基于某車型開發的空調系統制冷性能提升

陳燕梅， 宗 新， 高李明， 楊河清

（1.南京理工大學， 江蘇 南京 210094；2.南京依維柯汽車有限公司， 江蘇 南京 211806）

汽車空調能改善駕駛員的工作條件，隨著汽車行業競爭日益激烈，用戶對汽車的舒適性要求越來越高，空調系統的制冷性能效果的好壞甚至會影響到客戶購買商用車的欲望。因某車型開發更改了頂蓋的材料降低了整車的隔熱效果，本文從成本和開發周期考慮，重新進行方案設計，以提高空調系統的制冷性能，滿足制定的制冷目標。

1 汽車空調系統工作原理

汽車空調系統一般由制冷系統、暖風系統、空氣凈化系統、控制系統組成。制冷系統主要由壓縮機、冷凝器帶風機總成、儲液罐、膨脹閥和蒸發器（帶風機總成） 組成。制冷原理為：低壓（低溫） 液態制冷劑進入蒸發器，由于制冷劑在蒸發器內氣化時的溫度低于管外空氣的溫度，因此能自動吸收車內空氣中的熱量，使空氣的溫度降低，產生冷效應。然后，氣化了的制冷劑通過壓縮機壓縮，變成溫度高于車外空氣的高溫高壓氣體。這時，制冷劑通過布置在車外的冷凝器將熱量釋放到大氣中，制冷劑放熱變成高壓（高溫） 液態制冷劑。最后，經過膨脹閥，恢復到低壓（低溫） 液態，如圖1所示。所以，當空調要進行制冷時，必須開啟壓縮機使制冷劑循環，從而降低車內溫度。

2 某車型原狀態空調系統制冷性能

原車為客車車型，座位數11人，整車尺寸為4850×2000×2495，配備8kW空調系統。空調系統具體配置見表1。

按照企業的空調試驗標準，降溫效果、壓力試驗在下述條件下滿足要求即達標，具體要求見表2、表3。經過環模試驗，原車型的空調系統制冷效果見表4。

圖1 汽車空調制冷系統原理圖

表1 某車型空調系統配置

表2 降溫試驗性能指標

表3 壓力試驗性能指標

3 某車型新狀態的更改范圍

根據市場需求、產品定位、法規要求，因某款車型開發而修改車身的范圍如下。

1） 開發鐵頂：把玻璃鋼頂改鐵頂。

2） 開發高后開門：在原產品的基礎上，加高車門上框尺寸，標配高后開門，開度為90°和180°配置。

3） 開發側拉門：側拉門結構形式和門附件借用已有產品的結構，滑動副采用上中部承載，下部導向的結構形式，門鎖布置在后中部，采用一體式鎖，其中中控線束方式采用閉鎖接觸開關，最大開啟限位機構，采用下滑軌導向槽末端Z型彈性鋼片。

4） 開發天窗：根據GB 13094-2017《客車結構安全要求》法規4.5.2.6的要求，客車后圍增加一出口。

從上述車身更改范圍可以看出，車身的修改影響整車的保溫性能，自然影響空調系統的制冷效果。參照JT/T 216-2006《客車空調技術條件》對車身保溫能力的要求，在環境艙里模擬試驗，試驗工況為：環境溫度穩定在40℃、熱輻射900W/㎡。試驗結果從圖2可以看出新狀態的保溫性能比原狀態的差：整車從28℃升至35℃，某車型新狀態歷時2min5s，原狀態歷時3min45s；整車從25℃升至40℃，某車型新狀態歷時8min5s，原狀態歷時13min35s。

圖3 同款產品不同軸距的座椅頭部平均溫度新老狀態對比

4 某車型空調系統整改方案

影響車輛空調制冷性能的因素很多，如車輛密封性、汽車行駛速度、壓縮機性能、冷凝器的散熱能力、膨脹閥的開啟度、系統的壓力大小、冷媒加注量等。由于車輛的保溫變差，在不做任何變更的情況下，整車的空調系統的制冷效果變差。按照企業標準，完成同款產品不同軸距的整車的降溫效果對比實驗，試驗結果從圖3可以看出：新狀態的整車降溫性能不符合企業標準。

為了滿足企業標準，需要對某車型的空調系統進行整改，結合實際情況，經過計算和對比，形成以下3種技術方案，具體見表5。

經過評審和討論，方案3既能滿足項目開發周期短，又能滿足成本要求。目前企業使用的壓縮機為7H15、WXH106、WXH166及其SP20。WXH166和SP20的壓縮機的換熱性能適合10kW的換熱系統，7H15、WXH106壓縮機的換熱性能（圖4） 更適合8kW的空調系統。兩款壓縮機的傳動比（發動機曲軸帶輪直徑/壓縮機離合器帶輪直徑） 相當 （約1.42），結合圖4的性能曲線分析：7H15的壓縮機的性能比WXH106壓縮機的差，不能滿足8kW系統要求；活塞式7H15的壓縮機高速性能低于WXH106壓縮機，但低速性能略好。兩款壓縮機的整車狀態的環模試驗結果如圖5所示。

表5 某車型空調系統整改方案

圖5 WXH106和7H15的空調系統座椅頭部平均溫度對比

從壓縮機換熱性能曲線和環模試驗數據可以看出，更換7H15的壓縮機不合適，需要找一款在低速情況下換熱性能較好的壓縮機。經過計算和評估，從產品系列外尋找體系內供應商，確定成本較低的SE10B17 的壓縮機較合適。SE10B17壓縮機的具體參數曲線圖如圖6所示，與7H15的壓縮機對比見表6。

圖6 SE10B17壓縮機性能曲線

表6 7H15壓縮機與10B17壓縮機的參數對比

某車型空調系統采用10B17的壓縮機，管路做適應性更改，其他零部件不變的情況下，完成整車空調系統降溫試驗，結果為：試驗30min后，座椅頭部平均溫度22.68℃；試驗60min后，座椅頭部平均溫度21.44℃；試驗90min后，座椅頭部平均溫度24.86℃；試驗過程中，系統高壓不超過2.1MPa，低壓不超過0.3 MPa。所以，某車型選擇10B17的壓縮機的空調系統，它的制冷性能能夠滿足整車目標，但是成本需要增加106元。考慮到開發周期少于1年，該車型的年銷售量約2000臺，更改壓縮機的方案最優。

5 結論

本文從某車型修改車身降低了整車的保溫性能出發，以提高某車型的空調系統的制冷效果來滿足標準為目標，快速響應開發新的空調系統。考慮開發周期、成本及其年銷量，在對整車布置和空調系統結構不做大的改動下，選擇合適的壓縮機發揮整個制冷系統的效能是最優的方案。