重型卡車空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)淺析

岳冬冬，劉治興，張輝，吳海，呂文帥，李賀

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

引言

“十三五”計(jì)劃明確指出節(jié)能減排和輕量化是汽車空調(diào)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，由此可見節(jié)能降耗越來(lái)越受重視、節(jié)能降耗刻不容緩。重型卡車的空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗約占發(fā)動(dòng)機(jī)的10%。在保證空調(diào)制冷效果的前提下，盡量降低能耗尤為重要，本文主要介紹重型卡車空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)或措施。

1 空調(diào)系統(tǒng)工作原理

空調(diào)系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、暖風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛室內(nèi)的空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)。

汽車空調(diào)系統(tǒng)由五大主要總件組成，即壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液干燥器、膨脹閥和蒸發(fā)器。汽車空調(diào)各部件用空調(diào)管路連接，形成一個(gè)密封系統(tǒng)，制冷劑以不同狀態(tài)在這個(gè)密封系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，以氣體→液體→氣體的狀態(tài)變化。以實(shí)現(xiàn)壓縮、冷凝、降壓節(jié)流、蒸發(fā)四個(gè)基本循環(huán)。

2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)

2.1 同軸管換熱器技術(shù)

空調(diào)系統(tǒng)一般采用的單根型普通鋁管或鋼管，分別連接空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)零部件，構(gòu)成空調(diào)系統(tǒng)制冷回路。空調(diào)系統(tǒng)為提高制冷效率，蒸發(fā)器后的氣體管路需要過(guò)熱處理，冷凝器后的液體管路需要過(guò)冷處理，同軸管換熱器便是利用熱量供需關(guān)系而設(shè)計(jì)的一種熱交換器，以達(dá)到余熱利用、節(jié)約能源的目的。

同軸管的結(jié)構(gòu)一般有一體式同軸管（見圖3）與分離式同軸管（見圖4）。

圖2 同軸管換熱器示意圖

圖3 一體式同軸管截面圖

圖4 分離式同軸管截面圖

同軸管是將溫度高低不同的管路集成為內(nèi)外層結(jié)構(gòu)的同一根管路，內(nèi)管與外管居于同一軸線，彼此分開，并不互通，內(nèi)層流動(dòng)的是5℃～10℃的低溫低壓制冷劑，外層流動(dòng)的是70℃～80℃的高溫高壓制冷劑。內(nèi)管與外管中的制冷劑流向相反，兩者相遇時(shí)，內(nèi)管的低溫、低壓氣態(tài)制冷劑因得到熱量而實(shí)現(xiàn)過(guò)熱，外管的高溫、高壓制冷劑因散熱而實(shí)現(xiàn)過(guò)冷，從而使冷凝器出口的高溫高壓液態(tài)制冷劑增加了額外的冷卻性能、蒸發(fā)器出口的低溫低壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)一步過(guò)熱，使壓縮機(jī)在制冷劑至相同壓力下，功耗減少，達(dá)到提升整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)制冷能效的目的。如圖5，1-1'表示增加的過(guò)熱部分，3-3'表示增加的過(guò)冷部分。

使用同軸管，空調(diào)出風(fēng)口溫度可降低1℃～3℃，且燃油消耗降低。

2.2 采用集成油分離器的高效壓縮機(jī)

空調(diào)壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的心臟，是推動(dòng)制冷劑在制冷系統(tǒng)中不斷循環(huán)的動(dòng)力源，在相當(dāng)大的程度上決定著系統(tǒng)的制冷性能。

在空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)的冷凍機(jī)油與制冷劑混合后在系統(tǒng)中循環(huán)，冷凍機(jī)油進(jìn)入換熱器后會(huì)粘附在管道壁面上，增加制冷劑的流動(dòng)阻力，且形成一層熱阻影響換熱器換熱性能，從而影響系統(tǒng)制冷能力。所以從空調(diào)系統(tǒng)制冷能力方面考慮，制冷劑中含油量越少越好。但壓縮機(jī)冷凍機(jī)油也影響壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性，壓縮機(jī)冷凍機(jī)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)內(nèi)的各運(yùn)動(dòng)部件，既減少摩擦和磨損，也起到冷卻作用，將運(yùn)動(dòng)部件保持較低溫度，以提高效率。所以壓縮機(jī)內(nèi)也須保持一定量的冷凍機(jī)油。

采用集成油分離器的壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)排出冷凍機(jī)油與制冷劑混合物之前將冷凍機(jī)油分離一部分然后回到壓縮機(jī)，使系統(tǒng)中的循環(huán)油量減少，有效降低系統(tǒng)中的油循環(huán)率，提升蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的換熱效率。同時(shí)使排出壓縮機(jī)的一部分冷凍油又重新回到壓縮機(jī)，保證壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。

采用內(nèi)置式油分離器的汽車空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)的油循環(huán)率明顯降低，制冷量約提高10%[1]。

2.3 雙驅(qū)空調(diào)系統(tǒng)

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)或輔助發(fā)動(dòng)機(jī)帶傳動(dòng)，從而為整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)提供動(dòng)力輸出。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。在炎熱的夏天，駐車時(shí)，要保證駕駛室內(nèi)的涼爽舒適性，發(fā)動(dòng)機(jī)只能怠速運(yùn)行，空調(diào)系統(tǒng)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但會(huì)付出油耗的代價(jià)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間怠速運(yùn)行會(huì)加速部件磨損甚至產(chǎn)生積碳，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)下運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)油耗約為2L/h。

圖6 雙驅(qū)壓縮機(jī)原理圖

采用雙驅(qū)空調(diào)系統(tǒng)可解決此問(wèn)題，達(dá)到節(jié)能的目的。雙驅(qū)空調(diào)系統(tǒng)的工作原理同蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)，采用雙驅(qū)壓縮機(jī)技術(shù)（原理見圖6），同時(shí)冷凝器增加冷凝風(fēng)扇，即行車時(shí)為帶傳動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源；駐車時(shí)為電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，蓄電池為動(dòng)力源（系統(tǒng)原理見圖7）。如此，在駐車時(shí)只需要消耗部分電能就可保證駕駛室內(nèi)的涼爽舒適性，減少燃油消耗。

圖7 雙驅(qū)空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2.4 高效智能空調(diào)系統(tǒng)

高效智能空調(diào)系統(tǒng)采用多傳感器技術(shù)，通過(guò)伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)根據(jù)駕駛員設(shè)定溫度不斷檢測(cè)車內(nèi)外溫度，太陽(yáng)輻射等車內(nèi)外環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)模式、內(nèi)外循環(huán)、風(fēng)量調(diào)節(jié)和溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，并且引入壓力采集更細(xì)分的壓力傳感器、更高效節(jié)能的外控式變排量壓縮機(jī)。構(gòu)成更高效、自動(dòng)控制精細(xì)化程度更高、更節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。

圖8 高效智能空調(diào)原理框圖

采用外控式變排量壓縮機(jī)技術(shù)，可以根據(jù)環(huán)境溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，車內(nèi)溫度，送風(fēng)溫度，送風(fēng)風(fēng)向以及空調(diào)模式設(shè)定等參數(shù)，由空調(diào)控制器來(lái)確定控制信號(hào)，再由外部（電磁）控制閥來(lái)控制壓縮機(jī)合適的排量，這樣可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的冷負(fù)荷情況確定一個(gè)合適的吸氣壓力，不需要再熱，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

外控式變排量壓縮機(jī)的原理見圖8，根據(jù)各個(gè)傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)，空調(diào)控制器計(jì)算需要的壓縮機(jī)容量，并通過(guò)通斷頻率控制壓縮機(jī)電磁閥開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)容量。在無(wú)電流時(shí)，閥門開啟，高壓腔和壓縮機(jī)斜盤箱相通，高壓腔的壓力（即排氣壓力Pd）和斜盤箱的壓力（即控制壓力Pc）達(dá)到平衡，壓縮機(jī)的排量為0；在高熱負(fù)荷時(shí)，電流增加→吸引力（即電磁力）增加→閥門關(guān)閉→控制壓力Pc 降低→斜盤的傾斜角度加大直至達(dá)到100%的排量；在低熱負(fù)荷時(shí)，電流減小→吸引力（即電磁力）降低→閥門打開→控制壓力Pc 升高→斜盤的傾斜角度減小直至低于2%的排量。

當(dāng)系統(tǒng)的低壓較高時(shí)，真空膜盒被壓縮，閥門挺桿被松開，繼續(xù)向下移動(dòng)使得高壓腔和斜盤箱進(jìn)一步被隔離，從而使壓縮機(jī)達(dá)到100%的排量；當(dāng)系統(tǒng)的吸氣壓力特別低時(shí)，壓力元件被釋放，使挺桿的調(diào)節(jié)行程受到限制，這就意味著高壓腔和斜盤箱不再能完全被隔斷，從而使壓縮機(jī)的排量變小。

圖9 外控式變排量壓縮機(jī)原理圖

外控式變排量壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：壓縮機(jī)一直運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)接合沖擊，提高了舒適性；通過(guò)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的溫度使制冷量和熱負(fù)荷及能量消耗完美匹配，減少了再加熱過(guò)程，使出風(fēng)口的溫度，濕度恒定調(diào)節(jié)；壓縮機(jī)的功率消耗下降，燃油消耗下降。

壓力傳感器是由壓敏元件和轉(zhuǎn)換電路組成，利用被測(cè)介質(zhì)壓力作用在壓敏元件上產(chǎn)生一個(gè)微小變化的電流或電壓輸出。傳感器需要同外部放大電路配合使用才能完成從壓力檢測(cè)到控制、顯示等過(guò)程。可以是模擬信號(hào)，也可以是數(shù)字信號(hào)，后級(jí)處理方便，也可以變成標(biāo)準(zhǔn)變送器信號(hào)用于遠(yuǎn)程傳輸。

壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)壓力，控制模塊采集壓力傳感器的電壓或電流信號(hào)，根據(jù)采集的信號(hào)判斷空調(diào)系統(tǒng)壓力變化從而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，既保證空調(diào)冷凝器的散熱需求同時(shí)也減少了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇直連或高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，有效地降低了發(fā)動(dòng)機(jī)功耗。相對(duì)于現(xiàn)行空調(diào)系統(tǒng)采用的三態(tài)壓力開關(guān)更節(jié)能，對(duì)系統(tǒng)壓力的監(jiān)測(cè)由高中低壓力檔位狀態(tài)升級(jí)為線性控制，控制細(xì)分化、精確化程度更高。

2.5 雙溫區(qū)自動(dòng)恒溫空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)

圖10 電器件構(gòu)架圖

自動(dòng)恒溫雙溫區(qū)空調(diào)系統(tǒng)能夠同時(shí)分別對(duì)車內(nèi)兩個(gè)區(qū)域（左右）的出風(fēng)溫度、風(fēng)量、吹風(fēng)模式進(jìn)行獨(dú)立的自動(dòng)控制。即可根據(jù)主駕和副駕的設(shè)定溫度，由左右儀表吹臉出風(fēng)口、左右吹腳出風(fēng)口、左右除霜出風(fēng)口吹出與左右設(shè)定溫度相對(duì)應(yīng)的溫度、風(fēng)量、模式。同時(shí)根據(jù)陽(yáng)光輻射強(qiáng)度，分別對(duì)左右溫區(qū)進(jìn)行不同的補(bǔ)償。由于可以對(duì)主駕和副駕進(jìn)行獨(dú)立區(qū)域控制，所以能夠滿足主駕和副駕人員的不同舒適度需求，也能根據(jù)冷負(fù)荷的不同降低壓縮機(jī)功耗。

3 結(jié)論

汽車空調(diào)系統(tǒng)的好壞直接影響車內(nèi)的舒適性、司乘環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性。在汽車空調(diào)開發(fā)時(shí)應(yīng)該考慮在不降低舒適性的前提下盡量節(jié)約能源，降低能耗。