熱帶沙漠氣候環(huán)境汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

楊偉龍，張凌露

（南京依維柯汽車(chē)有限公司，江蘇 南京 210028）

熱帶沙漠氣候環(huán)境汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

楊偉龍，張凌露

（南京依維柯汽車(chē)有限公司，江蘇 南京 210028）

闡述熱帶沙漠氣候環(huán)境下汽車(chē)空調(diào)制冷性能的研究，對(duì)熱帶沙漠氣候環(huán)境下整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的舒適性溫度指標(biāo)進(jìn)行分析探討；并以某車(chē)型出口迪拜的空調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)性開(kāi)發(fā)為實(shí)例，從系統(tǒng)架構(gòu)、性能指標(biāo)、部件布置和試驗(yàn)驗(yàn)證等方面行介紹。

熱帶沙漠氣候；汽車(chē)空調(diào)；溫度；舒適性

隨著中國(guó)汽車(chē)自主品牌技術(shù)的成熟，不少公司已經(jīng)逐步走向國(guó)外市場(chǎng)，尤其非洲和阿拉伯國(guó)家的較大區(qū)域范圍屬于熱帶沙漠氣候，極度干旱而酷熱，與中國(guó)氣候環(huán)境存在明顯差異，因此對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的性能要求也存在較大差異，需要對(duì)該類(lèi)氣候環(huán)境下汽車(chē)空調(diào)性能參數(shù)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究分析。

參照GSO海灣標(biāo)準(zhǔn)化組織要求，對(duì)車(chē)輛使用環(huán)境的要求為大于50℃。這比目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)空調(diào)車(chē)外設(shè)計(jì)溫度高了7～10℃。

1 汽車(chē)空調(diào)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(shù)，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的舒適性溫度指標(biāo)是指制冷工況下車(chē)內(nèi)人體感覺(jué)舒適的溫度，該舒適性溫度指標(biāo)的確認(rèn)與車(chē)輛使用區(qū)域的氣候環(huán)境密切相關(guān)，要在考慮車(chē)內(nèi)人體舒適度的同時(shí)，兼顧車(chē)內(nèi)外溫度溫差在合理的范圍內(nèi)。基于國(guó)內(nèi)氣候條件的車(chē)內(nèi)溫度目標(biāo)設(shè)定一般在25℃左右，如果參照該經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定，對(duì)50℃的熱帶沙漠氣候區(qū)域，車(chē)內(nèi)外溫差達(dá)25℃。而車(chē)內(nèi)外溫差過(guò)大，當(dāng)乘員從高溫的室外進(jìn)入車(chē)內(nèi)，過(guò)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(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)車(chē)內(nèi)外溫差的要求是：當(dāng)車(chē)外溫度為35℃時(shí)，車(chē)內(nèi)外溫差在7～9℃之間。顯然，在50℃環(huán)境溫度下如參照該經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定車(chē)內(nèi)溫度則過(guò)高，不能滿(mǎn)足駕乘人員舒適度要求。

查閱外國(guó)商用車(chē)企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)舒適性溫度要求，發(fā)現(xiàn)一些企業(yè)將全球市場(chǎng)按照溫度分為Z1～Z5類(lèi)5個(gè)區(qū)域，對(duì)夏季空調(diào)季節(jié)舒適性溫度指標(biāo)按照不同區(qū)域設(shè)定為：22～29℃。充分考慮該區(qū)域的氣候特征，在全天候中的溫度曲線(xiàn)相對(duì)50℃時(shí)段較短，45℃左右時(shí)段較多，在綜合考慮人體舒適性和空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力基礎(chǔ)上，我們選取車(chē)內(nèi)溫度為29℃。

2 設(shè)計(jì)方案及計(jì)算實(shí)例

我們以南京依維柯出口迪拜市場(chǎng)車(chē)型空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為例，進(jìn)一步說(shuō)明極熱環(huán)境下，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中技術(shù)方案、零部件布置、性能參數(shù)、試驗(yàn)驗(yàn)證等開(kāi)發(fā)活動(dòng)的關(guān)注點(diǎn)。

2.1 熱負(fù)荷的計(jì)算

傳入車(chē)廂內(nèi)的各種熱負(fù)荷的總和即構(gòu)成了該車(chē)的熱負(fù)荷，主要包括：玻璃的溫差傳熱和日射的熱負(fù)荷、通過(guò)車(chē)頂和車(chē)門(mén)等車(chē)身外構(gòu)件傳入車(chē)廂內(nèi)的熱負(fù)荷、通過(guò)地板傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷、通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷、換氣新風(fēng)帶入車(chē)廂的熱負(fù)荷、車(chē)內(nèi)電機(jī)及照明燈的熱負(fù)荷、乘員人體散發(fā)的熱負(fù)荷等。

針對(duì)IVECO寶迪A50車(chē)型，設(shè)定計(jì)算的輸入條件為：車(chē)內(nèi)溫度t內(nèi)=29℃；￠=40%；t=50℃，日照強(qiáng)度I=1000W／m2；車(chē)室內(nèi)部容積為19.2m2；最大乘員數(shù)19人。

通過(guò)對(duì)各分項(xiàng)熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷為Q=11.4kW。

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)制冷量與空調(diào)熱負(fù)荷關(guān)系P=cQ，比例系數(shù)c一般取1.05～1.2。考慮車(chē)輛使用區(qū)域和人數(shù)，取c=1.2，因此，整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)制冷量P=1.2× 11.4=13.6kW。

2.2 目標(biāo)參數(shù)的確定

1）系統(tǒng)制冷量的分配原車(chē)國(guó)內(nèi)版空調(diào)系統(tǒng)10kW，空調(diào)系統(tǒng)乘客區(qū)和駕駛區(qū)的分配各為5kW，考慮熱帶地區(qū)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)成本，駕駛區(qū)空調(diào)采用原車(chē)型HVAC裝置，乘客區(qū)空調(diào)和駕駛區(qū)空調(diào)制冷量分別確定為9kW和5kW。

2）整車(chē)降溫性能目標(biāo)中速行駛狀態(tài)下，車(chē)輛行駛30min時(shí)，車(chē)內(nèi)平均溫度低于29℃。

3）系統(tǒng)壓力設(shè)定考慮到系統(tǒng)正常運(yùn)行和壓縮機(jī)的使用壽命，系統(tǒng)壓力設(shè)計(jì)正常運(yùn)行時(shí)低于2.2MPa，系統(tǒng)壓力開(kāi)關(guān)高壓保護(hù)值設(shè)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(guò)2℃。

2.3 總體方案描述

受整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間限制，單個(gè)滿(mǎn)足14kW制冷量的壓縮機(jī)體積較大，無(wú)法進(jìn)行整車(chē)布置和安裝，我們選用兩個(gè)壓縮機(jī)，分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)乘客區(qū)空調(diào)和駕駛區(qū)空調(diào)的雙系統(tǒng)架構(gòu)。分系統(tǒng)獨(dú)立控制，駕駛區(qū)空調(diào)系統(tǒng)采用全自動(dòng)控制模式，乘客區(qū)空調(diào)采用電動(dòng)控制，充分考慮到駕駛員的行車(chē)安全和整車(chē)節(jié)能。整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

3 主要系統(tǒng)部件參數(shù)確定及其選型

3.1 壓縮機(jī)選型

根據(jù)以上計(jì)算整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)制冷量為14kW，同時(shí)根據(jù)用戶(hù)反饋車(chē)輛通常的行駛速度為中速工況較多，設(shè)定當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2200r／min時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)能夠提供車(chē)輛所需要的制冷量，即不小于13.6kW制冷量。壓縮機(jī)初步選擇SSB7H15、SE10B20壓縮機(jī)，壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖2和圖3。

從兩種壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn)可以看出，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速3000r／min時(shí)，分別滿(mǎn)足5kW、9kW的空調(diào)系統(tǒng)制冷量要求，因此，我們選擇7H15和SE10B20分別驅(qū)動(dòng)駕駛區(qū)空調(diào)和乘客區(qū)空調(diào)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪和壓縮機(jī)帶輪的傳動(dòng)比為1.39。

汽車(chē)空調(diào)冷凝器熱符合計(jì)算

式中：Q——冷凝器熱負(fù)荷，W；Qe——空調(diào)系統(tǒng)制冷量，W；P——壓縮機(jī)消耗功率，W；C——負(fù)荷系數(shù)，一般取1.4以上。

因?yàn)闊釒衬畾夂騾^(qū)域室外溫度高于國(guó)內(nèi)溫度10°以上，冷凝器進(jìn)風(fēng)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(tǒng)制冷量的比例需要較國(guó)內(nèi)車(chē)型高，初步確定乘客區(qū)空調(diào)冷凝器和駕駛區(qū)空調(diào)冷凝器換熱量分別為22kW和12kW。

3.2 蒸發(fā)器性能確定

在特定的工況、風(fēng)量條件下，蒸發(fā)器的制冷能力需要滿(mǎn)足整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷。駕駛區(qū)空調(diào)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)制冷工況：風(fēng)量450m3／h，蒸發(fā)器制冷能力≥5000W；乘客區(qū)空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器制冷工況：風(fēng)量850m3／h，蒸發(fā)器制冷能力≥9000W。

國(guó)內(nèi)環(huán)境與熱帶沙漠氣候環(huán)境下空調(diào)系統(tǒng)及總成部件性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 空調(diào)系統(tǒng)及總成部件性能參數(shù)對(duì)比

4 系統(tǒng)布置

圖4中，車(chē)頂外部所示是乘客區(qū)冷凝器，這樣布置設(shè)計(jì)主要是保證冷凝器換熱能力，同時(shí)解決了布置受整車(chē)空間限制的問(wèn)題。

駕駛區(qū)空調(diào)冷凝器布置在車(chē)架側(cè)部（圖4），采用雙電子扇結(jié)構(gòu)，避免原車(chē)型曲軸驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇+前冷卻模塊結(jié)構(gòu)在車(chē)輛低速運(yùn)行時(shí)冷凝器散熱不良，同時(shí)釋放了發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間，便于雙壓縮機(jī)的布置。壓縮機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)（圖5），通過(guò)兩根皮帶獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)控制通過(guò)邏輯線(xiàn)路可以獨(dú)立控制。

駕駛區(qū)送風(fēng)道通過(guò)原車(chē)儀表板風(fēng)口，將空調(diào)冷風(fēng)輸送到駕駛位置和前排乘客區(qū)域。乘客區(qū)蒸發(fā)器通過(guò)風(fēng)道與行李架風(fēng)道連接，在每排座椅位置設(shè)置出風(fēng)口，保證乘客的舒適和整車(chē)降溫的均勻性。

為了減少外界熱量傳導(dǎo)，保證空調(diào)系統(tǒng)良好的降溫性能，我們對(duì)車(chē)身隔熱措施在國(guó)內(nèi)版基礎(chǔ)上進(jìn)行了提升，主要是對(duì)車(chē)身頂部、底部粘貼聚氨酯隔熱棉進(jìn)行處理，車(chē)身側(cè)壁立柱粘貼5mm隔熱阻尼板，通過(guò)整車(chē)隔熱保溫性能測(cè)試，整車(chē)保溫性能大幅提升。

5 整車(chē)降溫性能試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

1）試驗(yàn)環(huán)境根據(jù)熱帶沙漠的氣候環(huán)境，結(jié)合GCC認(rèn)證車(chē)輛使用環(huán)境要求，確定試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)如下：環(huán)境溫度50±1.0℃；環(huán)境相對(duì)濕度40%±5%；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度1200W／m2；怠速工況迎面風(fēng)速5km／h。

2）試驗(yàn)要求①試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)：在上述試驗(yàn)環(huán)境下靜止時(shí)間超過(guò)120min；②試驗(yàn)工況：采用循環(huán)風(fēng)方式，吹面模式，溫度設(shè)置為最低，風(fēng)量最大。降溫試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

3）試驗(yàn)結(jié)果在上述試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)工況下，進(jìn)行整車(chē)降溫性能試驗(yàn)，車(chē)內(nèi)平均溫度曲線(xiàn)如圖6所示。空調(diào)系統(tǒng)壓力曲線(xiàn)如圖7所示。

表2 降溫試驗(yàn)工況

通過(guò)試驗(yàn)曲線(xiàn)可以看到，試驗(yàn)進(jìn)行至30min時(shí)，車(chē)內(nèi)平均溫度27.5℃，系統(tǒng)高速運(yùn)行壓力低于2.25MPa。

6 空調(diào)系統(tǒng)壓力試驗(yàn)

1）壓力試驗(yàn)?zāi)康挠捎陧?xiàng)目開(kāi)發(fā)針對(duì)熱帶沙漠氣候，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力直接關(guān)系到空調(diào)的性能，特別是壓縮機(jī)運(yùn)行可靠性，這就需要系統(tǒng)各種工況下運(yùn)行壓力負(fù)荷壓縮機(jī)的壽命要求。試驗(yàn)?zāi)康脑谟谕ㄟ^(guò)試驗(yàn)方式，測(cè)試記錄壓縮機(jī)在各種各空調(diào)工況下的系統(tǒng)高壓，并與壓縮機(jī)供應(yīng)商提供的壽命曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，判定系統(tǒng)壓力是否符合壓縮機(jī)壽命要求。

2）試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件同整車(chē)空調(diào)降溫性能試驗(yàn)條件（見(jiàn)第5章），但整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程采用新風(fēng)模式。

3）試驗(yàn)工況按照表3進(jìn)行試驗(yàn)，記錄空調(diào)系統(tǒng)排氣壓力值，并繪制壓力曲線(xiàn)。

表3 壓力試驗(yàn)工況

4）試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)測(cè)試壓力曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。圖8中黑色曲線(xiàn)為壓縮機(jī)供應(yīng)商提供的壓縮機(jī)工作曲線(xiàn)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，在所有工況下，要求壓縮機(jī)壓力必須滿(mǎn)足壓縮機(jī)壽命曲線(xiàn)要求。灰色區(qū)域?yàn)閴嚎s機(jī)工作轉(zhuǎn)速區(qū)域。通過(guò)壓力試驗(yàn)與壓力曲線(xiàn)對(duì)比可以看出，各種轉(zhuǎn)速工況下，新開(kāi)發(fā)車(chē)型壓縮機(jī)壓力曲線(xiàn)位于壓縮機(jī)壽命壓力曲線(xiàn)下方，符合壓縮機(jī)壽命使用要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

該針對(duì)熱帶沙漠氣候的空調(diào)系統(tǒng)方案，通過(guò)了用戶(hù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)審核，批量投產(chǎn)后性能表現(xiàn)良好，徹底解決了特殊地區(qū)的長(zhǎng)期空調(diào)抱怨。證明設(shè)定的熱帶沙漠氣候氣象條件下人體的舒適性指標(biāo)、汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)參數(shù)、整車(chē)性能目標(biāo)、驗(yàn)證條件符合實(shí)際的使用要求。該開(kāi)發(fā)方案為特高溫區(qū)域的車(chē)用空調(diào)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了有益的探索。

［1］陳孟湘.汽車(chē)空調(diào)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2001.

［2］陳江平，施駿業(yè)，趙宇.國(guó)內(nèi)外汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)向［J］.化工學(xué)報(bào)，2008（S2）：9-13.

［3］闕雄才，陳江平.汽車(chē)空調(diào)使用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

（編輯習(xí)習(xí)）

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(chē)空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究工作；張凌露（1964-），男，高級(jí)工程師，從事汽車(chē)電子電器系統(tǒng)、汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究工作。