汽車空調系統的應用與發展

【摘 要】汽車空調系統是影響汽車舒適性的主要因素之一，為汽車提供取暖、制冷、除霜、空氣凈化和濕度調節等功能。本文介紹了汽車空調系統的組成、應用與發展現狀，介紹了兩種新型汽車空調系統的工作原理，并在此基礎上，分析總結了汽車空調系統的發展趨勢與方向。

【關鍵詞】汽車空調系統；應用；發展

伴隨我國汽車行業的快速發展，行業競爭日益激烈，為獲得更多市場份額，生產出安全性、經濟性、舒適性好的高性價比汽車，成為各大汽車生產商的共同目標。空調系統是影響汽車舒適性的因素之一，為汽車提供取暖、制冷、除霜、空氣凈化和濕度調節等功能。

伴隨著汽車工業的發展，汽車空調結構不斷完善。早在1925年，在美國就出現了利用冷卻液加熱器的方法取暖。1939年，通用汽車首先在轎車上安裝機械制冷降溫的空調器，成為汽車空調的先驅。1954年，通用汽車首先在納什（Nash）轎車上安裝了冷暖一體化的空調器。到了60年代，在高檔車中出現了只需預先設定好溫度，機器自動在設定溫度范圍內工作的自動空調系統。70年代后，隨著電子計算機的興起，在汽車中出現了用微機控制的空調系統，極大地提高了調節效果，節約了燃料，從而提高了汽車的整體性能，并達到最佳舒適性。80年代后，對環境問題的關注促使汽車空調技術的發展集中在制冷劑的替代上，從2000年后我國汽車空調已全部采用R134a（CH2FCF3）為制冷劑。伴隨環保觀念的普及以及對汽車舒適性要求的進一步提高，汽車空調系統呈現出更高效、更節能、更環保及更穩定的發展趨勢。

１．環保理念下汽車空調系統制冷劑的發展

隨著全球變暖趨勢的日益加劇而帶來的嚴重后果，如何限制溫室氣體排放越來越受到重視。R134a雖對臭氧層沒有破壞，溫室效應僅為R12的1/6，具有低毒、不燃燒、制冷量與R12相當等優點，但由于其溫室效應指數仍然較高（約為CO2的1300倍），而且R134a不溶于礦物油，還對銅管有腐蝕性，且在大氣中分解會產生一種吸濕力較強具有腐蝕性的液體三氟乙酸（C2HF3O2），可在不同地方聚集，對人體的健康有一定的危害。R134a制冷劑已被納入“京都議定書”限制生產和使用的范疇。解決R134a溫室效應問題可從兩個方向入手：

1.1減少制冷劑的泄漏和排放

減少橡膠軟管的使用和接頭數量，改變壓縮機軸封形式等方法以減少零部件的泄漏。當車輛報廢維和修空調系統時對制冷劑進行回收，減少排放。

1.2新型制冷劑的采用

歐洲、美、日正在積極進行CO2汽車空調系統的研究工作，2002年底日本電裝公司在20輛豐田電動乘用車上批量安裝了CO2空調系統。但CO2制冷系統與目前的常規系統有很大不同，替換工作量和難度很大。目前可供選擇的制冷劑還有二甲醚、三氟甲醚等。

2.汽車空調系統的組成、功用及發展

2.1制冷系統的組成及其發展

2.1.1壓縮機

在定排量壓縮機方面，曲軸連桿式是最早出現的空調壓縮機，在轎車上已淘汰，目前僅在大客車上使用。目前轎車上應用最多的是斜盤式和搖板式兩種。以上壓縮機必須設置吸氣、排氣裝置，容積效率較低，有逐漸被取消了吸氣裝置的旋轉式壓縮機替代的趨勢。尤其是蝸旋式壓縮機進一步取消了排氣裝置，因而吸排氣連續、效率高、振動小、質量輕、結構簡單、能耗低；在高速旋轉時，氣流脈動小，運轉平穩，是今后汽車空調壓縮機發展的主流方向。

在變排量壓縮機中，若制冷負荷不變，而發動機轉速增加，則壓縮機活塞行程減小，降低了壓縮機的排量，使制冷劑流量保持不變。這樣既滿足了制冷負荷的要求，同時也降低了發動機的功耗。因排量可接近零，壓縮機的電磁離合器便可去掉，進一步減少重量，且壓縮機不停運轉，避免了慣性耗能。變排量壓縮機的優點，無疑在汽車空調中會得到更為廣泛的應用。

2.1.2換熱器

汽車空調中的換熱器包括：冷凝器和蒸發器。

汽車空調冷凝器有三種結構形式，第一種是管片式，其結構為鋁翅片脹緊在銅管上；第二種為管帶式，其結構為鋁翅片焊接在扁平蛇形管間；第三種是平行流結構，按照制冷劑因從氣態到液態而體積縮小的規律，將兩條集流管間用多條扁平管相連，將幾條扁平管隔成一組，將進入處管道多，逐漸減少每組管道數，進一步提高熱交換率。現在，平行流式已在轎車中逐漸普及。

蒸發器同樣有三種形式，前兩種同樣是管片式和管帶式，第三種為層疊式，其結構是將兩片沖成復雜形狀的鋁板疊在一起組成制冷劑通道，中間夾有蛇形散熱鋁帶。層疊式經歷了由雙儲液室向單儲液室的變化，換熱效率進一步提高，結構更加緊湊。

2.1.3節流機構

傳統汽車上的節流機構有熱力膨脹閥（CCTXV）和孔管（CCOT）兩大類型，熱力膨脹閥通過感溫包感測蒸發器出口溫度來調節膨脹閥閥口開度進而調節的制冷劑流量大小。H型膨脹閥因其安裝簡單、可靠性高，已逐漸取代F型膨脹閥的市場地位。孔管因只具有節流而不具備調節流量的功能，經濟性較差，多用在早期的美國豪華轎車上。目前基本上采用熱力膨脹閥。

電子膨脹閥采用蒸發器出口的溫度或壓力信號，經過ECU的分析計算，驅動執行機構對流量控制和調節。其制冷劑流量調節范圍大，蒸發器出口過熱度偏差小，允許系統負荷波動范圍大，在可遇見的未來將成為主流的節流機構。

2.1.4儲液干燥器

儲液干燥器在制冷系統中起到對制冷劑干燥、過濾的作用，傳統的汽車空調系統中以獨立的結構出現，現在很多車上將儲液干燥器直接做在冷凝器側面，將兩者變成一個整體，進一步減少制冷劑泄漏的可能性。

2.2車內空氣的過濾

車外的花粉進入車內會引起人們的過敏反應，灰塵和刺激性氣體會使人感到不適甚至會刺激眼睛、喉嚨鼻腔的粘膜組織。為了車上人員保持清醒的頭腦和愉悅的心情，必須使用空氣濾芯器和活性炭過濾器對空氣進行過濾和凈化。

空氣濾芯器由合成微纖維或紙漿纖維混合制成，起到對100μm～0.01μm微粒進行過濾。活性炭過濾器由多層的多孔紡織材料或泡沫材料組成，活性炭被固定在這些孔上，將有機和無機分子吸附在活性炭的內外表面。目前，汽車上廣泛采用將兩者復合在一起的復合過濾器對車內空氣進行過濾。

2.3相對濕度控制

人類覺得最舒適的相對濕度夏季為50%～60%，冬季為40%～50%。濕度過高，就會感覺到霉味，而且風擋玻璃容易起霧；濕度過低，就會感到口腔、嘴唇、眼睛干澀。因此，有效控制空氣濕度是汽車空調系統重要功能之一。

通過調控蒸發器溫度就可降低空氣的相對濕度。空氣的含水量隨溫度的下降而降低，當濕空氣經過蒸發器時，空氣溫度下降，水蒸氣析出，然后通過熱交換器將空氣加熱，將相對濕度控制理想范圍內。

3.汽車空調控制系統的發展

為使汽車空調系統正常工作，保證在某些特殊情況下能運轉可靠，維持車內所需溫度，汽車空調需要一套控制系統。

傳統控制系統通過機械裝置感知系統溫度和壓力，來控制電磁壓力開關的通斷來控制壓縮機的運行。控制參數少、精度不高、靈敏度低。在原來的機械元件基礎上用某些電子元器件替換提高了控制精度和反應速度，這就是電子式的空調控制系統。由于電子工業的高速發展，全自動空調控制系統應運而生，從而提高了汽車空調的綜合性能。汽車空調控制將朝著網絡化和功能集成化方向發展。現在的空調系統采用多傳感器感測車內、車外、發動機溫度、光照強度等多個信號，傳輸至ECU，再由ECU驅動執行器實現自動控制車內的溫度、濕度、空氣流速、風扇轉速、鼓風機轉速等，提高成員舒適性并且降低能耗。模糊控制理論在空調系統上的應用，大大提高系統的準確性和穩定性。反饋信號的設置，大大提高了因車速、光照強度、負荷波動的干擾下的溫度恒定控制。目前，很多車型的自動空調裝置，還將車廂分成二到四個溫區，對其溫度、風速進行單獨控制，滿足各個乘客的單獨需求。

4.新型車用制冷系統舉例

4.1吸附式制冷系統

該空調系統是利用特殊物質溫度變化時，能吸放另一氣態物質，致使系統壓力變化的特性來制冷的。吸附器內充滿吸附劑。當吸附器被加熱時，已被吸附的吸附質獲得能量，當分子克服吸附劑的吸引力時，從吸附劑表面脫出，系統內壓力逐漸升高。當壓力大到一定程度時，脫附出來的吸附質開始液化，進入冷凝器中進行冷凝放熱。當吸附劑開始冷卻，其吸附能力又逐步提高，開始吸附蒸發器過來的低壓低溫吸附劑蒸氣，并造成系統中的真空狀態，使液體制冷劑不斷汽化。制冷劑在低溫下汽化時，吸收車內的熱量，達到制冷的目的。脫附、吸附循環便是如此周而復始地進行，完成制冷工作。而給吸附器加熱的能量可直接由發動機廢氣或冷卻液提供。目前開發出的吸附劑對主要有沸石-水、硅膠-水、活性碳-氨、活性碳-甲醇和堿土金屬的氯化物-氨等。

4.2蓄冷制冷系統

當制冷負荷小于制冷量時，原汽車制冷系統就會切斷電磁離合器。此時，若加裝以蒸餾水或乙二醇溶液為載冷劑的蓄冷裝置，將多余制冷量儲存起來，以防止汽車在怠速過程中發動機過熱；也可在制冷負荷大于制冷量時，啟動蓄冷系統向車室內補充供冷，滿足乘客的舒適性要求。

5.結語

采暖和制冷的實現都是以犧牲驅動動力為代價的。在國際環保主義潮流的推動下，汽車空調技術正朝著更節能環保的方問不斷發展。對于傳統的轎車而言，雖然發動機冷卻液余熱足夠提供車內的除霜和采暖的需要，但隨著汽油機和柴油機的機械效率越來越高，發動機余熱會逐步減少，所以必須通過提高汽車空調系統的自身效率來降低汽車發動機的負荷。而對于如電動、混合動力、燃料電池等他新一代環保型汽車而言，其自身能量消耗遠小于傳統動力車輛，能夠提供給空調系統的能量極其有限。鑒于此，開發更節能、高效且高可靠性的空調系統必將是未來汽車空調技術的發展方向。

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