乘用車定排量空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定方法研究

孫曉玲 李偉 王洋 王卓 余達(dá)淇 李保權(quán)

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：定排量壓縮機(jī) 蒸發(fā)器 保護(hù)溫度 評價項(xiàng)目 AHP

1 前言

隨著社會進(jìn)步和汽車科技快速發(fā)展，人們對汽車駕乘舒適性的要求越來越高。特別在一些高溫濕熱的環(huán)境中，空調(diào)系統(tǒng)必須保持高效運(yùn)行，提供足夠的冷氣來維持汽車座艙合適的溫度和濕度，以保證良好駕乘體驗(yàn)。

在高溫、高濕氣候和高負(fù)荷車輛運(yùn)行工況下，在定排量壓縮機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)使用過程中，當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度低于濕空氣的露點(diǎn)溫度且小于0 ℃時，流經(jīng)蒸發(fā)器表面空氣中的水蒸氣會冷凝，形成霜并附著在換熱器和翅片上，隨著空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，霜層不斷生長、變厚。疏松多孔的霜層阻礙了蒸發(fā)器換熱表面和空氣接觸，一方面增加了附加的傳熱熱阻，降低了空氣側(cè)換熱系數(shù)，另一方面減少了空氣的接觸面積，增加了空氣流動阻力，降低了空氣流量。上述2方面降低了蒸發(fā)器表面的傳熱速度，阻礙了空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行，空調(diào)系統(tǒng)的異常運(yùn)行反過來又增加了蒸發(fā)器表面的結(jié)霜速度，引起空調(diào)系統(tǒng)的制冷量急劇下降，此時必須采取有效措施，對蒸發(fā)器進(jìn)行周期性除霜工作[1-3]。目前，在汽車空調(diào)上一般通過設(shè)置合理的蒸發(fā)器保護(hù)溫度區(qū)間，通過暫停壓縮機(jī)運(yùn)行的方法來解決上述問題。當(dāng)蒸發(fā)器溫度低于預(yù)定區(qū)間下限值時，壓縮機(jī)停止運(yùn)行，等待蒸發(fā)器溫度上升到預(yù)定區(qū)間上限值時再重新啟動壓縮機(jī)。因此，制冷循環(huán)暫停的這段時間內(nèi)無法向駕乘艙提供冷氣，座艙內(nèi)溫度會逐漸升高，而且周期性開啟暫停制冷循環(huán)會使頭部溫度以及出風(fēng)口溫度有大幅波動，壓縮機(jī)頻繁啟停也會產(chǎn)生一定的噪音，嚴(yán)重影響駕乘體驗(yàn)[4-5]。因此，蒸發(fā)器保護(hù)溫度區(qū)間的選擇尤為重要。

然而在實(shí)際使用中，如何確定定排量空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器保護(hù)溫度并沒有系統(tǒng)性的方法。本文制定了定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的實(shí)車試驗(yàn)方法，應(yīng)用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP），研究對蒸發(fā)器保護(hù)溫度區(qū)間選擇影響較大的5個評價項(xiàng)目在評價中所占權(quán)重，構(gòu)建了定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的評價指標(biāo)體系，制定各項(xiàng)目的評價標(biāo)準(zhǔn)，并通過實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中的典型實(shí)車案例驗(yàn)證此模型的可行性和有效性。

2 保護(hù)溫度確定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在含有陽光模擬系統(tǒng)的高溫環(huán)境倉中進(jìn)行，試驗(yàn)開始之前按表1進(jìn)行預(yù)熱升溫處理。其中預(yù)熱過程分為2個階段，升溫過程包括1個階段，具體見表1。

表1 預(yù)熱升溫階段

按表2 所述試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過傳感器對各吹面出風(fēng)口溫度、座艙內(nèi)人員頭部溫度、壓縮機(jī)高低壓力數(shù)值進(jìn)行采集，同時邀請2名具有空調(diào)評價相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員進(jìn)入座艙，對試驗(yàn)過程空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)性能進(jìn)行主觀評價。

表2 試驗(yàn)工況

2.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

本文試驗(yàn)儀器和設(shè)備采用美國寶克、德國IPETRONIK公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，擁有較高的儀器設(shè)備精度和穩(wěn)定度，極大地保證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，儀器和設(shè)備精度如表3所示。

表3 試驗(yàn)儀器和設(shè)備精度

3 評價指標(biāo)體系建立

3.1 評價指標(biāo)選取

建立科學(xué)合理的評價指標(biāo)體系是定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定方法的核心，依據(jù)國內(nèi)研究成果[5-11]和定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)結(jié)果的歸納分析情況，選取壓縮機(jī)通斷頻率、吹面出風(fēng)口平均溫度、頭部平均溫度波動、吹面出風(fēng)口平均溫度波動和主觀評價5個便于量化考核，且對乘用車定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度的選擇（目標(biāo)層）影響較大的性能指標(biāo)（一級指標(biāo)）及相應(yīng)指標(biāo)（二級指標(biāo)）作為評價指標(biāo)。

3.2 評價指標(biāo)體系

基于上述影響乘用車定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度選擇的5個評價指標(biāo)的研究情況，應(yīng)用AHP構(gòu)建定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的評價指標(biāo)體系，如圖1所示。由圖1可以看出，定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的評價體系中包含5個一級指標(biāo)，涵蓋影響空調(diào)蒸發(fā)器保護(hù)溫度選擇的主要方面；將影響5個一級指標(biāo)的13個二級指標(biāo)因素進(jìn)行分解、細(xì)化和延伸，使指標(biāo)體系的層次更清晰，具有一定的可操作性[12]。

圖1 蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)評價指標(biāo)體系

4 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

4.1 層次分析法（AHP）

AHP 是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，這種方法為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供科學(xué)的決策方法。根據(jù)建立的定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的評價指標(biāo)體系，采用專家評估和AHP 確定各特征參數(shù)的權(quán)重。根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)，針對各級評價指標(biāo)U1，U2，…，Ui和U11，U12，…，Uij構(gòu)造判斷矩陣R[13-15]。

對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

式中，CI為偏差一致性指標(biāo)；λmax為R的最大特征根；CR為隨機(jī)一致性指標(biāo)；RI為判斷一致性指標(biāo)。

當(dāng)CR＜0.1時，表明判斷矩陣R滿足蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)評價要求；當(dāng)CR≥0.1時，應(yīng)該對判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)修正。采用方根法計算各級指標(biāo)權(quán)重值，得到權(quán)重值向量W=(W1,W2···Wn)T。

4.2 確定試驗(yàn)評價體系指標(biāo)權(quán)重分配

為建立評價權(quán)重，根據(jù)建立的評價體系制成相對應(yīng)的AHP權(quán)重調(diào)查表，分發(fā)給從事整車空調(diào)系統(tǒng)性能評價的10位專業(yè)人員進(jìn)行打分，要求專業(yè)人員根據(jù)自己對評價指標(biāo)的理解，獨(dú)立打出比較分值，并進(jìn)行統(tǒng)計。根據(jù)AHP原理進(jìn)行分析計算，得到目標(biāo)層對各一級指標(biāo)之間的判斷矩陣（表4），并計算得到每個判斷矩陣的特征向量W、最大特征值λmax和CR。

表4 目標(biāo)層對各一級指標(biāo)之間判斷矩陣及計算結(jié)果

根據(jù)表4 目標(biāo)層對各一級指標(biāo)的判斷矩陣數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可知，λmax=5，CR=0＜0.1，滿足一致性要求。各一級指標(biāo)對二級指標(biāo)影響因素之間的判斷矩陣及計算結(jié)果如表5～表9所示。

表5 因素U1對U11和U12的判斷矩陣及計算結(jié)果

表6 因素U2對U21和U22的判斷矩陣及計算結(jié)果

表7 因素U3對U31和U32的判斷矩陣及計算結(jié)果

表8 因素U4對U41和U42的判斷矩陣及計算結(jié)果

表9 因素U5對U51和U52、U53、U54和U55的判斷矩陣及計算結(jié)果

由表5經(jīng)計算可知，λmax=2，CR=0＜0.1，滿足一致性要求。由表6經(jīng)計算可知，λmax=2，CR=0＜0.1，滿足一致性要求。由表7經(jīng)計算可知，λmax=2，CR=0＜0.1，滿足一致性要求。由表8經(jīng)計算可知，λmax=2，CR=0＜0.1，滿足一致性要求。由表9 經(jīng)計算可知，λmax=5，CR=0＜0.1，滿足一致性要求。

通過對上述結(jié)果進(jìn)行匯總，最終得到乘用車定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的評價指標(biāo)權(quán)重，如表10所示。

表10 保護(hù)溫度確定試驗(yàn)評價指標(biāo)及評價權(quán)重

5 評價標(biāo)準(zhǔn)制定

定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的評價指標(biāo)體系已經(jīng)制定，各評價指標(biāo)的權(quán)重也通過AHP確定。最終需要采取打分加權(quán)的方式，對不同蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價。根據(jù)乘用車定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，以及專業(yè)評價人員經(jīng)驗(yàn)，針對各評價項(xiàng)目（一級指標(biāo)）制定了打分標(biāo)準(zhǔn)，通過主觀評價與客觀試驗(yàn)相結(jié)合方式，按照表11進(jìn)行打分。

表11 評價項(xiàng)目打分標(biāo)準(zhǔn)

表11 中對壓縮機(jī)通斷頻率、吹面出風(fēng)口平均溫度、頭部平均溫度波動和吹面出風(fēng)口平均溫度波動4個項(xiàng)目，通過客觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量得出性能結(jié)果。通過對多臺裝有定排量壓縮機(jī)車輛的蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后，將各評價項(xiàng)目客觀測量的性能結(jié)果與主觀評價打分表中各分值進(jìn)行了對應(yīng)，解決了主、客觀評價分值統(tǒng)一問題。

6 典型案例驗(yàn)證

以某2款裝有定排量壓縮機(jī)B級轎車的蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)為例，對蒸發(fā)器保護(hù)溫度選擇過程中各評價項(xiàng)目的客觀試驗(yàn)結(jié)果和主觀評價結(jié)果，運(yùn)用本文建立的乘用車定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的評價指標(biāo)體系進(jìn)行對應(yīng)評價，最終獲得2款車型評價項(xiàng)目的評價結(jié)果，如表12、表13所示。

表12 樣車1評價項(xiàng)目評價結(jié)果

表13 樣車2評價項(xiàng)目評價結(jié)果

根據(jù)表12、表13 中評價項(xiàng)目的評價結(jié)果，結(jié)合AHP計算得到的各評價項(xiàng)目的評價權(quán)重，采用加權(quán)法得到2 款試驗(yàn)樣車各蒸發(fā)器保護(hù)溫度的綜合評價結(jié)果，如表14、表15 所示。根據(jù)綜合評價結(jié)果，試驗(yàn)樣車1、樣車2 最終分別選擇1～4 ℃、1～3 ℃作為蒸發(fā)器保護(hù)溫度的最佳范圍。目前試驗(yàn)樣車1 已上市2 年，試驗(yàn)樣車2已上市3年，市場信息反饋2款車型整車空調(diào)性能較好。

表14 樣車1綜合評價結(jié)果

表15 樣車2綜合評價結(jié)果

7 結(jié)論

本文從乘用車定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象這一實(shí)際問題出發(fā)，對定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體工作主要包括以下3方面：

（1）制定了定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的實(shí)車試驗(yàn)方法。

（2）從整車空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)角度制定了5 個評價項(xiàng)目，應(yīng)用AHP建立了蒸發(fā)器保護(hù)溫度確定試驗(yàn)的評價指標(biāo)體系。

（3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫和專業(yè)人員評價經(jīng)驗(yàn)對各項(xiàng)目制定了詳細(xì)、科學(xué)的評價標(biāo)準(zhǔn)。

在具體車型開發(fā)項(xiàng)目中運(yùn)用了此模型確定蒸發(fā)器保護(hù)溫度區(qū)間，評價結(jié)果與市場反饋信息能夠?qū)?yīng)，充分說明了應(yīng)用此模型進(jìn)行定排量壓縮機(jī)蒸發(fā)器保護(hù)溫度選擇是可行的。該方法對研究開發(fā)高效的乘用車空調(diào)系統(tǒng)具有重要意義。