浅析某轻卡空调制冷系统设计

2017-05-22李昕

汽车实用技术 2017年17期

李昕

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥 230601）

前言

汽车空调，顾名思义是汽车的空气调节装置，其作用是对通往车内空气进行冷却、加热、净化或过滤，并将经过这样处理过的空气以一定方式送至车内，使之符合人们舒适性的需要。现代汽车空调中的主要内容包括制冷，制热，过滤，湿度调节等，本文所说的汽车空调装置指代制冷装置。与一般建筑空调相比，汽车空调的工作环境恶劣、条件差，因而难度要增加很多，简而言之就是汽车的车身尺寸，材料，行驶工况等因素决定了汽车内部制冷需要很高的换热量以及工作效率很高的制冷剂和循环系统。

1 空调系统概述

汽车空调采用蒸气压缩式制冷，热传导介质常用R134a。一般商用车空调系统的主要组成有压缩机，冷凝器，蒸发器，干燥阀，风道，风机，空调控制器，温控开关，压力开关，空调管线路，其中用做热交换器的部件是冷凝器和蒸发器，由铝制薄片组成。系统动力源为压缩机，通常由皮带轮与发动机相连。与用户直接接触的是空调控制器和风道（出风口）。空调系统的设计实际上是对上述组成零部件的设计与匹配，使之满足整体工作性，可靠性的需要。

空调制冷的基本原理如下图所示，图中箭头所指描述了制冷剂在系统中的循环过程：

图1 循环过程

空调压缩机把制冷剂从低压区抽取来经压缩后送到高压区冷却凝结，通过冷凝器散发出热量到空气中，制冷剂也从气态变成液态，压力升高，温度维持。随后制冷剂进入蒸发器，液体变回气态，吸收大量热量，自身温度降低，有效降低周围空气温度。随后制冷剂回流到低压区，如此循环。我们在设计这套系统的开始，首先要明确需求，即系统需要多大的制冷量。

2 驾驶室冷负荷

驾驶室冷负荷是为了维持驾驶室内设定的温度，在某一时刻需要空调系统向驾驶室提供的制冷量。是根据空调设计要求，使车内空气参数达到预定的指标而必须除去的车内多余热量，是确定制冷装置容量的主要依据。通过对冷负荷的计算，得到空调的制冷量，作为空调设计和空调选型的主要依据。下图为某轻卡冷负荷的构成：

图2 轻卡冷负荷构成图

在夏天的时候，车外温度高于车内，加上太阳辐射的作用，有大量热量通过车壁及门窗玻璃传入车内，由于密封不良，会有不少热空气通过门窗及地板缝隙漏入车内，带来新风热；人体发出的汗热和湿热也使车内温度升高；通过座椅下方以及发动机罩还会传来发动机的部分热量；暴露在车厢下面的冷风管道及地板还会有地幔反射热传入；车内零部件如座椅、仪表面罩等会吸收大量太阳辐射热，然后慢慢向车内散出。上述热量之和构成来车身冷负荷，其平衡方程式表达如下：

Qg为冷负荷；Q0为制冷量；k为储备系数

目前普遍采用的一种方法是将车体的传热系数、内外对流换热系数、太阳直射、散射强度等数据取为经验值，作为稳态传热过程处理。将各部分冷负荷一一算出，然后加起来，实际汽车作为一种运动的物体，其车体结构比较复杂，实际制冷量往往与理论值有一定差距，目前还无法通过前期的冷负荷计算准确得出空调制冷量，本文通过这种方法估算冷负荷，得出理论制冷量，并在整车空调系统制冷性能试验后作必要的修正。根据经验，我们对汽车的制冷量作出了如下的总结，仅供参考：

表1 车型及制冷量

为了能最大地满足整车制冷量需求，我们实际制冷量Q的选择要在额定制冷量的基础上再增加10%—20%。

3 压缩机装置设计

压缩机作为空调系统的核心部件，扮演着“发动机”的角色，其作用是在空调制冷剂回路中压缩驱动制冷剂，让制冷剂得以有效循环。在设计压缩机时需要遵循以下的流程：

3.1 确定压缩机排量V

压缩机的排量根据制冷量而来，需要通过一定的理论计算：

a.冷媒循环量计算：

式中：Q为制冷量（kcal/h）；Gth为理论冷媒循环量（kg/h）；Δie为蒸发器吸热量（kcal/kg）

b.理论排量的计算：

式中：Vs为压缩机容量（cm3/r）；Nc为压缩机转速（rpm）；Nv为压缩机容积效率；V1—压缩机入口气体比体积（m3/kg）。

c.实际排量计算：压缩机排气量以120%为设计目标：

3.2 确定压缩机速比i

压缩机皮带轮直径d根据发动机皮带驱动轮直径D大小来选取，通常速比满足如下关系：

表2

确定压缩机传动比后，必须校核，档汽车在最高车速行驶时压缩机转速要小于其允许的极限转速，否则要选用大的压缩机重新设计其传动比。

3.3 循环量确定

压缩机制冷能力取决于压缩机单位时间内强制循环的制冷量和单位制冷剂循环时的制冷能力，压缩机循环量一定程度反映了制冷能力大小，计算公式如下：

式中：P为压缩机循环量；i为压缩机驱动传动比；Ne为发动机转速。

压缩机循环量确定后可通过与标杆车在典型工况下循环量的比较，检验是否达到标杆车水平。

3.4 共振校核

为避免压缩机与发动机产生共振而做的校核（主要针对活塞式压缩机）。活塞式压缩机震动频率：

式中：m为激发的谐量分析阶数

单缸单作用压缩机，m=1，2，3，…

对单缸双作用压缩机，m=2，4，6，…

发动机振动频率：

式中：N为发动机缸数；Ne为发动机转速；C为冲程数。发动机与压缩机频率比值：

若避免共振Z应为非整。

3.5 压缩机支架设计

压缩机支架设计应遵循3个原则：1.方便压缩机装配、拆卸，具有一定的通用性；2.支架强度要高；3.压缩机安装后满足共面要求：

图3

压缩机皮带轮中心线与发动机驱动轮、涨紧轮的中心线应当在同一平面上。

3.6 压缩机皮带轮设计

压缩机用的带轮主要分为以下几类如表3：

通常依据发动机驱动轮形式选取相应压缩机皮带轮。

压缩机设计完毕后，装配皮带轮，拧紧涨紧轮，通过测力计测量张力。皮带张紧要求：于皮带中间位置垂直施加98N的力，皮带变形在（8～10）mm范围内合格。

4 冷凝器装置设计

冷凝器是系统中热量交换的部件，是把来自压缩机的高温高压气态制冷剂通过管壁和翅片将其中的热量传递给冷凝器外的空气，从而使气态制冷剂冷凝成高温高压的液体，通过膨胀阀后吸收大量热量而气化。冷凝器中制冷剂的放热过程有三个阶段，即降低过热、冷凝和过冷三个阶段：进入冷凝器的制冷剂是高压的过热气体，向外放出热量后并在冷凝压力下，放出热量逐渐冷凝成液体，温度保持不变。最后继续放出热量，液态制冷剂温度下降，成为过冷液体。

4.1 设计原则

我们说的冷凝器装置，包含冷凝器芯体、冷凝器支架、冷凝机风扇有时根据整车布置需要将干燥瓶及压力开关集成于冷凝器装置中。在轻卡平台中，以五十铃为基本型，冷凝器通常布置在车架右纵梁前端，驾驶室登车踏板下方。如图所示：

图4 冷凝器右前方布置图

也有很多车布置在横梁下方，车架后端甚至是中冷器前方，具体根据整车布置来确定，需遵循布置原则：1.不影响空调系统及冷凝器正常功能；2.不影响其他部件正常功能；3.兼顾整车配重。冷凝器设计原则：1.体积小，轻量化好；2.换热效率高；3.可靠性好，抗震动，耐久；4.风阻小，内外壁阻力小。

4.2 冷凝器换热量计算

冷凝器理论散热量：

式中：Qc为冷凝器散热量；m为负荷系数，通常取1.5。

在空调系统的匹配校核时，冷凝器实际散热量取值应大于理论散热量。

4.3 冷凝器风扇选型

冷凝器风扇是帮助冷凝器散热的装置，在选取时应当注意与芯体的匹配及整车电压，风向不应该和整车前进方向相同。当冷凝器有迎风面积时，风机风速不少于2.5m/s。

4.4 冷凝器支架设计

冷凝器支架起支撑和过渡作用。冷凝器风扇和芯体的配合需要支架作为连接，同时冷凝器装配在整车上需要一个稳定的支撑。

5 空调管路设计

空调管路在空调系统中起连接作用，是制冷剂流动的介质、管道。空调管路由吸气管、排气管及液体管组成（中间连接压缩机总成、冷凝器总成、干燥瓶和HVAC总成等部件），管路固定部件由管夹和线夹组成，有时为带有护套、支架、扎带等辅件，具体结构如图：

图5 管路连接图

在设计空调管路时，应避免管路与周围部件发生干涉，管路尽量平直让冷媒流通顺畅，阻力小。一根空调管路由压板，O型圈（起密封作用），装配前带有防尘罩（保持内部清洁），硬管，扣押头，软管等组成，有时可将冷媒加注口集成于硬管中：

图6 空调吸气管总成

空调管路应具有良好的耐腐蚀性，可靠性，密封性，稳定性，耐热性以及较轻的材料，因此管路的硬管部分采用铝制材料：A3003。软管部分采用汽车上常用的橡胶管：EPDM+HNBR，由于轻卡车架侧面复杂的管线路系统，橡胶管表面最好带波纹管，起一定地保护作用，必要时可增加铝箔保护软管免受热害影响。两头硬管中间软管及管夹固定是最为简单的一种管路走向，具有维修简单，PPM值低，成本低的优点。

5.1 空调线路设计

通过以上内容基本完成空调系统在底盘的硬件布置，众所周知，空调系统中还有几个零部件需要用电力来驱动，从而满足整体制冷的需要。同整车中的其他用电器，空调系统的供电也采取单线制。

5.2 控制逻辑

电气原理图如下：

图7 空调底盘部分电气原理图

三个继电器分别控制压缩机电磁离合器，冷凝器风扇，空调怠速提升信号给ECU。控制端采用蓄电池电，配合AC开关，需要注意的是AC开关有效的前提是鼓风机风挡开关打开。各个用电器供电电源来自发电机。

汽车在行驶中，底盘部分面对的环境要比驾驶室内部恶劣很多，在选取线束及线束连接器时一定要有足够的防水防尘等级和耐震动等级。

5.3 系统保护

除了上图中的保险丝外，空调系统还需要另一套保护装置：空调系统的正常工作压力范围高压一般是1.5MPa左右，低压是0.25MPa左右，过低过高的系统压力不仅影响压缩机的寿命制冷效果也会有所降低，因此需要在系统中增加压力开关来控制系统的压力。由于空调系统的关联性，从减少成本的角度考虑，一般将一个压力开关置于液体管中，检测高压端压力。压力过高过低均断开开关，从而使压缩机和冷凝器风扇断电。