高能效商用车空调匹配技术的研究

任建华，杨菲菲

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 前言

众所周知，车载空调系统制冷时，压缩机做功需要消耗发动机功率，造成油耗上升。为了满足现阶段工信部对于商用车油耗限值要求，各主机厂投入大量人力物力，努力设计研发高效节能的商用车型，目前轻型商用车空调系统普遍采用定排量压缩机，整体能效比（COP）较低，顾客开启关闭空调时油耗差异明显。而乘用车采用的变排量压缩机技术路线，由于成本较高、耐候性较差等影响因素，不适用于竞争激烈的商用车型，因此提高空调系统的能效比成为节油的关键。

空调系统的COP（能效比）可以通过提升来实现，空调系统零部件在现有的技术上进行创新优化，系统部件之间需要进行多轮次的匹配与耦合，空调系统和整车需要进行匹配优化，最终寻找到能效比、制冷性能和可靠性的最优搭配。

2 高能效空调系统方案

2.1 技术原理

空调系统消耗发动机的功率主要为空调压缩机的做功，通过系统匹配对制冷量Q0和冷凝器散热量Qk进行提升，大幅提升COP，采用小功率压缩机降低空调系统的做功，从而降低发动机的油耗。

2.2 压缩机平台选择

根据整车的热负荷（图1），进行压缩机的排量计算，选择141ml/r压缩机代替167ml/r的压缩机平台作为优化方案。

图1 空调系统负荷计算

2.3 整车油耗计算

进行整车的油耗分析计算，优化后的压缩机满足降油耗的目标。

按照我司轻型车项目上普遍应用的油电转化效率0.27，计算如下：

式中：δ——柴油的燃烧热值，10267kcal/kg；ρ——柴油密度，835kg/m；η——油电转化效率，0.35。

具体计算结果见表1。

表1 整车油耗节能计算表

2.4 基于空调匹配的空调系统瓶颈识别

确认压缩机后，将新压缩机带入空调系统进行匹配优化，从整车的热负荷作为输入，进行空调系统的热力学计算，建立空调系统的热力学模型（图2），对逐个零部件进行匹配分析，最终确认蒸发器和冷凝器为空调系统的性能瓶颈。

图2 空调热力学模型

2.5 蒸发器14孔微通道匹配多孔板技术

蒸发器芯体从8孔微通道提升到14孔微通道，加强热交换有一定的效果，同时对集流管的结构进行优化，从隔片式变为多孔板式，使冷媒在蒸发器内分布更均匀。表2为蒸发器微通道对比。

表2 蒸发器微通道对比表

结论：450m/h工况，蒸发器能力（空气侧）从4055W提升到4696W，提升约15.8%。

2.6 冷凝器翅片加密技术

针对目前量产冷凝器的结构进行优化提升，采用多方案并行原则。

1）方案1：将目前的冷凝器芯体的翅片波距从1.5mm加密到1.2mm。

2）方案2：将翅片结构进行优化，提升换热面积。

3）方案3：在方案2的基础上，扁管采用预喷涂技术，提升换热效率。

最终试验验证，在4.5m/s，冷凝器能力（空气侧）方案1比量产，从6659.59W提升到7344.46W，提升约10.3%。

虽然方案2、方案3也有较大提升，但风阻随之大幅增加，整车表现不佳，最终选择方案1。

2.7 IHX同轴换热技术应用

现有市场上车用空调制冷管路大多采用高、低压分体式结构，即高、低压分管道独立运输冷媒。低压管中冷媒在经过蒸发器后温度较低需要吸热，高压管在经过冷凝器温度较高后则需要散热，分体式结构无法有效利用这一物理特性，形成能量浪费，能效降低。

为解决上述问题，引入同轴管（图3），即中间热交换技术（IHX）。该技术是将高、低压管结合为一根管路，分为内外的高压腔、低压腔后，通过高、低压管在工作过程中自身的物理特性，蒸发器进出口处高、低压管路温差大相互传递能量，能够有效起到节能，提高制冷性能的作用，见图4。同轴段外部管路高温高压，内部管低温低压，既有利于高温管散热，又能有效隔绝发动机舱热源对低温低压管的干扰。

图3 同轴段制冷管路结构

图4 同轴管制冷循环

空调系统的台架试验可以客观反映空调系统搭载在整车上的工况，利用IHX系统的二次热交换，提高了空调系统的换热性能，蒸发器换热能力在各工况均有较大的提升，达到了10%左右。空调系统的台架试验误差在3%以内，从数据来分析，IHX系统对制冷性能的提升有非常大的作用，见表3和图5。

图5 台架试验对比曲线

表3 性能台架对照表

2.8 空调系统匹配优化

零部件结构性能的突破和IHX热交换技术在台架试验上进行匹配验证，通过调整空调系统的蒸发器过热度、冷凝器的过冷度和膨胀阀的参数，保证每个零部件在系统中最匹配，从而实现COP的最大化。在制冷效率提升后降低压缩机功率，从而达到降油耗的目的。

3 方案验证

通过零部件结构优化、同轴管技术的应用、空调系统匹配优化来实现空调效率的提升，配合降功率压缩机，达到整车油耗的下降。方案整体可通过系统台架试验及整车试验进行验证。

3.1 环境温度35℃台架验证

试验条件：①冷凝器进口温度35℃±1℃；②蒸发器进口干球温度27℃±1℃，湿球温度19.5℃±0.5℃；③压缩机转速与冷凝器风速相对应为1800r/min与4.5m/s；④鼓风机端电压27V；⑤吹面+制冷+内循环。试验对比结果见表4。

表4 35℃环境温度下1800r/min、4.5m/s试验对比结果

试验条件同上，压缩机转速与冷凝器风速相对应为2800r/min与7.5m/s，试验结果见表5。

表5 35℃环境温度下2800r/min、7.5m/s试验对比结果

3.2 环境温度43℃台架验证

试验条件：①冷凝器进口温度43℃±1℃；②蒸发器进口干球温度27℃±1℃，湿球温度19.5℃±0.5℃；③压缩机转速与冷凝器风速相对应为1800r/min与4.5m/s；④鼓风机端电压27V；⑤吹面+制冷+内循环模式。试验结果见表6。

表6 43℃环境温度下1800r/min、4.5m/s试验对比结果

试验条件同上，压缩机转速与冷凝器风速相对应为2800r/min与7.5m/s，试验结果见表7。

表7 43℃环境温度下2800r/min、7.5m/s试验对比结果

3.3 压缩机功率计算（表8）

表8 压缩机功率计算结果

压缩机使用功率降低≥10%，实际降低平均20.8%，达成目标。

3.4 整车油耗降低计算

按照我司绿程1.0项目上普遍应用的油电转化效率0.27，计算如下：

式中：δ——柴油的燃烧热值，10267kcal/kg；ρ——柴油密度，835kg/m；η——油电转化效率0.35。计算结果见表9。

表9 整车油耗降低计算结果

目标油耗降低1%，实际80km/h工况平均降低1.68%，实车测试1.44%，达成目标。

3.5 空调能耗比（COP）计算（表10）

目标空调能耗比（COP）提升15%，实际80km/h、环境温度43℃工况提升21.1%，达成目标。

表10 空调能耗比COP计算

3.6 整车制冷性能验证

选取某车型搭载优化后系统进行制冷性能验证，结果该试验样车空调制冷性能满足企业标准要求，具体数据见表11。

表11 整车制冷具体数据

4 结束语

目前高效空调系统是车用空调行业着力推进的重点工作之一。受工信部委托，中国汽车工业协会汽车空调委员会一直在积极推动“高效空调奖励方案”，希望通过激励的方式促进整车企业使用先进技术。美国、欧盟已制定并实施了相关的奖励措施，而高能效空调就是其中一项重要的奖励措施。

2019年6月13日，发改委等7部门发布《绿色高效制冷行动方案》，推动节能减排工作。后期汽车空调系统的COP（能效比）将会成为影响汽车销售的一个重要指标，本项目的研究应用有利于进一步提升企业产品的竞争力。通过试验验证，本项目的研究应用可以节油1%，有利于体现绿色、环保、节能的社会形象，提升企业的品牌价值。