全新奥迪A8空调系统结构特点分析(上)

◆文/广东 崔冠乔

一种材料的温室效应潜力或者说它对温室效应的影响用英语名称GlobalWarmingPotential(GWP)表示，指的是这种材料对地球大气升温的潜在贡献。作为依据和参考值，GWP数值越小，则温室效应越小，因此对环境的影响也就越小。作为依据和参考值，将二氧化碳(CO2)的GWP数值规定为1。GWP数值越小，则温室效应越小，因此对环境的影响也就越小。而以往使用的制冷剂如R134a(四氟乙烷)，其GWP值为1 320，R1234yf的100年GWP数值等于4，也就是说，1kgR1234yf在前100年内释放4次后才与1kg二氧化碳造成的温室效应相当。自2017年1月1日起，在欧洲范围内的车辆不允许使用GWP数值＞150的制冷剂。基于这个原因，在这些国家禁止使用R134a制冷剂。因此奥迪自2016年起，批量采用制冷剂R1234yf。随着新奥迪A8(型号4N)的上市，在新奥迪A8(型号4N)中使用了一种新制冷剂——二氧化碳。它的化学式是CO2，在引进时使用了R774这个名字，即制冷剂R774。二氧化碳的物理特性与所使用的其他制冷剂不同，它是一种无色、不可燃的气体且不容易与其他元素结合，比空气重，是一种在自然界中存在的物质，它既不含氟也不含氯，一系列的自然反应都会产生二氧化碳，因此获取的成本低廉，而且对地球的臭氧层也没有影响。因此当制冷剂循环回路发生泄漏时，可以毫无问题地将其排放到自然界的循环体系中。二氧化碳能以固态、液态、气态和超临界的状态出现，而在汽车空调中只能以气态、液态或超临界的状态出现，制冷剂循环回路的工作压力明显更高，其工作压力比使用普通制冷剂空调的压力高约10倍。另外因为二氧化碳分子比以往所使用的制冷剂的分子更小，所以制冷系统必须设计得更加密封。制冷剂R744没有固有气味，因此无法闻到，比空气重，因此可能在较深的区域汇集，例如：装配坑、地窖和洼地，在此类区域可以挤出环境空气以及氧气，在含氧量少的区域停留可能导致生命危险。鉴于以上特点，新奥迪A8(型号4N)的空调系统在前款车型上进行了创新，如对制冷剂循环回路的组件(例如：压缩机和气体冷却器)的功能进行了调整，还提供了车内空气质量方面的创新，除了空气质量改善系统以外，还采用了一个可选香型的香氛系统。

一、新奥迪A8(型号4N)的空调系统制冷剂循环回路组件结构原理分析

新奥迪A8(型号4N)采用CO2作为制冷剂(R744)的空调与以往的空调最大区别在于系统中的工作压力很高，高压侧的压力最高约为140bar(1bar=105pa)，低压侧的压力最高约为93bar。因为二氧化碳的内能更高，所以在提供相同的制冷功率下需要的质量流量更少，这种优势除了可以增加制冷功率以外，还可以用于减少聚集或减小液流横断面面积。其制冷剂循环回路的结构原理示意图如图1所示。

图1 制冷剂循环回路的结构原理示意图

1.空调压缩机

空调压缩机的作用是将气态二氧化碳压缩至更高的压力水平，以便之后在蒸发器中重新减压。通过制冷剂的减压出现一定的温度下降，因此可以抽走乘客车厢中的热量。具体结构组成如图2所示。

图2 空调压缩机

制冷剂的压缩机采用了轴向活塞泵或轴向活塞压缩机的工作原理。在圆周上均匀分布的9个固定活塞可以在工作缸中移动，这些工作缸被安置在一个旋转的摆动盘上。由于摆动盘的倾斜定位实现各个活塞在工作缸中的线性运动，通过这种线性运动抽吸制冷剂、在活塞室内进行压缩并运输到制冷剂循环回路中。摆动盘的倾斜度是可变的，因此所输送的质量流量也是可变的。根据所要求的质量流量，自动调节摆动盘的定位角。压缩机的排量为31cm3。

2.气体冷却器

气体冷却器的作用是在气体冷却液中冷却制冷剂。

临界点是物质的一种热力学状态，它的特点是液相和气相密度的均衡。此时，两种聚集状态差别将消失。在R744的制冷剂循环回路中，还可能出现超临界情况。在超临界的情况中，气体冷却器中的制冷剂不会从气体转化为液态聚集状态，而是仅仅冷却，因此得名气体冷却器。新奥迪A8(型号4N)空调系统所使用的气体冷却器是一种新开发的产品，并替代了之前的冷凝器，它负责冷却制冷剂。气体冷却器用于从高压侧将过程热量散发到周围环境中。它不但在超临界模式(“气体冷却器”)下工作，还在相变模式(“冷凝器”)下工作。相变在这里意味着聚集状态从气态变为液态。气体散热器由扁管构成，在这些扁管中分别包含了一个与扁管并排的小管，扁管依次排成一排。制冷剂首先流经气体冷却器的上半部分，然后反向流经下半部分。高压侧制冷剂压力和制冷剂温度传感器G1053位于气体冷却器上。具体见图3。

图3 气体冷却器

3.内部热交换器

内部热交换器的作用是使制冷剂在内部热交换器中释放热量，热量从高压侧转移到低压侧。

A8(型号4N)对前款车型上已经被大家所熟知的内部热交换器进行了调整。内部热交换器是一根管子，见图4。它由一根被低压管围绕的内部高压管构成，在高压管中反向流经的制冷剂释放热量，加热流经低压管中的制冷剂，因此在高压和低压之间实现能量交换。内部热交换器的主要作用是提高制冷剂循环回路的效率。通过延长循环过程实现这个要求，并因此在蒸发器中出现更大的焓差。为了实现这这个要求，采用制冷剂R744的内部热交换器需要约一米的长度。

图4 内部热交换器

4.低压和高压侧的压力排放阀

压力排放阀的作用是保护制冷剂循环回路，防止其受到过高压力的影响。

低压侧的压力排放阀位于内部热交换器的整体接口上，高压侧的压力排放阀直接位于空调压缩机上，可见图1。为了防止这两个阀门的混淆，分别配备了不同的螺纹直径，在高压侧使用了螺纹为M12x1mm的阀门，在低压侧使用了螺纹为M14x1mm的阀门，拧紧力矩也是不同的，且两种阀门都配备了左旋螺纹。压力排放阀的具体结构见如图5所示。

当制冷剂循环回路中存在超压时，在阀门中钢球被压向弹簧，将正常压力下关闭的孔横截面打开，制冷剂通过这个开口溢出。两种压力排放阀都是可逆阀门，在交付前，需用气体对阀门进行密封性检测。如果空调已关闭，而在制冷剂循环回路中存在一个过高的压力，则低压侧的压力排放阀打开。如在温暖的环境下制冷剂升温并且系统压力因此升高时，可能出现这种情况。当压力约为120±10bar时，低压侧的压力排放阀打开。当存在过高的系统压力时，高压侧的压力排放阀打开。如在调节系统中存在一个故障或当高压侧的一条管路损坏或堵塞时，可能出现这种情况。当压力约为160bar±10bar时，高压侧的压力排放阀打开。

图5 压力排放阀

5.膨胀阀

膨胀阀是高压侧和低压侧之间的接口，当制冷剂膨胀时，在膨胀阀中通过节流产生减压。阀门的作用是将带有高压的制冷剂膨胀和冷却到一个较低的压力水平。它是蒸发器中通过高压控制的膨胀机构。通过0.55mm的特定钻孔直径实现中低负荷下的膨胀。在高负荷时，释放一个额外的旁路流量。通过弹簧调节这个旁路流量(图6)。

图6 膨胀阀

6.蒸发器

蒸发器安装在空调中，其作用是吸收乘客车厢中的热，从而冷却车内。制冷剂在蒸发器中从流过的空气中吸收能量。蒸发器由扁管构成。在这些扁管中分别包含了与扁管并排的小管。这些扁管在蒸发器中被布置在2个依次排列的垂直列中并且一直有制冷剂流经，制冷剂质量流量均匀地分布在所有扁管上。

7.集液器

集液器位于制冷剂循环回路蒸发器和内部热交换器之间的低压侧。它的直径约为75mm，安装在A柱下面的驾驶员侧轮罩中。

集液器需要完成以下任务：

(1)未循环的制冷剂的收集装置/储存器；

(2)冷冻机油的临时储存器；

(3)干燥待循环的制冷剂或从中抽出水分。

通过集液器为内部热交换器调节最佳的制冷剂质量，在此处调节出最佳的蒸汽含量。当制冷剂进入到集液器之后，见图7，制冷剂冲击折流板，因此将液相与气相分离，多余的制冷剂在收集装置中经过滤后被储存起来并通过颗粒进行干燥。冷冻机油同样要被过滤并通过抽吸管中一个钻孔以精确的计量重新与从集液器中溢出的制冷剂回到空调压缩机的制冷剂循环回路中。

图7 集液器

8.制冷剂管路及其连接装置

制冷剂管路中的工作压力最高约1 4 0 b a r，耐热性约为-40℃至180℃。注意在维修过程中不得弯曲制冷剂管路，也不得弯折制冷剂软管。

(1)高温气体侧的制冷剂管路

高温气体侧的制冷剂管路是从压缩机到气体冷却器的软管和管路连接。基于已压缩制冷剂的高温，必须通过金属波纹管输送这种介质，通过钢纤维强化软管保持形状。具体见图8。

(2)高压侧和低压侧制冷剂管路

高压侧和低压侧的制冷剂管路是不含波纹管加强件的软管和管路连接(图9)。

图8 高温气体侧的制冷剂管路

图9 高压侧和低压侧制冷剂管路

(3)制冷剂管路的连接装置

制冷剂管路通过特殊的密封件接受制冷剂循环回路中的高压并将其与周围环境隔绝，真正的金属密封件位于锁止装置中(黄色的支架)，通过一个销钉将制冷剂管路和锁止装置形状配合地相互连接如图10所示。为了确保制冷剂系统的最大密封性，在每次维修制冷剂管路时，更换锁止装置包括密封件和连接螺栓。在执行这些工作时，应注意保持格外整洁以及安装时密封件的准确位置，还应注意在安装制冷剂管路前，密封表面不得有机油和润滑脂。

图10 制冷剂管路的连接装置

9.传感器

(1)制冷剂压力和制冷剂温度传感器G1052/G1053

制冷剂压力和制冷剂温度传感器G1052和G1053仅安装在空调采用二氧化碳工作的车辆上。制冷剂压力和制冷剂温度传感器G1052和G1053具有不同的作用和安装位置，见图11。低压侧制冷剂压力和制冷剂温度传感器叫做G1052，它的作用是提供低压调节和制冷剂缺少识别的信号，并位于低压管路上的蓄压器出口侧。高压侧制冷剂压力和制冷剂温度传感器叫做G1053，它的作用是提供用于保护压缩机部件的高压和高温气体温度调节信号，并在高压管路上被直接安装在气体冷却器的进口侧。如果在维修中需更换一个或两个此种传感器，则必须完全排空整个制冷剂循环回路。当系统处于激活状态且带有高压时，不得拧出两个传感器，因为它们是直接结合到制冷剂循环回路中的。两个制冷剂压力和制冷剂温度传感器G1052和G1053没有熔丝，也没有压力排放阀。

图11 制冷剂压力和制冷剂温度传感器G1052和G1053

(2)车内二氧化碳含量传感器G929

车内二氧化碳含量传感器的作用是在行驶过程中和泊车时测量车内二氧化碳的浓度。车内二氧化碳含量传感器位于车内手套箱下面如图12所示。传感器的工作原理基于测量二氧化碳(CO2)与波长有关的辐射特性。

图12 车内二氧化碳含量传感器G929

如果在正常运行中，二氧化碳浓度低；在循环空气运行模式下，二氧化碳浓度较高；在已经泊车的车辆中二氧化碳浓度高时，空调系统都会根据车内二氧化碳含量传感器检测到的数值对空调工作情况进行干预，干预时间点根据不同的运行状态而变化。如果二氧化碳数值过高时，则干预的措施有：通过车外空气/循环空气翻板，增加车外空气的输入，以便降低二氧化碳的浓度；如果二氧化碳浓度继续增加，则将车内风扇的促动提高到最大强度；如果浓度还继续增加，此时在组合仪表的驾驶员信息系统中将出现一条警告信息：“空调：CO2浓度增加。为车辆通风。参见随车手册”；如果在已经泊车的车辆中发现二氧化碳数值升高，则通过唤醒车载电网控制单元J519促动并激活风扇。(未完待续)