带回热器的整车空调系统性能实验研究及系统匹配法则

钱锐，韩晓波，孟祥军

(泛亚汽车技术中心，上海 200438)

带回热器的整车空调系统性能实验研究及系统匹配法则

钱锐*，韩晓波，孟祥军

(泛亚汽车技术中心，上海 200438)

本文分析了回热器（IHX）在汽车空调系统匹配中的匹配机制，提出了加入回热器以后其余汽车空调部件以及系统的一些应用法则。利用汽车空调环模试验，研究了回热器在不同车速和模式下对汽车整车性能的影响。研究结果表明，经过合理匹配的IHX系统可以使得空调系统出风口平均温度比原系统降低约1.5 ℃，在获得同样的系统制冷性能情况下，系统能耗可以降低约10%。

汽车空调；系统匹配；整车试验；回热器

0 前言

在汽车空调的应用领域，回热器技术原来主要用于CO2跨临界循环系统，BOEWE D E等[1]、KWON Y C等[2]和王凤坤等[3]均通过试验方法研究了不同结构形式的回热器及回热循环形式等对CO2跨临界循环系统性能的影响。结果表明，回热器可提高系统效率约20%。但是，鉴于CO2跨临界循环系统始终存在系统压力偏高，和原有HFC134a系统相比，系统迁移的复用性较低，这一技术应用不广泛；后来随着HFC134a的主要替代制冷剂HFC1234YF的推广使用，回热器技术也逐渐回暖。目前，随着压缩机技术的推进，回热器技术甚至在传统的HFC134a系统中也有较大程度的推广使用，究其原因是因为采用了回热器的汽车空调系统的能耗（主要指压缩机能耗）在同等制冷性能下，能够被降低约10%[4-5]。

本文首先分析了原有空调系统加入回热器以后，系统各主要零部件运行工况的偏移以及系统优化的方向和一般性准则；然后进行了两组环模试验，分别针对两个车型使用IHX的整车试验结果进行分析，印证原有的系统匹配原则。最后介绍了回热器系统匹配的关注点，并且强调了整车试验和台架试验的一般差异性，为后续工程的开发积累了经验。

1 汽车回热器的理论分析

和传统汽车空调系统相比，汽车回热器的系统结构如图1所示。

从图1中可以看出，汽车回热器系统利用冷凝器出来的高温高压的液态制冷剂与蒸发器出来的低温低压的气态制冷剂进行换热，进一步增加了冷凝器过冷度和压缩机进口过热度。过冷度的提高能够增加系统单位制冷量，而压缩进口过热度的增加对于防止吸气温度过低，压缩机外壁结霜很有帮助。对于汽车空调常用制冷工质R134a而言，采用回热器能够提高系统 COP（制冷系数）。下面是回热器系统的简单理论分析。整个汽车空调系统回热循环如图2所示，回热器安装位置如图。

图1 传统空调系统与带回热器空调系统对比

图2 汽车空调回热循环

如图3所示，其中循环A-B-C-D-A表示不带回热器的理论循环，A-A＇-B＇-B-C-C＇-D＇-D-A表示带回热器的制冷循环，其中A-A＇和C-C＇表示回热过程。在单位质量下，回热循环的制冷量为 A＇到 D＇的焓差，传统循环的制冷量为A到D的焓差，所以制冷量增加值等于：

回热循环的功耗增量为：

令K1= ΔQ/Q，K2= ΔW/W，据分析推论可知[6]，对于R134a，存在K1＞K2，得：(K1+1)/(K2+1)＞1，所以，回热循环制冷系数为：

以上是回热循环的理论分析，下面是回热循环的整车试验结果。

图3 带回热器循环压焓图

2 试验装置

整车空调试验采用整车环境模拟风洞进行，环模风洞（以下简称环模）是目前汽车空调行业最复杂、最精密的试验模拟设备。建造整车环模的意义在于最大限度地模拟全球各区域客户可能遇到的各种气候和路况条件，开发和验证符合客户需求的整车，减少道路实际试验时间，提升开发效率。环模主要由五大部分组成：安装了日照模拟系统/底盘测功计和边界层系统等设备的主试验仓，主风机以及钢结构风道系统，温度控制的制冷/制热机组，湿度控制系统，新风控制及其辅助系统。

通过功能区分，整车环模主要由控制室、主实验舱以及后端控制设备三部分组成，这里主要介绍试验相关的控制室和主实验舱两部分。

1) 控制室：控制室安装了一整套系统匹配及协调软件，通过该协调软件，可以同时对风速、车速、温度、湿度、日照以及雨雪模拟等系统完成协调控制，并通过全球最先进的IPEtronik数采系统对试验数据进行实时记录。此外，控制系统中的安全模块可以对试验仓的状态进行实时监控，并通过强制换气以及高压细水雾喷淋等分级安全措施，保障试验室的安全。

2) 主实验舱：首先，试验室的标准风口面积为7 m2，相对应的最高风速为200 km/h，通过机械结构转化成 5 m2的高速风口后相对应的最高风速为250 km/h，这是目前国内所达到的最高模拟风速。风口截面气流均匀性的误差在 1%之内，如此高的空气气流均匀性和品质也是国内最好的。与之相匹配的，四驱底盘测功计最高车速可达到 250 km/h，前轴为固定轴，后轴为可移动轴，因此轴距控制范围可达1,778 mm～4,597 mm。轴距与风口的匹配可以使试验仓覆盖从小型家轿到大型SUV和MPV的全尺寸乘用车，达到车型型谱全覆盖的目标。其次，试验室的温度范围为-40 ℃～60 ℃，可覆盖模拟全球各种地域从极寒到极热的温度工况，而温度的变化速率为0.6 ℃/min。

3 整车试验结果及分析

试验车辆：选取两部车A和B，其中A车不带回热器（图中称为IHX）试验结果为a，简单加上回热器，不作任何系统优化匹配获得的回热器试验结果为a＇；B车不带回热器试验结果为b，优化系统并重新匹配以后的带回热器试验结果为b＇。

试验工况：环境温度38 ℃，环境湿度40%，A车空调设定为外循环、最大制冷，车速工况参见图4；B车空调设定和车速工况见图5。

图4 A车试验车速设定

图5 B车试验车速及循环设定

比较内容为空调压力以及空调出风温度。

A车的试验结果比较见图6和图7。A车的试验结果分析：比较a和a'发现，在无任何匹配优化的前提下，简单更换回热器（IHX），从图7可以看出，整车试验的结果显示几乎完全一样的出风温度，这说明整车在风侧的表现一致，但是通过图6发现，制冷剂侧的表现并不完全一致，a'的系统压力表现说明改装回热器以后，在一定压缩机转速下，系统的低压升高、高压降低，说明系统具有更大的质量流量，但是受限于压缩机的能力，系统的压差不能有效建立。a和a'两个系统具有不同的过热度表现，但是由于均在热力膨胀阀的调节能力范围之内，系统提供给蒸发器侧的冷量在a和a'仍可保持一致，故整车制冷系统表现相当，回热器未能在整车空调试验中展现任何优势。

图6 A车系统高低压对比

图7 A车前排出风温度对比

B车的试验结果比较见图8和图9。B车的试验结果分析：比较b和b'发现，在更换回热器过程中，充分考虑加装回热器后，制冷剂侧是一个更加强劲的系统，需要从系统冲注量、热力膨胀阀的设定、压缩机出口温度和热力膨胀阀的调节范围四个方面充分考虑制冷系统的容差，这是回热器系统匹配的四个要素。从图9可以看出，整车试验的结果显示，匹配回热器以后，调整了系统冲注量，将膨胀阀的设定值调高以后，高压虽有所降低，但是低压也同样有所降低。b'与b相比，整车空调出风温度有平均 1.5 ℃以上的降低，这说明回热器有效增加了对系统制冷剂侧的助力。。测量压缩机功耗，同样制冷性能条件下，压缩机能耗能够下降10%左右（视具体工况有所不同）。

图8 B车系统高低压对比

图9 B车前排出风温度对比

4 结论

1) 更换回热器会造成系统的冲注量变化，如果不重新充注，会造成质量流量不够，而且冲注量一定要加大。在一个增大了能力的系统面前，如果冲注量不足，可能会造成低压降低，高压降低。

2) 在蒸发器侧，由于蒸发器侧总体能力加大，但是热负荷增大（需要额外散掉冷凝器出口的部分热负荷），所以低压会升高。

3) 在蒸发器侧，相对于增加的蒸发能力而言，制冷剂流量不足，所以压缩机进口过热度会大幅增大，但是注意，由于蒸发器本身没有变化，而蒸发器进口的焓值减小（由于过冷度增大），所以最终蒸发器出口的过热度减小。

4) 蒸发器出口过热度减小和压缩机进口过热度增大会指向两条不同的膨胀阀调节方向，在系统匹配过程中，仍然会以压缩机出口温度作为评判标准，为了防止压缩机出口温度过高，热力膨胀阀设定值加大，也就是一般所说，系统向着“调湿”的方向进行匹配。

5) 在冷凝器侧，由于冷凝器侧总体能力加大（增加的冷凝器也就是增加了过冷度），但是冲注量相对不够，所以高压会明显降低；当然增加冲注量，同样会得到降低高压的效果。

6) 压缩机本身能力对回热器能力的发挥有重要影响，压缩机作为制冷系统的唯一动力源，要求能够适应改装回热器以后的制冷系统压差需求。

7) 回热器系统匹配的本质是在系统冲注量、热力膨胀阀的设定、压缩机出口温度和热力膨胀阀的调节范围四个方面进行权衡，充分考虑制冷系统的容差，获得最后的优化结果。

8) 回热器本身的设计对系统最终匹配结果有直接关联，回热器的长度和直径对最终整车匹配的结果有直接影响。

[1]BOEWE D E,BULLARD C W,YIN J M,et al.Contribution of internal heat exchanger to transcritical R-744 cycle performance[J].HVAC&R Research,2001,7(2): 155-168.

[2]KWON Y C,KIM D H,LEE J H,et al.Experimental study on heat transfer characteristics of internal heat exchangers for CO2system under cooling condition[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2009,23(3): 698-706.

[3]王凤坤,范晓伟,张仙平.CO2循环回热器作用分析[J].制冷技术,2007,35(5): 440-450.

[4]严诗杰,李冰,金鑫,等.利用回热器提高HFC134a汽车空调系统性能的试验研究[J].汽车技术,2010(11): 44-48.

[5]陈江平,施骏业,赵宇.国内外汽车空调系统发展动向[J].化工学报,2008,59(S2): 9-13.

[6]向立平,曹小林,席占利,等.回热器对制冷循环性能影响的研究[J].制冷与空调（四川）,2005(4): 38-42.

[7]NELSON S,HRNJAK P.Improved HFC134a mobile air conditioning system[R].Urbana: Air Conditioning and Refrigeration Center,2002.

Experimental Study and System Matching Principles for the Performance of Vehicle Air Conditioning System with Internal Heat Exchanger

QIAN Rui*,HAN Xiao-bo,MENG Xiang-jun
(Pan Asia Technical Automotive Center,Shanghai 200438,China)

The matching mechanisms for the application of internal heat exchanger (IHX) in the vehicle air conditioning system were analyzed,and the matching principles for the rest air conditioner components and the system after adding IHX were proposed.The effect of IHX on the vehicle performance under the conditions of different vehicle speeds and modes was investigated through the automotive air conditioning environment experiment.The research results show that,the reasonably matched IHX system may decrease the average discharge temperature by 1.5 °C than the original system,and reduce the system power consumption under the condition of the same system refrigeration performance.

Automotive air conditioner;System match;Vehicle test;Internal heat exchanger

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.103

*钱锐（1972-），男，高级工程师，博士。研究方向：热力学架构开发，汽车空调系统匹配。联系地址：上海市龙东大道3999号泛亚汽车技术中心空调电子部，邮编：200438。联系电话：021-50161436。E-mail：Rui_Qian@PATAC.com.cn。