熱帶沙漠氣候環境汽車空調系統的開發

楊偉龍，張凌露

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

熱帶沙漠氣候環境汽車空調系統的開發

楊偉龍，張凌露

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

闡述熱帶沙漠氣候環境下汽車空調制冷性能的研究，對熱帶沙漠氣候環境下整車空調系統的舒適性溫度指標進行分析探討；并以某車型出口迪拜的空調系統改進性開發為實例，從系統架構、性能指標、部件布置和試驗驗證等方面行介紹。

熱帶沙漠氣候；汽車空調；溫度；舒適性

隨著中國汽車自主品牌技術的成熟，不少公司已經逐步走向國外市場，尤其非洲和阿拉伯國家的較大區域范圍屬于熱帶沙漠氣候，極度干旱而酷熱，與中國氣候環境存在明顯差異，因此對汽車空調系統的性能要求也存在較大差異，需要對該類氣候環境下汽車空調性能參數進行專門研究分析。

參照GSO海灣標準化組織要求，對車輛使用環境的要求為大于50℃。這比目前國內開發空調車外設計溫度高了7～10℃。

1 汽車空調制冷工況舒適性溫度的確定

溫度是影響人體熱舒適性的主要參數，汽車空調系統的舒適性溫度指標是指制冷工況下車內人體感覺舒適的溫度，該舒適性溫度指標的確認與車輛使用區域的氣候環境密切相關，要在考慮車內人體舒適度的同時，兼顧車內外溫度溫差在合理的范圍內。基于國內氣候條件的車內溫度目標設定一般在25℃左右，如果參照該經驗值設定，對50℃的熱帶沙漠氣候區域，車內外溫差達25℃。而車內外溫差過大，當乘員從高溫的室外進入車內，過大的溫差造成很大的熱沖擊，使人感到不適，甚至感冒。另一方面，在JT／T216—2006標準中，對車內外溫差的要求是：當車外溫度為35℃時，車內外溫差在7～9℃之間。顯然，在50℃環境溫度下如參照該經驗值設定車內溫度則過高，不能滿足駕乘人員舒適度要求。

查閱外國商用車企業空調系統舒適性溫度要求，發現一些企業將全球市場按照溫度分為Z1～Z5類5個區域，對夏季空調季節舒適性溫度指標按照不同區域設定為：22～29℃。充分考慮該區域的氣候特征，在全天候中的溫度曲線相對50℃時段較短，45℃左右時段較多，在綜合考慮人體舒適性和空調系統的制冷能力基礎上，我們選取車內溫度為29℃。

2 設計方案及計算實例

我們以南京依維柯出口迪拜市場車型空調系統的開發為例，進一步說明極熱環境下，汽車空調系統開發中技術方案、零部件布置、性能參數、試驗驗證等開發活動的關注點。

2.1 熱負荷的計算

傳入車廂內的各種熱負荷的總和即構成了該車的熱負荷，主要包括：玻璃的溫差傳熱和日射的熱負荷、通過車頂和車門等車身外構件傳入車廂內的熱負荷、通過地板傳入車廂的熱負荷、通過發動機艙傳入車廂的熱負荷、換氣新風帶入車廂的熱負荷、車內電機及照明燈的熱負荷、乘員人體散發的熱負荷等。

針對IVECO寶迪A50車型，設定計算的輸入條件為：車內溫度t內=29℃；￠=40%；t=50℃，日照強度I=1000W／m2；車室內部容積為19.2m2；最大乘員數19人。

通過對各分項熱負荷進行計算，空調系統熱負荷為Q=11.4kW。

根據空調系統制冷量與空調熱負荷關系P=cQ，比例系數c一般取1.05～1.2。考慮車輛使用區域和人數，取c=1.2，因此，整車空調系統制冷量P=1.2× 11.4=13.6kW。

2.2 目標參數的確定

1）系統制冷量的分配原車國內版空調系統10kW，空調系統乘客區和駕駛區的分配各為5kW，考慮熱帶地區的應用和開發成本，駕駛區空調采用原車型HVAC裝置，乘客區空調和駕駛區空調制冷量分別確定為9kW和5kW。

2）整車降溫性能目標中速行駛狀態下，車輛行駛30min時，車內平均溫度低于29℃。

3）系統壓力設定考慮到系統正常運行和壓縮機的使用壽命，系統壓力設計正常運行時低于2.2MPa，系統壓力開關高壓保護值設定為2.5MPa。

4）溫度分布各乘客位置與駕駛員頭部溫度最大差值不超過2℃。

2.3 總體方案描述

受整車發動機艙空間限制，單個滿足14kW制冷量的壓縮機體積較大，無法進行整車布置和安裝，我們選用兩個壓縮機，分別獨立驅動乘客區空調和駕駛區空調的雙系統架構。分系統獨立控制，駕駛區空調系統采用全自動控制模式，乘客區空調采用電動控制，充分考慮到駕駛員的行車安全和整車節能。整車空調系統示意圖見圖1。

3 主要系統部件參數確定及其選型

3.1 壓縮機選型

根據以上計算整車空調系統制冷量為14kW，同時根據用戶反饋車輛通常的行駛速度為中速工況較多，設定當發動機轉速在2200r／min時，空調系統應能夠提供車輛所需要的制冷量，即不小于13.6kW制冷量。壓縮機初步選擇SSB7H15、SE10B20壓縮機，壓縮機性能曲線分別見圖2和圖3。

從兩種壓縮機的性能曲線可以看出，在壓縮機轉速3000r／min時，分別滿足5kW、9kW的空調系統制冷量要求，因此，我們選擇7H15和SE10B20分別驅動駕駛區空調和乘客區空調，發動機帶輪和壓縮機帶輪的傳動比為1.39。

汽車空調冷凝器熱符合計算

式中：Q——冷凝器熱負荷，W；Qe——空調系統制冷量，W；P——壓縮機消耗功率，W；C——負荷系數，一般取1.4以上。

因為熱帶沙漠氣候區域室外溫度高于國內溫度10°以上，冷凝器進風溫度升高，造成冷凝器換熱效率降低，因此，冷凝器換熱量與系統制冷量的比例需要較國內車型高，初步確定乘客區空調冷凝器和駕駛區空調冷凝器換熱量分別為22kW和12kW。

3.2 蒸發器性能確定

在特定的工況、風量條件下，蒸發器的制冷能力需要滿足整車空調系統的熱負荷。駕駛區空調蒸發器設計制冷工況：風量450m3／h，蒸發器制冷能力≥5000W；乘客區空調系統蒸發器制冷工況：風量850m3／h，蒸發器制冷能力≥9000W。

國內環境與熱帶沙漠氣候環境下空調系統及總成部件性能參數對比見表1。

表1 空調系統及總成部件性能參數對比

4 系統布置

圖4中，車頂外部所示是乘客區冷凝器，這樣布置設計主要是保證冷凝器換熱能力，同時解決了布置受整車空間限制的問題。

駕駛區空調冷凝器布置在車架側部（圖4），采用雙電子扇結構，避免原車型曲軸驅動風扇+前冷卻模塊結構在車輛低速運行時冷凝器散熱不良，同時釋放了發動機艙空間，便于雙壓縮機的布置。壓縮機布置在發動機右側（圖5），通過兩根皮帶獨立驅動，壓縮機控制通過邏輯線路可以獨立控制。

駕駛區送風道通過原車儀表板風口，將空調冷風輸送到駕駛位置和前排乘客區域。乘客區蒸發器通過風道與行李架風道連接，在每排座椅位置設置出風口，保證乘客的舒適和整車降溫的均勻性。

為了減少外界熱量傳導，保證空調系統良好的降溫性能，我們對車身隔熱措施在國內版基礎上進行了提升，主要是對車身頂部、底部粘貼聚氨酯隔熱棉進行處理，車身側壁立柱粘貼5mm隔熱阻尼板，通過整車隔熱保溫性能測試，整車保溫性能大幅提升。

5 整車降溫性能試驗及評價

1）試驗環境根據熱帶沙漠的氣候環境，結合GCC認證車輛使用環境要求，確定試驗環境參數如下：環境溫度50±1.0℃；環境相對濕度40%±5%；太陽輻射強度1200W／m2；怠速工況迎面風速5km／h。

2）試驗要求①試驗開始時間點：在上述試驗環境下靜止時間超過120min；②試驗工況：采用循環風方式，吹面模式，溫度設置為最低，風量最大。降溫試驗工況見表2。

3）試驗結果在上述試驗環境和試驗工況下，進行整車降溫性能試驗，車內平均溫度曲線如圖6所示。空調系統壓力曲線如圖7所示。

表2 降溫試驗工況

通過試驗曲線可以看到，試驗進行至30min時，車內平均溫度27.5℃，系統高速運行壓力低于2.25MPa。

6 空調系統壓力試驗

1）壓力試驗目的由于項目開發針對熱帶沙漠氣候，空調系統的運行壓力直接關系到空調的性能，特別是壓縮機運行可靠性，這就需要系統各種工況下運行壓力負荷壓縮機的壽命要求。試驗目的在于通過試驗方式，測試記錄壓縮機在各種各空調工況下的系統高壓，并與壓縮機供應商提供的壽命曲線進行對比，判定系統壓力是否符合壓縮機壽命要求。

2）試驗條件試驗條件同整車空調降溫性能試驗條件（見第5章），但整個試驗過程采用新風模式。

3）試驗工況按照表3進行試驗，記錄空調系統排氣壓力值，并繪制壓力曲線。

表3 壓力試驗工況

4）試驗結果試驗測試壓力曲線見圖8。圖8中黑色曲線為壓縮機供應商提供的壓縮機工作曲線與轉速的關系，在所有工況下，要求壓縮機壓力必須滿足壓縮機壽命曲線要求。灰色區域為壓縮機工作轉速區域。通過壓力試驗與壓力曲線對比可以看出，各種轉速工況下，新開發車型壓縮機壓力曲線位于壓縮機壽命壓力曲線下方，符合壓縮機壽命使用要求。

7 結束語

該針對熱帶沙漠氣候的空調系統方案，通過了用戶的現場試驗審核，批量投產后性能表現良好，徹底解決了特殊地區的長期空調抱怨。證明設定的熱帶沙漠氣候氣象條件下人體的舒適性指標、汽車空調系統開發參數、整車性能目標、驗證條件符合實際的使用要求。該開發方案為特高溫區域的車用空調開發進行了有益的探索。

［1］陳孟湘.汽車空調［M］.上海：上海交通大學出版社，2001.

［2］陳江平，施駿業，趙宇.國內外汽車空調系統發展動向［J］.化工學報，2008（S2）：9-13.

［3］闕雄才，陳江平.汽車空調使用技術［M］.北京：機械工業出版社，2003.

（編輯習習）

Development of Automotive Air Conditioner in Tropical Desert Climate

YANG Wei-long，ZHANG Ling-lu
（Nanjing IVECO Automobile Co. Ltd.，Nanjing 210028，China）

The cooling performance of automotive air conditioning system in tropical desert climate is studied and the temperature comfort index of the system is analyzed and discussed. Taking air conditioning system of a car model exported to Dubai as an example，its system structure，performance index，component layout and test verification are introduced here.

tropical desert climate；automotive air conditioner；temperature；comfort

U463.851

A

1003－8639（2014）06－0017－03

2013-12-24；

2014-04-21

楊偉龍（1978-），男，工程師，從事汽車空調系統開發研究工作；張凌露（1964-），男，高級工程師，從事汽車電子電器系統、汽車空調系統的開發研究工作。