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汽车空调的研究及发展方向 |
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作者：李光耀 郝晓霞 张霞 张虹 |
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2007年我国汽车生产888.23万辆、销售879.15万辆，2008年生产934.51万辆、销售938.05万辆，2010年有望突破1000万辆。汽车空调市场也将随之增长，2007年中国汽车空调市场规模达到35亿元人民币，2008年40亿元，未来将以15%左右的速度增长。到目前为止，我国已基本上形成了门类齐全，大、中、小配套的汽车空调生产体系，具备了年产轿车空调500～600万套，中、重型汽车空调40万套，大客车空调20万套的生产能力，不仅能完全满足我国汽车工业生产发展的需要，而且还有部分企业已具备了进入国际市场的能力。尽管中国汽车空调市场潜力巨大，也面临严峻的挑战，全球原料价格上涨给行业带来巨大成本压力；在产品方面，货车及一些专用车的空调生产较少，市场需求还不能满足；在技术方面，节能环保的发展趋势给行业提出新的挑战。
1. 汽车空调的分类
按动力来源汽车空调可分独立式空调和非独立式空调。
1.1 独立式空调：有专门的动力源（如第二台发动机）驱动整个空调系统的运行。一般用于长途货运、高地板大中巴等车上。独立式空调由于需要两台发动机，燃油消耗高，同时造成较高的成本，并且其维修及维护十分困难。
1.2 非独立式空调：直接利用汽车的行驶动力（发动机）来运转的空调系统。非独立式空调由主发动机带动压缩机运转，并由电磁离合器进行控制。接通电源时，离合器断开，压缩机停机，从而调节冷气的供给，达到控制车厢内温度的目的。其优点是结构简单、便于安装布置、噪音小。由于需要消耗主发动机10%～15%的动力，直接影响汽车的加速性能和爬坡能力。同时其制冷量受汽车行驶速度影响，如果汽车停止运行，其空调系统也停止运行。尽管如此，非独立式空调由于其较低的成本（相对独立式空调），可靠的质量，已逐渐成为市场的主导产品。目前，绝大部分小汽车和载货汽车都使用这种空调。
2．汽车空调的特点
汽车空调系统作为影响汽车舒适性的主要总成之一，为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制功能。
取暖功能：以发动机排出的热水为工作介质，在风机的作用下，由不同的风口吹到车内以达到取暖、通风和除霜的目的。在进风方式上它主要有两种状态：一种为车内空气循环，另一种为室外新风进入车内进行通风循环。
制冷功能：空调是空气调节的简称，从蒸发器出来的低压气态制冷剂流经压缩机变成高压高温气体，经过冷凝器散热管降温冷却变成高压低温的液体，再经贮液干燥器除湿与缓冲，然后以较稳定的压力和流量流向膨胀阀，经节流和降压最后流向蒸发器，制冷剂一遇低压环境即蒸发，吸收大量热能，车厢内的空气不断流经蒸发器，车厢内温度也就不短降低。
采暖系统可使乘员避免过量着装、为车窗提供除雾和除霜功能，提供舒适性和安全服务；冷气系统则通过制冷、除湿来提供舒适性，通过使司机保持警醒、允许关窗等措施提供了安全服务；采暖和冷气系统还可提供除尘、除臭的功能。这些功能已成为车辆必不可少的要求。虽然目前轿车的燃油余热足够提供轿车内的采暖和除霜的需要，但近期研制的高效汽油、柴油发动机的余热会进一步减少，电动车和混合动力车则不得不牺牲驱动性能来提供采暖和制冷，因此必须通过提高汽车空调系统的效率来减轻汽车的动力负担。汽车空调使用环境的特殊性、复杂性、流动性及密封性较差等因素决定了它在结构、材料、安装、布置、设计、技术要求等方面与普通空调及民用空调的较大差别。
3. 汽车空调的组成
图1为带有电动风门的中国重汽产“HOWO”载重汽车冷暖一体化空调和图2“HOWO-A7”数字化汽车空调 ；以此为例介绍汽车空调的组成。 
图1：1-带电动风门的空调器总成 2-垫圈 3-扁橡胶密封套4-自攻螺钉 5-软管卡箍 6-成型软管Ⅰ 7-钢管总成 8-六角法兰面螺栓 9-进风口护网总成 10-六角头螺栓及垫圈 11-六角法兰面锁紧螺母 12-成型软管Ⅱ 13-六角头螺栓及垫圈 14-冷凝器总成 15-冷凝器支架总成 16-垫圈及螺母 17-冷-储软管总成 18-蒸-压软管总成 19-六角头螺栓及垫圈 20-储液器总成 21-储-蒸高压管 22-压-冷软管总成 23-橡胶衬套
图2：HOWO-A7数字化汽车空调主体部分
汽车空调一般主要由风机总成、蒸发器、冷凝器、压缩机总成、电控离合器、膨胀阀、贮液干燥器、壳体总成、管路和控制系统等部分组成。 
图3：HOWO带电动风门的空调器总成
3.1 风机总成
一般采用离心式结构，蜗壳及风机总成，上壳体采用流线型设计，气流畅通，最大限度地减小风阻，电机其额定电压为24V，由汽车蓄电池提供，该电机采用开放式结构，便于电机长时间运转，不至于因风机过热而烧毁电机，同时还可以降低系统抗电磁干扰能力。
3.2冷凝器、蒸发器及膨胀阀
冷凝器和蒸发器，虽然叫法不一样，但结构类似，它们是汽车空调系统中两个重要的部件，其作用是实现两种不同温度流体之间的热量，通常又称之为换热器。冷凝器是将压缩机排出的高温高压过热制冷剂蒸汽，通过金属管壁和翅片放出热量经冷凝器外的空气，从而使过热气态制冷剂冷凝成高温高压的液体的换热设备。它们都是在一排弯绕的管道上布满散热用的金属薄片，以此实现外界空气与管道内物质的热交换的装置。冷凝器的冷凝指的是其管道内的制冷剂散热从气态凝成液态。其原理与发动机的散热水箱相近（区别只在于水箱的水一直是液态而已），所以它经常被安装在车头，与水箱一起，共同享受来自前方的习习凉风。总之冷凝器是哪里凉快哪里去，以便其散热冷凝。蒸发器与冷凝器正好相反，它是制冷剂由液态变成气态（即蒸发）吸收热量的场所。蒸发器与膨胀阀相连，是经膨胀阀节流后的低温低压液体态制冷剂，在其中吸热气化到制冷效果的设备，它的作用原理，正好与冷凝器相反。膨胀阀其基本功能是节流降压，使进入蒸发器的制冷剂在低温低压下蒸发汽化吸热实现制冷，另外还能根据外界热负荷大小，调节进入蒸发器的制冷剂流量，使蒸发器在最佳状态下工作。蒸发器与膨胀阀一起一般安装在壳体内，而冷凝器一般安装在中冷器的前面。
图4：空调冷凝器安装图
3.3 压缩机
是空调制冷系统的心脏，它是一种使制冷剂在系统内循环的动力源。它的作用是使制冷剂完成从气态到液态的转变过程，达到制冷剂散热凝露的目的。同时在整个空调系统，压缩机还是管路内介质运转的压力源，没有它，系统不仅不制冷而且还失去了运行的动力。压缩机又分为活塞式和斜盘式两种。 
图5：空调压缩机安装图
3.3.1活塞式：活塞式压缩机的结构酷似发动机，有曲轴、连杆、活塞、气缸等，但因为它并不产生能量，所以喷油咀、火花塞等就没有了。长途货动车或大客车因为空间较大，所以体积较大、损耗较小的活塞式压缩机常被使用。
3.3.2斜盘式：一般的轿车、小型商用车所使用的都是斜盘式压缩机。因为其体积小、质量轻，易于在狭小的发动机室内安装排布，所以广为使用。
3.4 电控离合器
压缩机的旋转轴是通过磁性离合器及皮带与发动机曲轴相连取得动力的。当装在蒸发器出风口的传感器感知出风的温度不够低时，它就会通过电路使压缩机的磁性离合器闭合，这样压缩机随发动机运转，实现制冷。而当出风温度低于设定的温度，它则控制磁性离合器切离，这样压缩机不工作。如果这一控制失灵，那么压缩机将不断工作，使蒸发器结冰造成管道压力超标，最终破坏系统甚至造成损坏。
3.5 贮液干燥器
在载重汽车的空调系统中，冷凝器的出口，一般都装有储液罐，又叫储液干燥器，实际上是一个贮存制冷剂及吸收制冷剂水分、杂质的装置。一方面，它相当于汽车的油箱，为泄露制冷剂多出的空间补充制冷剂。另一方面，它又像空气滤清器那样，过滤掉制冷剂中掺杂的杂质。贮液干燥器中还装有一定的硅胶物质，起到吸收水分的作用。
视液镜也叫观察窗，就象水管上的水表，其功用是在加注制冷剂的观察制冷剂加注量是否到位，也用来判断载重汽车空调系统不足是否是由制冷剂泄露导致制冷剂减少而引起的。它一般安装在储液干燥器上。
3.6 壳体总成
一般分为上、中、下或左、右两个壳体，一般都由PP+20%玻璃纤维增强或PP+TD40注塑而成，其外形要适应各类车型特点，结构紧凑、设计合理，且能较好地保护内部空调核心部件的稳定正常运转。
3.7 管路
汽车空调的管路分为高压管路、低压管路和风道、出风口等。高压侧包括压缩机输出侧、高压管路、冷凝器、贮液干燥器和液体管路；低压侧包括蒸发器、回气管路、压缩机输入侧和压缩机机油池。高压管路一般为金属材料，低压管路为胶管，风道、出风口则是PE吹塑或其它塑料材料注塑而成。
图6：重卡暖风机、空调出风口、风道
3.8 制冷剂
制冷剂是制冷过程中完成制冷循环的工作物质。空调制冷中主要是采用卤代烃制冷剂，其中不含氢原子的称为氯氟烃（CFC），含氢原子的称为氢氯氟烃（HCFC），不含氯原子的称为氢氟烃（HFC）。空调制冷剂对大气环境的影响主要有两个方面，一是对大气臭氧层的破坏，另一方面是使全球气候变暖的温室效应。目前大部分汽车上用的制冷剂都是R-134a，R-134a是一种新型环保制冷剂，具有无毒、无色、不燃不爆、热稳定性好等性质，更重要的是R-134a制冷剂不损害臭氧层。
在蒙特利尔协议书签订以前，汽车空调系统多数使用CFCl2作为制冷剂。CFCl2是非常理想的制冷剂，它的沸点和摩尔质量分别是：-29.79℃和120.93kg/kmol，但它的ODP值较高，根据蒙特利尔协议书，CFC12是一级被禁制冷剂。
为了寻找新的冷媒来代替CFC类物质，空调行业已经作了广泛的研究，做了大量的努力去寻找ODP值为零的新工质。在这些研究中，由杜邦公司开发的制冷剂HFC134a被成功的应用到制冷行业里。制冷剂HFC134a的主要特点是：不含氯原子；具有良好的安全性能；物理性能与CFCl2比较接近，所以制冷系统的改型比较容易；传热性能比CFCl2好，制冷剂的用量可大大减少。HFC134a和CFCl2有相近的蒸发压力并且ODP值为零，GWP值仅0.29，且无明显毒性（长期慢性毒性试验仍在进行中），目前全球生产的HFC134a制冷剂中50%用于汽车空调，由于汽车空调的特殊工况，一般情况下海两年就要加注一次制冷剂。
根据欧盟已通过的含氟温室气体控制法规的要求，自2017年1月1日起，欧盟将禁止新生产的汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂，由于现在使用的HFC134a的GWP值为1300，故将被禁用；在2011年1月1日至2017年1月1日的6年间，在用汽车空调将按比例逐步淘汰GWP值大于150的制冷剂；自2017年1月1日起，将禁止所有汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂。因而，汽车空调使用低GWP值的制冷剂成为趋势和必然，CO2、碳氢化合物、HFC152a以及一些可作为汽车空调制冷剂的混合物成为研究热点。
HOWO- A7空调的特点
HOWO-A7空调是中国重汽最新开发的新一代重卡汽车空调。其外形美观大方，结构紧凑，系统各项功能匀由各转向器控制，是一款行业先进的电动数字化空调。
◆壳体材料采用PP+TD40，其中40%滑石粉的加入可明显提高PP材料的强度和模量大幅度提高，冲击强度明显改善。
◆核心部件如:散热器、蒸发器全部由德国BEHR公司生产, 散热器、蒸发器全部采用铝制材料，有着体积小、重量轻、性能高等优点。
◆采用了高性能的鼓风机，风量可高达600m3/h，比普通HOWO风量提升了20%。
◆将风门、密封条设计成一体，使风门整体设计造型美观、柔和，富有美感，无表面缺陷。弥补了现有循环、模式风门总成设计技术的不足，不再受密封条、粘接剂的影响。
◆控制系统采用VFD（荧光）显示：采用嵌入微电脑控制，无级调速，具有操作简单，清晰度高、亮度高，无视觉方向影响，控制温度精度高（精度可达到±0.5℃），自动化程度强，受外界环境变化的影响不大等特点。可随机设定温度和风级数，系统可根据温度自行控制空调开关及风级数增减，并具有故障报警功能。
◆A7空调器的密封垫采用了TPO 材料，TPO热塑性聚烯烃弹性体，其性能和柔软性远远超过传统的热塑性聚烯烃，可加工性和物理性质也超过许多其他热塑性弹性体。可加工性特别优异，而且从硬度范围和制造工艺的角度看，是一种多用途的优秀材料。可加工性更好，硬度值从个位数到90和更高。另一个优点是在美观方面，产品表面光滑，TPO 同时具有耐老化、耐腐蚀、耐辐射、阻燃、均衡的物理力学性能和极好的尺寸稳定性。特别适合用于汽车内饰暖风密封垫、固定垫。同时在下壳体凹槽处增加涂抹TPO硅油工艺，解决了装配过程中TPO减振密封垫安装困难的问题。
◆散热器与水管连接采用新型固定插销连接，取代了以往的螺栓连接，操作简便灵活，密封性好。
HOWO-A7空调经德国BEHR公司试验测试: 在吹脚状态下A7比HOWO放热量提升44%；在除霜状态下A7比HOWO放热量提升24%；制冷量A711.7KW比HOWO放热量提升43%。整体性能上远高于HOWO空调器，高于欧洲平均水平。目前在国内处于领先地位。 
HOWO-A7数字化汽车空调
汽车空调的发展方向
汽车空调行业应该朝着更环保、节能、高效、舒适的方向发展。由于汽车内饰技术发展较缓，汽车驾驶室的密封性较差，环保性能也不是很好，必然严重影响空调系统的密封性、经济性和可靠性，所以今后汽车空调的发展方向大都围绕着保护环境、提高效率、节能节材、减轻重量、压缩体积、降低振动与噪声、操作维修简便、安全可靠等几个方向展开，而且汽车空调的发展总是与汽车工业的发展是同步进行的，比如，未来新型空调系统的开发，就必须适应发动机效率的提高（余热量减少），电气化、混合驱动及其它新型零部件使用能导致空调系统特性的新变化。
◆汽车空调作为乘驾舒适度的必要条件之一，成为现代汽车上必不可少的关键部件。目前我国几乎所有的乘用车和大部分的商用车都配置了空调。随着我国汽车产业的高速发展，作为汽车空调核心部件的压缩机，在技术和质量上也取得了长足的进步。压缩机的设计正朝着减少重量和体积、降低噪音和增加振动稳定性的方向发展。目前国外压缩机仍以斜板式、旋叶式和漩涡式压缩机为主,为减少离合器频繁闭合产生的噪音和获得更佳的控制效果，外部控制式变排量压缩机逐渐成为世界车用空调压缩机的主导方向，它具有结构紧凑、重量轻和节省能源的优点。另外,随着世界各国的环保意识的不断加强，电动压缩机也得到了进一步的发展,它能满足混合燃料电池车用空调的需要。
◆近年来随着计算机的普及和电子技术的发展，使得空调系统的控制效果日益完善，空调设备的性能也越来越高，运用这种空调系统能进行全天候的空气调节，集制冷、采暖、通风于一体，在人为设定的最佳温度、湿度及风量的情况下，该系统可根据车内人员数量和其它情况的变化进行多档位、多模式的调整，从而设定最佳值，使车内始终保持舒适的人工气候环境；同时还可以进行故障自动诊断和数字显示等功能。
◆高效节能，向小型轻量化方向发展。要进一步降低空调装置的整体重量和外形尺寸，必须提高各组成装置的结构紧凑度和效率。为此各国正致力于改进各部件的结构、完善各部件的制造工艺、改进空调装置的布局，提高空调装置的性能。因此结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、节省动力、噪声低、工作可靠、启动性能好的变排量汽车空调将会应运而生。
◆随着世界上能源紧缺形式的日趋严重，国家对工业产品节能、环保的要求日趋严格，一些符合节能、环保要求的新型汽车空调压缩机得到人们的青睐。发展绿色制冷剂是大势所趋，符合环保要求的新型制冷剂的应用，也将成为制冷压缩机行业的一个热点问题。其中二氧化碳等一些新型环保制冷剂得以应用和发展。空调压缩机是空调系统的核心部件，其功能是借助外力维持制冷剂在制冷系统内的循环，吸入来自蒸发器的低温、低压的制冷器蒸汽，压缩制冷剂蒸汽使其温度和压力升高，并将制冷剂蒸汽送往冷凝器，在热量吸收和释放过程中，实现热交换。也就是说，压缩机的能力和特征决定了制冷系统的能力和特征。传统氟利昂系列的制冷剂产生温室效应，破坏大气臭氧层。基于环保要求，在国内制冷行业中首先掀起了研制新型制冷剂的潮流，随之而来的就是汽车空调行业。近年来，国外一些研究人员关注的热点转向二氧化碳作为新型制冷剂替代老式制冷剂的应用与推广。二氧化碳将成为车用空调的新型制冷剂。二氧化碳对产生温室效应影响极小，作为制冷剂的二氧化碳主要来自工业废气，其化学特性稳定、不可燃、没有腐蚀性，对人体无害。目前已有装有二氧化碳车用空调系统的奔驰轿车投放市场。但是由于国内二氧化碳空调压缩机技术尚不成熟，还没有得到很好的应用。因此，尽快使先进技术进入市场，形成先期优势，是我国汽车空调企业亟待解决的问题。
◆未来新型空调系统的开发必须与汽车开发同步，以适应新的变化 ：如发动机效率提高、电气化、混合驱动动力及其它新型零部件使用后导致空调系统特性的变化，汽车动力的更新和新技术的应用，对汽车空调系统提出了新的挑战，也给许多新技术的应用创造了机会。对于新一代的环保型汽车,如电动、混合动力、燃料电池和其它的低排放车辆,由于本身动力远小于传统动力车辆,能够提给空调系统的动力极为有限。拥有一套节能高效、性能可靠的空调系统对开拓市场至关重要。一方面汽车电气化日益加强新型的电子元件如加热座椅、娱乐系统、电子导航等在汽车上的应用日渐广泛,为了适应这些技术,汽车生产商正在拟转向42～48V系统。采用高电压系统后有可能去除皮带驱动的系统,如发电机、空调压缩机、水泵及动力转向泵等。这使在汽车空调系统中应用全封闭压缩机成为可能，并且只要发动机舱内靠近仪表盘的部分在足够的空间,就有可能用金属管代替软管，从而大大降低制冷剂泄漏 ；二是新的零部件技术可减少空调或采暖负荷增强车身隔热、改进门封结构、玻璃镀层和其它新技术的应用都可减少车室热负荷，从而减少用于空调或采暖的能耗而减少温室气体排放。
随着我国经济的稳步增长，人们对汽车乘驾舒适性的要求有了更高的标准，我国汽车空调行业正在进入新的发展阶段。 (end)
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(8/11/2009) |
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