空調用高低壓管一體式節能同軸管路

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， 隨著汽車產業的更新， 對整車的環保節能技術有了更高的要求， 任何對汽車發動機排放及節能的提升， 都會對汽車空調系統提出新的挑戰， 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系統的動力受到嚴格限制， 這就對空調系統的節能高效提出更高要求， 空調系統必須通過自身改進結構或采用新技術來實現節能、 高效。

目前絕大多數汽車空調系統使用的空調管路都為高、 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。 考慮到空調系統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器出來溫度較低要從環境中吸熱， 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， 空調高壓管路高溫高壓制冷劑需散熱來提高制冷性能， 空調用高低壓管一體式節能同軸管路能夠有效解決上述問題。

1 環模試驗條件

根據整車空調系統環境試驗及其評估方法， 對汽車空調系統進行環境模擬試驗， 試驗條件如下。

1） 40 km／h工況 環境溫度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、內循環、 測試時間45 min、 車內1人， 滿足條件后開始試驗。

2） 60 km／h工況 環境溫度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、內循環、 測試時間15 min、 車內駕駛員位置乘坐1人， 滿足條件后開始試驗。

3） 100km／h工況 環境溫度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、內循環、 測試時間15 min、 車內駕駛員位置乘坐1人， 滿足條件后開始試驗。

4） 怠速工況 環境溫度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、 內循環、 測試時間30 min、 車內1人， 滿足條件后開始試驗。

2 傳統空調管路與同軸管路原理對比

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

2.1 傳統空調管路缺陷

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

2） 空調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， 空調系統在工作過程中， 管內為高溫高壓液體， 需要降溫， 降低蒸發器進口的制冷劑溫度， 提高空調系統的制冷性能。

2.2 同軸管路節能工作原理

高、 低壓管結合為一根管路后， 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 裝兩種管路系統試驗數據對比

同一車型分別裝配兩套管路后， 整車空調降溫試驗數據對比如下。

3.1 環模試驗38 ℃時試驗數據對比

同一車型環模試驗38 ℃時分別裝配兩套管路后， 整車空調降溫試驗數據對比見圖2和表1。

通過對比整車分別裝配兩種空調管路取得的試驗數據， 在40 km／h、 60 km／h、 100 km／h和怠速這幾種工況下， 空調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 高溫環境怠速數據分析對比

分別裝兩種管路整車高溫環境怠速數據分析對比見表2和表3。

通過對比整車分別裝配兩種空調管路在路試和環境模擬試驗取得的試驗數據， 在高溫的環境下，裝配同軸管路的空調系統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模試驗環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的制冷能力。

表1 環模試驗38 ℃時降溫試驗數據對比

表2 裝傳統空調管路環境45～47 ℃時試驗數據

表3 裝同軸管路48 ℃環境模擬怠速試驗數據

3.3 高溫各種工況數據分析對比

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

表4 裝傳統空調管路45 ℃路試試驗數據

表5 裝配同軸管路環模試驗48 ℃時試驗數據

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

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

上述原因導致整車車身所受熱輻射不同， 環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， 出現頭部溫度相比相差不大的緣故。

4 總結

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

另外， 通過此方案改進空調的降溫效果， 不會對整車布置及空調結構造成大變動， 所以對在產車型整改較實用， 但因同軸管路較傳統管路結構及加工工藝更復雜， 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。