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汽车空调技术的研究发展摘要：本文给出了汽车空调技术的发展历程、现状及发展趋势、汽车空调技术的新技术以及作为汽车发展趋势的新型电动汽车上的空调技术。关键词：汽车空调技术 发展现状 趋势 新技术 电动汽车Air Conditioning Technology Research and Development of AutomotiveAbstract：This paper gives the development history，present situation and development trend of air conditioning technology of the car，the new air conditioning technology of automotive as well as the air conditioning technology of the new electric car.Keywords：air conditioning technology of automotive the present situation trend new technology electric car0.前言随着人们的生活水平和消费水平的提高，有车一族的数量也越来越多，因而对汽车乘驾舒适性的要求有了更高的标准，汽车空调行业也应运而生并取得很大发展。1.汽车空调技术的发展历程自本世纪20年代汽车空调诞生以来，伴随汽车空调系统的普及与发展，其发展大体上经历了五个阶段：1.1单一供暖空调装置阶段 始于1927年。它仅由加热器、通风装置和空气过滤器三者组成，其作用只能对车室内供暖。目前在寒冷的北欧、亚洲北部地区仍在使用。1.2单一供冷气空调装置阶段 始于1939年。美国帕克汽车公司率先在轿车上装上机械制冷降温空调器。1.3冷暖型汽车空调器阶段 始于1954年。原美国汽车公司（AMC），首先在轿车上安装了冷暖型一体化空调器，这样汽车才真正具备了降温、除湿、通风、过滤、除霜等对空气调节的功能。该方式是目前低档车使用量最大的一种方式。1.4自控汽车空调装置阶段 通用汽车公司1964年率先在轿车上应用自控汽车空调。自控空调通过各种传感器反馈的信息自动调节车内温度和空气的质量，从而满足舒适性的要求。1.5电脑控制汽车空调阶段 自1977年美国通用汽车公司、日本五十铃汽车公司，同时将自行研制的电脑控制汽车空调系统装上各自汽车后，汽车空调技术已发展到一个新阶段。目前电脑控制的空调都装在豪华型汽车上。2.我国汽车空调技术的现状与发展趋势近几十年来,汽车空调发展迅速,在日本、欧美等发达国家汽车空调产品仅次于房间空调机占空调机械的第二位。我国从1971年开始在长春一汽的红旗牌轿车上装上了空调器，上海也于80年代初在上海牌轿车上装上了国产空调器。目前，我国的汽车空调还处在发展阶段与发达国家相比,汽车空调产品的档次和自动化程度有待进一步提高。2.1我国汽车空调的技术现状汽车空调一般是由制冷系统、空气输送系统和控制系统组成。制冷系统的基本部件是制冷压缩机、换热器及节流机构,其作用是在夏季热负荷下给汽车空调提供冷源。2.1.1制冷压缩机在我国的汽车空调中,应用最广泛的制冷压缩机是斜盘式压缩机,如为桑塔纳轿车空调配套使用的六缸斜盘式压缩机,是由上海易初通用机器公司生产的。现在,斜盘式压缩机经过不断的技术改进,已具有尺寸小、重量轻和功耗小等优点。目前对这种压缩机的主要研究目标是能量输出的优化控制和进一步减轻重量,因而出现了一种可变排量斜盘式压缩机,如我国的牡丹江空调机厂生产出了V-5型可变排量斜盘式压缩机。该压缩机对汽车室内的空调不是靠电磁离合器的吸合脱开,而是通过安装在压缩机后盖上的控制阀进行自动控制的,它能随车室内温度的变化自动调节其排量,可以无间断地循环连续工作,因此运行平稳,舒适性好。 陕西红岭机械厂在成功研制全风冷三角转子发动机的基础上,又消化吸收了国外80年代的压缩机技术,研制开发了SZ-100、SZ-135系列汽车空调用三角转子式压缩机。三角转子式压缩机是一种根据三角转子发动机的结构原理而制成的。由于三角转子压缩机采取严密的密封件,使气体内部泄漏大量减少,反映出压缩机在低速下仍有较高的制冷能力。另外，该压缩机的性能系数较高、振动小、噪音低。因此,三角转子式压缩机是一种新型、最有希望的机型。2.1.2节流膨胀机构 汽车空调中的节流机构主要是采用膨胀阀,它将高压液态制冷剂压力降至蒸发压力,使其能在蒸发器中气化吸热,并控制其流经蒸发器中的流量,这种控制是通过感温元件自动控制膨胀阀的开度来实现的。我国的汽车空调目前都采用膨胀阀进行制冷剂的节流降压,如上海恒温控制器厂和浙江新昌制冷配件厂生产各种规格的汽车空调膨胀阀。2.2我国汽车空调的发展趋势当前,从市场需求方面来看,希望汽车空调装置进一步降低成本,要求操作简便,温度分布合理,空调装置应向全季节型、小型化和轻量化发展。2.2.1汽车空调压缩机发展趋势 从目前发展情况来看,涡旋式压缩机将是我国未来汽车空调的主要机型。由于这种压缩机无吸、排气阀,因此,工作可靠、寿命长,容积效率一般比滚动活塞式提高10%左右,吸排气连续、气流脉动小、运转平稳、且扭矩变化均匀,最高转速可达1300r/min左右,体积比往复式小40%,重量比往复式轻15%,绝热效率提高10%。但涡旋式压缩机在机械加工工艺方面难度较大,须用专门的精密数控加工设备,目前国内正着手研制这种新机型。2.2.2换热器发展趋势换热器性能的优劣,对汽车空调节能极为重要。由于汽车空调趋向小型化,因而也要求换热器向体积小、重量轻的高效小型化发展。为此,汽车空调换热器应从这几方面进行改进：1.冷凝器将采用平流式冷凝器,它改变了传统的制冷剂单通方式。其换热能力比管带式冷凝器强,使冷凝温度和压力降低,同时系统的排气压力和输人功率也随之降低。2.蒸发器采用层流式,它类似于板式蒸发器,制冷剂在很小的传热板间流动。其换热效率比管带式提高10%左右,是将来最有前途的蒸发器型式。3.散热翅片将采用超级条缝片,超级条缝片与平片相比,其换热效果将会提1-2倍左右。2.2.3汽车空调控制系统的发展趋势由于汽车空调系统的复杂性、非线性、无精确数学模型,采用传统的控制已不能满足要求,而基于模糊理论的控制技术,具有不需要知道控制目标和对象的精确数学模型,特别适用于非线性控制系统。因此,未来将采用智能化模糊控制技术,以实现对空调系统执行机构的控制。3. 汽车空调新技术3.1外部变排量压缩机外部调节的变排量压缩机的优点：压缩机一直运转，无接合冲击，提高了舒适性；出风口的温度、湿度恒定调节；由于排量可以降低到近零，省去了电磁离合器使质量减轻；压缩机的能耗下降。变排量压缩机以其独特的优点。无疑在汽车空调中会得到更加广泛的应用。其工作原理与内部调节的变排量压缩机相似不同之处在于控制阀具有一电磁单元，操纵和显示单元从蒸发器出风温度传感器获得信号作为输入信息，从而对压缩机的功率进行无级调节。由于其排量可降低到接近零，因此可去掉电磁离合器，质量减小且压缩机一直运转避免了转一会停一阵的惯性耗能，使能耗降低。3.2数码涡旋式压缩机1993年，日本三电公司正式开发出适用于汽车空调的涡漩式压缩机，其突出的优点是具有“轴向柔性”的独特性能，实现无级的能量调节，非常适合汽车空调使用。在加工工艺、材料等问题更好解决后，涡漩式压缩机将以其高效、节能、零部件少等优点受到人们青睐。数码涡旋压缩机工作原理是：压缩机容量是通过涡旋盘的周期性啮合与脱开来改变的。当外部电磁阀关闭时，同标准型压缩机一样工作容量达到100。当外部电磁阀打开时，两个涡旋盘稍微脱离。此时压缩机无制冷剂被压缩，从而无容量输出。所以，在一个10s的循环中，如果涡旋盘加载2s，卸载8s，其平均容量就是20。加载时间占循环周期的比例可以在10-100输出容量的范围内任意改变。3.3冷凝器组件将储液干燥过滤器焊接在冷凝器侧面，取消了两者之间的管路，可减少制冷剂的充注量。在储液干燥过滤器的下部开一口。液态制冷剂可通过此开口进入冷凝器的过冷段得到进一步的冷却。从而提高了制冷效果，降低了空调系统的能耗。3.4新材料的应用如电磁离合器采用树脂材料。体积更小，质量更轻；增强车身隔热、改进门封结构、新型玻璃镀层及其它新技术都可以减少车室热负荷。这些新材料技术的应用，可较大程度地减少汽车空调的能耗。3.5新型汽车空调系统3.5.1新型储冷汽车空调系统这种系统是在原有的制冷系统的基础上，加装一套“释冷循环系统”，其内充注“载冷剂”(水或乙二醇溶液)。在汽车正常行驶时，能够按额定工况、额定容量向车室内供冷。当汽车正常行驶，而车室内的需冷量大于空调系统额定供冷量时，可以启动储冷系统向车室内补充供冷以弥补空调系统额定供冷量的不足，满足乘客的舒适性要求。当汽车高速行驶时，该空调系统能够将多余的冷量储存起来，而系统中的蒸发器仍按额定工况、额定容量向车室内供冷，其性能不受影响。压缩机吸气压力处在正常工作范围内；当汽车怠速或停止行驶时，为防止发动机过热，这时停止空调压缩机工作，启动储冷系统向车室内供冷。3.5.2固体吸附式汽车空调系统它是利用某些固体物质温度变化时能吸收或放出另外一种气体物质，同时伴随压力变化的特性，将其作为压缩机来使用。此空调系统中，代替压缩机的是内装固体吸附剂的发生器。当给发生器冷却时，发生器内压力下降，从蒸发器过来的低压、低温制冷剂蒸气被发生器内的固体吸附剂吸收；当给发生器加热时，发生器内被吸附的制冷剂气体因压力升高而将刚才吸附的制冷剂蒸气放出，进入冷凝器中进行冷凝放热；冷凝后的制冷剂经过膨胀阀后压力降低，便进入蒸发器中完成汽化吸热，产生制冷作用，待发生器冷却时被重新吸入发生器。目前应用较成功的固体吸附剂及与之相配的制冷剂有碱金属氯化物一氨、活性碳一甲醇、沸石水等。3.5.3汽车排气余热作动力的空调系统该空调系统是利用在不同温度下金属氢化物释放或吸收氢气的特性而实现制冷的。当汽车排出的废气将第一个容器(内装粉状氢化物)温度加热至240时。其内的粉状高温氢化物就会释放出氢气。并通过导管进入第二个容器(内装粒状氢化物)，粒状氢化物便吸收氢气。当汽车废气停止对第一个容器加热时，第二个容器便释放出氢气(释放到第一个容器)，同时吸收车室空气的热量，达到制冷目的。利用汽车废气温度对第一个容器继续加热，使工质循环吸收与释放氢气即可实现连续制冷。3.5.4发动机冷却水余热作动力的空调系统此空调系统是利用两种沸点不同的物质所组成溶液的气液平衡特性来完成制冷作用的。其原理是利用汽车冷却水热量对一装有不同沸点的两种物质组成的溶液进行加热，其中的低沸点成分便被蒸发出来，在冷凝器中凝结成液体并放热，再经节流阀降至蒸发压力后进入蒸发器完成蒸发制冷作用。溶液中的高沸点成分经另一节流阀降低压力后与从蒸发器过来的低压制冷剂混合，变成原来的溶液浓度，再经溶液泵升压后用冷却水对其进行重新加热。如此循环，蒸发器便连续制冷。这种空调系统所用的溶液组成主要有水一溴化锂工质对和氨一水工质对，其中后一种更适合用在汽车空调上。3.5.5四区空调系统四区空调系统是为满足后排乘员对制冷的要求，在前排正、负驾驶座椅间安装一套空调出风装置，可对后排乘员送风制冷。虽然结构上稍复杂一些，但车内温度均匀性大有好转，舒适性提高，且有利于降低能耗。4.新型电动环保型汽车上的空调技术随着全球气候变暖、大气污染以及能源问题日益严峻，汽车作为大气污染和能源消耗的上要来源之一，其节能减排已经得到全社会各个方面越来越广泛的重视，大力发展清洁能源汽车已成为礼会的普遍共识。电动汽车具有低排放、低噪音、经济性好、不依靠石油资源等优点，已成为未来汽车领域的一个重要发展办向。而电动汽年的出现也为电动汽车空调的研究开发提出了新的课题与挑战。4.1电动汽车空调的特点电动汽车空调与室内空调相比，电动汽车空调装置主要有以下特点：（1）汽车空调系统安装在运动的车辆上，要承受剧烈而频繁的振动与冲击，要求电动汽车空调装置结构中的各个零部件都应具有足够的强度气密性能。（2）电动汽车内乘员所占空间比大，产生的热量多，热负荷大，要求空调具有快速制冷和低速运行能力。（3）电动汽车车身隔热层薄，而且门窗多，玻璃面积大，隔热性能差，致使空调冷气热漏损失严重。（4）车内高低不平且有座椅，气流分配组织困难，难以做到气流分布均匀。（5）电动汽车有足够的电能可以驱动电动空调压缩机工作，但蓄电池提供的直流电是电动汽车唯一的动力源,没有发动机余热可以用于车内采暖，电动汽车无法使用现有的燃油汽车空调系统。（6）电动汽车空调使用的就是直流电气系统，可靠性高，维护方便，结构紧凑，无噪声及容易实现能量的连续调节。此外，开门的次数以及在行车中受车速光照怠速等因素的影响，空调湿热负荷极大，压缩机乃至整个空调系统都要适应这种多因素的变化以确保车室环境的舒适性要求，因而使空调系统变工况运行变得较为复杂和难以控制。4.2适于用于电动汽车的空调系统 电动汽车驱动能最来源于蓄电池，有别于传统燃油汽车，使得它的空调系统也不同于燃油汽车空调，由于作为驱动能量来源的蓄电池容量有限，空调系统的能耗对电动汽车的行程有较大的影响。同燃油汽车相比，对电动汽车空调系统的节能高效提出了更高的要求。同时，电动汽年空调必须要解决制冷、制热两大问题。根据电动汽车特有的性质，目前电动汽车空调可采用热电(偶)空调系统和电动热泵型空调系统。4.2.1热电(偶)电动汽车空调系统该项技术具有很多适合电动汽车使用的特点，并且与传统机械压缩式空调系统相比，热电空气调节具有以下特点：热电元件工作需要直流电源；改变电流方向即可产生制冷制热的逆效果；热电制冷片热惯性非常小，制冷时间很短，在热端散热良好、冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差；调节组件工作电流的大小即可调节制冷速度和温度，温度控制精度可达 0.001，并且容易实现能量的连续调节；在正确设计和应用条件下，其制冷效率可达90%以上，而制热效率远大于1；体积小、重量轻、结构紧凑，有利于减小电动汽车的整备质量；可靠性高寿命长并且维护方便；没有转动部件，因此无振动、无摩擦、无噪声且耐冲击。对于采用热电制冷的空调系统来说，热电材料的优值系数值越高，热电制冷效果越好。但是，目前热电制冷的效率只有机械压缩式的50%左右，在热电制冷材料的优值系数值没有突破之前，热电制冷只能在小体积和微型化上比传统的机械压缩式制冷优越。4.2.2热泵型电动汽车空调系统该热泵型空调系统是在燃油汽车上进行改进的，压缩机是由永磁直流无刷电机直接驱动。该系统与普通的热泵空调系统并无本质区别，由于在电动车上使用，压缩机等主要部件有其特殊性。而且国外热泵技术具备了一定的基础，该技术最大的优点就是制冷、制热效率高。相关企业开发的全封闭电动涡旋式压缩机，是由一个直流无刷电动机驱动，通过制冷剂回气冷却，具有噪声低，振动小，结构紧凑，质量轻等优点。在测试条件为环境温度40，车内温度27，相对湿度50的工况下，系统稳定时它能以lkW的能耗获得29kw的制冷量；当环境温度为-10，车内温度25，以lkW的能耗可以获得23kW的制热量。在-1040的环境温度下，均能以较高的效率为电动汽车提供舒适的驾乘环境。5.结论 随着汽车行业的不断发展，人民生活水平的不断提高，人们对驾乘环境的舒适度要求越来越高，相应的汽车空调技术的发展越发受到重视。现在汽车空调已取得了较大成绩，但还远不能满足人们的需求，汽车空调技术的发展是一个长期的主题，随着能源等问题的出现，新型汽车空调技术的研究与发展将成为汽车空调的趋势。参考文献1谢华阳，丁攀，王文堂等浅谈汽车空调制冷剂的发展J.农业装备与车辆工程2005，(2)2肖军现代汽车空调系统的技术发展趋势J制冷,2006，(9)3萨比特，梁荣光，罗胜平汽车空调一些关键技术发展的展望J制冷，2007，(2)4王小琴汽车空调控制技术的研究概况J科技经济市场，2006，(8)5方贵银，扬帆新型储冷汽车空调系统性能研究J节能与环保，2006，(12)6胡兴岩吸附-冷却式除湿制冷空调在大型客车中的应用J洁净与空调技术，2006，(1)7 Somdberg M,Sjoberg M.The use of moments for assessing air qnility in ventilated rooms J.Bailding amd Environment,1983,18(4):181-1978 王久生.汽车空调原理与维修.武汉测绘科技大学出版社，1990,9 Awbi M.Venfilafion of Building M.London:TaylorFrancis,2003.10 王久生.大客车空调机使用与维修.湖南科学技术出版社,199711 罗南春.汽车空调的特点及新动向J.重型汽车，1998 年第01期.12 颜廷玉. 直流无刷电机控制系统的设计与研究 D. 哈尔滨工业大学. 200913 夏云铧.袁银男等.汽车空调M.沈阳：辽宁科学技术出版社，2002年9月.14 刘录秀.国外汽车空调技术发展现状J.汽车与配件，2005 年第27 期.15 马国远，史保新，吴立志，陈观生.太阳能辅助电动汽车热泵空调系统的研究.太阳能学报，2001,22(2)，176-180.16 Joaquim R,Gustavo R,Carios D-P,et al.Proc of ICECPC.West Lafayette:Purdue University, 2004.17 崔选盟汽车空调节能降耗途径探讨J.农业装备与车辆工程，2008，(9)：444518 吴贝志汽车空调M北京：航宇出版社，199119 ASHRAE HANDBOOK.FundamentalsMASHRAE Inc.2005 20 肖尤明，徐烈，李志伟等汽