重型卡车空调系统节能降耗技术浅析

2019-08-15岳冬冬刘治兴张辉吴海吕文帅李贺

汽车实用技术 2019年15期

岳冬冬，刘治兴，张辉，吴海，吕文帅，李贺

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西西安 710200）

引言

“十三五”计划明确指出节能减排和轻量化是汽车空调产业的发展重点，由此可见节能降耗越来越受重视、节能降耗刻不容缓。重型卡车的空调系统制冷能耗约占发动机的10%。在保证空调制冷效果的前提下，尽量降低能耗尤为重要，本文主要介绍重型卡车空调系统的节能降耗技术或措施。

1 空调系统工作原理

空调系统由制冷系统、暖风系统、通风系统、控制系统组成，共同实现对驾驶室内的空气进行调节。

汽车空调系统由五大主要总件组成，即压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀和蒸发器。汽车空调各部件用空调管路连接，形成一个密封系统，制冷剂以不同状态在这个密封系统内循环，以气体→液体→气体的状态变化。以实现压缩、冷凝、降压节流、蒸发四个基本循环。

2 空调系统节能降耗技术

2.1 同轴管换热器技术

空调系统一般采用的单根型普通铝管或钢管，分别连接空调系统各个零部件，构成空调系统制冷回路。空调系统为提高制冷效率，蒸发器后的气体管路需要过热处理，冷凝器后的液体管路需要过冷处理，同轴管换热器便是利用热量供需关系而设计的一种热交换器，以达到余热利用、节约能源的目的。

同轴管的结构一般有一体式同轴管（见图3）与分离式同轴管（见图4）。

图2 同轴管换热器示意图

图3 一体式同轴管截面图

图4 分离式同轴管截面图

同轴管是将温度高低不同的管路集成为内外层结构的同一根管路，内管与外管居于同一轴线，彼此分开，并不互通，内层流动的是5℃～10℃的低温低压制冷剂，外层流动的是70℃～80℃的高温高压制冷剂。内管与外管中的制冷剂流向相反，两者相遇时，内管的低温、低压气态制冷剂因得到热量而实现过热，外管的高温、高压制冷剂因散热而实现过冷，从而使冷凝器出口的高温高压液态制冷剂增加了额外的冷却性能、蒸发器出口的低温低压气态制冷剂进一步过热，使压缩机在制冷剂至相同压力下，功耗减少，达到提升整个空调系统制冷能效的目的。如图5，1-1'表示增加的过热部分，3-3'表示增加的过冷部分。

使用同轴管，空调出风口温度可降低1℃～3℃，且燃油消耗降低。

2.2 采用集成油分离器的高效压缩机

空调压缩机是空调系统的心脏，是推动制冷剂在制冷系统中不断循环的动力源，在相当大的程度上决定着系统的制冷性能。

在空调系统中，压缩机的冷冻机油与制冷剂混合后在系统中循环，冷冻机油进入换热器后会粘附在管道壁面上，增加制冷剂的流动阻力，且形成一层热阻影响换热器换热性能，从而影响系统制冷能力。所以从空调系统制冷能力方面考虑，制冷剂中含油量越少越好。但压缩机冷冻机油也影响压缩机运行的可靠性，压缩机冷冻机油润滑压缩机内的各运动部件，既减少摩擦和磨损，也起到冷却作用，将运动部件保持较低温度，以提高效率。所以压缩机内也须保持一定量的冷冻机油。

采用集成油分离器的压缩机，在压缩机排出冷冻机油与制冷剂混合物之前将冷冻机油分离一部分然后回到压缩机，使系统中的循环油量减少，有效降低系统中的油循环率，提升蒸发器内制冷剂的换热效率。同时使排出压缩机的一部分冷冻油又重新回到压缩机，保证压缩机运转可靠性。

采用内置式油分离器的汽车空调系统，系统的油循环率明显降低，制冷量约提高10%[1]。

2.3 双驱空调系统

传统空调系统，空调压缩机由发动机或辅助发动机带传动，从而为整个空调系统提供动力输出。当发动机停止运行时空调系统无法运行。在炎热的夏天，驻车时，要保证驾驶室内的凉爽舒适性，发动机只能怠速运行，空调系统才能正常运转，但会付出油耗的代价，而且发动机长时间怠速运行会加速部件磨损甚至产生积碳，发动机怠速状态下运行空调系统油耗约为2L/h。

图6 双驱压缩机原理图

采用双驱空调系统可解决此问题，达到节能的目的。双驱空调系统的工作原理同蒸发式空调系统，采用双驱压缩机技术（原理见图6），同时冷凝器增加冷凝风扇，即行车时为带传动压缩机驱动，发动机为动力源；驻车时为电动压缩机驱动，蓄电池为动力源（系统原理见图7）。如此，在驻车时只需要消耗部分电能就可保证驾驶室内的凉爽舒适性，减少燃油消耗。

图7 双驱空调系统原理图

2.4 高效智能空调系统

高效智能空调系统采用多传感器技术，通过伺服电机或步进电机根据驾驶员设定温度不断检测车内外温度，太阳辐射等车内外环境变化，实现模式、内外循环、风量调节和温度自动调节等功能，并且引入压力采集更细分的压力传感器、更高效节能的外控式变排量压缩机。构成更高效、自动控制精细化程度更高、更节能的空调系统。

图8 高效智能空调原理框图

采用外控式变排量压缩机技术，可以根据环境温度，发动机转速，太阳辐射强度，车内温度，送风温度，送风风向以及空调模式设定等参数，由空调控制器来确定控制信号，再由外部（电磁）控制阀来控制压缩机合适的排量，这样可以根据当时的冷负荷情况确定一个合适的吸气压力，不需要再热，从而达到节能的目的。

外控式变排量压缩机的原理见图8，根据各个传感器发来的信号，空调控制器计算需要的压缩机容量，并通过通断频率控制压缩机电磁阀开关来调节容量。在无电流时，阀门开启，高压腔和压缩机斜盘箱相通，高压腔的压力（即排气压力Pd）和斜盘箱的压力（即控制压力Pc）达到平衡，压缩机的排量为0；在高热负荷时，电流增加→吸引力（即电磁力）增加→阀门关闭→控制压力Pc 降低→斜盘的倾斜角度加大直至达到100%的排量；在低热负荷时，电流减小→吸引力（即电磁力）降低→阀门打开→控制压力Pc 升高→斜盘的倾斜角度减小直至低于2%的排量。

当系统的低压较高时，真空膜盒被压缩，阀门挺杆被松开，继续向下移动使得高压腔和斜盘箱进一步被隔离，从而使压缩机达到100%的排量；当系统的吸气压力特别低时，压力元件被释放，使挺杆的调节行程受到限制，这就意味着高压腔和斜盘箱不再能完全被隔断，从而使压缩机的排量变小。

图9 外控式变排量压缩机原理图

外控式变排量压缩机的优点：压缩机一直运转，无接合冲击，提高了舒适性；通过调节蒸发器的温度使制冷量和热负荷及能量消耗完美匹配，减少了再加热过程，使出风口的温度，湿度恒定调节；压缩机的功率消耗下降，燃油消耗下降。

压力传感器是由压敏元件和转换电路组成，利用被测介质压力作用在压敏元件上产生一个微小变化的电流或电压输出。传感器需要同外部放大电路配合使用才能完成从压力检测到控制、显示等过程。可以是模拟信号，也可以是数字信号，后级处理方便，也可以变成标准变送器信号用于远程传输。

压力传感器实时监测空调系统压力，控制模块采集压力传感器的电压或电流信号，根据采集的信号判断空调系统压力变化从而调节发动机风扇转速，既保证空调冷凝器的散热需求同时也减少了发动机风扇直连或高速运转的时间，有效地降低了发动机功耗。相对于现行空调系统采用的三态压力开关更节能，对系统压力的监测由高中低压力档位状态升级为线性控制，控制细分化、精确化程度更高。

2.5 双温区自动恒温空调系统技术

图10 电器件构架图

自动恒温双温区空调系统能够同时分别对车内两个区域（左右）的出风温度、风量、吹风模式进行独立的自动控制。即可根据主驾和副驾的设定温度，由左右仪表吹脸出风口、左右吹脚出风口、左右除霜出风口吹出与左右设定温度相对应的温度、风量、模式。同时根据阳光辐射强度，分别对左右温区进行不同的补偿。由于可以对主驾和副驾进行独立区域控制，所以能够满足主驾和副驾人员的不同舒适度需求，也能根据冷负荷的不同降低压缩机功耗。