零部件優(yōu)化對汽車空調(diào)性能的影響

周江彬，吳龍兵

零部件優(yōu)化對汽車空調(diào)性能的影響

周江彬，吳龍兵

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

通過實驗驗證某車型空調(diào)系統(tǒng)存在排氣溫度和壓力過高以及制冷效果差的問題，對冷凝器和蒸發(fā)器進行優(yōu)化，通過臺架和降溫實驗驗證，優(yōu)化后的系統(tǒng)壓縮機排氣溫度和壓力下降到正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)制冷效果得到較大提升。建立空調(diào)系統(tǒng)一維仿真模型，對不同優(yōu)化措施進行分析，結(jié)果顯示，冷凝器性能提升對壓縮機排氣溫度和壓力有決定性作用，并能進一步促進蒸發(fā)器能力發(fā)揮。而僅改善蒸發(fā)器性能，需考慮系統(tǒng)的匹配能力，在系統(tǒng)匹配能力較好情況下，對制冷效果有較大改善，并能改善壓縮機排氣溫度，但對排氣壓力的降低并無明顯效果。

汽車空調(diào)；零件優(yōu)化；制冷效果；降溫試驗

前言

目前，空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車上必備的裝置。汽車空調(diào)的制冷原理屬于蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及管路等部件組成。但汽車空調(diào)與家用空調(diào)在結(jié)構(gòu)、設(shè)計和技術(shù)要求等方面有著較大不同，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[1]：（1）傳統(tǒng)汽車的空調(diào)壓縮機由發(fā)動機通過離合器和皮帶驅(qū)動，當(dāng)車輛處于怠速或低速行駛時，可能出現(xiàn)空調(diào)制冷效果不佳的問題；（2）由于車身空間限制和其他部件的干擾，空調(diào)部件的安裝位置以及系統(tǒng)的布置受到限制；3）汽車空調(diào)冷凝器所處的環(huán)境較為惡劣，且由于空間的限制，冷凝器無法做的足夠大，因此需要提高換熱效率來提升換熱能力，蒸發(fā)器同樣如此；4）面臨的外界干擾更惡劣，汽車空調(diào)系統(tǒng)隨著車輛處于不斷的顛簸之中，對各部件以及連接部位的抗振動能力等提出更高要求。

由于汽車空調(diào)的特點，因此，無論是零部件設(shè)計還是系統(tǒng)匹配，都面臨著很大的挑戰(zhàn)。當(dāng)冷凝器的散熱能力與系統(tǒng)不匹配時，一方面會使得制冷效果不佳，另一方面會導(dǎo)致壓縮機的排氣溫度和壓力升高[2]。壓縮機排氣溫度持續(xù)過高，會導(dǎo)致制冷劑出現(xiàn)分解以及潤滑油碳化和密封件、絕緣件的老化，同時會對壓縮機的排氣閥帶來不可逆轉(zhuǎn)的影響[3-4]。在壓縮機設(shè)計過程中，改善壓縮機的排氣欠壓縮過程，降低排氣溫度，是必須考慮的問題[5-7]。此外，汽車空調(diào)降溫效果較差也是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，出現(xiàn)該問題的原因主要是空調(diào)系統(tǒng)部件的能力與整車熱負荷不匹配或由于系統(tǒng)匹配設(shè)計的缺陷，導(dǎo)致部件的能力得不到發(fā)揮，在惡劣的環(huán)境工況下，空調(diào)系統(tǒng)制冷效果出現(xiàn)大幅度下降，甚至停止工作[8-10]。

汽車空調(diào)的開發(fā)涉及到部件與系統(tǒng)之間的匹配，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計或零部件選型出現(xiàn)問題時，空調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)和制冷效果將大打折扣。本文以某車型空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)的制冷能力不足以及系統(tǒng)運行參數(shù)異常的問題，對部件進行優(yōu)化，并通過仿真和實驗，研究零部件優(yōu)化對系統(tǒng)性能的提升效果。

1 實驗研究

根據(jù)試車反饋，該車空調(diào)系統(tǒng)在高溫天氣下的制冷性能明顯不足，同時壓縮機高壓報警頻繁啟動。為了明確該空調(diào)存在的問題，搭建系統(tǒng)和部件的實驗臺架，對部件和系統(tǒng)性能的優(yōu)化進行研究。

1.1 實驗裝置

圖1 汽車空調(diào)綜合實驗室示意圖

實驗在汽車空調(diào)綜合性能實驗室中進行，實驗裝置如圖1所示，實驗室由蒸發(fā)器室、冷凝器室、壓縮機室、以及控制機組構(gòu)成。蒸發(fā)器、冷凝器室分別由冷熱機組和加濕機組共同為蒸發(fā)器、冷凝器提供不同的工況；壓縮機室由電機驅(qū)動壓縮機離合器，通過激光測速裝置反饋到控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的值調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速。

表1為實驗裝置和測量設(shè)備的控制和測量精度。

表1 實驗裝置的控制和測量精度

1.2 臺架實驗工況

分別在環(huán)境溫度為35℃和45℃時，對不同壓縮機轉(zhuǎn)速下的系統(tǒng)性能進行實驗。工況設(shè)定如表2所示。但在對原始系統(tǒng)進行實驗過程中，工況8，即環(huán)境溫度為45℃，壓縮機轉(zhuǎn)速3600r/min時，系統(tǒng)壓力過高，實驗無法進行，因此，該組數(shù)據(jù)缺失。

表2 實驗工況設(shè)定

1.3 優(yōu)化方案與實驗結(jié)果

原始系統(tǒng)的臺架實驗結(jié)果如圖2-圖4所示。實驗結(jié)果表明，原始的空調(diào)系統(tǒng)制冷效果并不理想，即使在環(huán)境工況較為理想的35℃時，壓縮機轉(zhuǎn)速達到3600r/min，制冷量只能達到3800W左右，很難滿足通過同等工況下熱負荷計算所要求的4300W的制冷量。除此之外，壓縮機的排氣溫度和壓力也是遠超出了系統(tǒng)設(shè)計時要求的狀態(tài)，排氣溫度最高超過了130℃，排氣壓力超過了2.5Mpa。因此需要對系統(tǒng)和零部件進行優(yōu)化。

圖2 優(yōu)化前后壓縮機排氣溫度對比

根據(jù)實驗結(jié)果，首先考慮為冷凝器散熱效果差導(dǎo)致的冷凝溫度及冷凝壓力過高，同時導(dǎo)致系統(tǒng)的匹配性能變差，影響制冷性能。如圖5所示的log p-h圖為冷凝溫度升高導(dǎo)致的系統(tǒng)性能變化。循環(huán)1-2-3-4-5-6-1為正常的制冷系統(tǒng)循環(huán)，單位制冷量為h1-h6；循環(huán)1-2’-3’-4’-5’-6’-1為當(dāng)冷凝器散熱效果變差，導(dǎo)致冷凝溫度和冷凝壓力升高后的循環(huán)，單位制冷量為h1-h6’。從壓焓圖中可以看出，冷凝溫度升高除了會導(dǎo)致系統(tǒng)壓力的升高，同時會降低系統(tǒng)制冷能力。

圖3 優(yōu)化前后壓縮機排氣壓力對比

圖4 優(yōu)化前后系統(tǒng)制冷量對比

圖5 冷凝溫度變化對系統(tǒng)性能的影響

考慮到空間的限制以及優(yōu)化方案的可行性，對系統(tǒng)進行如下優(yōu)化：

（1）加密冷凝器翅片，翅片間距由原始的1.5mm加密到1.2mm；

（2）通過臺架實驗中紅外熱像儀成像結(jié)果，蒸發(fā)器表面溫度分布極不均勻，因此在水室增加多孔板，以改善制冷劑的流動分布，如圖6所示。

圖6 增加導(dǎo)流板的蒸發(fā)器

在同樣工況下對優(yōu)化后的系統(tǒng)進行實驗，并與優(yōu)化前系統(tǒng)進行比較，結(jié)果如圖2-圖4所示。

根據(jù)優(yōu)化前后的臺架實驗結(jié)果，該組合優(yōu)化方案對空調(diào)系統(tǒng)的性能和運行狀態(tài)有較大的提升。系統(tǒng)制冷量提升幅度達到了20%以上，優(yōu)化后的系統(tǒng)制冷量維持在4500W左右，可滿足空調(diào)系統(tǒng)的制冷要求。壓縮機排氣溫度和排氣壓力方面也有較大改善，優(yōu)化后的系統(tǒng)壓縮機排氣溫度可維持在100℃以內(nèi)，排氣壓力在2Mpa以內(nèi)，相對原始系統(tǒng)的運行狀態(tài)明顯提升。

1.4 降溫實驗對比

為了驗證優(yōu)化后的系統(tǒng)在整車上的性能表現(xiàn)，在環(huán)境艙內(nèi)進行優(yōu)化前后空調(diào)系統(tǒng)的降溫實驗。

如圖7-圖8所示，前45分鐘車速為60km/h，45-75分鐘為80km/h以及75-100分鐘為怠速工況。降溫實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)在降溫效果上有較大提升，頭部溫度可保持在22-25℃之間，滿足人體對舒適性的要求。壓縮機排氣溫度和排氣壓力也較優(yōu)化前有較大幅度下降。

圖7 制冷效果對比

圖8 壓縮機排氣參數(shù)對比

2 仿真分析

臺架和降溫實驗的結(jié)果為組合優(yōu)化方案的效果，在對每個部件進行優(yōu)化后，均需要驗證單個部件的影響，大量的實驗所需的代價較大。為分別研究兩種優(yōu)化措施帶來的效果，搭建空調(diào)系統(tǒng)仿真模型，分別研究冷凝器散熱效果及蒸發(fā)器性能提升給系統(tǒng)性能帶來的影響。

2.1 部件臺架仿真模型

圖9 蒸發(fā)器模型精度

在建立空調(diào)系統(tǒng)仿真模型之前，首先建立蒸發(fā)器和冷凝器的單體模型，對比實驗結(jié)果，驗證部件模型的精度。圖10和圖11是根據(jù)建立的單體模型計算得出的蒸發(fā)器和冷凝器的換熱量與單體實驗結(jié)果的對比，對比結(jié)果顯示蒸發(fā)器和冷凝器模型準(zhǔn)確度均達到95%以上，可根據(jù)該模型進行系統(tǒng)級別的仿真計算。

圖10 冷凝器模型精度

2.2 系統(tǒng)仿真

圖11-圖13為通過仿真分析得出的結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，冷凝器性能的提升，對降低壓縮機排氣溫度和壓力有決定性的作用，比較之下，蒸發(fā)器換熱性能的改善對壓縮機排氣溫度有一定效果，這是因為蒸發(fā)器換熱效果的提升可在一定程度上改善壓縮機吸氣狀態(tài)，從而影響壓縮機排氣溫度，而對于壓縮機排氣壓力的改善有限。而在提升系統(tǒng)制冷性能方面，冷凝器的性能提升，使得系統(tǒng)匹配性能提升，能進一步使蒸發(fā)器能力得到充分發(fā)揮，即使在沒有對蒸發(fā)器優(yōu)化的情況下，制冷量也有較為可觀的提升。當(dāng)對蒸發(fā)器進行優(yōu)化后，制冷量得到進一步得到了提升。當(dāng)壓縮機能力足夠的情況下，提升冷凝器和蒸發(fā)器性能，相當(dāng)于進一步提升系統(tǒng)的匹配能力，從而提升系統(tǒng)性能。因此空調(diào)系統(tǒng)中各個部件之間的匹配性能，對各部件的性能發(fā)揮有很大的影響，最終影響到系統(tǒng)性能和運行狀態(tài)。

圖11 壓縮機排氣溫度

圖12 壓縮機排氣壓力

圖13 系統(tǒng)制冷性能

3 結(jié)論

通過有針對性的實驗，明確該車型空調(diào)系統(tǒng)存在的壓縮機排氣溫度和壓力過高以及制冷效果不佳的問題。對冷凝器和蒸發(fā)器進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的系統(tǒng)進行臺架和整車實驗，實驗結(jié)果顯示，優(yōu)化后的系統(tǒng)在制冷效果方面提升達到了20%以上，在大部分工況下，壓縮機排氣溫度降至100℃以內(nèi)，排氣壓力降至2Mpa以下，符合系統(tǒng)和部件的性能要求和工作狀態(tài)。

建立空調(diào)系統(tǒng)仿真模型，對換熱器單體的模型精度進行驗證，根據(jù)建立的模型，對單個部件的優(yōu)化效果進行分析，結(jié)果顯示冷凝器的性能提升對壓縮機排氣溫度和壓力有決定性的影響，并改善系統(tǒng)的匹配能力，可進一步促進蒸發(fā)器的性能發(fā)揮，提升系統(tǒng)制冷效果；而僅有蒸發(fā)器性能提升時，需考慮原來系統(tǒng)的匹配能力，如原系統(tǒng)冷凝器散熱能力足夠，優(yōu)化蒸發(fā)器可提升系統(tǒng)制冷效果，并改善壓縮機的吸氣狀態(tài)，從而降低排氣溫度，但對降低壓縮機排氣壓力并無明顯效果；如原系統(tǒng)本身匹配能力較差，僅對蒸發(fā)器進行優(yōu)化，對制冷效果的提升并無作用。

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The Influence of Components Optimization on Automotive Air Conditioning Performance

Zhou Jiangbin, Wu Longbing

（SAIC Volkswagen Automotive Co., Ltd, Shanghai 201805）

In order to solve the problem of high discharge temperature and pressure as well as poor cooling performance of a vehicle air conditioning, optimization is carried by redesigning the condenser and evaporator. According to the bench test and cooling down test results, the cooling performance is improved greatly and the discharge temperature and pressure are decreased to normal level. The system simulation model is built to validate the effects of these two optimization proposals respectively, the simulation results show that: there are great influence of the condenser performance improvement on the compressor discharge temperature and pressure, meanwhile the condenser performance improvement can increase the evaporator capability as well. But the system design should be considered to analyze the influence of evaporator performance improvement on system refrigeration performance, when the condenser performance is enough for system requirement, the better evaporator performance can improve system performance and decrease the discharge temperature, but there aren’t obvious effect for discharge pressure.

Automotive air conditioning; Component optimization; Refrigeration performance; Cool down test

U463.85+1

A

1671-7988(2019)24-107-04

U463.85+1

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.035

周江彬，工程師，就職于上汽大眾汽車有限公司，主要研究方向為整車熱管理技術(shù)及CFD方法。