某微型卡車空調系統設計

黃朝斌

（安徽江淮汽車股份有限公司輕卡研發部，安徽 合肥 230000）

前言

汽車空調是汽車空氣調節的簡稱，即采用人工制冷和采暖的方法，調節車內的溫度、濕度、空氣速度等參數指標，從而為人們創造清新舒適的車內環境。調節車內溫度是汽車空調的基本功能，多數汽車空調只具有這種單一功能。汽車空調在冬季利用其采暖裝置升高車室內的溫度。轎車和中小型汽車一般以發動機冷卻循環水作為暖風的熱源。在夏季，車內降溫由制冷裝置完成。部分高級轎車還具備車內濕度，過濾凈化車內空氣等等功能。

隨著汽車技術的不斷發展和人們生活水平的日益提升，人們對舒適性的要求越來越高。舒適性是由人對車內的溫度、溫度、空氣流速等參數指標的感覺和反映來決定的，普通人感到舒適的溫度為大約 21℃到 26℃， 相對濕度為 45%到50%。汽車空調就是將車內內空間環境調整到人體最適宜的狀態，創造良好的勞動條件和工作環境，以提高駕駛員的勞動生產率和行車安全。近年來越來越多的轎車、客車采用空調，貨車、工程車上也紛紛安裝空調裝置，可見人們對空調的需求越來越迫切、越來越必要性。因此，微卡有必要增加空調系統，這樣不僅能提高汽車的舒適性，也能提高產品的市場競爭力。

文章論述了汽車空調的結構與原理，重點講述了制冷循環、采暖循環以及電氣控制的構成與工作過程。并以某汽油機微卡為實例，詳細講解了整車空調系統的選型、開發設計過程。

1 汽車空調的結構和工作原理

1.1 空調制冷循環

空調制冷循環系統主要由壓縮機、壓縮機吸、排氣軟管、出液軟管、冷凝器總成、儲液器總成、H型膨脹閥、蒸發器總成；儲液器總成內部包含干燥器、過濾器等零件，外殼上裝有高低壓壓力開關。

1.1.2 制冷原理

壓縮機吸入低溫低壓制冷劑氣體，并對低溫低壓制冷劑氣體進行壓縮，變成高溫高壓制冷劑氣體，高溫高壓制冷劑氣體通過高壓軟管被送到冷凝器冷凝，向經過冷凝器的空氣放熱，被冷凝成高壓中溫的液體，流向儲液器，在儲液器中制冷劑被過濾雜質、脫去水分后，通過高壓軟管流至膨脹閥，經膨脹閥節流降壓，變成低壓低溫液氣混合物，進入蒸發器。低壓低溫液氣混合制冷劑在蒸發器中蒸發，從經過蒸發器的車內空氣吸熱，蒸發為過熱的氣體，進入壓縮機并開始下一個制冷循環，周而復始的進行。經過蒸發器的車內空氣向蒸發器放熱，變為冷空氣，同時由于蒸發器表面的溫度低于空氣露點，空氣中的水汽冷凝成為露水排出車外，從而降低了車內空氣的溫度和濕度。空調制冷原理如圖1所示。

圖1 空調制冷原理

1.2 空調采暖循環

冷暖一體式空調制暖循環系統主要由暖風機、發動機、水泵、水閥、水箱、管路等組成。

1.2.1 采暖原理

利用水泵將發動機的熱冷卻液泵入暖風芯體，通過暖風芯體進行熱交換，向車內空氣放熱，之后回到水箱進入下一個采暖循環。如圖2所示。

圖2 空調采暖原理

1.3 電氣控制

電氣控制部分的主要由電源開關、電磁離合器、空調控制器、溫度開關、高低壓壓力開關、調速電阻、連接線束、繼電器等。

1.3.1 電氣控制原理

空調控制器是空調制冷和采暖部分的控制中樞，它通過旋鈕或按鍵來控制風門或電控元件的工作狀態，從而控制制冷和制熱的開啟、關閉和空調風機的轉速及溫度調節。

電源開關用于控制空調的動力，它是空調控制器的主要零部件之一，起著開關空調的作用(通常又叫A/C開關)，在風擋開關按下時制冷工作。

1.3.2 溫度控制

當駕駛室內溫度下降，蒸發器內溫度達到設定值（一般為 3℃左右）時，溫度開關斷開；室內溫度上升后溫度開關接通。使駕駛室保持在（22～25）℃的舒適溫度。

1.3.3 壓力保護控制

高低壓壓力開關是一個安全部件，以保證制冷系統的安全運行。當高壓壓力≥3.14MPa或低壓≤0.2MPa時，高低壓壓力開關斷開，壓縮機離合器被切斷，制冷系統停止工作，當系統壓力高壓降到2.5MPa或系統低壓升到0.23MPa。

2 空調系統總體參數與結構選型

2.1 空調系統的總體參數

車型：W3；乘員數：2人；驅動方式：主機驅動式。

制熱量：3462W；制冷量：2885W；制冷工質：HFC134a；壓縮機額定轉速：1800r/min。

2.2 空調系統的結構選型

采暖設備和制冷設備的安裝按相對位置可分為分置式、組合式等。分置式多用在原設計只裝采暖設備而不裝制冷設備的汽車上；一旦用戶需要即設置獨立的制冷器，冷、暖兩設備分別控制，分別送風；分置式成本高，占據空間大，空調性能不完備。冷、暖組合式結構是近年來在各載貨車上廣泛采用的結構，其優點是可以根據用戶的需要可以隨時加裝制冷設備；當不安裝制冷系統，只保留采暖時，車內蒸發器不裝即可。本車選擇冷、暖組合式結構。如圖3所示。

圖3 冷、暖組合式結構

2.2.1 制冷

車內空氣經蒸發器由鼓風機吸入，經冷卻、除濕，通過風道，從儀表臺出風口（駕駛員、副駕駛員座位各一個，中控臺兩個）吹出。

2.2.2 采暖

車內空氣經蒸發器由鼓風機吸入，通過加熱器加熱，從下部吹出，后通過風道，從儀表臺出風口。

2.2.3 除濕

車內空氣經蒸發器由鼓風機吸入，由蒸發器冷卻除濕，經過加熱器再加熱，由通風口吹出。

2.2.4 溫度調整

采用空氣混合方式，根據冷風量和熱風量的比例調整溫度。

2.2.5 出風口的選擇

手動控制，分別可選擇吹面、吹面/吹腳、吹腳、吹腳/除霜、除霜。

2.2.6 車內空氣循環方式選擇

駕駛室空氣循環方式可分為三種：內循環、外循環、內外混合循環。本車選用內外混合循環方式，通過進風模式旋鈕來調節內外氣的進氣量。

3 汽車空調系統設計

3.1 壓縮機裝置設計

空調壓縮機是汽車制冷系統的心臟，是推動制冷劑在制冷系統中不斷循環的動源。除部分客車空調（獨立式空調）壓縮機是由專門的輔助發動機驅動外，大部分汽車空調壓縮機均由汽車主發動機驅動（非獨立式空調），本產品壓縮機由發動機驅動。由于壓縮機由發動機驅動，壓縮機的轉速受發動機轉速影響，變化很大，再加上其固定是通過支架與發動機剛性連接，壓縮機的工作條件極差。因此對空調壓縮機在性能和結構上提出了下列特殊要求：

一是由于汽車使用區域廣，各地的熱、濕負荷變化大，在設計、選用壓縮機時，應能保證在極端情況下仍能具有令人滿意的降溫性能。

二是要有良好的低溫性能，在怠速和低速運轉時，具有較大的制冷能力和較高的效率。

三是高速運行時要求輸入功率低，這樣不僅能節省油耗，而且能降低發動機用于空調方面的功率消耗，提高汽車動力性。

四是體積小，重量輕，因為微卡的發動機機艙空間很小，同時這也是所有汽車零件的要求。

3.1.1 壓縮機設計計算

理論冷媒循環量計算：

式中：Q為制冷量（kcal/h）；Gth為理論冷媒循環量（kg/h）；△ie為蒸發器吸熱量（kcal/kg），取 29.6 kcal/kg。

前面已知Q=2885W（2482kcal/h）代入上式得：

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為壓縮機入口氣體比體積（m3/kg）。

已知 Gth= 83.9 kg/h、V1取 0.062m3/kg、Nc取 1800rpm、NV取0.65，代入上式得：

3.1.2 壓縮機選用

根據壓縮機排氣量的設計目標 VS=88.9（cm3/r），并結合發動機結構，選擇活塞式壓縮機FM10G11-021A，額定電壓12V，4PK多楔帶傳動，排量110（cm3/r）滿足設計要求。

3.1.3 壓縮機布置

根據發動機的外形及總布置的要求，壓縮機布置如圖 4所示：

圖4 壓縮機布置

3.2 冷凝器裝置設計

冷凝器的作用是使由壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器內通過金屬管壁和翅片的與冷凝器外部的空氣進行熱交換，將高溫高壓氣態制冷劑轉變為高溫高壓的液態制冷劑，并把熱量散發到車外環境中。制冷劑的換熱大體上可以分三個階段，即過熱、兩相和過冷。過熱和過冷階段制冷劑處于單相狀態，發生的是顯熱交換；而在兩相階段，制冷劑發生集態變化，即冷凝，屬于潛熱交換。在冷凝器中，制冷劑的大部分熱量是在凝結階段釋放的。

汽車用冷凝器均采用鋁，主要是考慮鋁的重量比較輕，作為鋁質的冷凝器來講需要采取防腐蝕措施，如陽極氧化、化學處理、陰極防腐等方法。

冷凝器的結構型式有：管片式、管帶式、平行流式，而平行流式冷凝器是目前較流行的結構型式，本產品選用的冷凝器為平行流式冷凝器。

表1 冷凝器結構型式的對比

3.2.1 冷凝器選型

根據整車的布置及現有的產品狀態，選用一款同系列車型上所用的冷凝器，平行流式冷凝器，散熱量 8000W，風量840 m3/h，額定電壓DC12V，額定電流12A。

3.2.2 冷凝器性能校核

冷凝器散熱量的設計目標按冷負荷的150%設定，為1.5×2885，得出4327.5W，

冷凝器的散熱量為8000W＞4327.5W，滿足設計要求。

3.2.3 冷凝器布置

根據總布置要求，冷凝器側置，裝配在車架右縱梁內側。如圖5所示。

圖5 冷凝器布置

冷凝器與傳動軸間隙為35 mm，均滿足要求。如圖6所示。

圖6 與周邊部件間隙校核

3.3 冷暖主機設計

3.3.1 HVAC結構確定

根據駕駛室狀態，及現有的HVAC總成，選用一款同系列車型上所用的HVAC總成，中置鼓風機加熱器總成加橫置蒸發器，非常適用于微型卡車的駕駛室結構。加熱器散熱量4641W，蒸發器制冷量3704W。如圖7所示。

圖7 HVAC總成布置

3.3.2 HVAC部件性能校核

加熱器芯體性能以熱負荷的125%為設計目標：1.25×Q熱=4327W。選用的加熱器散熱量4641W，可得其性能滿足設計要求。

蒸發器芯體性能以冷負荷的125%為設計目標：1.25×Q冷=3600W。選用的蒸發器制冷量3704W，可得其滿足設計要求。

3.4 控制器裝置設計

3.4.1 靜控制器的確定

空調控制器采用旋鈕式控制器，保留進、回風。

圖8 控制器外形

3.4.2 控制器的功能

控制器功能如表2所示。

表2 控制器操作說明

3 結論

本論文從汽車空調的的概念、功能和特點出發，闡述了汽油機微卡增加空調系統的必要性，并論述了汽車空調的結構與工作原理，最后以微卡W3為實例，詳細講解了整車空調系統的設計過程。

在本次設計中，采用經驗設計與匹配設計相結合設計方法，注重體現了規范化、系列化、標準化、通用化和模塊化的設計原則，并有同系列的柴油機微卡參數作為參考，進一步提高空調系統開發質量、降低開發成本、縮短開發周期。這也詮釋了產品空調系統系列化、平臺化的重要性。

本文提出的微卡空調系統的設計，雖不能完全應用于商用車行業，但是本文所體現的空調系統的設計思路，對讀者仍有一定的參考價值。

參考文獻

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