基于某车型开发的空调系统制冷性能提升

2021-01-07陈燕梅高李明杨河清

汽车电器 2020年12期

陈燕梅，宗新，高李明，杨河清

（1.南京理工大学，江苏南京 210094；2.南京依维柯汽车有限公司，江苏南京 211806）

汽车空调能改善驾驶员的工作条件，随着汽车行业竞争日益激烈，用户对汽车的舒适性要求越来越高，空调系统的制冷性能效果的好坏甚至会影响到客户购买商用车的欲望。因某车型开发更改了顶盖的材料降低了整车的隔热效果，本文从成本和开发周期考虑，重新进行方案设计，以提高空调系统的制冷性能，满足制定的制冷目标。

1 汽车空调系统工作原理

汽车空调系统一般由制冷系统、暖风系统、空气净化系统、控制系统组成。制冷系统主要由压缩机、冷凝器带风机总成、储液罐、膨胀阀和蒸发器（带风机总成）组成。制冷原理为：低压（低温）液态制冷剂进入蒸发器，由于制冷剂在蒸发器内气化时的温度低于管外空气的温度，因此能自动吸收车内空气中的热量，使空气的温度降低，产生冷效应。然后，气化了的制冷剂通过压缩机压缩，变成温度高于车外空气的高温高压气体。这时，制冷剂通过布置在车外的冷凝器将热量释放到大气中，制冷剂放热变成高压（高温）液态制冷剂。最后，经过膨胀阀，恢复到低压（低温）液态，如图1所示。所以，当空调要进行制冷时，必须开启压缩机使制冷剂循环，从而降低车内温度。

2 某车型原状态空调系统制冷性能

原车为客车车型，座位数11人，整车尺寸为4850×2000×2495，配备8kW空调系统。空调系统具体配置见表1。

按照企业的空调试验标准，降温效果、压力试验在下述条件下满足要求即达标，具体要求见表2、表3。经过环模试验，原车型的空调系统制冷效果见表4。

图1 汽车空调制冷系统原理图

表1 某车型空调系统配置

表2 降温试验性能指标

表3 压力试验性能指标

3 某车型新状态的更改范围

根据市场需求、产品定位、法规要求，因某款车型开发而修改车身的范围如下。

1）开发铁顶：把玻璃钢顶改铁顶。

2）开发高后开门：在原产品的基础上，加高车门上框尺寸，标配高后开门，开度为90°和180°配置。

3）开发侧拉门：侧拉门结构形式和门附件借用已有产品的结构，滑动副采用上中部承载，下部导向的结构形式，门锁布置在后中部，采用一体式锁，其中中控线束方式采用闭锁接触开关，最大开启限位机构，采用下滑轨导向槽末端Z型弹性钢片。

4）开发天窗：根据GB 13094-2017《客车结构安全要求》法规4.5.2.6的要求，客车后围增加一出口。

从上述车身更改范围可以看出，车身的修改影响整车的保温性能，自然影响空调系统的制冷效果。参照JT/T 216-2006《客车空调技术条件》对车身保温能力的要求，在环境舱里模拟试验，试验工况为：环境温度稳定在40℃、热辐射900W/㎡。试验结果从图2可以看出新状态的保温性能比原状态的差：整车从28℃升至35℃，某车型新状态历时2min5s，原状态历时3min45s；整车从25℃升至40℃，某车型新状态历时8min5s，原状态历时13min35s。

图3 同款产品不同轴距的座椅头部平均温度新老状态对比

4 某车型空调系统整改方案

影响车辆空调制冷性能的因素很多，如车辆密封性、汽车行驶速度、压缩机性能、冷凝器的散热能力、膨胀阀的开启度、系统的压力大小、冷媒加注量等。由于车辆的保温变差，在不做任何变更的情况下，整车的空调系统的制冷效果变差。按照企业标准，完成同款产品不同轴距的整车的降温效果对比实验，试验结果从图3可以看出：新状态的整车降温性能不符合企业标准。

为了满足企业标准，需要对某车型的空调系统进行整改，结合实际情况，经过计算和对比，形成以下3种技术方案，具体见表5。

经过评审和讨论，方案3既能满足项目开发周期短，又能满足成本要求。目前企业使用的压缩机为7H15、WXH106、WXH166及其SP20。WXH166和SP20的压缩机的换热性能适合10kW的换热系统，7H15、WXH106压缩机的换热性能（图4）更适合8kW的空调系统。两款压缩机的传动比（发动机曲轴带轮直径/压缩机离合器带轮直径）相当（约1.42），结合图4的性能曲线分析：7H15的压缩机的性能比WXH106压缩机的差，不能满足8kW系统要求；活塞式7H15的压缩机高速性能低于WXH106压缩机，但低速性能略好。两款压缩机的整车状态的环模试验结果如图5所示。

表5 某车型空调系统整改方案

图5 WXH106和7H15的空调系统座椅头部平均温度对比

从压缩机换热性能曲线和环模试验数据可以看出，更换7H15的压缩机不合适，需要找一款在低速情况下换热性能较好的压缩机。经过计算和评估，从产品系列外寻找体系内供应商，确定成本较低的SE10B17 的压缩机较合适。SE10B17压缩机的具体参数曲线图如图6所示，与7H15的压缩机对比见表6。

图6 SE10B17压缩机性能曲线

表6 7H15压缩机与10B17压缩机的参数对比

某车型空调系统采用10B17的压缩机，管路做适应性更改，其他零部件不变的情况下，完成整车空调系统降温试验，结果为：试验30min后，座椅头部平均温度22.68℃；试验60min后，座椅头部平均温度21.44℃；试验90min后，座椅头部平均温度24.86℃；试验过程中，系统高压不超过2.1MPa，低压不超过0.3 MPa。所以，某车型选择10B17的压缩机的空调系统，它的制冷性能能够满足整车目标，但是成本需要增加106元。考虑到开发周期少于1年，该车型的年销售量约2000台，更改压缩机的方案最优。