汽车空调系统的技术发展.doc

汽车空调系统的技术发展上海恒安空调设备有限公司 张忠于 生特瑞（上海）工程顾问有限公司 姜彦平摘要： 近年来，随着环保和能源问题成为世界关注的焦点与新科技技术的发展，为汽车空调业提出了新的课题与挑战。本文结合企业空调系统的组成与工作原理及其汽车空调技术的发展历程，阐述了新技术在汽车空调系统中的应用和发展。关键词：汽车空调 技术 压缩机 冷凝器组件 HVAC总成 制冷剂 送风系统汽车空调系统作为影响汽车舒适性的主要总成之一，为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制功能，汽车空调系统已成为汽车市场竞争的主要手段之一。虽然目前轿车的燃油余热足够提供轿车内的采暖和除霜的需要，但近期研制的高效汽油、柴油发动机的余热会进一步减少，电动车和混合动力车则不得不牺牲驱动性能来提供采暖和制冷，因此必须通过提高汽车空调系统的效率来减轻汽车的动力负担。1 汽车空调系统的组成与工作原理1.1汽车空调系统的组成制冷系统：对车内空气或外部进入车内的新鲜空气进行冷却，来实现降低车内温度的目的,同时可调节车内空气的湿度。通风系统：通风系统一般分为自然通风和强制通风。自然通风是利用汽车行驶时，根据车外所产生的风压不同在适当的地方开设出风口和进风口来实现通风换气；强制通风是采用鼓风机强制外气进入的方式。空气净化系统：空气净化系统是由空气过滤器、出风口等组成。控制系统：控制系统主要由电气元件、真空管路和操纵系统组成，目前常见的控制系统有：手动控制：各风门机构由拉索调节；半自动（电动）控制：由伺服电机或步进电机控制各风门机构；全自动控制：由控制器内的电脑芯片并根据各传感器采集的参数自动调节。1.2汽车空调系统的工作原理汽车空调的基本原理与通常的制冷原理基本一致。利用制冷剂的蒸发、冷凝过程，通过外界输入功达到制冷目的。当然一般空调的涵义包括冷气、暖气及空气净化三个内容，本文仅就主要部分制冷这一环节加以展开。从蒸发器来的低压制冷剂气体被吸入压缩机气缸后，经压缩变成相对高温高压气体，然后进入冷凝器。经冷却后变成相对高压、常温液体，再经过膨胀阀降温降压后进入蒸发器进行蒸发同时带走流经蒸发器芯体的车内空气的热量，蒸发完全的制冷剂气体被吸入压缩机进行压缩，如此不断循环，循环的车内空气被冷却后源源不断地被送入车厢，由此获得制冷功效。2汽车空调系统的技术创新2.1压缩机压作为汽车空调装置的核心压缩技术的发展一直备受世界各国汽车制造商所关注，第一代压缩机一曲柄连杆式结构压缩机已在小排量压缩机中所消失，现在只存在于大客车空调装置中，而且，还有待被大排量十缸斜盘式压缩机（排量超过300厘米3转）取代的趋势。 作为第二代的轴向型压缩机（摇盘式和斜盘式压缩机）一直是汽车空调压缩机的主导产品，约占所有压缩机产品的70，随着技术的不断进步，轴向型压缩机不但可以做到小型轻量化。而且，最高转速可达10000转分以上。特别是轴向型压缩机率先实现了无级可变排量控制，特别受到汽车制造商的欢迎。 第三代压缩机-旋转叶片式压缩机由于其体积和重量可以做得最小，易于在狭小的发动机室内进行布置，加之噪声、振动小，容积效率高等优点，也特别受到汽车制造商的青睐。产量有连年上升的趋势。 代表着压缩机最高技术水平的第四代压缩机-涡旋式压缩机由于突破了制造技术上的难点正在突飞猛进地发展着。涡旋式压缩机最高转速可达12000转分，以上，容积效率比活塞式压缩机可高达60，且噪声小，运转平稳。压缩机是汽车制冷系统的心脏，是推动制冷剂在制冷系统中不断循环的动力源，变排量压缩机还起着根据复合大小调节制冷剂循环量的作用，其动力来源于汽车主发动机或辅发动机。压缩机的设计正朝着减少重量和体积、降低噪音和增加振动稳定性的方向发展。目前国外压缩机仍以斜板式、旋叶式和漩涡式压缩机为主，为减少离合器频繁闭合产生的噪音和获得更佳的控制效果，外部控制式变排量压缩机逐渐成为世界车用空调压缩机的主导方向，它具有结构紧凑、重量轻和节省能源的优点。以日本电装DENSO的变排量压缩机为例，它采用了树脂离合器，体积小，质量轻，而其中的新型控制阀能实现扭矩的估计和控制。另外随着世界各国的环保意识的不断加强，电动压缩机也得到了进一步的发展，它能满足混合燃料电池车用空调的需要。DANFOSS，DENSO，ZEXEL等国际性公司已进入二氧化碳压缩机小批量生产阶段。同时在节能方面，日本电装DENSO开发的一种外部电控变排量压缩机，排量可从0-100%之间变化，压缩机的开停可完全不受离合器控制，因而这种压缩机取消了电磁离合器，一方面大大降低了压缩机的启动扭矩，延长压缩机的使用寿命，另一方面使机组重量大为减轻。2.2冷凝器组件冷凝器的结构经历了：管片式（铜管铝片、铝管铝片）、管带式（蛇形铝扁管及铝片）、平型流式（铝扁管铝片）、带过冷结构的平型流式，而其中平型流冷凝器经历了厚壁扁管到溥壁扁管的发展过程，其发展主要考虑体积小、重量轻、高换热效率，因而可以节省成本但又不影响性能。带过冷结构的平型流式冷凝器组件的特点是储液干燥器作为整体焊接在冷凝器的一侧，从而取消了现今的连接管和两个螺栓，而用集流管和集流管平行布置的储液干燥器之间的开口代替。而减少安装空间，储液干燥器相对于冷凝器表面非对称布置。现今一般汽车空调的办法是对制冷装置进行一定量的过量充注而得到过冷，从而使制冷功率得到改善，通过制冷剂向冷凝器的倒流使一部分传热面用于过冷。这种方法的缺点在于，过冷度在不同的行驶状态下将有很大的变化；在制冷剂有较小损失的情况下，过冷度很快就没了。除了由此产生的功率损失外，液体管中饱和状态的液态制冷剂在接收到较少的热量或有较少的压力损失时马上沸腾，产生的蒸汽使得膨胀阀达到其调节范围的极限，这导致蒸发器出口处制冷剂的过热度提高从而使蒸发器传热面积的利用率下降。冷凝器组件避免了上述缺点，储液干燥器下部的液态制冷剂通过开口进入冷凝器的过冷段以得到进一步的冷却。通过选择过冷器的面积可以从结构上确定一个需要的过冷度的值。2.3 HVAC总成HVAC总成主要由蒸发器芯体、节流阀（膨胀阀、节流管等）、暖风芯体、风门调节机构（模式及冷暖转换）、塑料壳体等组成，其中蒸发器芯的发展经历了管片式（铜管铝片、铝管铝片）、管带式（蛇形铝扁管及铝片）、层叠式（板翅式）、平型流式，其发展主要考虑体积小、重量轻、高换热效率，因而可以节省成本但又不影响性能。暖风芯体经历了从铝管铝片塑料水室结构到现在的铝钎焊全铝结构的过程，其热源由发动机冷却液提供，新能源轿车由于没有了发动机取而代之的是燃料电池等，因此制热目前较常采用PTC（一种陶瓷电加热器），其缺点是换热量偏低。一般汽车的暖气热源都是来自于发动机冷却水的废热，由于发动机的高效率化，废热减少，使得冬季取暖的热源成问题。新时期很多汽车公司都发明与采用一些补充的或新的采暖方法。增加辅助电动水泵-发动机停转时，用电动水泵将发动机热水送向暖风芯子，此办法适用于混合动力车发动机停转时间不会太长的场合；采用热泵式空调系统-由于热泵系统冬季采暖效率较低，而且系统较复杂，一般只用于电动车、燃料电池车等车辆。CO2的压缩热很大，若采用CO2热泵式空调系统，则冬季采暖效率较高；利用摩擦热取暖对于高效率的柴油机，其废热较少，冷却水温度较低，采暖热源不够，必须要发动机额外做功，其中的一个方法就是增加一个Viscous加热器。Viscous加热器是利用一个与发动机转轴相连（可通过皮带）的圆盘在旋转时与高黏度的发动机机油摩擦而产生热，供车内辅助采暖用，在热交换器中被降温了的机油又重新被抽回发动机。2.4制冷剂汽车空调制冷剂经历了从CFC到HFC-134a再到CO2或HFO1234YF的过程，降低温室气体的排放，减少对大气臭氧层的破坏，从而起到环保作用。CO2汽车空调系统的好处是全球温室系数仅为HFC-134a系统的1/1300，无毒、非燃烧性天然物质，不需要其它制冷剂的生产工序，能直接从化工厂排放物中提取。美、日、欧都已相继研制成功了二氧化碳系统并装车试运行，其缺点是系统压力高，因而成本高，普遍推广有一定难度。HFO1234YF是近几年兴起的一种新工质，该制冷剂的优点是GWP值小于150，空调系统的结构与HFC134a基本相同，但缺点是经试验检测在相同的系统进行性能测试采用HFO1234YF为制冷剂时其制冷是比R134a降低8%左右，因此相关专业厂家正在研究如何提高换热量的办法，目前有研究表明采用增加回热器的办法可以得到弥补，相信不久的将来这一问题便能彻底解决。2.5送风系统现在一般采用的空调系统，冬季使用空调时，由于车外新鲜空气比车内空气干燥，为防止风窗结雾，空调回风是采用外循环方式，即全部导入车外新鲜空气，有等量的热空气排出车外，造成比较大的热量损失（换气损失）。为减少热量损失，近来新提出了两层式空调送风系统概念。这是指将空调送、回风系统分为上、下两层，冬季使用空调时，将加热的新鲜空气从车室上半部送向风窗除雾，然后，就从上部导出车外；吹向足部的暖风则采用内循环方式在车室下半部流动，这样可减少一半的换气热损失。3结束语改革开放以来，随着社会日益发展，人民生活水平的不断提高，汽车已经成为人们生活、工作必不可少的重要交通工具之一。我国汽车年生产量和销售量也在逐年攀升。人们对于汽车性能评价除了要求有较好的动力性能和操控性外，现在也开始越来越注重汽车本身的安全性和舒适性。汽车空调作为提高汽车乘坐舒适性的一种重要手段已经被广大汽车制造商和用户认可。汽车空调系统已经在汽车辅助系统中占有举足轻重的地位。汽车空调系统的安装，不仅能够提高乘客乘坐的舒适性，同时还可以使司机在空调环境中保持清醒的头