汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)制冷劑流動(dòng)噪聲研究及性能優(yōu)化

張振宇， 王理楠， 陳江平

(上海交通大學(xué) 制冷研究所， 上海 200240)

汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、空調(diào)箱、冷凝器、膨脹閥等部件組成.目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)汽車(chē)廠(chǎng)商為了控制整車(chē)成本，壓縮機(jī)采用定排量壓縮機(jī).制冷工況下，壓縮機(jī)需要不斷地啟停，在啟動(dòng)后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高頻異響，停止之后也存在異響，但是和啟動(dòng)前相比，異響較小，這里不作研究.這一過(guò)程涉及到制冷劑的兩相流動(dòng)、噪聲的傳遞、激勵(lì)等，是一個(gè)多專(zhuān)業(yè)交叉的問(wèn)題.

張立軍等[1]在臺(tái)架上研究了斜盤(pán)式壓縮機(jī)在怠速工況下的噪聲問(wèn)題.汽車(chē)空調(diào)制冷噪聲是一個(gè)系統(tǒng)的問(wèn)題，涉及到系統(tǒng)的各個(gè)部件.Rodarte等[2]從膨脹閥下游管壁傳遞噪聲的角度研究了熱力膨脹閥的噪聲問(wèn)題，由膨脹閥產(chǎn)生的噪聲，通過(guò)管壁振動(dòng)，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器放大，傳遞至車(chē)內(nèi).Ng[3]認(rèn)為閥內(nèi)噪聲是由閥后漩渦脫離引起的.Koberstein等[4]對(duì)熱力膨脹閥制冷系統(tǒng)的噪聲源進(jìn)行了識(shí)別，從進(jìn)氣管插入深度方面研究6.00 kHz高頻噪聲問(wèn)題.張坻等[5]對(duì)管道中的氣液兩相流進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)氣泡的產(chǎn)生發(fā)展及湍流的壓力脈動(dòng)是噪聲產(chǎn)生的根本原因.目前大多數(shù)工作主要是從隔音的角度進(jìn)行研究，本文在隔音減振的基礎(chǔ)上，通過(guò)減少兩相流的流動(dòng)達(dá)到提升汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)NVH(Noise、Vibration、Harshness，即噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度)性能的目的.

減小氣液兩相流動(dòng)在本實(shí)驗(yàn)中即減小氣態(tài)和液態(tài)制冷劑同時(shí)流過(guò)膨脹閥.相較于單相流動(dòng)，兩相流湍流會(huì)引起壓力或者速度的脈動(dòng)導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生.在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)閥球與閥體接觸處開(kāi)孔使得在系統(tǒng)啟動(dòng)后，氣態(tài)制冷劑先通過(guò)小孔，之后壓力達(dá)到一定程度后，液態(tài)制冷劑頂開(kāi)閥球通過(guò)膨脹閥，通過(guò)這種方式減少兩相流，盡可能使得單相流體流過(guò)膨脹閥.

1 噪聲源識(shí)別及產(chǎn)生的機(jī)理

1.1 實(shí)車(chē)噪聲源識(shí)別

汽車(chē)制冷系統(tǒng)由多個(gè)部件組成，產(chǎn)生噪聲的原因是復(fù)雜的.系統(tǒng)的每個(gè)部件之間關(guān)系緊密，不能僅從某一局部進(jìn)行分析優(yōu)化.在實(shí)車(chē)開(kāi)空調(diào)的瞬間，壓縮機(jī)啟動(dòng)，制冷系統(tǒng)開(kāi)始工作，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻異響，影響整車(chē)的舒適性.

本文所采用的噪聲識(shí)別設(shè)備為keyVES-M便攜式聲學(xué)相機(jī)，其工作原理是基于一系列的傳聲器陣列，利用聲波傳遞到傳聲器的相位差確定聲源的位置，再通過(guò)陣列信號(hào)處理算法將聲音轉(zhuǎn)化為可視化的圖，通過(guò)照片和視頻的形式幫助使用人員迅速地找到噪聲源.圖1為聲學(xué)相機(jī)拍攝的噪聲源照片，從照片中可以看出在膨脹閥處出現(xiàn)了彩色的等高線(xiàn)圖，由中心向周?chē)鷶U(kuò)散，噪聲值逐漸降低，由此可以判斷噪聲源為膨脹閥.

圖2 為膨脹閥的剖切圖，原閥采用平行充注的方式，上下頂桿分離、下頂桿偏細(xì).這種分離結(jié)構(gòu)與一體結(jié)構(gòu)相比，容易發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致膨脹閥的NVH性能偏低.

圖1 噪聲源定位Fig.1 Noise location

圖2 閥剖切圖Fig.2 Section diagram

1.2 異響產(chǎn)生的機(jī)理

高頻異響的頻率在6 kHz以上，一般機(jī)械振動(dòng)噪聲頻率很難達(dá)到.在整個(gè)制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)作為系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)力，將蒸發(fā)器內(nèi)的氣態(tài)制冷劑壓縮，送到冷凝器.冷凝器內(nèi)的液態(tài)制冷劑通過(guò)熱力膨脹閥節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，帶走車(chē)內(nèi)的熱量.在制冷劑通過(guò)膨脹閥節(jié)流的過(guò)程中，微小氣泡破裂會(huì)產(chǎn)生高頻異響.付英杰等[6]在氣泡群振蕩及噪聲仿真中研究了尺度R在146.7 μm左右的氣泡.通過(guò)譜分析，該尺寸的氣泡自然振蕩頻率為22 kHz，遠(yuǎn)高于高頻異響頻率的6 kHz.當(dāng)單個(gè)氣泡組合形成氣泡群之后，且其半徑與單個(gè)氣泡半徑比為120時(shí)，產(chǎn)生的噪聲頻率約為6 kHz.實(shí)車(chē)上的高頻噪聲產(chǎn)生的機(jī)理即氣泡群氣泡群振蕩.

2 高頻異響臺(tái)架及實(shí)驗(yàn)工況

在整車(chē)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，一個(gè)微小的改動(dòng)往往需要將整個(gè)HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning，即暖通空調(diào))從車(chē)內(nèi)拆除下來(lái)，更換完之后又裝上去，耗費(fèi)大量的時(shí)間.因此，本實(shí)驗(yàn)在臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)進(jìn)行，管路均采用實(shí)車(chē)管路，保證工況和實(shí)車(chē)工況接近.圖3所示為已經(jīng)安裝完成的實(shí)車(chē)管路.

圖4所示為隔音措施.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致背景噪聲過(guò)大，需要采取一定的措施對(duì)背景噪聲進(jìn)行處理.建筑用玻璃棉具有良好的吸音特性，故將電機(jī)用玻璃棉阻隔，將外界噪聲影響降到最小，保證背景噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響.同時(shí)在HVAC處布置隔音罩，內(nèi)部采用波浪型吸音棉，減少聲波在隔音罩里面的反射，保證實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性.

圖3 高低壓管路Fig.3 High and low pressure pipeline

圖4 隔音措施Fig.4 Sound insulation measures

圖5為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，制冷劑通過(guò)壓縮機(jī)壓縮，進(jìn)入到冷凝器，通過(guò)冷凝風(fēng)扇將熱量帶走，之后通過(guò)膨脹閥節(jié)流，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，最后回到壓縮機(jī)完成循環(huán).實(shí)驗(yàn)前先將蒸發(fā)器室和冷凝器室的溫度和風(fēng)量打到設(shè)定值，之后打開(kāi)噪聲數(shù)據(jù)采集器，5 s后啟動(dòng)系統(tǒng)，記錄15 s后關(guān)閉系統(tǒng)，再記錄5 s后停止數(shù)據(jù)采集.之后在相同工況下讓三位實(shí)驗(yàn)員分別進(jìn)行主管評(píng)價(jià)，綜合三人評(píng)價(jià)得出結(jié)論.

1—冷凝風(fēng)扇，2—冷凝器，3—傳聲器，4—壓縮機(jī)，5—熱力膨脹閥，6—蒸發(fā)器，7—鼓風(fēng)機(jī)圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.5 Experimental system diagram

高頻異響通過(guò)HVAC出風(fēng)口傳遞至車(chē)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)用聲級(jí)計(jì)水平放置，對(duì)準(zhǔn)出風(fēng)口，位于出風(fēng)口0.5 m處.蒸發(fā)器側(cè)干球溫度設(shè)置在27 ℃，相對(duì)濕度40%，風(fēng)量320 m3/h，冷凝器側(cè)干球溫度設(shè)置在35 ℃，相對(duì)濕度40%，風(fēng)量 2 700 m3/h.同時(shí)，為了還原實(shí)車(chē)的真實(shí)情況，制冷劑的充注量為550 g，與實(shí)車(chē)管路充注量保持一致.圖6給出了聲級(jí)計(jì)及出風(fēng)口溫度布置位置.

圖6 出風(fēng)溫度及聲級(jí)計(jì)布置Fig.6 Outflow temperature and sound level meter arrangement

實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架中的電動(dòng)機(jī)與實(shí)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，需要對(duì)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速重新進(jìn)行標(biāo)定以還原實(shí)車(chē)在不同工況下的高頻異響.轉(zhuǎn)速標(biāo)定按照臺(tái)架電動(dòng)機(jī)輸出功率與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行.表1為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)定的結(jié)果.

表1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)定Tab.1 Calibration of compressor speed

3 高頻異響優(yōu)化

針對(duì)上述高頻異響產(chǎn)生的機(jī)理，本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮，首先是對(duì)熱力膨脹閥本身進(jìn)行改進(jìn)，原閥的動(dòng)作值為0.18，平行充注，從閥動(dòng)作值角度進(jìn)行優(yōu)化；其次采用小孔消聲器來(lái)約束氣泡群的大小，或者通過(guò)加裝消音器等進(jìn)行優(yōu)化.

以原狀態(tài)作為基準(zhǔn)進(jìn)行分析對(duì)比，對(duì)其聲壓級(jí)進(jìn)行測(cè)量.從人員主觀感受及聲壓級(jí)瀑布圖這兩方面進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià).在主觀感受方面，實(shí)驗(yàn)分別采用三位不同的實(shí)驗(yàn)人員對(duì)噪聲進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，綜合三人感受得出結(jié)論.原狀態(tài)下，吸離合后立即出現(xiàn)高頻異響，持續(xù)時(shí)間約為10 s，聲音明顯.

圖7 原狀態(tài)瀑布圖Fig.7 Original waterfall map

圖7為原狀態(tài)第一次吸離合時(shí)的瀑布圖.實(shí)驗(yàn)在5 s時(shí)第一次吸離合，隨后經(jīng)過(guò)2.5 s，出現(xiàn)高頻異響，在7～8 kHz區(qū)間出現(xiàn)了非常明顯的異響特征，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約為15 s.在8 kHz以上也存在著異響，但噪聲值較低，約為十幾分貝，對(duì)人影響較小.從圖中出現(xiàn)的不同頻率的異響可以判斷在管路中出現(xiàn)了不同尺度的氣泡群.壓縮機(jī)啟動(dòng)瞬間，系統(tǒng)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài).從壓縮機(jī)到膨脹閥這段管路中存在的氣體與來(lái)自壓縮機(jī)的液態(tài)制冷劑混合，形成氣液兩相流.當(dāng)攜帶有氣泡群的液態(tài)制冷劑通過(guò)膨脹閥時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生高頻異響.

3.1 小孔消聲器

小孔消聲器的本質(zhì)是抗性消聲器，它將孔的尺寸和空腔深度進(jìn)行組合，使得聲波在共振腔中來(lái)回的反射、干涉，達(dá)到消耗聲能的目的[7].

圖8為小孔消聲器的原理圖.聲音從左邊傳入，到達(dá)消聲器之后，聲波進(jìn)入共振腔，不斷的反射和干涉.設(shè)計(jì)可以通過(guò)改變空腔深度D和小孔的直徑d來(lái)達(dá)到消除異響的目的.

圖8 小孔消聲器的原理圖Fig.8 Principle diagram of small hole muffler

小孔消聲器消聲的頻率計(jì)算公式為

其中：c為聲速，為聲音在R134a制冷劑中的傳播速度，在T=0 ℃、閥后壓力為0.3 MPa的工況下，c=621.71 m/s；p為穿孔率；l為小孔的有效頸長(zhǎng)，

其中：t為板厚.

圖9所示為小孔消聲器的數(shù)模及實(shí)物.通過(guò)在蒸發(fā)器的進(jìn)出口配管上加裝小孔消聲器以達(dá)到消除異響的目的.

對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，在第一次壓縮機(jī)吸合時(shí)，高頻異響依舊存在，但是第二次及第三次壓縮機(jī)吸合時(shí)，人耳無(wú)法捕捉到高頻異響.

圖10為系統(tǒng)第一次吸離合時(shí)候的瀑布圖對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)9 kHz以上的聲音有所改善，聲音響度降低，且頻譜上的顏色變淺.9 kHz頻率以下的聲音響度降低的幅度較小.

圖9 小孔消聲器的數(shù)模及實(shí)物Fig.9 The mathematical model and reality of small hole muffler

圖10 第一次吸離合狀態(tài)對(duì)比Fig.10 Contrast of the first separation and reunion states

圖11為第二次吸離合時(shí)的瀑布圖，從圖中可以看出異響的顏色較淺，即小孔消聲器在第二次吸離合時(shí)仍存在異響的頻率，但是噪聲值降低，人耳無(wú)法捕捉到聲音，和主觀感受一致.

圖11 第二次吸離合狀態(tài)對(duì)比Fig.11 Contrast of the second separation and reunion state

3.2 膨脹閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高頻異響的產(chǎn)生是由于氣泡群振蕩，因此減少管路混合時(shí)的含氣率是提升汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)NVH的一種解決途徑.從膨脹閥的角度，如何在壓縮機(jī)啟動(dòng)的前期讓氣態(tài)制冷劑盡可能的通過(guò)膨脹閥是解決高頻異響的一種思路.

閥內(nèi)部構(gòu)造如圖12所示，主要由閥球、蝶形限位裝置、彈簧等零部件構(gòu)成.為使壓縮機(jī)啟動(dòng)前期氣態(tài)制冷劑流過(guò)膨脹閥，在閥體的閥球與閥體接觸處上加開(kāi)小孔，并且將閥的動(dòng)作值調(diào)高至0.21.在啟動(dòng)瞬間，冷凝器至閥這段管路中的部分氣體會(huì)通過(guò)小孔，進(jìn)入蒸發(fā)器，同時(shí)在調(diào)高動(dòng)作值之后，閥的動(dòng)作變慢，即在閥工作前，更多氣體從小孔處通過(guò).

圖12 閥內(nèi)部構(gòu)造Fig.12 Internal structure of valve

從實(shí)驗(yàn)的主觀感受來(lái)看，壓縮機(jī)吸合后的5.5 s左右，即數(shù)據(jù)開(kāi)始記錄后的10.5 s開(kāi)始出現(xiàn)高頻異響.前1 s高頻異響較輕微，之后2 s響度稍有增加.整體來(lái)說(shuō)，高頻異響出現(xiàn)往后移的趨勢(shì)，響度減小，NVH性能得到提升.

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖13所示，從圖中可知，在5 s壓縮機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，出現(xiàn)了異響，但是由于噪聲值較低，主觀上無(wú)法感受到噪聲的存在.在12 s左右，瀑布圖中6～8 kHz處的顏色加深，可見(jiàn)此時(shí)異響增大，一直持續(xù)到了16 s.總體趨勢(shì)和主觀感受一致.與此同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)9～12 kHz之間頻譜異響消失，分析原因發(fā)現(xiàn)，在閥球與閥體接觸處開(kāi)了小孔之后，冷凝器至閥之間管路的壓力降低，氣泡群尺度增大，使得高頻噪聲得到改善.

圖13 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的瀑布圖Fig.13 Waterfall map after structural optimization

3.3 擴(kuò)張式消音器

擴(kuò)張式消音器[8]的原理是利用管道截面積的突變，使得原先沿著管道方向傳播的聲波往聲源方向反射回去，達(dá)到消聲的目的.圖14為蒸發(fā)器配管加裝消音器，通過(guò)主觀感受，加了消音器的制冷系統(tǒng)，異響響度有所減小，但卻出現(xiàn)了流水聲和吹氣泡聲，噪聲值較小.

從測(cè)試結(jié)果圖15看，在5 s的時(shí)候壓縮機(jī)啟動(dòng)，7 kHz頻率以上的異響在瀑布圖中顏色已經(jīng)不太明顯，但是在2～3 kHz之間出現(xiàn)了顏色較深的一段，和主觀感受一致，分析原因發(fā)現(xiàn)配管和蒸發(fā)器呈一定的角度，導(dǎo)致液態(tài)制冷劑在消聲器處存在著一定的堆積， 此時(shí)制冷劑流過(guò)這段時(shí)就會(huì)出現(xiàn)流水聲和吹氣泡的聲音.在6～7 kHz之間，仍舊出現(xiàn)一段異響頻譜，顏色深度降低，說(shuō)明高頻異響有所減弱，NVH性能得到提升.

圖14 蒸發(fā)器配管加消聲器Fig.14 Evaporator with silencer

圖15 消音器瀑布圖Fig.15 Waterfall with silencer

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高頻異響產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高頻異響產(chǎn)生的原因是系統(tǒng)的初始運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，管路中出現(xiàn)氣液兩相流，形成氣泡群.

本文主要從減少氣液兩相流動(dòng)的含氣率以及噪聲產(chǎn)生后的抗性消聲這兩個(gè)方面對(duì)高頻異響進(jìn)行研究分析.減少含氣率相當(dāng)于將氣液兩相流動(dòng)轉(zhuǎn)化為單相流動(dòng)，增加流動(dòng)的穩(wěn)定性，減少氣泡群所產(chǎn)生的噪聲.抗性消聲是從傳播途徑的角度考慮，無(wú)論是小孔消音器還是擴(kuò)張式消音器，其機(jī)理都是讓聲波在傳播的過(guò)程中發(fā)生反射，使聲能被消耗.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用小孔消聲器的方案消除了9 kHz以上的高頻異響，降低了9 kHz以下頻率噪聲值，當(dāng)壓縮機(jī)再次運(yùn)行的時(shí)候，高頻異響消失，相比于不加小孔消聲器的方案，NVH性能得到了改善.通過(guò)更改熱力膨脹閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，消除了8 kHz以上高頻異響，6～8 kHz之間的高頻異響在壓縮機(jī)啟動(dòng)的前半段時(shí)間內(nèi)消失了，后半段還存在著微弱的聲響，空調(diào)制冷系統(tǒng)噪聲在可接受的范圍之內(nèi).采用擴(kuò)張式消音器，7 kHz以上的高頻異響基本消除，但是出現(xiàn)了新的流水聲和吹氣泡的聲音，響度較小，在可接受的范圍之內(nèi).