汽车空调HFO-1234yf制冷剂研究动向与展望

陈琨，刘春梅

（湖南汽车工程职业学院汽车运用系，湖南株洲 412000）

汽车空调HFO-1234yf制冷剂研究动向与展望

陈琨，刘春梅

（湖南汽车工程职业学院汽车运用系，湖南株洲 412000）

分析了现行制冷剂对大气环境的影响及HFO-1234yf研究的重要性；介绍了当今欧美等国在HFO-1234yf安全性方面的研究现状，指出HFO-1234yf是本领域的研究新热点；介绍了国外对现行制冷剂的使用规定情况，并展望了HFO-1234yf作为新型制冷剂在国内的研究内容与方向。

汽车；空调；HFO-1234yf；制冷剂；研究动向

汽车空调制冷剂所用物质到目前为止大概分为4个阶段：第一阶段为1830—1930年，主要考虑制冷系统的功能，即使有毒性和可燃性、腐蚀性物质，只要能实现制冷的功能就优先选用作为制冷剂；第二阶段为1931—1990年，为追求制冷剂的安全性和化学稳定性，选用CFC（氟氯碳）和HCFC（氟氯烃）；第三阶段为1990—2010年，为防止破坏臭氧层，选用完全不含氯元素的HFC（氢氟烃）；第四阶段从2010年至今，为防止全球变暖，不选用GWP（Global Warming Potential，表示全球变暖潜势，用于衡量相对于二氧化碳的，在所选定时间内进行积分的，当前大气中某个给定的充分混合的温室气体单位质量的辐射强迫。其值越小，则制冷剂对环境的影响越小）值高的HFC和破坏臭氧层的CFC，而选用以HFO-1234yf为代表的更低GWP值的物质作为制冷剂。现在处于第三阶段到第四阶段的过渡期。了解HFO-1234yf作为汽车空调制冷剂的研究动向，对应对加注HFO-1234yf制冷剂的汽车进入中国有很大帮助，也为中国在新制冷剂研究、生产、运输和管理等方面带来了新的课题。

1 汽车空调HFO-1234yf制冷剂的研发

根据欧盟已通过的含氟温室气体控制法规的要求，自2011年1月1日起，欧盟禁止新生产的汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂，由于现在使用的HFC-134a的GWP值为1 300，被禁用；2011年1月1日至2017年1月1日，在用汽车空调按比例逐步淘汰GWP值大于150的制冷剂。

对以R-1234yf为代表的更低GWP值的物质作为下一代汽车空调制冷剂的替代品进行研发。通常GWP值小的物质其化学反应性高，这是因为红外线吸收系数减小，大气中存在的寿命会变短。所以选择GWP值小的物质，在燃烧性、有害性、分解物生成性、节能性等方面会造成使用成本上升。

选择HFO-1234yf作为下一代制冷剂主要考虑以下几点：1）环境特性。由于HFO-1234yf分子中不含氯原子，ODP（Ozone Depression Potential，表示消耗臭氧潜能值，其值越小，则制冷剂对环境的影响越小）为零；HFO-1234yf在大气中寿命只有11 d，GWP为4，且大气分解产物与HFC-134a相同，HFO-1234yf对环境的影响几乎可忽略，远小于HFC-134a。2）燃烧特性。HFO-1234y无闪点，自燃点为405℃，为弱可燃性。3）有害性。HFO-1234y的毒性低；对制冷设备中所有常用金属材料不具有活性和腐蚀性，包括碳钢、不锈钢、铜和黄铜等，但可与铝、镁、锌反应；对塑料和橡胶的侵蚀性比HFC-134a小。4）节能性。HFO-1234y的热循环性能优秀。5）实际装车可能性。在实际的空调机中装填、使用HFO-1234y时产生危险的可能性小。

2 HFO-1234yf安全性评估

对于汽车空调，主要关注发动机舱和乘客车厢内部的燃烧风险，因为如果制冷剂在发动机舱发生泄漏，高温零件可能会点燃HFO-1234yf；如果制冷剂在乘客车厢内发生泄漏，而此时乘客使用明火，就可能导致车厢内HFO-1234yf燃烧。

2.1SAE共同研究CRP1234项目

HFO-1234yf是弱可燃制冷剂。为了探究其在汽车空调中应用的安全性，美国汽车工程师学会SAE开展了CRP（Cooperative Research Project）1234项目研究，由SAE联合日、美、欧、韩等国10家汽车制造厂商和部件供应商OME针对HFO-1234yf在汽车空调中应用的性能、材料兼容性和安全性共同开展研究。

CRP1234针对HFO-1234yf制冷剂的可燃性及运用FTA（Fault Tree Analysis，失效树分析法）对其着火风险进行分析（见图1）。2006—2009年，该项目针对多种点火源进行了研究，并对制冷剂燃烧产物浓度进行了对比。2012年10月以后，为了回应戴姆勒的质疑，进行了CRP1234-4项目，将两种新情况纳入FTA分析中。

图1　失效树分析法

着火风险失效树分析说明：1）降低着火的因素为碰撞时发动机舱的部件间隙减小，从而降低着火的可能性；碰撞时发动机排出冷却水蒸汽，会阻碍制冷剂起火。2）制冷剂在高温零件表面起火的浓度大小由泄漏方向和流动方向决定。3）排气管表面温度达到700℃以上时制冷剂才会着火，而满足这个条件的几率很小。4）火焰传播的条件是发动机舱内由润滑油等造成的起火和传播。

研究结果（2013年7月）：由HFO-1234yf引起的车辆火灾造成乘员受伤的风险为3X10-12，比所有原因引起的车辆火灾风险1X10-6低6个数量级；使用HFO-1234yf作为汽车空调制冷剂不会造成严重风险，HFO-1234yf可应用于汽车空调中。

2.2德国联邦机动车运输管理局（KBA）的车辆测试

试验车辆为4台德国国内充注了被认可的HFO-1234yf制冷剂的车辆。试验方法：1）进行40km/h侧向碰撞试验，确定3个程度的泄漏部位，即制冷剂泄漏的部位；制冷剂无泄漏，但可见变形的部位；无泄漏变形，考虑耐久性和高速碰撞，有可能泄漏的部位。2）高负荷行驶中，使温度上升，达到高温条件时释放制冷剂，确认是否发生火灾和产生HF（氢氟酸，对皮肤有强烈刺激性和腐蚀性）。

测试结果（2013年10月）：上述3个泄漏部位中，前2个部位测试试验中没有发现产品安全问题的证据，但第3个部位发生火灾和产生HF的可能性需进一步调查。

2.3欧盟委员会的结论

受欧盟委员会的委托，欧盟联合研究中心（JRC）召集各利害关系方召开讨论会，对SAE和KBA的研究结果进行综合论证（2013年11、12月；2014年1月），发表了“没有证据表明在正常且可预见的使用条件下，在汽车空调系统中使用这种制冷剂会造成严重危险”的结论。

3 欧美的制冷剂使用规定

3.1欧洲汽车空调机制冷剂通知

限制内容：禁止使用GWP大于150的制冷剂。对象车辆：乘用车和小型商用车（1350kg以下）。法律公布：2006年5月。适用日期：新型车2011年1月1日起；新车2017年1月1日起。由于制冷剂供给不足，2012年12月31日前，新型车可使用以前的制冷剂（HFC-134a）。

3.2北美的重大新替代品政策计划

1994年，美国环保署（EPA）依据《清洁空气法案》发布重大新替代品政策计划（SNAP，Significant New Alternatives Program），这是一项对臭氧层消耗物质替代品/替代技术进行评估、鉴定和公开发布的计划，它不要求“可接受的替代品”完全无风险，但需通过比较替代品与现在使用的Ⅰ类或Ⅱ类化合物及其替代品的风险水平确认替代品的可接受程度。

SNAP计划规定HFO-1234yf可以有条件地使用在乘用车、轻型货车上，并设定了必要条件，提出了实施故障模式影响分析（FMEA）的要求。对于HFC-134a（现行制冷剂），SNAP计划讨论了将来禁止的方案，虽然没有明确具体的禁止时间，但作了实质性的限制。

4 中国使用HFO-1234yf制冷剂的展望与建议

根据中国环境保护法的要求和汽车空调制冷剂的使用现状，对于HFO-1234yf制冷剂的研究，在指定研究车辆和设定限制目标之前，可以在制冷剂的稳定供给、合理的价格、缓慢限制生产保养机器等方面进行考虑。

（1）对象车辆为乘用车。1）乘用车的销售量约占90%，制冷剂使用量也占约90%。2）客车、货车等为了保证长时间使用和长距离行驶，需要进行耐久性检验、建造特有的车辆结构和布局零部件的安装位置（如货车驾驶室的前倾结构、发动机的布局、车顶空调总成的安装等），同时还需开发专用零部件和对安全性进行检验，由于开发和检验的时间较长，在欧洲也没有作为限制对象。

（2）目标值为GWP=150。1）目前HFO-1234yf制冷剂还没有普及，有的公司也在研究GWP=130左右的替代制冷剂，这样就有多种制冷剂可供选择，为确保供给稳定，可启动竞争机制。2）与欧洲的限制相对应。

（3）目标年度根据开发时间和系统改变循环时间设定。1）考虑制冷剂更换造成的性能恶化的应对，如空调零件等诸多元素的变更、车辆性能评价。2）考虑成本上升的应对。3）考虑车辆生产工厂的制冷剂充注设备的导入。4）考虑各销售店保养机器的配备。

［1］ 梶原，秀夫.リスクトレードオフを考慮した次世代低GWP冷媒の選定［J］.シンセシオロジー研究論文，2013，6（4）.

［2］ 金听祥，徐冉，李改莲，等.HFO-1234yf在空调系统中应用研究进展［J］.制冷技术，2014，42（5）.

［3］ 王鑫，史琳，朱明善，等.近年来国内外制冷剂的研究状况［J］.暖通空调，2007，37（10）.

［4］ 曹霞.HFO-1234yf新一代汽车空调制冷剂［J］.制冷与空调，2008，8（6）.

［5］ 周晓芳，肖学智，徐浩洋，等.汽车空调中低GWP替代制冷剂的研究现状［J］.制冷技术，2014，34（5）.

［6］ カーエアコン冷媒WG.欧米でのカーエアコ冷媒規制動向と国内改正フロン法への対応検討［A］.日本冷凍空調学会論文集［C］.2014.

［7］ 周子成.HFO-1234yf制冷剂在汽车空调系统中使用的评价［A］.中国制冷学会2009年学术年会论文集［C］.2009.

［8］ 黄志坚.汽车空调制冷剂应用及发展［J］.信息系统工程，2010（7）.

［9］ 王博，张伟，马洋博，等.第四代制冷剂HFO-1234yf［J］.化工新型材料，2010（8）.

U463.85

A

1671-2668（2016）05-0013-03

2016-04-26