題。

1 環(huán)模試驗條件

根據(jù)整車空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境試驗及其評估方法， 對汽車空調(diào)系統(tǒng)進行環(huán)境模擬試驗， 試驗條件如下。

1） 40 km／h工況 環(huán)境溫度38±1 ℃、 相對濕度50%±2RH、 日照1 kW／m2、 迎面風速40 km／h、 4檔位／D檔、 鼓風機最大檔、 全冷 （LO）、 吹面方向、內(nèi)循環(huán)、 測試時間45 min、 車內(nèi)1人， 滿足條件后開始試驗。

2） 60 km／h工況 環(huán)境溫度38±1 ℃、 相對濕度50%±2RH、 日照1 kW／m2、 迎面風速60 km／h、 5檔位／D檔、 鼓風機最大檔、 全冷 （LO）、 吹面方向、內(nèi)循環(huán)、 測試時間15 min、 車內(nèi)駕駛員位置乘坐1人， 滿足條件后開始試驗。

3） 100km／h工況 環(huán)境溫度38±1℃、 相對濕度50%±2RH、 日照1 kW／m2、 迎面風速100 km／h、 5檔位／D檔、 鼓風機最大檔、 全冷 （LO）、 吹面方向、內(nèi)循環(huán)、 測試時間15 min、 車內(nèi)駕駛員位置乘坐1人， 滿足條件后開始試驗。

4） 怠速工況 環(huán)境溫度38±1℃、 相對濕度50%±2RH、 日照1 kW／m2、 迎面風速10 km／h、 空檔位／P檔、 鼓風機最大檔、 全冷 （LO）、 吹面方向、 內(nèi)循環(huán)、 測試時間30 min、 車內(nèi)1人， 滿足條件后開始試驗。

2 傳統(tǒng)空調(diào)管路與同軸管路原理對比

汽車空調(diào)系統(tǒng)采用蒸汽壓縮式制冷原理。 空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機、 冷凝器、 貯液干燥器、 熱力膨脹閥、 蒸發(fā)器、 高低壓管組成。 其原理為： 低溫低壓液態(tài)制冷劑進入蒸發(fā)器， 在一定壓力下吸熱汽化， 變成低溫低壓氣態(tài)制冷劑， 然后被壓縮機抽吸壓縮， 成為高溫高壓氣態(tài)制冷劑， 再經(jīng)過冷凝器放熱， 冷凝成低溫高壓液態(tài)制冷劑， 然后經(jīng)過熱力膨脹閥， 制冷劑恢復到低溫低壓狀態(tài)， 重新流入蒸發(fā)器吸熱汽化， 從而完成一個制冷循環(huán)。

2.1 傳統(tǒng)空調(diào)管路缺陷

1） 空調(diào)低壓管路低溫吸熱散失能量。 低壓管與蒸發(fā)器出口連接， 在空調(diào)制冷過程中因蒸發(fā)器溫度較低， 出來的制冷劑溫度較低， 因此在夏季空調(diào)制冷過程中會發(fā)現(xiàn)， 空調(diào)的低壓管路表面會凝結(jié)水滴， 這正是低壓管路吸熱的體現(xiàn)， 這部分能量會通過低壓管熱傳遞形式散失到發(fā)動機艙， 會增加壓縮機及發(fā)動機負荷。

2） 空調(diào)高壓管路高溫高壓制冷劑， 需散熱提高制冷性能。 高壓管路與冷凝器總成及壓縮機總成出口連接， 空調(diào)系統(tǒng)在工作過程中， 管內(nèi)為高溫高壓液體， 需要降溫， 降低蒸發(fā)器進口的制冷劑溫度， 提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能。

2.2 同軸管路節(jié)能工作原理

高、 低壓管結(jié)合為一根管路后， 通過高、 低壓管在工作過程中自身的物理特性 （蒸發(fā)器進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。 工作原理及實物對比如圖1所示。

3 裝兩種管路系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)對比

同一車型分別裝配兩套管路后， 整車空調(diào)降溫試驗數(shù)據(jù)對比如下。

3.1 環(huán)模試驗38 ℃時試驗數(shù)據(jù)對比

同一車型環(huán)模試驗38 ℃時分別裝配兩套管路后， 整車空調(diào)降溫試驗數(shù)據(jù)對比見圖2和表1。

通過對比整車分別裝配兩種空調(diào)管路取得的試驗數(shù)據(jù)， 在40 km／h、 60 km／h、 100 km／h和怠速這幾種工況下， 空調(diào)的出風口和頭部溫度相比， 同軸管路有明顯的降溫效果。

3.2 高溫環(huán)境怠速數(shù)據(jù)分析對比

分別裝兩種管路整車高溫環(huán)境怠速數(shù)據(jù)分析對比見表2和表3。

通過對比整車分別裝配兩種空調(diào)管路在路試和環(huán)境模擬試驗取得的試驗數(shù)據(jù)， 在高溫的環(huán)境下，裝配同軸管路的空調(diào)系統(tǒng)出風口及頭部溫度有較低的出風溫度， 與此同時裝配同軸管路環(huán)模試驗環(huán)境溫度較路試溫度更高， 但最終降溫效果更好， 充分說明其能夠提高系統(tǒng)的制冷能力。

表1 環(huán)模試驗38 ℃時降溫試驗數(shù)據(jù)對比

表2 裝傳統(tǒng)空調(diào)管路環(huán)境45～47 ℃時試驗數(shù)據(jù)

表3 裝同軸管路48 ℃環(huán)境模擬怠速試驗數(shù)據(jù)

3.3 高溫各種工況數(shù)據(jù)分析對比

分別裝兩種管路整車高溫各種工況數(shù)據(jù)分析對比見表4、 表5和圖3。 路試過程30 min采集數(shù)據(jù)， 取其中7個數(shù)據(jù)見表4。

表4 裝傳統(tǒng)空調(diào)管路45 ℃路試試驗數(shù)據(jù)

表5 裝配同軸管路環(huán)模試驗48 ℃時試驗數(shù)據(jù)

上面兩組數(shù)據(jù)比較， 雖然裝配同軸管路的頭部溫度降溫效果不明顯， 但考慮到在環(huán)模艙48 ℃環(huán)境溫度下， 與路試在45 ℃環(huán)境溫度下比較， 裝有同軸管路整車環(huán)境更惡劣。

裝有同軸管路整車頭部溫度較傳統(tǒng)管路出風口溫度對比效果不明顯， 分析原因有： ①環(huán)境溫度： 環(huán)模試驗設(shè)定溫度為48℃， 而路試當時的溫度為45℃；②光照強度： 環(huán)模試驗設(shè)定光照強度為1 000±50 W，而路試當時的光照只有600 W左右。

上述原因?qū)е抡囓嚿硭軣彷椛洳煌?環(huán)模試驗整車所受的熱輻射更大， 使得在出風口溫度較低的情況下， 出現(xiàn)頭部溫度相比相差不大的緣故。

4 總結(jié)

通過在38 ℃時環(huán)模試驗及高溫時 （45～48 ℃）的各種工況下數(shù)據(jù)對比， 在消耗相同發(fā)動機功率的情況下， 同軸管路能夠有效提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力， 起到了改善整車節(jié)能效果。

另外， 通過此方案改進空調(diào)的降溫效果， 不會對整車布置及空調(diào)結(jié)構(gòu)造成大變動， 所以對在產(chǎn)車型整改較實用， 但因同軸管路較傳統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)及加工工藝更復雜， 所以價格較高， 有待進一步推廣使用、 完善加工工藝、 降低加工費用。