帶回熱器的整車空調系統性能實驗研究及系統匹配法則

錢銳，韓曉波，孟祥軍

(泛亞汽車技術中心，上海 200438)

帶回熱器的整車空調系統性能實驗研究及系統匹配法則

錢銳*，韓曉波，孟祥軍

(泛亞汽車技術中心，上海 200438)

本文分析了回熱器（IHX）在汽車空調系統匹配中的匹配機制，提出了加入回熱器以后其余汽車空調部件以及系統的一些應用法則。利用汽車空調環模試驗，研究了回熱器在不同車速和模式下對汽車整車性能的影響。研究結果表明，經過合理匹配的IHX系統可以使得空調系統出風口平均溫度比原系統降低約1.5 ℃，在獲得同樣的系統制冷性能情況下，系統能耗可以降低約10%。

汽車空調；系統匹配；整車試驗；回熱器

0 前言

在汽車空調的應用領域，回熱器技術原來主要用于CO2跨臨界循環系統，BOEWE D E等[1]、KWON Y C等[2]和王鳳坤等[3]均通過試驗方法研究了不同結構形式的回熱器及回熱循環形式等對CO2跨臨界循環系統性能的影響。結果表明，回熱器可提高系統效率約20%。但是，鑒于CO2跨臨界循環系統始終存在系統壓力偏高，和原有HFC134a系統相比，系統遷移的復用性較低，這一技術應用不廣泛；后來隨著HFC134a的主要替代制冷劑HFC1234YF的推廣使用，回熱器技術也逐漸回暖。目前，隨著壓縮機技術的推進，回熱器技術甚至在傳統的HFC134a系統中也有較大程度的推廣使用，究其原因是因為采用了回熱器的汽車空調系統的能耗（主要指壓縮機能耗）在同等制冷性能下，能夠被降低約10%[4-5]。

本文首先分析了原有空調系統加入回熱器以后，系統各主要零部件運行工況的偏移以及系統優化的方向和一般性準則；然后進行了兩組環模試驗，分別針對兩個車型使用IHX的整車試驗結果進行分析，印證原有的系統匹配原則。最后介紹了回熱器系統匹配的關注點，并且強調了整車試驗和臺架試驗的一般差異性，為后續工程的開發積累了經驗。

1 汽車回熱器的理論分析

和傳統汽車空調系統相比，汽車回熱器的系統結構如圖1所示。

從圖1中可以看出，汽車回熱器系統利用冷凝器出來的高溫高壓的液態制冷劑與蒸發器出來的低溫低壓的氣態制冷劑進行換熱，進一步增加了冷凝器過冷度和壓縮機進口過熱度。過冷度的提高能夠增加系統單位制冷量，而壓縮進口過熱度的增加對于防止吸氣溫度過低，壓縮機外壁結霜很有幫助。對于汽車空調常用制冷工質R134a而言，采用回熱器能夠提高系統 COP（制冷系數）。下面是回熱器系統的簡單理論分析。整個汽車空調系統回熱循環如圖2所示，回熱器安裝位置如圖。

圖1 傳統空調系統與帶回熱器空調系統對比

圖2 汽車空調回熱循環

如圖3所示，其中循環A-B-C-D-A表示不帶回熱器的理論循環，A-A＇-B＇-B-C-C＇-D＇-D-A表示帶回熱器的制冷循環，其中A-A＇和C-C＇表示回熱過程。在單位質量下，回熱循環的制冷量為 A＇到 D＇的焓差，傳統循環的制冷量為A到D的焓差，所以制冷量增加值等于：

回熱循環的功耗增量為：

令K1= ΔQ/Q，K2= ΔW/W，據分析推論可知[6]，對于R134a，存在K1＞K2，得：(K1+1)/(K2+1)＞1，所以，回熱循環制冷系數為：

以上是回熱循環的理論分析，下面是回熱循環的整車試驗結果。

圖3 帶回熱器循環壓焓圖

2 試驗裝置

整車空調試驗采用整車環境模擬風洞進行，環模風洞（以下簡稱環模）是目前汽車空調行業最復雜、最精密的試驗模擬設備。建造整車環模的意義在于最大限度地模擬全球各區域客戶可能遇到的各種氣候和路況條件，開發和驗證符合客戶需求的整車，減少道路實際試驗時間，提升開發效率。環模主要由五大部分組成：安裝了日照模擬系統/底盤測功計和邊界層系統等設備的主試驗倉，主風機以及鋼結構風道系統，溫度控制的制冷/制熱機組，濕度控制系統，新風控制及其輔助系統。

通過功能區分，整車環模主要由控制室、主實驗艙以及后端控制設備三部分組成，這里主要介紹試驗相關的控制室和主實驗艙兩部分。

1) 控制室：控制室安裝了一整套系統匹配及協調軟件，通過該協調軟件，可以同時對風速、車速、溫度、濕度、日照以及雨雪模擬等系統完成協調控制，并通過全球最先進的IPEtronik數采系統對試驗數據進行實時記錄。此外，控制系統中的安全模塊可以對試驗倉的狀態進行實時監控，并通過強制換氣以及高壓細水霧噴淋等分級安全措施，保障試驗室的安全。

2) 主實驗艙：首先，試驗室的標準風口面積為7 m2，相對應的最高風速為200 km/h，通過機械結構轉化成 5 m2的高速風口后相對應的最高風速為250 km/h，這是目前國內所達到的最高模擬風速。風口截面氣流均勻性的誤差在 1%之內，如此高的空氣氣流均勻性和品質也是國內最好的。與之相匹配的，四驅底盤測功計最高車速可達到 250 km/h，前軸為固定軸，后軸為可移動軸，因此軸距控制范圍可達1,778 mm～4,597 mm。軸距與風口的匹配可以使試驗倉覆蓋從小型家轎到大型SUV和MPV的全尺寸乘用車，達到車型型譜全覆蓋的目標。其次，試驗室的溫度范圍為-40 ℃～60 ℃，可覆蓋模擬全球各種地域從極寒到極熱的溫度工況，而溫度的變化速率為0.6 ℃/min。

3 整車試驗結果及分析

試驗車輛：選取兩部車A和B，其中A車不帶回熱器（圖中稱為IHX）試驗結果為a，簡單加上回熱器，不作任何系統優化匹配獲得的回熱器試驗結果為a＇；B車不帶回熱器試驗結果為b，優化系統并重新匹配以后的帶回熱器試驗結果為b＇。

試驗工況：環境溫度38 ℃，環境濕度40%，A車空調設定為外循環、最大制冷，車速工況參見圖4；B車空調設定和車速工況見圖5。

圖4 A車試驗車速設定

圖5 B車試驗車速及循環設定

比較內容為空調壓力以及空調出風溫度。

A車的試驗結果比較見圖6和圖7。A車的試驗結果分析：比較a和a'發現，在無任何匹配優化的前提下，簡單更換回熱器（IHX），從圖7可以看出，整車試驗的結果顯示幾乎完全一樣的出風溫度，這說明整車在風側的表現一致，但是通過圖6發現，制冷劑側的表現并不完全一致，a'的系統壓力表現說明改裝回熱器以后，在一定壓縮機轉速下，系統的低壓升高、高壓降低，說明系統具有更大的質量流量，但是受限于壓縮機的能力，系統的壓差不能有效建立。a和a'兩個系統具有不同的過熱度表現，但是由于均在熱力膨脹閥的調節能力范圍之內，系統提供給蒸發器側的冷量在a和a'仍可保持一致，故整車制冷系統表現相當，回熱器未能在整車空調試驗中展現任何優勢。

圖6 A車系統高低壓對比

圖7 A車前排出風溫度對比

B車的試驗結果比較見圖8和圖9。B車的試驗結果分析：比較b和b'發現，在更換回熱器過程中，充分考慮加裝回熱器后，制冷劑側是一個更加強勁的系統，需要從系統沖注量、熱力膨脹閥的設定、壓縮機出口溫度和熱力膨脹閥的調節范圍四個方面充分考慮制冷系統的容差，這是回熱器系統匹配的四個要素。從圖9可以看出，整車試驗的結果顯示，匹配回熱器以后，調整了系統沖注量，將膨脹閥的設定值調高以后，高壓雖有所降低，但是低壓也同樣有所降低。b'與b相比，整車空調出風溫度有平均 1.5 ℃以上的降低，這說明回熱器有效增加了對系統制冷劑側的助力。。測量壓縮機功耗，同樣制冷性能條件下，壓縮機能耗能夠下降10%左右（視具體工況有所不同）。

圖8 B車系統高低壓對比

圖9 B車前排出風溫度對比

4 結論

1) 更換回熱器會造成系統的沖注量變化，如果不重新充注，會造成質量流量不夠，而且沖注量一定要加大。在一個增大了能力的系統面前，如果沖注量不足，可能會造成低壓降低，高壓降低。

2) 在蒸發器側，由于蒸發器側總體能力加大，但是熱負荷增大（需要額外散掉冷凝器出口的部分熱負荷），所以低壓會升高。

3) 在蒸發器側，相對于增加的蒸發能力而言，制冷劑流量不足，所以壓縮機進口過熱度會大幅增大，但是注意，由于蒸發器本身沒有變化，而蒸發器進口的焓值減小（由于過冷度增大），所以最終蒸發器出口的過熱度減小。

4) 蒸發器出口過熱度減小和壓縮機進口過熱度增大會指向兩條不同的膨脹閥調節方向，在系統匹配過程中，仍然會以壓縮機出口溫度作為評判標準，為了防止壓縮機出口溫度過高，熱力膨脹閥設定值加大，也就是一般所說，系統向著“調濕”的方向進行匹配。

5) 在冷凝器側，由于冷凝器側總體能力加大（增加的冷凝器也就是增加了過冷度），但是沖注量相對不夠，所以高壓會明顯降低；當然增加沖注量，同樣會得到降低高壓的效果。

6) 壓縮機本身能力對回熱器能力的發揮有重要影響，壓縮機作為制冷系統的唯一動力源，要求能夠適應改裝回熱器以后的制冷系統壓差需求。

7) 回熱器系統匹配的本質是在系統沖注量、熱力膨脹閥的設定、壓縮機出口溫度和熱力膨脹閥的調節范圍四個方面進行權衡，充分考慮制冷系統的容差，獲得最后的優化結果。

8) 回熱器本身的設計對系統最終匹配結果有直接關聯，回熱器的長度和直徑對最終整車匹配的結果有直接影響。

[1]BOEWE D E,BULLARD C W,YIN J M,et al.Contribution of internal heat exchanger to transcritical R-744 cycle performance[J].HVAC&R Research,2001,7(2): 155-168.

[2]KWON Y C,KIM D H,LEE J H,et al.Experimental study on heat transfer characteristics of internal heat exchangers for CO2system under cooling condition[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2009,23(3): 698-706.

[3]王鳳坤,范曉偉,張仙平.CO2循環回熱器作用分析[J].制冷技術,2007,35(5): 440-450.

[4]嚴詩杰,李冰,金鑫,等.利用回熱器提高HFC134a汽車空調系統性能的試驗研究[J].汽車技術,2010(11): 44-48.

[5]陳江平,施駿業,趙宇.國內外汽車空調系統發展動向[J].化工學報,2008,59(S2): 9-13.

[6]向立平,曹小林,席占利,等.回熱器對制冷循環性能影響的研究[J].制冷與空調（四川）,2005(4): 38-42.

[7]NELSON S,HRNJAK P.Improved HFC134a mobile air conditioning system[R].Urbana: Air Conditioning and Refrigeration Center,2002.

Experimental Study and System Matching Principles for the Performance of Vehicle Air Conditioning System with Internal Heat Exchanger

QIAN Rui*,HAN Xiao-bo,MENG Xiang-jun
(Pan Asia Technical Automotive Center,Shanghai 200438,China)

The matching mechanisms for the application of internal heat exchanger (IHX) in the vehicle air conditioning system were analyzed,and the matching principles for the rest air conditioner components and the system after adding IHX were proposed.The effect of IHX on the vehicle performance under the conditions of different vehicle speeds and modes was investigated through the automotive air conditioning environment experiment.The research results show that,the reasonably matched IHX system may decrease the average discharge temperature by 1.5 °C than the original system,and reduce the system power consumption under the condition of the same system refrigeration performance.

Automotive air conditioner;System match;Vehicle test;Internal heat exchanger

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.103

*錢銳（1972-），男，高級工程師，博士。研究方向：熱力學架構開發，汽車空調系統匹配。聯系地址：上海市龍東大道3999號泛亞汽車技術中心空調電子部，郵編：200438。聯系電話：021-50161436。E-mail：Rui_Qian@PATAC.com.cn。