汽車空調系統改進試驗研究

黃志春 公茂兵

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

1 前言

在對某型汽車進行濕熱地區適應性試驗過程中，駕駛員反饋，該車在初始運行時空調系統制冷效果良好，但運行一段時間后制冷效果逐漸變差，儀表板出風口風量變小，明顯感覺駕駛室內溫度升高，當汽車熄火、空調系統停止工作3～5 h后重新起動車輛，空調系統又恢復正常工作。針對上述問題，對該車進行了整車降溫試驗及熱成像試驗，確定了導致空調系統制冷效果不佳的原因，并提出了改進措施。

2 空調系統工作原理

該車空調系統（圖1）由制冷系統、暖風系統、通風系統、空氣凈化系統及控制系統構成，主要零部件包括空調總成（加熱器總成、制冷器總成、風機總成等）、操縱機構總成、風道總成、后暖風總成、冷氣壓縮機總成、冷凝器總成及暖氣水管和輸氟導管等。制冷系統工作時，冷氣壓縮機吸入蒸發器出口處的低溫低壓制冷劑氣體，將其壓縮成高溫高壓氣體排出壓縮機；高溫高壓制冷劑氣體進入冷凝器，由于壓力及溫度的降低，制冷劑氣體冷凝成液體并放出大量的熱；溫度和壓力較高的制冷劑液體通過膨脹裝置后體積變大，壓力和溫度急劇下降，以霧狀（細小液滴）排出膨脹裝置；霧狀制冷劑液體進入蒸發器，此時制冷劑沸點遠低于蒸發器內溫度，故制冷劑液體蒸發成氣體；氣體在蒸發過程中吸收周圍大量的熱量，變成低溫低壓的蒸氣又回到壓縮機。

3 制冷效果不佳原因分析

3.1 常規檢查

根據駕駛員的反饋信息，對空調系統進行了常規檢查，排除了制冷劑泄漏、部件失效等常見故障。

3.2 整車降溫試驗

按照QC/T 658—2009《汽車空調制冷系統性能道路試驗方法》中“5.1.1降溫性能試驗”項目，布置傳感器進行整車降溫試驗，試驗結果見圖2。

由圖2可看出，空調系統在初始運行的0～20 min內，駕駛室內平均溫度由50.2℃降為25.2℃。運行20 min后，駕駛室內平均溫度逐漸升高，且隨時間的延長駕駛室內平均溫度不斷升高，最高達到36.1℃，與駕駛員反饋情況基本符合。整個測試過程中，冷凝器進出口溫度并未發生異常變化，蒸發器出風口溫度變化較小，維持在11～15℃，但是蒸發器出風口的出風量明顯變小。試驗結束后，馬上打開防護板觀察蒸發器狀態，發現蒸發器已經結霜。綜合常規檢查結果可判定，該蒸發器逐漸結霜是空調制冷效果逐漸不佳的主要原因。

3.3 空調系統臺架熱成像試驗

針對蒸發器出現結霜的現象，對蒸發器進行了熱成像試驗，試驗方法為：在試驗臺架上使空調系統持續工作，直到蒸發器表面開始結霜。蒸發器表面熱成像分布結果見圖3。試驗時為盡量模擬實際的吸氣方式，在蒸發器出風側設置風機，由于蒸發器與風機間距小，無法測量蒸發器出風側的熱成像分布，因此，熱成像試驗結果為蒸發器進風側熱成像分布。

3.4 空調系統臺架熱成像試驗結果分析

3.4.1 蒸發器溫度分布

從圖3可看出，蒸發器左側溫度最低值約為12℃，右側溫度最低值約為0.5℃，左、右相差約11℃，說明蒸發器進風側的表面溫度不均勻，蒸發器本體的利用率低。這是由于蒸發器右側位置距制冷劑進、出口位置較近，制冷劑流動時首先在其進、出口位置開始進行熱量交換，遠離此位置處的蒸發器內部管路流經的制冷劑較少，這樣就造成了蒸發器左、右側溫度分布不均的現象，使蒸發器表面出風側靠近制冷劑進、出管路接口端結霜，逐漸擴散至全表面。

3.4.2 蒸發器表面溫度傳感器橫向測點分析

蒸發器表面溫度傳感器原布置位置為蒸發器表面對角線交點處（圖4），根據熱成像試驗表明，此溫度測量位置并非最低溫度測量點，即蒸發器表面溫度傳感器橫向測點布置不合理，這也導致了蒸發器表面結霜。

當蒸發器表面溫度傳感器布置不合理時，溫度控制系統不能根據蒸發器表面溫度情況準確調控冷氣壓縮機工作狀態，導致冷氣壓縮機長時間工作，引起蒸發器表面逐漸結霜而形成冰層。蒸發器溫度傳感器主要用來測量蒸發器翅片內部的溫度，并結合放大器和控制系統來控制空調冷氣壓縮機的工作。當蒸發器表面溫度低于一定值時，控制系統控制冷氣壓縮機停止工作，以防止蒸發器表面結霜。由于蒸發器表面溫度不均勻，傳感器未監測到蒸發器翅片的正確溫度，監測到的溫度數值偏高，冷氣壓縮機一直運轉，蒸發器表面溫度最低點區域逐漸結霜，使蒸發器的出風面積減小，導致儀表板出風口的風量越來越少，而停車一段時間后，蒸發器表面的結霜逐漸融化，空調系統又恢復正常。

3.4.3 蒸發器表面溫度傳感器縱向測點分析

傳感器長度為45 mm，有效測量長度為40 mm，而蒸發器芯體厚度為60 mm。傳感器自蒸發器出風側插入迎風側，傳感器感溫點插入蒸發器芯體后位于迎風側一面，而出風側溫度低于迎風側溫度，因此測量點溫度高于蒸發器表面溫度。由于放大器控制溫度斷通的設計值為0～3.5℃，斷通溫度點的依據為蒸發器表面溫度，并非蒸發器內部溫度，故當傳感器達到感溫點斷開時，出風側已經低于感溫點溫度而開始結霜。因此，蒸發器表面溫度傳感器縱向測點不合理，即傳感器過長也導致蒸發器表面結霜。

由上述可知，影響空調系統制冷效果不佳的主要原因為：蒸發器內部制冷劑流道方向不合理；蒸發器表面溫度傳感器橫向布置位置和縱向布置位置不合理。

4 解決措施

4.1 優化蒸發器內部制冷劑流道方向

為解決蒸發器表面左、右側溫度不均勻問題，調整了蒸發器內部制冷劑流道方向，由原來的制冷劑由前側多管路向上流至后側多管路再向下流的流動方式，更改為蛇形1條管道流動方式，如圖5所示，這樣可使制冷劑在蒸發器芯體內部全流通，有效提高蒸發器本體的利用率。

4.2 調整蒸發器表面溫度傳感器橫向布置位置

為防止蒸發器表面局部結霜，使表面溫度傳感器可準確測量蒸發器表面的最低溫度位置區域，在空調系統試驗臺架上對改進制冷劑流道方向后的蒸發器芯體進行了熱成像試驗，測點分布見圖6，試驗結果見表1。

表1 蒸發器表面溫度測量結果 ℃

由表1可知，溫度區域11處的溫度最高，因而溫度傳感器測量位置應選擇為溫度區域11處。因此，蒸發器表面溫度傳感器橫向位置調整為：蒸發器芯體從左至右第13排翅片，從下至上65 mm處，傳感器露出蒸發器芯體表面10 mm。溫度傳感器布置位置見圖7。

4.3 更改放大器溫度傳感器通值

由于傳感器需要進行固定，而插接式固定較可靠、簡單和方便，因此傳感器長度不宜過短。為解決蒸發器表面溫度傳感器過長而導致的橫向測量位置不合理問題，通過外接熱電偶表面溫度傳感器和熱電偶鎧裝傳感器進行測量試驗，傳感器布置情況見圖8，試驗結果見表2。由表2可知，在原傳感器位置測量的溫度值與表面溫度值相差約2.0℃。為此，將放大器溫度傳感器通值由3.5℃升至5.5℃，這樣可補償由于傳感器過長造成的測量蒸發器表面溫度偏離正常值的問題。

表2 蒸發器表面溫度測量結果 ℃

5 試驗驗證

5.1 臺架熱成像試驗

在空調系統試驗臺架上對改進后的蒸發器進行了熱成像試驗，試驗結果見圖9。由圖9可看出，蒸發器表面左、右側溫度均衡，無溫度分布不均現象。

5.2 空調系統管路壓力測量試驗

實施改進措施后，按照 QC/T 658—2009《汽車空調制冷系統性能道路試驗方法》中“5.4”項目要求進行了空調系統管路壓力測量試驗，試驗結果見表3。由表3可知，空調高壓、低壓管路壓力正常。

表3 空調制冷系統壓力試驗結果

5.3 整車降溫試驗

實施改進措施后，按照QC/T 658—2009《汽車空調制冷系統性能道路試驗方法》中“5.1”項目要求進行了整車降溫測量試驗，試驗結果見表4和圖10。由試驗結果可知，駕駛室內部溫度得到了有效降低，溫度趨于正常，制冷效果良好。試驗結束后，經檢查蒸發器芯體未發現結霜現象。

表4 實施改進措施前、后駕駛室頭部平均溫度測量結果

6 結束語

針對某型汽車出現的空調系統制冷效果不佳問題，對其進行了整車降溫試驗及熱成像試驗，找出了導致制冷效果不佳的主要原因。通過對該車空調系統采取優化蒸發器內部管道流向、調整蒸發器表面溫度傳感器橫向位置及更改放大器斷通值范圍等改進措施，解決了該車空調系統制冷效果不佳問題。可知，整車降溫試驗及熱成像試驗對于空調系統的故障再現分析起到至關重要的作用，是產品優化設計的有效手段。

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