高能效商用車空調匹配技術的研究

任建華，楊菲菲

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 前言

眾所周知，車載空調系統制冷時，壓縮機做功需要消耗發動機功率，造成油耗上升。為了滿足現階段工信部對于商用車油耗限值要求，各主機廠投入大量人力物力，努力設計研發高效節能的商用車型，目前輕型商用車空調系統普遍采用定排量壓縮機，整體能效比（COP）較低，顧客開啟關閉空調時油耗差異明顯。而乘用車采用的變排量壓縮機技術路線，由于成本較高、耐候性較差等影響因素，不適用于競爭激烈的商用車型，因此提高空調系統的能效比成為節油的關鍵。

空調系統的COP（能效比）可以通過提升來實現，空調系統零部件在現有的技術上進行創新優化，系統部件之間需要進行多輪次的匹配與耦合，空調系統和整車需要進行匹配優化，最終尋找到能效比、制冷性能和可靠性的最優搭配。

2 高能效空調系統方案

2.1 技術原理

空調系統消耗發動機的功率主要為空調壓縮機的做功，通過系統匹配對制冷量Q0和冷凝器散熱量Qk進行提升，大幅提升COP，采用小功率壓縮機降低空調系統的做功，從而降低發動機的油耗。

2.2 壓縮機平臺選擇

根據整車的熱負荷（圖1），進行壓縮機的排量計算，選擇141ml/r壓縮機代替167ml/r的壓縮機平臺作為優化方案。

圖1 空調系統負荷計算

2.3 整車油耗計算

進行整車的油耗分析計算，優化后的壓縮機滿足降油耗的目標。

按照我司輕型車項目上普遍應用的油電轉化效率0.27，計算如下：

式中：δ——柴油的燃燒熱值，10267kcal/kg；ρ——柴油密度，835kg/m；η——油電轉化效率，0.35。

具體計算結果見表1。

表1 整車油耗節能計算表

2.4 基于空調匹配的空調系統瓶頸識別

確認壓縮機后，將新壓縮機帶入空調系統進行匹配優化，從整車的熱負荷作為輸入，進行空調系統的熱力學計算，建立空調系統的熱力學模型（圖2），對逐個零部件進行匹配分析，最終確認蒸發器和冷凝器為空調系統的性能瓶頸。

圖2 空調熱力學模型

2.5 蒸發器14孔微通道匹配多孔板技術

蒸發器芯體從8孔微通道提升到14孔微通道，加強熱交換有一定的效果，同時對集流管的結構進行優化，從隔片式變為多孔板式，使冷媒在蒸發器內分布更均勻。表2為蒸發器微通道對比。

表2 蒸發器微通道對比表

結論：450m/h工況，蒸發器能力（空氣側）從4055W提升到4696W，提升約15.8%。

2.6 冷凝器翅片加密技術

針對目前量產冷凝器的結構進行優化提升，采用多方案并行原則。

1）方案1：將目前的冷凝器芯體的翅片波距從1.5mm加密到1.2mm。

2）方案2：將翅片結構進行優化，提升換熱面積。

3）方案3：在方案2的基礎上，扁管采用預噴涂技術，提升換熱效率。

最終試驗驗證，在4.5m/s，冷凝器能力（空氣側）方案1比量產，從6659.59W提升到7344.46W，提升約10.3%。

雖然方案2、方案3也有較大提升，但風阻隨之大幅增加，整車表現不佳，最終選擇方案1。

2.7 IHX同軸換熱技術應用

現有市場上車用空調制冷管路大多采用高、低壓分體式結構，即高、低壓分管道獨立運輸冷媒。低壓管中冷媒在經過蒸發器后溫度較低需要吸熱，高壓管在經過冷凝器溫度較高后則需要散熱，分體式結構無法有效利用這一物理特性，形成能量浪費，能效降低。

為解決上述問題，引入同軸管（圖3），即中間熱交換技術（IHX）。該技術是將高、低壓管結合為一根管路，分為內外的高壓腔、低壓腔后，通過高、低壓管在工作過程中自身的物理特性，蒸發器進出口處高、低壓管路溫差大相互傳遞能量，能夠有效起到節能，提高制冷性能的作用，見圖4。同軸段外部管路高溫高壓，內部管低溫低壓，既有利于高溫管散熱，又能有效隔絕發動機艙熱源對低溫低壓管的干擾。

圖3 同軸段制冷管路結構

圖4 同軸管制冷循環

空調系統的臺架試驗可以客觀反映空調系統搭載在整車上的工況，利用IHX系統的二次熱交換，提高了空調系統的換熱性能，蒸發器換熱能力在各工況均有較大的提升，達到了10%左右。空調系統的臺架試驗誤差在3%以內，從數據來分析，IHX系統對制冷性能的提升有非常大的作用，見表3和圖5。

圖5 臺架試驗對比曲線

表3 性能臺架對照表

2.8 空調系統匹配優化

零部件結構性能的突破和IHX熱交換技術在臺架試驗上進行匹配驗證，通過調整空調系統的蒸發器過熱度、冷凝器的過冷度和膨脹閥的參數，保證每個零部件在系統中最匹配，從而實現COP的最大化。在制冷效率提升后降低壓縮機功率，從而達到降油耗的目的。

3 方案驗證

通過零部件結構優化、同軸管技術的應用、空調系統匹配優化來實現空調效率的提升，配合降功率壓縮機，達到整車油耗的下降。方案整體可通過系統臺架試驗及整車試驗進行驗證。

3.1 環境溫度35℃臺架驗證

試驗條件：①冷凝器進口溫度35℃±1℃；②蒸發器進口干球溫度27℃±1℃，濕球溫度19.5℃±0.5℃；③壓縮機轉速與冷凝器風速相對應為1800r/min與4.5m/s；④鼓風機端電壓27V；⑤吹面+制冷+內循環。試驗對比結果見表4。

表4 35℃環境溫度下1800r/min、4.5m/s試驗對比結果

試驗條件同上，壓縮機轉速與冷凝器風速相對應為2800r/min與7.5m/s，試驗結果見表5。

表5 35℃環境溫度下2800r/min、7.5m/s試驗對比結果

3.2 環境溫度43℃臺架驗證

試驗條件：①冷凝器進口溫度43℃±1℃；②蒸發器進口干球溫度27℃±1℃，濕球溫度19.5℃±0.5℃；③壓縮機轉速與冷凝器風速相對應為1800r/min與4.5m/s；④鼓風機端電壓27V；⑤吹面+制冷+內循環模式。試驗結果見表6。

表6 43℃環境溫度下1800r/min、4.5m/s試驗對比結果

試驗條件同上，壓縮機轉速與冷凝器風速相對應為2800r/min與7.5m/s，試驗結果見表7。

表7 43℃環境溫度下2800r/min、7.5m/s試驗對比結果

3.3 壓縮機功率計算（表8）

表8 壓縮機功率計算結果

壓縮機使用功率降低≥10%，實際降低平均20.8%，達成目標。

3.4 整車油耗降低計算

按照我司綠程1.0項目上普遍應用的油電轉化效率0.27，計算如下：

式中：δ——柴油的燃燒熱值，10267kcal/kg；ρ——柴油密度，835kg/m；η——油電轉化效率0.35。計算結果見表9。

表9 整車油耗降低計算結果

目標油耗降低1%，實際80km/h工況平均降低1.68%，實車測試1.44%，達成目標。

3.5 空調能耗比（COP）計算（表10）

目標空調能耗比（COP）提升15%，實際80km/h、環境溫度43℃工況提升21.1%，達成目標。

表10 空調能耗比COP計算

3.6 整車制冷性能驗證

選取某車型搭載優化后系統進行制冷性能驗證，結果該試驗樣車空調制冷性能滿足企業標準要求，具體數據見表11。

表11 整車制冷具體數據

4 結束語

目前高效空調系統是車用空調行業著力推進的重點工作之一。受工信部委托，中國汽車工業協會汽車空調委員會一直在積極推動“高效空調獎勵方案”，希望通過激勵的方式促進整車企業使用先進技術。美國、歐盟已制定并實施了相關的獎勵措施，而高能效空調就是其中一項重要的獎勵措施。

2019年6月13日，發改委等7部門發布《綠色高效制冷行動方案》，推動節能減排工作。后期汽車空調系統的COP（能效比）將會成為影響汽車銷售的一個重要指標，本項目的研究應用有利于進一步提升企業產品的競爭力。通過試驗驗證，本項目的研究應用可以節油1%，有利于體現綠色、環保、節能的社會形象，提升企業的品牌價值。