淺析某輕卡空調制冷系統設計

李 昕

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

汽車空調，顧名思義是汽車的空氣調節裝置，其作用是對通往車內空氣進行冷卻、加熱、凈化或過濾，并將經過這樣處理過的空氣以一定方式送至車內，使之符合人們舒適性的需要。現代汽車空調中的主要內容包括制冷，制熱，過濾，濕度調節等，本文所說的汽車空調裝置指代制冷裝置。與一般建筑空調相比，汽車空調的工作環境惡劣、條件差，因而難度要增加很多，簡而言之就是汽車的車身尺寸，材料，行駛工況等因素決定了汽車內部制冷需要很高的換熱量以及工作效率很高的制冷劑和循環系統。

1 空調系統概述

汽車空調采用蒸氣壓縮式制冷，熱傳導介質常用R134a。一般商用車空調系統的主要組成有壓縮機，冷凝器，蒸發器，干燥閥，風道，風機，空調控制器，溫控開關，壓力開關，空調管線路，其中用做熱交換器的部件是冷凝器和蒸發器，由鋁制薄片組成。系統動力源為壓縮機，通常由皮帶輪與發動機相連。與用戶直接接觸的是空調控制器和風道（出風口）。空調系統的設計實際上是對上述組成零部件的設計與匹配，使之滿足整體工作性，可靠性的需要。

空調制冷的基本原理如下圖所示，圖中箭頭所指描述了制冷劑在系統中的循環過程：

圖1 循環過程

空調壓縮機把制冷劑從低壓區抽取來經壓縮后送到高壓區冷卻凝結，通過冷凝器散發出熱量到空氣中，制冷劑也從氣態變成液態，壓力升高，溫度維持。隨后制冷劑進入蒸發器，液體變回氣態，吸收大量熱量，自身溫度降低，有效降低周圍空氣溫度。隨后制冷劑回流到低壓區，如此循環。我們在設計這套系統的開始，首先要明確需求，即系統需要多大的制冷量。

2 駕駛室冷負荷

駕駛室冷負荷是為了維持駕駛室內設定的溫度，在某一時刻需要空調系統向駕駛室提供的制冷量。是根據空調設計要求，使車內空氣參數達到預定的指標而必須除去的車內多余熱量，是確定制冷裝置容量的主要依據。通過對冷負荷的計算，得到空調的制冷量，作為空調設計和空調選型的主要依據。下圖為某輕卡冷負荷的構成：

圖2 輕卡冷負荷構成圖

在夏天的時候，車外溫度高于車內，加上太陽輻射的作用，有大量熱量通過車壁及門窗玻璃傳入車內，由于密封不良，會有不少熱空氣通過門窗及地板縫隙漏入車內，帶來新風熱；人體發出的汗熱和濕熱也使車內溫度升高；通過座椅下方以及發動機罩還會傳來發動機的部分熱量；暴露在車廂下面的冷風管道及地板還會有地幔反射熱傳入；車內零部件如座椅、儀表面罩等會吸收大量太陽輻射熱，然后慢慢向車內散出。上述熱量之和構成來車身冷負荷，其平衡方程式表達如下：

Qg為冷負荷；Q0為制冷量；k為儲備系數

目前普遍采用的一種方法是將車體的傳熱系數、內外對流換熱系數、太陽直射、散射強度等數據取為經驗值，作為穩態傳熱過程處理。將各部分冷負荷一一算出，然后加起來，實際汽車作為一種運動的物體，其車體結構比較復雜，實際制冷量往往與理論值有一定差距，目前還無法通過前期的冷負荷計算準確得出空調制冷量，本文通過這種方法估算冷負荷，得出理論制冷量，并在整車空調系統制冷性能試驗后作必要的修正。根據經驗，我們對汽車的制冷量作出了如下的總結，僅供參考：

表1 車型及制冷量

為了能最大地滿足整車制冷量需求，我們實際制冷量Q的選擇要在額定制冷量的基礎上再增加10%—20%。

3 壓縮機裝置設計

壓縮機作為空調系統的核心部件，扮演著“發動機”的角色，其作用是在空調制冷劑回路中壓縮驅動制冷劑，讓制冷劑得以有效循環。在設計壓縮機時需要遵循以下的流程：

3.1 確定壓縮機排量V

壓縮機的排量根據制冷量而來，需要通過一定的理論計算：

a.冷媒循環量計算：

式中：Q為制冷量（kcal/h）；Gth為理論冷媒循環量（kg/h）；Δie為蒸發器吸熱量（kcal/kg）

b.理論排量的計算：

式中：Vs為壓縮機容量（cm3/r）；Nc為壓縮機轉速（rpm）；Nv為壓縮機容積效率；V1—壓縮機入口氣體比體積（m3/kg）。

c.實際排量計算：壓縮機排氣量以120%為設計目標：

3.2 確定壓縮機速比i

壓縮機皮帶輪直徑d根據發動機皮帶驅動輪直徑D大小來選取，通常速比滿足如下關系：

表2

確定壓縮機傳動比后，必須校核，檔汽車在最高車速行駛時壓縮機轉速要小于其允許的極限轉速，否則要選用大的壓縮機重新設計其傳動比。

3.3 循環量確定

壓縮機制冷能力取決于壓縮機單位時間內強制循環的制冷量和單位制冷劑循環時的制冷能力，壓縮機循環量一定程度反映了制冷能力大小，計算公式如下：

式中：P為壓縮機循環量；i為壓縮機驅動傳動比；Ne為發動機轉速。

壓縮機循環量確定后可通過與標桿車在典型工況下循環量的比較，檢驗是否達到標桿車水平。

3.4 共振校核

為避免壓縮機與發動機產生共振而做的校核（主要針對活塞式壓縮機）。活塞式壓縮機震動頻率：

式中：m為激發的諧量分析階數

單缸單作用壓縮機，m=1，2，3，…

對單缸雙作用壓縮機，m=2，4，6，…

發動機振動頻率：

式中：N為發動機缸數；Ne為發動機轉速；C為沖程數。發動機與壓縮機頻率比值：

若避免共振Z應為非整。

3.5 壓縮機支架設計

壓縮機支架設計應遵循3個原則：1.方便壓縮機裝配、拆卸，具有一定的通用性；2.支架強度要高；3.壓縮機安裝后滿足共面要求：

圖3

壓縮機皮帶輪中心線與發動機驅動輪、漲緊輪的中心線應當在同一平面上。

3.6 壓縮機皮帶輪設計

壓縮機用的帶輪主要分為以下幾類如表3：

通常依據發動機驅動輪形式選取相應壓縮機皮帶輪。

壓縮機設計完畢后，裝配皮帶輪，擰緊漲緊輪，通過測力計測量張力。皮帶張緊要求：于皮帶中間位置垂直施加98N的力，皮帶變形在（8～10）mm范圍內合格。

4 冷凝器裝置設計

冷凝器是系統中熱量交換的部件，是把來自壓縮機的高溫高壓氣態制冷劑通過管壁和翅片將其中的熱量傳遞給冷凝器外的空氣，從而使氣態制冷劑冷凝成高溫高壓的液體，通過膨脹閥后吸收大量熱量而氣化。冷凝器中制冷劑的放熱過程有三個階段，即降低過熱、冷凝和過冷三個階段：進入冷凝器的制冷劑是高壓的過熱氣體，向外放出熱量后并在冷凝壓力下，放出熱量逐漸冷凝成液體，溫度保持不變。最后繼續放出熱量，液態制冷劑溫度下降，成為過冷液體。

4.1 設計原則

我們說的冷凝器裝置，包含冷凝器芯體、冷凝器支架、冷凝機風扇有時根據整車布置需要將干燥瓶及壓力開關集成于冷凝器裝置中。在輕卡平臺中，以五十鈴為基本型，冷凝器通常布置在車架右縱梁前端，駕駛室登車踏板下方。如圖所示：

圖4 冷凝器右前方布置圖

也有很多車布置在橫梁下方，車架后端甚至是中冷器前方，具體根據整車布置來確定，需遵循布置原則：1.不影響空調系統及冷凝器正常功能；2.不影響其他部件正常功能；3.兼顧整車配重。冷凝器設計原則：1.體積小，輕量化好；2.換熱效率高；3.可靠性好，抗震動，耐久；4.風阻小，內外壁阻力小。

4.2 冷凝器換熱量計算

冷凝器理論散熱量：

式中：Qc為冷凝器散熱量；m為負荷系數，通常取1.5。

在空調系統的匹配校核時，冷凝器實際散熱量取值應大于理論散熱量。

4.3 冷凝器風扇選型

冷凝器風扇是幫助冷凝器散熱的裝置，在選取時應當注意與芯體的匹配及整車電壓，風向不應該和整車前進方向相同。當冷凝器有迎風面積時，風機風速不少于2.5m/s。

4.4 冷凝器支架設計

冷凝器支架起支撐和過渡作用。冷凝器風扇和芯體的配合需要支架作為連接，同時冷凝器裝配在整車上需要一個穩定的支撐。

5 空調管路設計

空調管路在空調系統中起連接作用，是制冷劑流動的介質、管道。空調管路由吸氣管、排氣管及液體管組成（中間連接壓縮機總成、冷凝器總成、干燥瓶和HVAC總成等部件），管路固定部件由管夾和線夾組成，有時為帶有護套、支架、扎帶等輔件，具體結構如圖：

圖5 管路連接圖

在設計空調管路時，應避免管路與周圍部件發生干涉，管路盡量平直讓冷媒流通順暢，阻力小。一根空調管路由壓板，O型圈（起密封作用），裝配前帶有防塵罩（保持內部清潔），硬管，扣押頭，軟管等組成，有時可將冷媒加注口集成于硬管中：

圖6 空調吸氣管總成

空調管路應具有良好的耐腐蝕性，可靠性，密封性，穩定性，耐熱性以及較輕的材料，因此管路的硬管部分采用鋁制材料：A3003。軟管部分采用汽車上常用的橡膠管：EPDM+HNBR，由于輕卡車架側面復雜的管線路系統，橡膠管表面最好帶波紋管，起一定地保護作用，必要時可增加鋁箔保護軟管免受熱害影響。兩頭硬管中間軟管及管夾固定是最為簡單的一種管路走向，具有維修簡單，PPM值低，成本低的優點。

5.1 空調線路設計

通過以上內容基本完成空調系統在底盤的硬件布置，眾所周知，空調系統中還有幾個零部件需要用電力來驅動，從而滿足整體制冷的需要。同整車中的其他用電器，空調系統的供電也采取單線制。

5.2 控制邏輯

電氣原理圖如下：

圖7 空調底盤部分電氣原理圖

三個繼電器分別控制壓縮機電磁離合器，冷凝器風扇，空調怠速提升信號給ECU。控制端采用蓄電池電，配合AC開關，需要注意的是AC開關有效的前提是鼓風機風擋開關打開。各個用電器供電電源來自發電機。

汽車在行駛中，底盤部分面對的環境要比駕駛室內部惡劣很多，在選取線束及線束連接器時一定要有足夠的防水防塵等級和耐震動等級。

5.3 系統保護

除了上圖中的保險絲外，空調系統還需要另一套保護裝置：空調系統的正常工作壓力范圍高壓一般是1.5MPa左右，低壓是0.25MPa左右，過低過高的系統壓力不僅影響壓縮機的壽命制冷效果也會有所降低，因此需要在系統中增加壓力開關來控制系統的壓力。由于空調系統的關聯性，從減少成本的角度考慮，一般將一個壓力開關置于液體管中，檢測高壓端壓力。壓力過高過低均斷開開關，從而使壓縮機和冷凝器風扇斷電。

6 總結

本文通過對壓縮機裝置的設計選型，冷凝器裝置的設計選型以及空調管線路的設計，講述空調制冷系統在底盤上的設計與匹配，通過另一個角度體現看不見的熱交換過程，從零部件的角度體現制冷介質的變化。結合底盤搭載的駕駛室，通過合理地計算與實驗，最終呈現給用戶一個完美的空調體驗。

參考文獻

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