汽車空調(diào)HFO-1234yf制冷劑研究動向與展望

陳琨，劉春梅

（湖南汽車工程職業(yè)學院汽車運用系，湖南株洲 412000）

汽車空調(diào)HFO-1234yf制冷劑研究動向與展望

陳琨，劉春梅

（湖南汽車工程職業(yè)學院汽車運用系，湖南株洲 412000）

分析了現(xiàn)行制冷劑對大氣環(huán)境的影響及HFO-1234yf研究的重要性；介紹了當今歐美等國在HFO-1234yf安全性方面的研究現(xiàn)狀，指出HFO-1234yf是本領(lǐng)域的研究新熱點；介紹了國外對現(xiàn)行制冷劑的使用規(guī)定情況，并展望了HFO-1234yf作為新型制冷劑在國內(nèi)的研究內(nèi)容與方向。

汽車；空調(diào)；HFO-1234yf；制冷劑；研究動向

汽車空調(diào)制冷劑所用物質(zhì)到目前為止大概分為4個階段：第一階段為1830—1930年，主要考慮制冷系統(tǒng)的功能，即使有毒性和可燃性、腐蝕性物質(zhì)，只要能實現(xiàn)制冷的功能就優(yōu)先選用作為制冷劑；第二階段為1931—1990年，為追求制冷劑的安全性和化學穩(wěn)定性，選用CFC（氟氯碳）和HCFC（氟氯烴）；第三階段為1990—2010年，為防止破壞臭氧層，選用完全不含氯元素的HFC（氫氟烴）；第四階段從2010年至今，為防止全球變暖，不選用GWP（Global Warming Potential，表示全球變暖潛勢，用于衡量相對于二氧化碳的，在所選定時間內(nèi)進行積分的，當前大氣中某個給定的充分混合的溫室氣體單位質(zhì)量的輻射強迫。其值越小，則制冷劑對環(huán)境的影響越小）值高的HFC和破壞臭氧層的CFC，而選用以HFO-1234yf為代表的更低GWP值的物質(zhì)作為制冷劑。現(xiàn)在處于第三階段到第四階段的過渡期。了解HFO-1234yf作為汽車空調(diào)制冷劑的研究動向，對應對加注HFO-1234yf制冷劑的汽車進入中國有很大幫助，也為中國在新制冷劑研究、生產(chǎn)、運輸和管理等方面帶來了新的課題。

1 汽車空調(diào)HFO-1234yf制冷劑的研發(fā)

根據(jù)歐盟已通過的含氟溫室氣體控制法規(guī)的要求，自2011年1月1日起，歐盟禁止新生產(chǎn)的汽車空調(diào)使用GWP值大于150的制冷劑，由于現(xiàn)在使用的HFC-134a的GWP值為1 300，被禁用；2011年1月1日至2017年1月1日，在用汽車空調(diào)按比例逐步淘汰GWP值大于150的制冷劑。

對以R-1234yf為代表的更低GWP值的物質(zhì)作為下一代汽車空調(diào)制冷劑的替代品進行研發(fā)。通常GWP值小的物質(zhì)其化學反應性高，這是因為紅外線吸收系數(shù)減小，大氣中存在的壽命會變短。所以選擇GWP值小的物質(zhì)，在燃燒性、有害性、分解物生成性、節(jié)能性等方面會造成使用成本上升。

選擇HFO-1234yf作為下一代制冷劑主要考慮以下幾點：1）環(huán)境特性。由于HFO-1234yf分子中不含氯原子，ODP（Ozone Depression Potential，表示消耗臭氧潛能值，其值越小，則制冷劑對環(huán)境的影響越小）為零；HFO-1234yf在大氣中壽命只有11 d，GWP為4，且大氣分解產(chǎn)物與HFC-134a相同，HFO-1234yf對環(huán)境的影響幾乎可忽略，遠小于HFC-134a。2）燃燒特性。HFO-1234y無閃點，自燃點為405℃，為弱可燃性。3）有害性。HFO-1234y的毒性低；對制冷設(shè)備中所有常用金屬材料不具有活性和腐蝕性，包括碳鋼、不銹鋼、銅和黃銅等，但可與鋁、鎂、鋅反應；對塑料和橡膠的侵蝕性比HFC-134a小。4）節(jié)能性。HFO-1234y的熱循環(huán)性能優(yōu)秀。5）實際裝車可能性。在實際的空調(diào)機中裝填、使用HFO-1234y時產(chǎn)生危險的可能性小。

2 HFO-1234yf安全性評估

對于汽車空調(diào)，主要關(guān)注發(fā)動機艙和乘客車廂內(nèi)部的燃燒風險，因為如果制冷劑在發(fā)動機艙發(fā)生泄漏，高溫零件可能會點燃HFO-1234yf；如果制冷劑在乘客車廂內(nèi)發(fā)生泄漏，而此時乘客使用明火，就可能導致車廂內(nèi)HFO-1234yf燃燒。

2.1SAE共同研究CRP1234項目

HFO-1234yf是弱可燃制冷劑。為了探究其在汽車空調(diào)中應用的安全性，美國汽車工程師學會SAE開展了CRP（Cooperative Research Project）1234項目研究，由SAE聯(lián)合日、美、歐、韓等國10家汽車制造廠商和部件供應商OME針對HFO-1234yf在汽車空調(diào)中應用的性能、材料兼容性和安全性共同開展研究。

CRP1234針對HFO-1234yf制冷劑的可燃性及運用FTA（Fault Tree Analysis，失效樹分析法）對其著火風險進行分析（見圖1）。2006—2009年，該項目針對多種點火源進行了研究，并對制冷劑燃燒產(chǎn)物濃度進行了對比。2012年10月以后，為了回應戴姆勒的質(zhì)疑，進行了CRP1234-4項目，將兩種新情況納入FTA分析中。

圖1　失效樹分析法

著火風險失效樹分析說明：1）降低著火的因素為碰撞時發(fā)動機艙的部件間隙減小，從而降低著火的可能性；碰撞時發(fā)動機排出冷卻水蒸汽，會阻礙制冷劑起火。2）制冷劑在高溫零件表面起火的濃度大小由泄漏方向和流動方向決定。3）排氣管表面溫度達到700℃以上時制冷劑才會著火，而滿足這個條件的幾率很小。4）火焰?zhèn)鞑サ臈l件是發(fā)動機艙內(nèi)由潤滑油等造成的起火和傳播。

研究結(jié)果（2013年7月）：由HFO-1234yf引起的車輛火災造成乘員受傷的風險為3X10-12，比所有原因引起的車輛火災風險1X10-6低6個數(shù)量級；使用HFO-1234yf作為汽車空調(diào)制冷劑不會造成嚴重風險，HFO-1234yf可應用于汽車空調(diào)中。

2.2德國聯(lián)邦機動車運輸管理局（KBA）的車輛測試

試驗車輛為4臺德國國內(nèi)充注了被認可的HFO-1234yf制冷劑的車輛。試驗方法：1）進行40km/h側(cè)向碰撞試驗，確定3個程度的泄漏部位，即制冷劑泄漏的部位；制冷劑無泄漏，但可見變形的部位；無泄漏變形，考慮耐久性和高速碰撞，有可能泄漏的部位。2）高負荷行駛中，使溫度上升，達到高溫條件時釋放制冷劑，確認是否發(fā)生火災和產(chǎn)生HF（氫氟酸，對皮膚有強烈刺激性和腐蝕性）。

測試結(jié)果（2013年10月）：上述3個泄漏部位中，前2個部位測試試驗中沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品安全問題的證據(jù)，但第3個部位發(fā)生火災和產(chǎn)生HF的可能性需進一步調(diào)查。

2.3歐盟委員會的結(jié)論

受歐盟委員會的委托，歐盟聯(lián)合研究中心（JRC）召集各利害關(guān)系方召開討論會，對SAE和KBA的研究結(jié)果進行綜合論證（2013年11、12月；2014年1月），發(fā)表了“沒有證據(jù)表明在正常且可預見的使用條件下，在汽車空調(diào)系統(tǒng)中使用這種制冷劑會造成嚴重危險”的結(jié)論。

3 歐美的制冷劑使用規(guī)定

3.1歐洲汽車空調(diào)機制冷劑通知

限制內(nèi)容：禁止使用GWP大于150的制冷劑。對象車輛：乘用車和小型商用車（1350kg以下）。法律公布：2006年5月。適用日期：新型車2011年1月1日起；新車2017年1月1日起。由于制冷劑供給不足，2012年12月31日前，新型車可使用以前的制冷劑（HFC-134a）。

3.2北美的重大新替代品政策計劃

1994年，美國環(huán)保署（EPA）依據(jù)《清潔空氣法案》發(fā)布重大新替代品政策計劃（SNAP，Significant New Alternatives Program），這是一項對臭氧層消耗物質(zhì)替代品/替代技術(shù)進行評估、鑒定和公開發(fā)布的計劃，它不要求“可接受的替代品”完全無風險，但需通過比較替代品與現(xiàn)在使用的Ⅰ類或Ⅱ類化合物及其替代品的風險水平確認替代品的可接受程度。

SNAP計劃規(guī)定HFO-1234yf可以有條件地使用在乘用車、輕型貨車上，并設(shè)定了必要條件，提出了實施故障模式影響分析（FMEA）的要求。對于HFC-134a（現(xiàn)行制冷劑），SNAP計劃討論了將來禁止的方案，雖然沒有明確具體的禁止時間，但作了實質(zhì)性的限制。

4 中國使用HFO-1234yf制冷劑的展望與建議

根據(jù)中國環(huán)境保護法的要求和汽車空調(diào)制冷劑的使用現(xiàn)狀，對于HFO-1234yf制冷劑的研究，在指定研究車輛和設(shè)定限制目標之前，可以在制冷劑的穩(wěn)定供給、合理的價格、緩慢限制生產(chǎn)保養(yǎng)機器等方面進行考慮。

（1）對象車輛為乘用車。1）乘用車的銷售量約占90%，制冷劑使用量也占約90%。2）客車、貨車等為了保證長時間使用和長距離行駛，需要進行耐久性檢驗、建造特有的車輛結(jié)構(gòu)和布局零部件的安裝位置（如貨車駕駛室的前傾結(jié)構(gòu)、發(fā)動機的布局、車頂空調(diào)總成的安裝等），同時還需開發(fā)專用零部件和對安全性進行檢驗，由于開發(fā)和檢驗的時間較長，在歐洲也沒有作為限制對象。

（2）目標值為GWP=150。1）目前HFO-1234yf制冷劑還沒有普及，有的公司也在研究GWP=130左右的替代制冷劑，這樣就有多種制冷劑可供選擇，為確保供給穩(wěn)定，可啟動競爭機制。2）與歐洲的限制相對應。

（3）目標年度根據(jù)開發(fā)時間和系統(tǒng)改變循環(huán)時間設(shè)定。1）考慮制冷劑更換造成的性能惡化的應對，如空調(diào)零件等諸多元素的變更、車輛性能評價。2）考慮成本上升的應對。3）考慮車輛生產(chǎn)工廠的制冷劑充注設(shè)備的導入。4）考慮各銷售店保養(yǎng)機器的配備。

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