汽車高效空調(diào)技術(shù)應(yīng)用及節(jié)能效果研究

摘 要：隨著油耗法規(guī)越來越嚴(yán)苛，傳統(tǒng)汽車需要在循環(huán)外節(jié)能技術(shù)做出研究。作為汽車上較大的耗能部件，降低空調(diào)部件的能源消耗具有重要意義。本文對部分汽車高效空調(diào)技術(shù)進(jìn)行了簡要介紹，并對變排量壓縮機(jī)和同軸管技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，相比于定排量壓縮機(jī)，變排量壓縮機(jī)可節(jié)省0.42 L/100 km油耗，在已加裝變排量壓縮機(jī)的車輛上加裝同軸管，其節(jié)能效果并不明顯。

關(guān)鍵詞：循環(huán)外;節(jié)能;高效空調(diào)

中圖分類號：U463.851 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

至2019年底，中國汽車保有量達(dá)2.6億輛，其中新能源汽車保有量381萬輛，僅占1.46%。傳統(tǒng)汽車在節(jié)能減排方向進(jìn)行了諸多研究，在發(fā)動機(jī)方面采用了缸內(nèi)直噴、渦輪增壓、可變氣門正時等技術(shù)，然而對循環(huán)外節(jié)能技術(shù)發(fā)展關(guān)注度不夠。為了滿足日益嚴(yán)格的油耗法規(guī)，同時推廣循環(huán)外節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，我國發(fā)布了對于高效空調(diào)等循環(huán)外節(jié)能技術(shù)相關(guān)的油耗法規(guī)，對于滿足法規(guī)要求的廠家進(jìn)行油耗獎勵。汽車空調(diào)是整車系統(tǒng)里消耗較大且使用頻繁的部件，對汽車空調(diào)技術(shù)及節(jié)能效果進(jìn)行研究，有助于推廣高效空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用，有效緩解我國的能源壓力，為節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)。

1 汽車高效空調(diào)技術(shù)

汽車空調(diào)系統(tǒng)主要的功能是根據(jù)環(huán)境整體或局部地調(diào)節(jié)車廂內(nèi)的溫度，濕度以及風(fēng)量，為乘客創(chuàng)造一個舒適的環(huán)境。其中溫度是汽車空調(diào)系統(tǒng)最主要的控制指標(biāo)。汽車空調(diào)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括壓縮機(jī)、冷凝器總成、儲液干燥罐、膨脹閥和蒸發(fā)器等。

1.1 變排量壓縮機(jī)

與家用空調(diào)相比，汽車空調(diào)的工作環(huán)境溫度波動較大，開停機(jī)較為頻繁，其工作性能受發(fā)動機(jī)工況影響較大，因此變排量空調(diào)更加適合汽車行駛需求。相對于定排壓縮機(jī)，變排壓縮機(jī)排氣壓力和工作轉(zhuǎn)矩的波動較小，車內(nèi)溫度的穩(wěn)定性好，壓縮機(jī)的使用壽命長，能源消耗低。Hiroyasu Nadamot[1]用外部控制閥代替變排量壓縮機(jī)原有的內(nèi)部控制閥，優(yōu)化變排量壓縮機(jī)進(jìn)的控制系統(tǒng)，對比結(jié)果顯示，相同工況條件下變排量壓縮機(jī)比定排量壓縮機(jī)節(jié)能30%。

1.2 同軸管

同軸管（IHX，Internal Heat Exchange Pipes）的工作原理就是利用高壓管和低壓管之間的溫度差來進(jìn)行能量交換，提升整個空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力，主要有一體式、分離式和螺旋式等結(jié)構(gòu)。王健[2]等人對同軸管在汽車空調(diào)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，在相同的制冷功率需求下，能減少10%左右的壓縮機(jī)負(fù)荷，COP值提升14%。在特定試驗(yàn)工況下平均油耗降低0.2 ～0.3 L/100 km。

1.3 制冷劑

目前我國采用的汽車空調(diào)制冷劑主要是R134a，其全球變暖潛能值（GWP，Global Warming Potential）高達(dá)1 430，會帶來極強(qiáng)的溫室效應(yīng)，歐洲已被禁止GWP值高于150的制冷劑用于空調(diào)。美國環(huán)保部通過其SNAP（重大新替代物政策表）在2011年接受R1234yf為汽車空調(diào)制冷劑;在2012年接受CO2為汽車空調(diào)制冷劑。余鵬飛等人對R1234yf直接替代R134a進(jìn)行了性能分析，在汽車空調(diào)常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下，R1234yf相對R134a制冷系統(tǒng)，具有系統(tǒng)運(yùn)行壓力低，壓縮機(jī)排氣溫度低，壓縮比小的優(yōu)點(diǎn)和COP小，壓縮機(jī)功率大的缺點(diǎn)。孫西峰[3]等人對各種空調(diào)制冷劑進(jìn)行了比較，并建議國內(nèi)企業(yè)以CO2為主開展汽車空調(diào)制冷劑的研究。

2 不同技術(shù)的節(jié)能效果研究

本文主要對空調(diào)壓縮機(jī)形式和同軸管技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要設(shè)備有底盤測功機(jī)，陽光模擬系統(tǒng)和全流稀釋采樣系統(tǒng)，試驗(yàn)方法參照《乘用車循環(huán)外技術(shù)/裝置節(jié)能效果評價方法 第3部分 汽車空調(diào)》的征求意見稿，駕駛循環(huán)采用新歐洲駕駛循環(huán)（NEDC，New European Driving Cycle）循環(huán)，主要試驗(yàn)步驟如下：

（1）預(yù)處理：打開全部車窗，汽車空調(diào)空氣循環(huán)開關(guān)置于外循環(huán)位置，風(fēng)量調(diào)節(jié)開關(guān)置于中間位置，車輛以90 km/h等速行駛20 min，使試驗(yàn)車輛和底盤充分預(yù)熱。

（2）浸車：關(guān)閉發(fā)動機(jī)和全部車窗，設(shè)置陽光模擬輻射強(qiáng)度為850±45 W/m2，車輛靜置30 min，使車輛內(nèi)外溫度保持一致。

（3）開啟空調(diào)試驗(yàn)：關(guān)閉全部車窗，設(shè)置空調(diào)為自動25℃，最大風(fēng)量吹面模式，空氣循環(huán)開關(guān)置于內(nèi)循環(huán)，關(guān)閉中后排出風(fēng)口，進(jìn)行3次NEDC循環(huán)試驗(yàn)，對通過重復(fù)性檢驗(yàn)的3次結(jié)果進(jìn)行平均計(jì)算作為開啟空調(diào)后的油耗FCon。

（4）關(guān)閉空調(diào)試驗(yàn)：關(guān)閉太陽輻射和空調(diào)，關(guān)閉車窗，車輛以90 km/h等速行駛20分鐘。進(jìn)行進(jìn)行3次NEDC循環(huán)試驗(yàn)，對通過重復(fù)性檢驗(yàn)的3次結(jié)果進(jìn)行平均計(jì)算作為關(guān)閉空調(diào)后的油耗FCoff。空調(diào)油耗=FCon-FCoff。

2.1 空調(diào)壓縮機(jī)形式對油耗的影響

目前車用空調(diào)壓縮機(jī)55%以上都使用變排壓縮機(jī)系統(tǒng)，為了滿足節(jié)能減排的要求，未來將會有更多的車輛搭載變排壓縮機(jī)系統(tǒng)。變排壓縮機(jī)能根據(jù)車內(nèi)溫度以及行駛狀態(tài)，改變排量，壓縮機(jī)始終工作，不會對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大波動，行駛舒適性和節(jié)油能力大為提高。對同一輛汽車換裝不同壓縮機(jī)形式，該車空調(diào)關(guān)閉時油耗與壓縮機(jī)形式無關(guān)，均為5.45 L/100 km，其空調(diào)開啟后油耗結(jié)果如圖1所示。變排壓縮機(jī)空調(diào)油耗為1.24 L/100 km，占比18.53%，定排壓縮機(jī)空調(diào)油耗為1.67 L/100 km，占比23.46%。變排壓縮機(jī)比定排壓縮機(jī)空調(diào)油耗低0.43 L/100 km，其節(jié)油效果顯著。此外，定排壓縮機(jī)由于通過離合器結(jié)合和斷開來控制車內(nèi)溫度，因此對于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求波動性很大，如圖2所示。

2.2 有無IHX技術(shù)對油耗的影響

同軸管是指將空調(diào)低壓管和高壓管整合在一起，形成同軸的兩個同心圓管路[4]。同軸管有效利用低壓管傳遞高壓管的熱量。在已加裝變排量壓縮機(jī)的試驗(yàn)車輛上加裝同軸管技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果如圖3所示。盡管在空調(diào)臺架上，同軸管的節(jié)能效果很好，但其在實(shí)際整車循環(huán)試驗(yàn)下的節(jié)能效果很小，只有0.01 L/100 km的節(jié)油表現(xiàn)，約占空調(diào)油耗的0.81%。

3 結(jié)語

（1）我國汽車保有量較大，變排量壓縮機(jī)占55%，制冷劑主要是用R134a。推廣高效空調(diào)技術(shù)可有效降低能耗，研究CO2作為制冷劑可減少溫室氣體排放。

（2）相比于定排量壓縮機(jī)，變排量壓縮機(jī)可節(jié)省0.43 L/100 km油耗，在已加裝變排量壓縮機(jī)的車輛上加裝同軸管，可節(jié)省0.01 L/100 km油耗，其節(jié)能效果不明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hiroyasu Nadamoto，Atsushi Kubota.Power saving with the use of variable displacement compressors[C].SAE Congress Paper，1999-01-0875.

[2]王健，孫偉，張思航.同軸管在汽車空調(diào)上的應(yīng)用[J].華東科技（學(xué)術(shù)版），2017，35（08）：435.

[3]孫西峰，韓楊.汽車空調(diào)替代制冷劑的比較[J].制冷與空調(diào)，2015，15（05）：60-67.

[4]張旭陽，韓維維，全軼楓，等.汽車空調(diào)節(jié)能技術(shù)和法規(guī)動態(tài)分析[J].上海汽車，2018，45（11）：44-48+59.