一種汽車(chē)空調(diào)制冷劑及冷凍機(jī)油存儲(chǔ)測(cè)控裝置的設(shè)計(jì)*

王 濤 ，關(guān)參記

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 佛山 528137；2.廣州市標(biāo)榜汽車(chē)用品有限公司，廣東 廣州 511365）

0 引言

汽車(chē)空調(diào)制冷是靠制冷劑在管路中吸熱放熱實(shí)現(xiàn)的，因此制冷劑的多少直接影響制冷效果。制冷劑常溫常壓下沸點(diǎn)較低，所以汽車(chē)空調(diào)管路需要長(zhǎng)期保持較高的壓力，而壓力高通常會(huì)導(dǎo)致制冷劑泄漏（空調(diào)每年制冷劑泄漏量小于15 g 為正常），壓力低時(shí)可以降低汽車(chē)空調(diào)制冷劑的泄漏量，如果冬季不制冷時(shí)，降低空調(diào)的壓力，可以減少制冷劑的泄漏，延長(zhǎng)汽車(chē)空調(diào)的使用年限。通過(guò)不同的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空調(diào)管路中制冷劑泄漏量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)量的30%時(shí)，汽車(chē)空調(diào)制冷效果變化比較明顯，中央出風(fēng)口的溫度可達(dá)到13 ℃～15 ℃，這時(shí)乘客會(huì)明顯感覺(jué)空調(diào)制冷不足，隨著制冷劑的繼續(xù)泄漏，制冷效果會(huì)更差[1-2]。此時(shí)維修診斷結(jié)果顯示，空調(diào)高、低壓管路壓力均低，需要補(bǔ)充制冷劑[3-5]。在補(bǔ)充制冷劑時(shí)，需要補(bǔ)充相同型號(hào)的制冷劑，不然會(huì)影響制冷效果，甚至損壞壓縮機(jī)，而使用了很久的汽車(chē)，往往找不到相同型號(hào)的制冷劑，此時(shí)加入不同型號(hào)的制冷劑，空調(diào)往往不能達(dá)到最佳制冷效果[6-7]。

影響汽車(chē)空調(diào)制冷效果的另外一個(gè)關(guān)鍵因素是冷凍機(jī)油，研究發(fā)現(xiàn)整個(gè)汽車(chē)空調(diào)循環(huán)管路中都有冷凍機(jī)油，冷凍機(jī)油與制冷劑可以無(wú)限互溶，其中，冷凍機(jī)油占比大約為壓縮機(jī)50%、冷凝器10%、儲(chǔ)液干燥器10%、蒸發(fā)器20%、制冷管路10%，而冷凍機(jī)油的多少直接影響空調(diào)的使用。當(dāng)系統(tǒng)缺少冷凍機(jī)油時(shí)，壓縮機(jī)活塞摩擦阻力增大，空調(diào)發(fā)出異響并且底座發(fā)熱，而冷凍機(jī)油如果加注過(guò)多也會(huì)影響空調(diào)的制冷效果[8]。市場(chǎng)上冷凍機(jī)油廠家較多，各廠家生產(chǎn)的冷凍機(jī)油型號(hào)不一，添加不同的冷凍機(jī)油會(huì)使空調(diào)制冷效果變差，甚至損壞壓縮機(jī)，且維修費(fèi)用不低，因此需要換相同廠家及型號(hào)的產(chǎn)品。通常由于使用時(shí)間較久型號(hào)沒(méi)標(biāo)注，很難找到相同的產(chǎn)品。目前各種型號(hào)的汽車(chē)空調(diào)，都是僅僅在外部標(biāo)注一個(gè)大概的制冷劑及冷凍機(jī)油的加注量，出現(xiàn)故障需要去維修店維修，由于年份久遠(yuǎn)等各種原因，維修店加注的制冷劑及冷凍機(jī)油往往品牌不一、數(shù)量不等，不能使空調(diào)保持一個(gè)最佳的工作狀態(tài)，甚至由于標(biāo)牌不統(tǒng)一而損壞空調(diào)[9]。

綜上所述，課題組設(shè)計(jì)了一款汽車(chē)空調(diào)制冷劑及冷凍機(jī)油存儲(chǔ)測(cè)控裝置，該裝置可以根據(jù)空調(diào)工作的需要，夏季自動(dòng)補(bǔ)充或回收制冷劑及冷凍機(jī)油，從而使空調(diào)保持最佳的工作狀態(tài)，冬季回收制冷劑，降低空調(diào)管路的壓力，進(jìn)而減少制冷劑的泄漏量，延長(zhǎng)汽車(chē)空調(diào)的使用壽命，降低維修成本[10-11]。

1 汽車(chē)空調(diào)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液干燥器、膨脹閥、蒸發(fā)器及管路等組成，空調(diào)制冷是靠制冷劑（目前較多使用R134a）在管路中吸熱放熱實(shí)現(xiàn)的。壓縮機(jī)吸收空調(diào)管路中低溫低壓的氣體，通過(guò)壓縮后，變成高溫高壓的氣體，通過(guò)管路流到冷凝器中進(jìn)行散熱處理，變成中溫高壓的液體，再沿著管路流入儲(chǔ)液干燥器進(jìn)行儲(chǔ)存干燥后流經(jīng)膨脹閥，經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹后變成低溫低壓的液體，最后流入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中沸騰吸熱，吸收鼓風(fēng)機(jī)鼓進(jìn)的外界熱風(fēng)的熱量，制冷劑變成低溫低壓的氣體，被壓縮機(jī)吸收后進(jìn)入下個(gè)循環(huán)，外界熱空氣熱量被吸收后，變成了冷風(fēng)，沿著風(fēng)道流入車(chē)內(nèi)進(jìn)行制冷。因此，汽車(chē)空調(diào)制冷是把熱量從低溫處推向高溫處，消耗機(jī)械能，遵循能量守恒定律。由于汽車(chē)空調(diào)制冷劑R134a 常溫常壓下的沸點(diǎn)為-26.5 ℃，所以空調(diào)正常工作時(shí)，壓力均大于外界的大氣壓。長(zhǎng)時(shí)間處于高壓狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致每年都有微量的制冷劑及冷凍機(jī)油泄漏，由于汽車(chē)使用年限較久，當(dāng)制冷劑或冷凍機(jī)油泄漏量達(dá)到一定量時(shí)，空調(diào)會(huì)出現(xiàn)故障，需要維修。如果維修廠所添加的制冷劑和冷凍機(jī)油與原廠配置不一樣，就會(huì)相互污染，影響制冷效果，甚至?xí)箍照{(diào)損毀。為了減少污染，降低維修成本，延長(zhǎng)空調(diào)的使用壽命，設(shè)計(jì)一款汽車(chē)空調(diào)制冷劑及冷凍機(jī)油儲(chǔ)存控制裝置，該裝置安裝在汽車(chē)空調(diào)管路中，儲(chǔ)存較多的制冷劑及冷凍機(jī)油。當(dāng)空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致制冷劑泄漏時(shí)，通過(guò)傳感器檢測(cè)空調(diào)管路制冷劑缺失情況，并適時(shí)將系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的制冷劑釋放到空調(diào)管路中。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到制冷管路中缺少冷凍機(jī)油時(shí)，系統(tǒng)可以釋放出一部分冷凍機(jī)油，避免維修時(shí)二次添加，導(dǎo)致機(jī)油混雜，影響制冷效果，從而使空調(diào)維持最佳工作狀態(tài)。

1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一款汽車(chē)空調(diào)制冷劑及冷凍機(jī)油存儲(chǔ)控制裝置，該裝置串聯(lián)在空調(diào)管路中（相當(dāng)于儲(chǔ)液干燥器），存儲(chǔ)兩倍的空調(diào)制冷劑及冷凍機(jī)油。該裝置的剖面圖如圖1 所示，該裝置中有4 個(gè)電磁閥，分別標(biāo)注為①、②、③、④，儲(chǔ)存室上、下部各有一個(gè)口連接空調(diào)管路，作為空調(diào)制冷時(shí)，液態(tài)制冷劑的流入、流出口。在上、下口的連接處，分別由兩個(gè)常開(kāi)的電磁閥組成，見(jiàn)圖1 中標(biāo)注①和②部分，空調(diào)正常工作時(shí)，兩閥門(mén)常開(kāi)。腔體左右兩邊設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)存室，分別盛放多余的制冷劑及冷凍機(jī)油。兩個(gè)儲(chǔ)存室的下部分別設(shè)置出口，由常閉電磁閥控制開(kāi)口，見(jiàn)圖1中標(biāo)注③和④部分，當(dāng)系統(tǒng)需要補(bǔ)充制冷劑或冷凍機(jī)油時(shí)，電磁閥打開(kāi)，制冷劑或冷凍機(jī)油可以通過(guò)孔流出對(duì)空調(diào)內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)充。該裝置底部分別有兩個(gè)維修接口，可以通過(guò)其從外部補(bǔ)充制冷劑或冷凍機(jī)油。三個(gè)腔體共同作用，可以實(shí)現(xiàn)制冷劑及冷凍機(jī)油的自動(dòng)補(bǔ)充和回收。

圖1 空調(diào)制冷劑及冷凍機(jī)油存儲(chǔ)控制裝置剖面圖

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用Arduino 控制，使用Arduino 的UNO 板及Arduino IDE 進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和控制，系統(tǒng)通過(guò)連接WIFI 模塊，與Android 手機(jī)進(jìn)行通信，利用MIT App Inventor 進(jìn)行App 的開(kāi)發(fā)，可以在手機(jī)上實(shí)時(shí)進(jìn)行空調(diào)的監(jiān)控及數(shù)據(jù)的傳輸?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理等工作，控制系統(tǒng)可根據(jù)需要完成汽車(chē)空調(diào)各種運(yùn)行狀態(tài)下的制冷劑和冷凍機(jī)油補(bǔ)充工作。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

汽車(chē)空調(diào)控制電路由傳感器及開(kāi)關(guān)、控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助電路組成。當(dāng)汽車(chē)空調(diào)運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)空調(diào)管路的各種壓力及壓縮機(jī)底座的溫度，從而判斷制冷劑及冷凍機(jī)油是否缺少。當(dāng)檢測(cè)到壓力信號(hào)低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為缺少制冷劑，控制單元發(fā)出一個(gè)高電平，使電磁閥③打開(kāi)，釋放一部分制冷劑，每次設(shè)定一定的時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行制冷劑補(bǔ)償，通過(guò)運(yùn)行空調(diào)檢測(cè)補(bǔ)償是否合適，同時(shí)防止加多制冷劑。當(dāng)傳感器檢測(cè)到壓縮機(jī)溫度過(guò)高時(shí)，打開(kāi)電磁閥④，補(bǔ)充冷凍機(jī)油。當(dāng)進(jìn)入冬季，汽車(chē)不需要制冷時(shí)，按下關(guān)閉開(kāi)關(guān)（防止誤操作，需要連按兩次），此時(shí)控制單元使電磁閥②關(guān)閉，運(yùn)轉(zhuǎn)空調(diào)，使空調(diào)管路中的制冷劑大部分進(jìn)入存儲(chǔ)設(shè)備后，再關(guān)閉電磁閥①，此時(shí)汽車(chē)空調(diào)管路壓力較低，可以避免制冷劑泄漏，延長(zhǎng)空調(diào)使用壽命。當(dāng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)，座位重量傳感器檢測(cè)乘客數(shù)量，并根據(jù)溫度、制冷劑流速等各種信號(hào)，控制乘客側(cè)的出風(fēng)口翻板電機(jī)，使空調(diào)制冷效果達(dá)到最優(yōu)。如果是電動(dòng)汽車(chē)，監(jiān)控電池電量，當(dāng)電量消耗70%時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出提醒，此時(shí)通過(guò)控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低制冷效果，當(dāng)電量消耗85%時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉空調(diào)，需要再次打開(kāi)空調(diào)才可以使用。

手機(jī)App 通過(guò)WIFI 模塊實(shí)現(xiàn)與空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，可以通過(guò)手機(jī)界面手動(dòng)添加制冷劑及冷凍機(jī)油，也可以通過(guò)監(jiān)控汽車(chē)空調(diào)的運(yùn)行狀況，自動(dòng)添加制冷劑和冷凍機(jī)油，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)空調(diào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)空調(diào)制冷功能出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以存儲(chǔ)故障信息，方便后續(xù)的檢測(cè)維修。如圖3 所示，通過(guò)手機(jī)App 可以查看并操控空調(diào)，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)按鈕，會(huì)顯示空調(diào)監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊手動(dòng)添加制冷劑按鈕，系統(tǒng)可以添加制冷劑；點(diǎn)擊手動(dòng)添加冷凍機(jī)油按鈕，系統(tǒng)可以添加冷凍機(jī)油；點(diǎn)擊自動(dòng)補(bǔ)充按鈕，系統(tǒng)可以根據(jù)空調(diào)的運(yùn)行狀況，自動(dòng)補(bǔ)充制冷劑和冷凍機(jī)油；點(diǎn)擊電磁閥1、2、3、4按鈕可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的手動(dòng)操作。

圖3 App 顯示部分

2 系統(tǒng)試驗(yàn)

2.1 填充試驗(yàn)

汽車(chē)空調(diào)制冷劑及冷凍機(jī)油填充試驗(yàn)是與廣州市標(biāo)榜汽車(chē)用品有限公司合作完成的，在不同的幾款車(chē)上加注標(biāo)榜生產(chǎn)的R134a 制冷劑及冷凍機(jī)油。試驗(yàn)是將原車(chē)制冷劑及冷凍機(jī)油全部排空并補(bǔ)充冷凍機(jī)油后，再抽20 min 真空，然后添加制冷劑，系統(tǒng)加注完制冷劑后關(guān)閉制冷，風(fēng)速調(diào)最大，溫度最熱，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)10 min，讓空調(diào)恢復(fù)常溫狀態(tài)，然后把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在2 000 r/min，風(fēng)速調(diào)到最大，溫度調(diào)到最低時(shí)進(jìn)行制冷試驗(yàn)。填充試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示，通過(guò)幾款不同車(chē)型空調(diào)制冷劑填充試驗(yàn)，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到空調(diào)制冷異常時(shí)，可以進(jìn)行制冷劑及冷凍機(jī)油的間斷性補(bǔ)充，從而使汽車(chē)空調(diào)達(dá)到最佳制冷狀態(tài)。

表1 填充試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 極端狀態(tài)試驗(yàn)

在汽車(chē)空調(diào)正常制冷的過(guò)程中，制冷劑與冷凍機(jī)油的比例大致為10∶1，當(dāng)冷凍機(jī)油加注量過(guò)大時(shí)，會(huì)影響空調(diào)的制冷效果，并且會(huì)導(dǎo)致空調(diào)管路壓力的變化。冷凍機(jī)油加注量不同，空調(diào)運(yùn)行的工作狀況也不相同。

1）冷凍機(jī)油加注量多于標(biāo)準(zhǔn)量的10%～20%時(shí)，汽車(chē)空調(diào)變化為低壓管路的壓力與標(biāo)準(zhǔn)量相比基本沒(méi)變化，高壓壓力升高。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，此時(shí)會(huì)在冷凝器內(nèi)部表面形成一層油膜，導(dǎo)致冷卻效果變差，從而導(dǎo)致高壓壓力升高，而此時(shí)對(duì)蒸發(fā)器的影響有限，但是與正常值比較時(shí)，制冷效果變差。

2）冷凍機(jī)油加注量多于標(biāo)準(zhǔn)量的40%～50%時(shí)，汽車(chē)空調(diào)變化為高壓壓力、低壓壓力均會(huì)升高。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此時(shí)低壓壓力變大，冷凍機(jī)油在蒸發(fā)器內(nèi)部形成較厚油膜，從而影響熱量的交換，使空調(diào)制冷效果變得較差。

3）冷凍機(jī)油加注量多于標(biāo)準(zhǔn)量的70%時(shí)，汽車(chē)空調(diào)變化為低壓升高、高壓降低。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，冷凍機(jī)油加注量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致空調(diào)運(yùn)行時(shí)膨脹閥流通不良，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的量不足，從而使低壓升高、高壓降低，制冷效果嚴(yán)重變差。

汽車(chē)空調(diào)制冷時(shí)，最佳的效果是制冷劑與冷凍機(jī)油的量要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)工作量，且比例符合要求。課題組設(shè)計(jì)的裝置可以通過(guò)檢測(cè)汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)殼體的溫度，判斷制冷劑及冷凍機(jī)油是否缺少，進(jìn)行制冷劑及冷凍機(jī)油的補(bǔ)充，且避免加注量過(guò)多，使空調(diào)始終保持在最佳工作狀態(tài)。