汽車空調(diào)系統(tǒng)改進試驗研究

黃志春 公茂兵

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

1 前言

在對某型汽車進行濕熱地區(qū)適應(yīng)性試驗過程中，駕駛員反饋，該車在初始運行時空調(diào)系統(tǒng)制冷效果良好，但運行一段時間后制冷效果逐漸變差，儀表板出風(fēng)口風(fēng)量變小，明顯感覺駕駛室內(nèi)溫度升高，當(dāng)汽車熄火、空調(diào)系統(tǒng)停止工作3～5 h后重新起動車輛，空調(diào)系統(tǒng)又恢復(fù)正常工作。針對上述問題，對該車進行了整車降溫試驗及熱成像試驗，確定了導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)制冷效果不佳的原因，并提出了改進措施。

2 空調(diào)系統(tǒng)工作原理

該車空調(diào)系統(tǒng)（圖1）由制冷系統(tǒng)、暖風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)及控制系統(tǒng)構(gòu)成，主要零部件包括空調(diào)總成（加熱器總成、制冷器總成、風(fēng)機總成等）、操縱機構(gòu)總成、風(fēng)道總成、后暖風(fēng)總成、冷氣壓縮機總成、冷凝器總成及暖氣水管和輸氟導(dǎo)管等。制冷系統(tǒng)工作時，冷氣壓縮機吸入蒸發(fā)器出口處的低溫低壓制冷劑氣體，將其壓縮成高溫高壓氣體排出壓縮機；高溫高壓制冷劑氣體進入冷凝器，由于壓力及溫度的降低，制冷劑氣體冷凝成液體并放出大量的熱；溫度和壓力較高的制冷劑液體通過膨脹裝置后體積變大，壓力和溫度急劇下降，以霧狀（細小液滴）排出膨脹裝置；霧狀制冷劑液體進入蒸發(fā)器，此時制冷劑沸點遠低于蒸發(fā)器內(nèi)溫度，故制冷劑液體蒸發(fā)成氣體；氣體在蒸發(fā)過程中吸收周圍大量的熱量，變成低溫低壓的蒸氣又回到壓縮機。

3 制冷效果不佳原因分析

3.1 常規(guī)檢查

根據(jù)駕駛員的反饋信息，對空調(diào)系統(tǒng)進行了常規(guī)檢查，排除了制冷劑泄漏、部件失效等常見故障。

3.2 整車降溫試驗

按照QC/T 658—2009《汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能道路試驗方法》中“5.1.1降溫性能試驗”項目，布置傳感器進行整車降溫試驗，試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可看出，空調(diào)系統(tǒng)在初始運行的0～20 min內(nèi)，駕駛室內(nèi)平均溫度由50.2℃降為25.2℃。運行20 min后，駕駛室內(nèi)平均溫度逐漸升高，且隨時間的延長駕駛室內(nèi)平均溫度不斷升高，最高達到36.1℃，與駕駛員反饋情況基本符合。整個測試過程中，冷凝器進出口溫度并未發(fā)生異常變化，蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度變化較小，維持在11～15℃，但是蒸發(fā)器出風(fēng)口的出風(fēng)量明顯變小。試驗結(jié)束后，馬上打開防護板觀察蒸發(fā)器狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器已經(jīng)結(jié)霜。綜合常規(guī)檢查結(jié)果可判定，該蒸發(fā)器逐漸結(jié)霜是空調(diào)制冷效果逐漸不佳的主要原因。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)臺架熱成像試驗

針對蒸發(fā)器出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象，對蒸發(fā)器進行了熱成像試驗，試驗方法為：在試驗臺架上使空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)工作，直到蒸發(fā)器表面開始結(jié)霜。蒸發(fā)器表面熱成像分布結(jié)果見圖3。試驗時為盡量模擬實際的吸氣方式，在蒸發(fā)器出風(fēng)側(cè)設(shè)置風(fēng)機，由于蒸發(fā)器與風(fēng)機間距小，無法測量蒸發(fā)器出風(fēng)側(cè)的熱成像分布，因此，熱成像試驗結(jié)果為蒸發(fā)器進風(fēng)側(cè)熱成像分布。

3.4 空調(diào)系統(tǒng)臺架熱成像試驗結(jié)果分析

3.4.1 蒸發(fā)器溫度分布

從圖3可看出，蒸發(fā)器左側(cè)溫度最低值約為12℃，右側(cè)溫度最低值約為0.5℃，左、右相差約11℃，說明蒸發(fā)器進風(fēng)側(cè)的表面溫度不均勻，蒸發(fā)器本體的利用率低。這是由于蒸發(fā)器右側(cè)位置距制冷劑進、出口位置較近，制冷劑流動時首先在其進、出口位置開始進行熱量交換，遠離此位置處的蒸發(fā)器內(nèi)部管路流經(jīng)的制冷劑較少，這樣就造成了蒸發(fā)器左、右側(cè)溫度分布不均的現(xiàn)象，使蒸發(fā)器表面出風(fēng)側(cè)靠近制冷劑進、出管路接口端結(jié)霜，逐漸擴散至全表面。

3.4.2 蒸發(fā)器表面溫度傳感器橫向測點分析

蒸發(fā)器表面溫度傳感器原布置位置為蒸發(fā)器表面對角線交點處（圖4），根據(jù)熱成像試驗表明，此溫度測量位置并非最低溫度測量點，即蒸發(fā)器表面溫度傳感器橫向測點布置不合理，這也導(dǎo)致了蒸發(fā)器表面結(jié)霜。

當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度傳感器布置不合理時，溫度控制系統(tǒng)不能根據(jù)蒸發(fā)器表面溫度情況準(zhǔn)確調(diào)控冷氣壓縮機工作狀態(tài)，導(dǎo)致冷氣壓縮機長時間工作，引起蒸發(fā)器表面逐漸結(jié)霜而形成冰層。蒸發(fā)器溫度傳感器主要用來測量蒸發(fā)器翅片內(nèi)部的溫度，并結(jié)合放大器和控制系統(tǒng)來控制空調(diào)冷氣壓縮機的工作。當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度低于一定值時，控制系統(tǒng)控制冷氣壓縮機停止工作，以防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜。由于蒸發(fā)器表面溫度不均勻，傳感器未監(jiān)測到蒸發(fā)器翅片的正確溫度，監(jiān)測到的溫度數(shù)值偏高，冷氣壓縮機一直運轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器表面溫度最低點區(qū)域逐漸結(jié)霜，使蒸發(fā)器的出風(fēng)面積減小，導(dǎo)致儀表板出風(fēng)口的風(fēng)量越來越少，而停車一段時間后，蒸發(fā)器表面的結(jié)霜逐漸融化，空調(diào)系統(tǒng)又恢復(fù)正常。

3.4.3 蒸發(fā)器表面溫度傳感器縱向測點分析

傳感器長度為45 mm，有效測量長度為40 mm，而蒸發(fā)器芯體厚度為60 mm。傳感器自蒸發(fā)器出風(fēng)側(cè)插入迎風(fēng)側(cè)，傳感器感溫點插入蒸發(fā)器芯體后位于迎風(fēng)側(cè)一面，而出風(fēng)側(cè)溫度低于迎風(fēng)側(cè)溫度，因此測量點溫度高于蒸發(fā)器表面溫度。由于放大器控制溫度斷通的設(shè)計值為0～3.5℃，斷通溫度點的依據(jù)為蒸發(fā)器表面溫度，并非蒸發(fā)器內(nèi)部溫度，故當(dāng)傳感器達到感溫點斷開時，出風(fēng)側(cè)已經(jīng)低于感溫點溫度而開始結(jié)霜。因此，蒸發(fā)器表面溫度傳感器縱向測點不合理，即傳感器過長也導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)霜。

由上述可知，影響空調(diào)系統(tǒng)制冷效果不佳的主要原因為：蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑流道方向不合理；蒸發(fā)器表面溫度傳感器橫向布置位置和縱向布置位置不合理。

4 解決措施

4.1 優(yōu)化蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑流道方向

為解決蒸發(fā)器表面左、右側(cè)溫度不均勻問題，調(diào)整了蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑流道方向，由原來的制冷劑由前側(cè)多管路向上流至后側(cè)多管路再向下流的流動方式，更改為蛇形1條管道流動方式，如圖5所示，這樣可使制冷劑在蒸發(fā)器芯體內(nèi)部全流通，有效提高蒸發(fā)器本體的利用率。

4.2 調(diào)整蒸發(fā)器表面溫度傳感器橫向布置位置

為防止蒸發(fā)器表面局部結(jié)霜，使表面溫度傳感器可準(zhǔn)確測量蒸發(fā)器表面的最低溫度位置區(qū)域，在空調(diào)系統(tǒng)試驗臺架上對改進制冷劑流道方向后的蒸發(fā)器芯體進行了熱成像試驗，測點分布見圖6，試驗結(jié)果見表1。

表1 蒸發(fā)器表面溫度測量結(jié)果 ℃

由表1可知，溫度區(qū)域11處的溫度最高，因而溫度傳感器測量位置應(yīng)選擇為溫度區(qū)域11處。因此，蒸發(fā)器表面溫度傳感器橫向位置調(diào)整為：蒸發(fā)器芯體從左至右第13排翅片，從下至上65 mm處，傳感器露出蒸發(fā)器芯體表面10 mm。溫度傳感器布置位置見圖7。

4.3 更改放大器溫度傳感器通值

由于傳感器需要進行固定，而插接式固定較可靠、簡單和方便，因此傳感器長度不宜過短。為解決蒸發(fā)器表面溫度傳感器過長而導(dǎo)致的橫向測量位置不合理問題，通過外接熱電偶表面溫度傳感器和熱電偶鎧裝傳感器進行測量試驗，傳感器布置情況見圖8，試驗結(jié)果見表2。由表2可知，在原傳感器位置測量的溫度值與表面溫度值相差約2.0℃。為此，將放大器溫度傳感器通值由3.5℃升至5.5℃，這樣可補償由于傳感器過長造成的測量蒸發(fā)器表面溫度偏離正常值的問題。

表2 蒸發(fā)器表面溫度測量結(jié)果 ℃

5 試驗驗證

5.1 臺架熱成像試驗

在空調(diào)系統(tǒng)試驗臺架上對改進后的蒸發(fā)器進行了熱成像試驗，試驗結(jié)果見圖9。由圖9可看出，蒸發(fā)器表面左、右側(cè)溫度均衡，無溫度分布不均現(xiàn)象。

5.2 空調(diào)系統(tǒng)管路壓力測量試驗

實施改進措施后，按照 QC/T 658—2009《汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能道路試驗方法》中“5.4”項目要求進行了空調(diào)系統(tǒng)管路壓力測量試驗，試驗結(jié)果見表3。由表3可知，空調(diào)高壓、低壓管路壓力正常。

表3 空調(diào)制冷系統(tǒng)壓力試驗結(jié)果

5.3 整車降溫試驗

實施改進措施后，按照QC/T 658—2009《汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能道路試驗方法》中“5.1”項目要求進行了整車降溫測量試驗，試驗結(jié)果見表4和圖10。由試驗結(jié)果可知，駕駛室內(nèi)部溫度得到了有效降低，溫度趨于正常，制冷效果良好。試驗結(jié)束后，經(jīng)檢查蒸發(fā)器芯體未發(fā)現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。

表4 實施改進措施前、后駕駛室頭部平均溫度測量結(jié)果

6 結(jié)束語

針對某型汽車出現(xiàn)的空調(diào)系統(tǒng)制冷效果不佳問題，對其進行了整車降溫試驗及熱成像試驗，找出了導(dǎo)致制冷效果不佳的主要原因。通過對該車空調(diào)系統(tǒng)采取優(yōu)化蒸發(fā)器內(nèi)部管道流向、調(diào)整蒸發(fā)器表面溫度傳感器橫向位置及更改放大器斷通值范圍等改進措施，解決了該車空調(diào)系統(tǒng)制冷效果不佳問題。可知，整車降溫試驗及熱成像試驗對于空調(diào)系統(tǒng)的故障再現(xiàn)分析起到至關(guān)重要的作用，是產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的有效手段。

1 王功勝.捷達轎車空調(diào)故障檢修工例.汽車技術(shù)，2004（4）：43～44.

2 魯植雄.汽車空調(diào)故障診斷圖解.江蘇：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

3 陳迅曉.QC/T 658—2009《汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能道路試驗方法》.北京：中國計劃出版社，2009.

4 王若平.汽車空調(diào).北京：機械工業(yè)出版社，2007.

5 侯磊，王羽，王崑.現(xiàn)代汽車自動空調(diào)系統(tǒng).汽車技術(shù)，1999（1）：37～39.

6 麻友良.汽車空調(diào)技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2009.

7 范愛民.汽車空調(diào)結(jié)構(gòu)原理與維修.北京：機械工業(yè)出版社，2009.