汽車空調制冷劑對系統制冷性能的影響及排障研究

摘要：制冷劑是汽車空調系統能否正常制冷的關鍵因素，通過REFPROP軟件的計算數據和對高壓側壓力檢測的結果，分析制冷系統內的制冷劑相態，并對制冷系統伴隨噪音、振動等異常情況進行初始判斷。汽車空調制冷故障是汽車舒適系統常見故障之一，故障點涉及空調系統電路、傳感器、空調控制器、控制面板、壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器、干燥瓶等主要部件，只要其中之一出現異常，均可導致汽車空調制冷功能出現故障。據此，分析了汽車空調制冷劑對系統制冷性能的影響，并對汽車空調系統制冷故障診斷所需的一些方法和技能進行解析。

關鍵詞：制冷劑；壓縮機；冷凝器；蒸發器；制冷性能

中圖分類號：U472.9? 收稿日期：2024-02-22

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406030

1 前言

汽車空調制冷是通過制冷劑的物理狀態發生改變，即在從液態變為氣態過程中，因制冷劑本身焓變，進行吸熱導致本身降溫，使制冷劑與蒸發器壁面形成溫差，蒸發器壁面將熱能傳遞給氣態制冷劑，制冷劑將熱量以潛熱形式進行“存儲”，從而降低蒸發器壁面的溫度，形成壁面低溫面，使車內流通的空氣與蒸發器外壁面之間有較明顯的溫差，從而將車內流過蒸發器的空氣熱量帶走，達到空氣降溫的效果。

汽車空調制冷原理與目前市面上的家用空調、冰箱、冰柜制冷原理相同。汽車空調實現車內有效制冷，需具備以下條件：a.形成獨立的相對密閉的系統，車內與車外需進行密閉分隔，形成車內與車外氣體相對密閉的空間，理想狀態下使車內空氣熱量經制冷劑循環傳遞到車外后，熱量不再進入車內；b.制冷劑進行熱量的傳遞必須在制冷系統管路和主要換熱元器件中發生“相變”，進行潛熱與顯熱的轉換。

通過汽車空調制冷原理及系統結構的解析，按故障檢測及診斷排除的難易程度排序，要解決汽車空調制冷故障，需從系統制冷劑量的檢測、汽車空調控制電路檢測診斷、制冷系統部件檢測維修等方面對汽車空調制冷故障進行診斷和維修。

2 制冷劑對系統制冷性能的影響

制冷劑量的多少對汽車空調制冷性能有重要影響，目前無精確理論計算方法，制冷劑加注量由實驗決定[1]。汽車空調系統使用R134a專用制冷劑，制冷劑量的多少由各主機廠汽車設計決定，如別克凱越空調系統設計制冷劑加注量推薦值為640 g，大眾邁騰空調系統設計制冷劑加注量推薦值為500 g±10 g。

21 制冷劑相變分析

通過使用專業制冷數據庫計算軟件REFPROP（流體熱力學和輸運性質數據庫）獲得汽車空調所用制冷劑R134a的飽和蒸氣壓數據，以便分析制冷劑在不同溫度和壓力下所呈現的物相狀態，為高低壓側的檢測分析提供必要的參考依據。表1所示為R134a在飽和狀態下，7～62 ℃（近似在280～335 K范圍）的飽和壓力值以及平衡狀態下的氣、液密度物理參數。

通過軟件REFPROP計算的圖表曲線可以獲得制冷劑在不同溫度下的飽和蒸氣壓，以此作為判斷制冷劑所處于液相或氣相的理論依據，方便對制冷系統因制冷劑加注量超出設計范圍導致的一系列故障進行分析。圖1所示為R134a飽和狀態溫壓曲線。

結合表1，空調制冷系統在高壓側溫度300 K（近似27 ℃）溫度下，R134a的飽和蒸氣壓為0702 MPa，若此溫度下高壓側壓力值小于07 MPa，制冷劑將呈現氣態。一般汽車空調系統制冷劑壓力傳感器檢測點設計在冷凝器出口端管道上，以檢測高壓、液態的制冷劑壓力值。如果制冷劑經過冷凝器后未冷凝形成液態，制冷劑未通過冷凝器放熱由高壓、高溫、氣態轉變為高壓、中常溫、液態的相變熱釋放，制冷劑同樣將無法在蒸發器內發生相變，無法通過潛熱變化吸熱，導致制冷劑在冷凝器出口高壓側高溫，在蒸發器無法實現冷量轉換，因此導致空調系統無法制冷。同理，在300 K溫度下的蒸發器及低壓側管道中，如果制冷劑量過多，導致經過膨脹閥后壓力小于0702 MPa，在膨脹閥后及蒸發器及低壓側管道中的制冷劑將大量呈現液態，沒有發生由液相到氣相的轉變，蒸發器也無法進行有效冷量轉換。這種狀態對系統安全隱患大，很容易發生液擊現象，容易損壞空調制冷系統及相應部件，因此要求制冷劑加注量必須嚴格按照原設計標準。

22 制冷劑量不足時的故障現象及故障排除

當汽車空調制冷系統制冷劑不足時，不使用儀器檢測，通過觸覺感受到的現象有：

a.開啟制冷系統，在室內鼓風機開啟狀態下出風口無體感冷風，長時間運行溫度會升高。

b.用手觸摸低壓側管道無冰涼觸覺，表現為常溫。

c.用手觸摸冷凝器后高壓側管道，溫度略比冷凝器進口高壓側管道溫度低。

d.用手觸摸冷凝器進出口附近，溫度無非常明顯變化，這是冷凝器無大量放熱的表征。

通過使用空調維修歧管壓力表組對系統高低壓測壓力進行檢測，機艙環境溫度在300 K左右時，系統靜態時高低壓測壓力小于04 MPa，通過使用桑塔納汽車空調臺架實驗，靜態下壓力小于01 MPa，壓力開關開啟低壓保護狀態，無法接通壓縮機電磁離合器回路，動態起動初期低壓側壓力迅速降到02 MPa以下，高壓側壓力在08 MPa以下，當運行一段時間后隨著環境溫度升高，高低壓側最大壓力值均有所上升。若使用汽車故障診斷儀對空調系統高壓側制冷劑壓力進行檢測，壓縮機電磁離合器處于吸合狀態，但在起動初期高壓側壓力很難升到09 MPa（注：系統內壓力會隨環境溫度的上升而上升，在讀取壓力值做判斷時要充分考慮系統溫升帶來的影響）。

對于制冷劑不足的故障現象，一種是因為制冷劑系統存在泄露導致制冷劑量不足，如果經過泄露檢測無漏點，在補加制冷劑后再次運行制冷系統，再進行檢漏，檢漏合格即可恢復空調制冷性能。補加制冷劑采用低壓側法動態加注，加注量結合高低壓的壓力表所檢測的壓力值來判斷。經過試驗驗證，在機艙溫度300 K左右，低壓側壓力值在02～03 MPa，高壓側在09～12 MPa之間能保證制冷系統有較好的制冷效果。若補加注制冷劑后經過泄漏檢測發現漏點，特別是壓縮機及其連接端，需要先對漏點進行處理，檢漏合格后進行抽真空，并按制冷系統加注量要求加注冷凍機油和制冷劑。若在壓縮機處泄露，還應對壓縮機進行檢測，判斷是否需要更換。對于帶有視液鏡干燥罐的制冷系統，還可以通過觀察視液鏡中有無氣泡翻騰現象來判斷制冷劑量，如果有連續氣泡產生則可判斷制冷劑量不足[2]。如果氣泡翻騰劇烈或無液態則說明嚴重缺乏制冷劑。

3 制冷控制電路故障分析及排除方法

31 壓縮機控制電路分析及故障診斷

壓縮機控制電路因不同車系設計而有比較大的差異，故障現象也有所不同。如帶電磁離合器的壓縮機電路正常時，在起動壓縮機時離合器吸合有明顯的撞擊聲音，通過聲音可判斷壓縮機啟動電路是否正常；但對無電磁離合器的壓縮機起動時不能通過人的聽覺來判斷。通過觸覺感受冷凝器進出管路溫差變化，可判斷壓縮機是否工作。借助歧管壓力表，通過檢測分析高低壓側壓差可判斷壓縮機是否啟動運行；借助汽車故障診斷儀，可通過讀取故障碼、數據流來檢測和分析壓縮機電路故障。下面分別對帶電磁離合器壓縮機的別克凱越和使用壓縮機調節閥的大眾邁騰兩種空調壓縮機控制電路進行分析。

311 帶電磁離合器的壓縮機控制電路分析

以別克凱越空調系統壓縮機電路故障診斷為例，檢測壓縮機電路主回路供電及接地是否正常，同時檢測壓縮機繼電器工作是否正常，若正常則對壓縮機電磁離合器處接插器進行檢測，并鎖定故障點。若檢測壓縮機電路主回路正常，下一步對控制回路進行檢測，仍然先檢查電源及接地控制信號有無接通，可以使用示波器檢測ECM壓縮機控制端子信號變化來判斷，也可在操作時用萬用表檢測端子電壓變化來判斷。最后借助汽車故障診斷儀查詢故障和讀取數據流，判斷蒸發器溫度傳感器、制冷劑壓力傳感器、環境溫度傳感器、出風口溫度傳感器和陽光輻射傳感器、水溫傳感器和控制器等是否影響了壓縮機起動控制的傳感器。

312 帶壓縮機調節閥的壓縮機控制電路分析

以大眾邁騰所用壓縮機控制電路為例，該制冷系統的壓縮機使用一個調節閥來調節制冷劑，壓縮機在發動機啟動后一直處于工作狀態。通過空調控制面板/空調控制器所設置的室內目標溫度來控制壓縮機調節閥N280，通過空調控制器控制N280的電源來控制制冷劑進氣量，以實現對制冷量的控制。

32 冷卻風扇控制電路導致的制冷故障

由制冷原理分析，冷卻風扇不工作導致的制冷故障，其直接原因是冷卻風扇在車輛靜態下，發動機機艙通風不良而使冷凝器無法有效散熱，使冷凝器翅片表面溫度過高，制冷劑不能大量釋放潛熱，最終造成液化效果不好，從而導致空調制冷系統制冷性能不良。

33 蒸發器溫度傳感器故障導致的制冷故障分析

蒸發器溫度傳感器用于防止蒸發器溫度過低導致蒸發器翅片間結冰堵塞，影響室內循環空氣與蒸發器之間的換熱。為了防止蒸發器結霜，通過監測蒸發器出口溫度來控制壓縮機，當監測溫度低于2 ℃，ECM將斷開壓縮機電路。溫度傳感器為NTC型傳感器，可通過檢測電阻值判斷傳感器性能，如檢測異常則對其直接進行更換。如果傳感器失效，將可能導致蒸發器結冰，影響室內空氣正常換熱降溫，或者影響壓縮機正常開啟運行。

4 制冷系統泄漏檢測

制冷劑泄漏常用鑒別方法較多，下面主要介紹幾種常用的檢漏方法。

41 正壓檢漏（皂泡法）

通過歧管壓力計向空調系統充注設計壓力的11倍干燥氮氣，一般為12～15 MPa的干燥氮氣，把肥皂水或其他起泡劑涂在管路接口或焊縫處，觀察有無氣泡產生；沒有氮氣瓶時，可以充注一定量制冷劑代替。此種方法精度較差，對于微小泄漏點或不便觀察的部位難以有效應用[3]。

42 負壓檢漏

使用空調制冷劑加注回收機來回收管道內的制冷劑，使用真空泵對系統進行抽真空20～25 min，至系統真空度接近01 MPa，保持真空狀態10 min，觀察低壓側真空表指針變化。如真空表指針示值無減小，檢漏合格；如真空度示值明顯減小，則說明系統泄漏，不合格。采用負壓檢漏法只能判斷系統有無泄漏，不能判斷系統具體泄漏點位置，只適用于制冷劑加注時的初步檢漏判斷，若存在泄漏，再通過其他方法查找漏點。

43 熒光檢漏

將熒光彩色劑按一定比例加入到系統中，系統工作 15～20 min后，用紫外藍光檢漏燈照射待檢部位，并戴上專用眼鏡觀察，如果有泄漏，泄漏點將呈黃色熒光。熒光檢漏定位準確，使用簡單方便，檢修成本較低，特別適用于微小的泄露點檢測。

5 結語

汽車空調制冷是汽車駕乘人員使用空調的主要功能。導致制冷故障的原因有很多，要理解制冷的原理及制冷劑的特性。制冷故障的診斷應遵循簡便快捷的處理思路，通過聽覺、觸覺可以判斷壓縮機是否工作，借助歧管壓力表組可以對異常做進一步分析以及快速補充制冷劑等作業，但應注意運行環境溫度變化對制冷劑壓力影響。需要注意的是，制冷劑的回收與加注應充分結合維修手冊參考加注量并考慮冷凍機油的補充。使用空調維修歧管壓力表檢測靜態和動態高低壓側壓力，結合制冷劑的飽和蒸氣壓特性曲線，根據相對穩定環境溫度下的壓力變化綜合分析制冷系統的工況，決定對制冷劑和冷凍機油進行補充或更換；結合使用汽車故障診斷儀讀取故障碼、壓縮機電磁離合器開關信號，以及高壓側壓力和蒸發箱溫度等數據流，可以進一步縮小電路故障檢測范圍。

參考文獻：

[1]劉憲英SF-81HFC134a汽車空調制冷裝置的實驗研究[J]流體機械，1997，25（1）：47-51

[2]孫麗汽車空調制冷不足故障分析[J]工業分析，2013，4（1）：84

[3]朱亮亮基于歧管壓力機的汽車空調制冷劑加注研究[J]制冷與空調，2016，30（2）：223-224

作者簡介：

何迎，男，1983年生，講師，汽車維修高級技師，研究方向為汽車機電維修。

基金項目：貴州省高等職業教育興黔富民行動計劃建設項目（JP56070206）