高温气候下汽车空调性能优化设计与效果分析

孙玉，郁强，唐鹏，张恒，曾涛

（上汽集团商用车技术中心，上海　200438）

高温气候下汽车空调性能优化设计与效果分析

孙玉*，郁强，唐鹏，张恒，曾涛

（上汽集团商用车技术中心，上海200438）

为了解决中东地区高温气候下汽车空调降温效果差及系统压力过高的问题，本文提出了空调系统性能优化设计的方案。针对高温气候下冷负荷增大导致的冷凝器负荷增大的特点，设计了一套副冷凝器系统；通过更换后空调风道保温材料降低了风道内的冷量损失，通过增加窗帘减少了环境向车内传递的热负荷；在增加副冷凝器系统后，冷媒充注量也相应增加了270 g。实验测试了优化方案实施前后的空调系统的性能。实验结果表明，行车过程中前出风口温度降低了6 ℃，后出风口温度降低了8 ℃左右。本文提出的优化方案实施效果良好，能有效解决高温气候下汽车空调存在的一些问题。1

汽车空调；高温气候；充注量；优化效果

0　引言

高温空调主要应用在特种运载装备等高温和宽温度变化范围的环境，要求其在高温环境下能够稳定、可靠运行［1］。空调系统在高温环境下是否具有良好的制冷性能，其技术关键在于空调系统的结构设计。

已有对于高温空调装置的研究表明，在高温空调装置中通过增加涡流管［2］、卸荷阀和卸荷毛细管［3］、辅助喷液制冷系统［4-5］，可以提高空调系统在高温环境下运行的可靠性；通过采用混合制冷剂、控制混合制冷剂的配比，可以调节制冷量的变化［6-8］。对于车用高温空调系统，中高温混合制冷剂的合理使用可改善制冷系统的高温运行性能和可靠性，拓宽其运行温度范围［1］。

上述研究主要是针对家用空调、特种车用空调。对于乘用车，已有的研究主要针对制冷量不足的故障问题［9-11］。在中国市场正常上市销售的乘用车，直接出口到中东市场，因为高温气候会导致空调降温效果差及系统压力过高的问题，不能满足中东市场的技术要求［12］。本文提出通过增加副冷凝器、更换保温材料、增加窗帘等方案，改进汽车空调高温气候下的空调性能，解决高温气候下汽车空调降温效果差及系统压力过高的问题。

1　中东地区高温气候下商用汽车空调存在问题及初步改进方案分析

中东地区高温气候下商用车的使用工况（环境温度45 ℃，太阳辐射1，200 W/m2，起始车内温度60 ℃）。客户期望15分钟内头部温度低于25℃、出风口温度在4 ℃～8 ℃。某款国产商用汽车怠速降温能力为出风口15 ℃，头部温度28 ℃左右。

针对客户的需要，通过将发动机怠速转速由800 r/min提升至1，000 r/min、增加冷凝风扇高档运行时间、前挡玻璃增加Solar绿玻配置等简单的改进方案，来验证是否能够满足客户需求。验证结果如表1所示。

由表1可知，更改前后对比，15 min出风口温度降低3.6 ℃，头部温度降低2.9 ℃，主观评估反馈有较大改善，但前排出风口温度仍未达到客户期望。因此，除了发动机怠速进一步提升之外，还需要辅助其他的改进措施。

表1　初步改进方案的实施效果及评价

2　高温气候下商用汽车空调的冷负荷及改进措施

为了满足高温气候下客户对汽车空调制冷要求，需要对现有的空调负荷及部件进行校核，找出合理的改进方向。

本文选用某商用汽车作为分析对象。空调系统原理如图1所示。

针对中东地区的商用汽车空调冷负荷计算所需的工况如表2所示。

图1　某商用汽车空调系统示意图

表2　中东地区高温气候商用汽车冷负荷计算工况

汽车空调冷负荷的计算公式［13-14］为：

式中：

Q1——车顶/外围底板等车身外构件传入的热量；

Q2——玻璃传入的热量；

Q3——发动机室传入的热量；

Q4——室外送风/空气泄漏传入的热量；

Q5——车内人员、车内电机及照明灯等的散热量；

K——修正系数。

根据公式（1）得出中东地区高温气候下空调冷负荷为12.5 kW。根据空调制冷系统压-焓图进行分析，并考虑恶劣环境条件下的修正余量，对原有空调系统部件热负荷校核计算，结果汇总如表3所示。根据表3进行改进设计时，增加副冷凝器的同时需要增加制冷剂充注量［15-17］。通过上述措施，有望解决空调系统在高温气候下运行存在的问题。

表3　原有空调系统部件热负荷校核及改进方案

3　改进方案的实施细节

改进方案的实施细节如下所述：

1）为了提高怠速工况下的空调效果，将发动机怠速由800 r/min提升为1，100 r/min；

2）为了减少整车热负荷，最见效的方案是在两侧玻璃内通过增加窗帘（如图2所示），以阻挡阳光直射、减少玻璃传递的热量；

3）为了提高制冷系统的冷凝量，设计了一个副冷凝器系统，工作原理如图3所示；副冷凝器系统的安装设计到电器线束、动力空调标定策略、车身焊接支架及植钉、转向助力管理系统等；增加的副冷凝器系统示意图如图4所示；增加副冷凝器系统的同时，系统制冷剂充注量由1，750 g增加到2，020 g；

4）为了减少空调风道冷量损失，将后空调风道的保温材料进行了改进，由5 mm厚PU开孔发泡、克重25 kg/m3、部分包覆的保温方案，改为6 mm厚EPDM闭孔发泡、克重80 kg/m3、风道全包覆的保温方案。

上述改进方案的实施，单车成本累计共增加约730元。

图2　两侧玻璃内增加窗帘

图3　增加副冷凝器的工作原理示意图

图4　副冷凝器系统示意图

4　改进方案的实施效果实验及分析

改进方案实施效果的实验示意图如图5所示。实验环境温度为45 ℃，光照强度为1，000 W；运行工况包括：车速50 km/h运行20分钟（内循环）、车速80 km/h运行20分钟（内循环）、车速50 km/h运行20分钟（外循环）、车速80 km/h运行20分钟（外循环）、怠速30分钟（内循环）。改进方案的实施效果结果如表4和表5所示。

图5　改进方案实施效果环境舱实验示意图

表4　改进方案实施前后系统压力的对比

表5　改进方案实施前后温度测点数据对比

由表4和5可知，经过改进方案的实施，系统压力降低，压缩机效率提高；行车过程前出风口平均温度降低6 ℃～7 ℃，后出风口平均温度降低8 ℃左右。改进后的空调系统，满足中东地区高温气候条件下客户的需求，实现了优化设计的目标。

5　结论

针对商用汽车在中东地区高温气候下空调温降差及系统压力过高的问题，提出了空调系统性能优化设计的方案。设计了一套副冷凝器系统，通过更换后空调风道保温材料降低了风道内的冷量损失，通过增加窗帘减少了环境向车内传递的热负荷；在增加副冷凝器系统后，冷媒充注量增加了270 g。经环境舱测试表明，优化方案的实施能有效降低系统内的运行压力，使得行车过程中前出风口温度降低6℃～7 ℃、后出风口温度降低8 ℃左右；优化方案能够有效解决高温气候下商用汽车空调存在的问题。

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Performance Optimal Design and Effect Analysis of Vehicle Air Conditioning System under High Temperature Climate

SUN Yu*，YU Qiang，TANG Peng，ZHANG Heng，ZENG Tao
（Commercial vehicle technology center of Shanghai Automotive Industry Corporation，Shanghai 200438，China）

In order to solve the problems of poor cooling effect and high system pressure of vehicle air conditioner under high temperature climate for Middle East，the optimal design scheme for air conditioning system was proposed.Aiming at the character of the increasing condenser heat load caused by the increase of cooling load under high temperature climate，a set of auxiliary condenser system was designed.The cooling capacity lost was decreased by replacing the thermal insulation material for the back side air duct of the air conditioner，and the heat load transfer from ambient to the inside of the vehicle was decreased by adding the curtain.The refrigerant charge amount was increased by 270 g corresponding to the addition of auxiliary condenser.The performances of the air conditioning systems before and after the optimization scheme implementation were tested.The test results show that，the outlet air temperatures of the front side and back side are decreased by 6oC and 8oC，respectively.The implementation effect of the optimization scheme is very good，and the optimization scheme proposed in the present study can effectively solve the problems for the air conditioner operating under high temperature climate.

Vehicle air conditioner；High temperature climate；Refrigerant charge amount；Optimization effect

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.202

*孙玉（1981-），女，工程师，本科。研究方向：汽车空调。联系地址：上海市杨浦区军工路2500号，邮编：200438。联系电话：18818031151。E-mail：sunyu20030613@163.com。