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零部件优化对汽车空调性能的影响

2019-12-27周江彬吴龙兵

汽车实用技术 2019年24期
关键词:冷凝器汽车空调蒸发器

周江彬,吴龙兵

零部件优化对汽车空调性能的影响

周江彬,吴龙兵

(上汽大众汽车有限公司,上海 201805)

通过实验验证某车型空调系统存在排气温度和压力过高以及制冷效果差的问题,对冷凝器和蒸发器进行优化,通过台架和降温实验验证,优化后的系统压缩机排气温度和压力下降到正常范围内,系统制冷效果得到较大提升。建立空调系统一维仿真模型,对不同优化措施进行分析,结果显示,冷凝器性能提升对压缩机排气温度和压力有决定性作用,并能进一步促进蒸发器能力发挥。而仅改善蒸发器性能,需考虑系统的匹配能力,在系统匹配能力较好情况下,对制冷效果有较大改善,并能改善压缩机排气温度,但对排气压力的降低并无明显效果。

汽车空调;零件优化;制冷效果;降温试验

前言

目前,空调系统已经成为汽车上必备的装置。汽车空调的制冷原理属于蒸汽压缩式制冷循环,由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及管路等部件组成。但汽车空调与家用空调在结构、设计和技术要求等方面有着较大不同,主要表现在以下几个方面[1]:(1)传统汽车的空调压缩机由发动机通过离合器和皮带驱动,当车辆处于怠速或低速行驶时,可能出现空调制冷效果不佳的问题;(2)由于车身空间限制和其他部件的干扰,空调部件的安装位置以及系统的布置受到限制;3)汽车空调冷凝器所处的环境较为恶劣,且由于空间的限制,冷凝器无法做的足够大,因此需要提高换热效率来提升换热能力,蒸发器同样如此;4)面临的外界干扰更恶劣,汽车空调系统随着车辆处于不断的颠簸之中,对各部件以及连接部位的抗振动能力等提出更高要求。

由于汽车空调的特点,因此,无论是零部件设计还是系统匹配,都面临着很大的挑战。当冷凝器的散热能力与系统不匹配时,一方面会使得制冷效果不佳,另一方面会导致压缩机的排气温度和压力升高[2]。压缩机排气温度持续过高,会导致制冷剂出现分解以及润滑油碳化和密封件、绝缘件的老化,同时会对压缩机的排气阀带来不可逆转的影响[3-4]。在压缩机设计过程中,改善压缩机的排气欠压缩过程,降低排气温度,是必须考虑的问题[5-7]。此外,汽车空调降温效果较差也是经常出现的问题,出现该问题的原因主要是空调系统部件的能力与整车热负荷不匹配或由于系统匹配设计的缺陷,导致部件的能力得不到发挥,在恶劣的环境工况下,空调系统制冷效果出现大幅度下降,甚至停止工作[8-10]。

汽车空调的开发涉及到部件与系统之间的匹配,当系统设计或零部件选型出现问题时,空调系统的运行状态和制冷效果将大打折扣。本文以某车型空调系统出现的制冷能力不足以及系统运行参数异常的问题,对部件进行优化,并通过仿真和实验,研究零部件优化对系统性能的提升效果。

1 实验研究

根据试车反馈,该车空调系统在高温天气下的制冷性能明显不足,同时压缩机高压报警频繁启动。为了明确该空调存在的问题,搭建系统和部件的实验台架,对部件和系统性能的优化进行研究。

1.1 实验装置

图1 汽车空调综合实验室示意图

实验在汽车空调综合性能实验室中进行,实验装置如图1所示,实验室由蒸发器室、冷凝器室、压缩机室、以及控制机组构成。蒸发器、冷凝器室分别由冷热机组和加湿机组共同为蒸发器、冷凝器提供不同的工况;压缩机室由电机驱动压缩机离合器,通过激光测速装置反馈到控制系统,根据设定的值调节压缩机转速。

表1为实验装置和测量设备的控制和测量精度。

表1 实验装置的控制和测量精度

1.2 台架实验工况

分别在环境温度为35℃和45℃时,对不同压缩机转速下的系统性能进行实验。工况设定如表2所示。但在对原始系统进行实验过程中,工况8,即环境温度为45℃,压缩机转速3600r/min时,系统压力过高,实验无法进行,因此,该组数据缺失。

表2 实验工况设定

1.3 优化方案与实验结果

原始系统的台架实验结果如图2-图4所示。实验结果表明,原始的空调系统制冷效果并不理想,即使在环境工况较为理想的35℃时,压缩机转速达到3600r/min,制冷量只能达到3800W左右,很难满足通过同等工况下热负荷计算所要求的4300W的制冷量。除此之外,压缩机的排气温度和压力也是远超出了系统设计时要求的状态,排气温度最高超过了130℃,排气压力超过了2.5Mpa。因此需要对系统和零部件进行优化。

图2 优化前后压缩机排气温度对比

根据实验结果,首先考虑为冷凝器散热效果差导致的冷凝温度及冷凝压力过高,同时导致系统的匹配性能变差,影响制冷性能。如图5所示的log p-h图为冷凝温度升高导致的系统性能变化。循环1-2-3-4-5-6-1为正常的制冷系统循环,单位制冷量为h1-h6;循环1-2’-3’-4’-5’-6’-1为当冷凝器散热效果变差,导致冷凝温度和冷凝压力升高后的循环,单位制冷量为h1-h6’。从压焓图中可以看出,冷凝温度升高除了会导致系统压力的升高,同时会降低系统制冷能力。

图3 优化前后压缩机排气压力对比

图4 优化前后系统制冷量对比

图5 冷凝温度变化对系统性能的影响

考虑到空间的限制以及优化方案的可行性,对系统进行如下优化:

(1)加密冷凝器翅片,翅片间距由原始的1.5mm加密到1.2mm;

(2)通过台架实验中红外热像仪成像结果,蒸发器表面温度分布极不均匀,因此在水室增加多孔板,以改善制冷剂的流动分布,如图6所示。

图6 增加导流板的蒸发器

在同样工况下对优化后的系统进行实验,并与优化前系统进行比较,结果如图2-图4所示。

根据优化前后的台架实验结果,该组合优化方案对空调系统的性能和运行状态有较大的提升。系统制冷量提升幅度达到了20%以上,优化后的系统制冷量维持在4500W左右,可满足空调系统的制冷要求。压缩机排气温度和排气压力方面也有较大改善,优化后的系统压缩机排气温度可维持在100℃以内,排气压力在2Mpa以内,相对原始系统的运行状态明显提升。

1.4 降温实验对比

为了验证优化后的系统在整车上的性能表现,在环境舱内进行优化前后空调系统的降温实验。

如图7-图8所示,前45分钟车速为60km/h,45-75分钟为80km/h以及75-100分钟为怠速工况。降温实验结果表明,优化后的系统在降温效果上有较大提升,头部温度可保持在22-25℃之间,满足人体对舒适性的要求。压缩机排气温度和排气压力也较优化前有较大幅度下降。

图7 制冷效果对比

图8 压缩机排气参数对比

2 仿真分析

台架和降温实验的结果为组合优化方案的效果,在对每个部件进行优化后,均需要验证单个部件的影响,大量的实验所需的代价较大。为分别研究两种优化措施带来的效果,搭建空调系统仿真模型,分别研究冷凝器散热效果及蒸发器性能提升给系统性能带来的影响。

2.1 部件台架仿真模型

图9 蒸发器模型精度

在建立空调系统仿真模型之前,首先建立蒸发器和冷凝器的单体模型,对比实验结果,验证部件模型的精度。图10和图11是根据建立的单体模型计算得出的蒸发器和冷凝器的换热量与单体实验结果的对比,对比结果显示蒸发器和冷凝器模型准确度均达到95%以上,可根据该模型进行系统级别的仿真计算。

图10 冷凝器模型精度

2.2 系统仿真

图11-图13为通过仿真分析得出的结果。可以发现,冷凝器性能的提升,对降低压缩机排气温度和压力有决定性的作用,比较之下,蒸发器换热性能的改善对压缩机排气温度有一定效果,这是因为蒸发器换热效果的提升可在一定程度上改善压缩机吸气状态,从而影响压缩机排气温度,而对于压缩机排气压力的改善有限。而在提升系统制冷性能方面,冷凝器的性能提升,使得系统匹配性能提升,能进一步使蒸发器能力得到充分发挥,即使在没有对蒸发器优化的情况下,制冷量也有较为可观的提升。当对蒸发器进行优化后,制冷量得到进一步得到了提升。当压缩机能力足够的情况下,提升冷凝器和蒸发器性能,相当于进一步提升系统的匹配能力,从而提升系统性能。因此空调系统中各个部件之间的匹配性能,对各部件的性能发挥有很大的影响,最终影响到系统性能和运行状态。

图11 压缩机排气温度

图12 压缩机排气压力

图13 系统制冷性能

3 结论

通过有针对性的实验,明确该车型空调系统存在的压缩机排气温度和压力过高以及制冷效果不佳的问题。对冷凝器和蒸发器进行优化,并对优化后的系统进行台架和整车实验,实验结果显示,优化后的系统在制冷效果方面提升达到了20%以上,在大部分工况下,压缩机排气温度降至100℃以内,排气压力降至2Mpa以下,符合系统和部件的性能要求和工作状态。

建立空调系统仿真模型,对换热器单体的模型精度进行验证,根据建立的模型,对单个部件的优化效果进行分析,结果显示冷凝器的性能提升对压缩机排气温度和压力有决定性的影响,并改善系统的匹配能力,可进一步促进蒸发器的性能发挥,提升系统制冷效果;而仅有蒸发器性能提升时,需考虑原来系统的匹配能力,如原系统冷凝器散热能力足够,优化蒸发器可提升系统制冷效果,并改善压缩机的吸气状态,从而降低排气温度,但对降低压缩机排气压力并无明显效果;如原系统本身匹配能力较差,仅对蒸发器进行优化,对制冷效果的提升并无作用。

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The Influence of Components Optimization on Automotive Air Conditioning Performance

Zhou Jiangbin, Wu Longbing

(SAIC Volkswagen Automotive Co., Ltd, Shanghai 201805)

In order to solve the problem of high discharge temperature and pressure as well as poor cooling performance of a vehicle air conditioning, optimization is carried by redesigning the condenser and evaporator. According to the bench test and cooling down test results, the cooling performance is improved greatly and the discharge temperature and pressure are decreased to normal level. The system simulation model is built to validate the effects of these two optimization proposals respectively, the simulation results show that: there are great influence of the condenser performance improvement on the compressor discharge temperature and pressure, meanwhile the condenser performance improvement can increase the evaporator capability as well. But the system design should be considered to analyze the influence of evaporator performance improvement on system refrigeration performance, when the condenser performance is enough for system requirement, the better evaporator performance can improve system performance and decrease the discharge temperature, but there aren’t obvious effect for discharge pressure.

Automotive air conditioning; Component optimization; Refrigeration performance; Cool down test

U463.85+1

A

1671-7988(2019)24-107-04

U463.85+1

A

1671-7988(2019)24-107-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.035

周江彬,工程师,就职于上汽大众汽车有限公司,主要研究方向为整车热管理技术及CFD方法。

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