汽車空調(diào)潤滑油最佳加注量試驗方法研究

陳江艷，楊 誠

（1.重慶大學 汽車工程學院，重慶 400030；2.重慶超力高科技股份有限公司，重慶 401122）

0 引言

汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷凝器、管路等核心零部件組成，是構建汽車乘員艙良好氣候環(huán)境、保障駕乘舒適性的重要零部件，也是汽車主要耗能單元之一，對新能源汽車續(xù)航里程影響尤為明顯［1-2］。在國家節(jié)能減排大背景下，以降低能耗、提升效率為目標的“高效空調(diào)”概念應運而生，成為汽車空調(diào)行業(yè)當前主要研究課題之一。

實現(xiàn)“高效空調(diào)”，當前主要技術途徑有采用高效壓縮機、高效換熱器、同軸管技術以及系統(tǒng)匹配優(yōu)化等。其中，系統(tǒng)匹配優(yōu)化措施具備低成本、短周期、無風險、廣適用等優(yōu)點，廣受汽車及零部件廠商青睞。一些研究成果表明［3-7］，潤滑油對空調(diào)系統(tǒng)換熱性能有顯著影響，當系統(tǒng)含油量較少時，壓縮機質(zhì)量流量增加，蒸發(fā)器和冷凝器換熱性能增強；當系統(tǒng)含油量過多時，壓縮機功耗增加，實際排氣量減少，蒸發(fā)器、冷凝器換熱能力降低，制冷量減小。此外，潤滑油還顯著影響壓縮機耐久可靠性，機體內(nèi)潤滑油過少，將導致壓縮機內(nèi)部零部件磨損加劇、機體溫度升高，2～5 h 就會出現(xiàn)卡死損壞故障［8］，極大的降低客戶用車體驗，影響整車品牌聲譽。部分學者［9-15］深入研究發(fā)現(xiàn)，壓縮機結構、空調(diào)兩器大小、管路長度及走向、制冷劑加注量、潤滑油種類、工作狀態(tài)等因素會顯著影響潤滑油的回油情況，并指出合理設計零部件改善系統(tǒng)回油性能、選擇合適的潤滑油及加注量是系統(tǒng)優(yōu)化匹配、提高效率和可靠性的主要舉措。

當前，潤滑油加注量通常由壓縮機生產(chǎn)廠商根據(jù)經(jīng)驗值給定，同型號壓縮機加注相同油量，未區(qū)分系統(tǒng)差異。針對不同汽車空調(diào)系統(tǒng)，還沒有統(tǒng)一可實施的試驗方法來確定其潤滑油最佳加注量。由于不同汽車空調(diào)系統(tǒng)的兩器大小、管路長短、走向等存在差異，必然存在潤滑油加多或加少情況，將直接影響空調(diào)系統(tǒng)換熱效率和壓縮機耐久可靠性。本文對汽車空調(diào)壓縮機結構形式、工作原理以及潤滑油種類、作用機理進行分析總結，據(jù)此探索實踐一種廣泛適用的標定潤滑油最佳加注量的試驗方法，以提升空調(diào)系統(tǒng)換熱效率，降低壓縮機故障率。

1 汽車空調(diào)壓縮機結構及工作原理

汽車空調(diào)壓縮機主要結構形式有活塞、旋葉、渦旋3 種。

1.1 活塞壓縮機結構及工作原理

活塞壓縮機屬于第二代壓縮機，有斜盤式、搖擺式兩種結構形式，其搖擺式的活塞運動為單向作用，而斜盤式的屬于雙向作用。以斜盤式壓縮機為例，其核心零部件主要有主軸、斜盤、活塞、氣缸、鋼球等，如圖1 所示。

圖1 活塞壓縮機核心零部件

其工作原理：主軸帶動斜盤轉(zhuǎn)動，斜盤驅(qū)動活塞作軸向移動，活塞在前后布置的氣缸中同時做軸向運動，斜盤轉(zhuǎn)動一周，活塞兩端各完成吸氣、壓縮、排氣循環(huán)一次。

1.2 旋葉式壓縮機結構及工作原理

旋葉式壓縮機屬于第三代壓縮機，其結構以3 葉式、5 葉式為主。以某5 葉式旋葉壓縮機為例，其核心零部件有轉(zhuǎn)子、葉片、氣缸、端板等，如圖2所示。

圖2 旋葉壓縮機核心零部件

其工作原理：轉(zhuǎn)子在缸體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，葉片在油壓及離心力作用下滑出，緊貼氣缸內(nèi)壁，形成若干封閉的月牙形容積腔，并通過氣缸上的吸、排氣口實現(xiàn)壓縮機吸氣、壓縮、排氣工作過程。

1.3 渦旋壓縮機結構及工作原理

渦旋式壓縮機屬于第四代壓縮機，主要有動靜式和雙公轉(zhuǎn)式2 種結構形式。動靜式渦旋結構應用最為普遍，其核心零部件有動渦盤、靜渦盤等，如圖3 所示。

圖3 渦旋壓縮機核心零部件

其工作原理：動渦盤與靜渦盤組合形成數(shù)對月牙形容積腔，隨著偏心軸轉(zhuǎn)動，外圈形成的月牙容積腔不斷向中心推移，容積縮小，容積腔里的氣體被壓縮直至到達靜窩盤中心從排氣孔口排出，由此實現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣過程。

2 潤滑油種類、作用及選用原則

汽車空調(diào)壓縮機所用潤滑油又稱冷凍油，大類分為礦物油、合成油。合成油主要包括POE、PAG 兩類。根據(jù)潤滑油粘度等參數(shù)，可進一步細分為不同牌號。該潤滑油需要與制冷劑有良好的互溶性，有適宜的黏度、閃點、傾點，極好的黏溫性能、抗乳化性能、抗泡性能、氧化安定性能，還需要具備積炭傾向性小、不腐蝕空調(diào)系統(tǒng)零部件且防腐蝕性好等要求。

在壓縮機運轉(zhuǎn)過程中，其潤滑油主要有潤滑、密封和冷卻等3 個作用。此外，潤滑油還在部分壓縮機結構中參與工作，如在旋葉式壓縮機內(nèi)部作為滑動軸承支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，作為壓力傳遞介質(zhì)傳遞能量驅(qū)動葉片甩出等。

為保證空調(diào)系統(tǒng)及壓縮機可靠運行，選擇相匹配的潤滑油主要參考以下2 個方面：

（1）制冷劑種類。礦物油用于R12 制冷劑（因破壞大氣臭氧層已被淘汰）。當前主要使用的R134a、R1234yf 制冷劑，需配套使用合成潤 滑油。

（2）壓縮機結構形式。電動汽車空調(diào)壓縮機潤滑油需考慮腐蝕性、吸水性，常用POE68 潤滑油。旋葉壓縮機潤滑油黏度要求較高，常用PAG100 潤滑油；而渦旋壓縮機、活塞壓縮機所用潤滑油粘度較低，常用PAG46、PAG68 等牌號潤滑油。

3 潤滑油最佳加注量試驗方法研究

3.1 試驗方法理論依據(jù)

排氣溫度是壓縮機工作過程中一個極為重要的參數(shù)。排氣溫度過高，將會產(chǎn)生密封橡膠老化、摩擦面過熱、潤滑油碳化、黏度降低、潤滑性能下降等問題，嚴重影響壓縮機的可靠性。

理論上，根據(jù)絕熱過程方程式［16］：

式中 Td——排氣溫度；

Ts——吸氣溫度；

Pd——排氣壓力；

Ps——吸氣壓力；

n ——絕熱指數(shù)；

Cp——定壓比熱容；

Cv——定容比熱容。

壓縮機排氣溫度Td與吸氣溫度Ts、吸氣壓力Ps、排氣壓力Pd、絕熱指數(shù)n 有關。在實際運行中，壓縮機排氣端的熱能除了來自吸入制冷劑攜帶的熱能和壓縮制冷劑做功產(chǎn)生的熱能以外，還包括運動零部件摩擦和制冷劑內(nèi)泄漏產(chǎn)生的額外 熱能。

壓縮機潤滑油主要作用包括潤滑、密封、冷卻等，其加注量將直接影響壓縮機內(nèi)部零部件運行狀態(tài)，可決定零部件摩擦和制冷劑內(nèi)泄漏產(chǎn)生額外熱能的多少。因此，針對同一系統(tǒng)相同運行工況，隨著潤滑油加注油量逐漸增加，壓縮機排氣溫度將逐漸降低并最終趨于平穩(wěn)。監(jiān)控排氣溫度曲線變化，可得到該空調(diào)系統(tǒng)最佳的潤滑油加注 油量。

3.2 潤滑油最佳加注量試驗工況提取

3.2.1 實車工況分析

分析汽車空調(diào)系統(tǒng)實車運行條件，主要有2種極限工作狀態(tài)：

（1）高溫環(huán)境下，汽車靜止怠速狀態(tài)。整車沒有迎面風，冷凝器主要靠冷凝風扇散熱冷卻，系統(tǒng)壓力高；而壓縮機處于最低轉(zhuǎn)速，制冷劑流量低，系統(tǒng)回油受到影響。此時空調(diào)系統(tǒng)吸 氣壓力大致為0.3～0.4 MPa，排氣壓力大致為2.5～ 3.0 MPa。

（2）高溫環(huán)境下，汽車高速行駛狀態(tài)。壓縮機處于最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，制冷劑流量大，流速快，潤滑油將被大量排出，若回油不及時，易出現(xiàn)缺油，造成壓縮機卡死等故障。此時吸氣壓力大致為0.2～0.3 MPa，排氣壓力大致為2.0～2.5 MPa。

此外，在上/下坡及左右傾斜路況，壓縮機隨車輛傾斜，潤滑油不能保持在原有位置，將影響其正常潤滑。因此，不同結構壓縮機需設置不同的最低油量要求，以保證極限狀態(tài)下的潤滑需求。

3.2.2 臺架試驗工況提取

為滿足試驗臺架評價需要，基于實車運行極限狀態(tài)，可提取低速高負荷、高速高負荷兩種極限試驗工況，如表1 所示。

表1 極限試驗工況

3.3 潤滑油最佳加注量試驗方法設計

潤滑油最佳加注量試驗流程如圖4 所示。設計思路：基于分析汽車空調(diào)系統(tǒng)實際工作狀態(tài)，提取壓縮機低速高負荷和高速高負荷2 種極限工況，通過搭建實車空調(diào)系統(tǒng)臺架進行模擬，監(jiān)控記錄不同潤滑油加注量下壓縮機吸、排氣溫度及壓縮機重量數(shù)據(jù)，并根據(jù)吸、排氣溫度及壓縮機重量變化趨勢確定最適合的加注油量。

圖4 試驗流程

通過臺架試驗的方式實現(xiàn)潤滑油最佳加注量精準快速標定目的，保證空調(diào)壓縮機耐久可靠性，提高系統(tǒng)制冷效率。試驗臺架需能夠控制壓縮機轉(zhuǎn)速、蒸發(fā)器和冷凝器風速，并監(jiān)控壓縮機吸、排氣壓力及吸、排氣溫度。

4 潤滑油最佳加注量試驗方法實踐

針對某新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)，筆者根據(jù)上述標定潤滑油最佳加注量試驗方法進行實踐。該空調(diào)為單蒸系統(tǒng)，其壓縮機為渦旋結構，最低轉(zhuǎn)速 1 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min，潤滑油采用POE68，密度為0.967g/mL。

4.1 試驗設備及樣件準備

試驗主要設備包括實車空調(diào)系統(tǒng)控制臺、溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電子秤及量杯等，其功能及精度見表2。

表2 試驗設備功能及精度

試驗樣件包括壓縮機、蒸發(fā)器（帶膨脹閥）芯體、冷凝器芯體、全套管路，均為全新狀態(tài)，未加注潤滑油。

4.2 試驗過程簡述

按照試驗流程，首先對各零部件稱重并記錄初始質(zhì)量。

壓縮機無油狀態(tài)重5 944 g（60 mL 潤滑油），蒸發(fā)器芯體1 041 g，冷凝器芯體1 470 g，排氣管245 g，吸氣管481 g，高壓液體管110 g。

根據(jù)經(jīng)驗，該空調(diào)系統(tǒng)初始潤滑油加注量設定為60 mL。將各零部件搭建到實車空調(diào)系統(tǒng)控制臺架上，見圖5。

圖5 試車統(tǒng)調(diào)系統(tǒng)框圖

由于管路結構限制，本套系統(tǒng)蒸發(fā)器芯體放入HVAC 空調(diào)總成中進行風量控制。按預設試驗流程進行低速高負荷、高速高負荷工況測試記錄，并按照每次10 mL 的油量遞增，循環(huán)進行試驗，直至壓縮機排氣溫度穩(wěn)定，不再明顯降低為止。在系統(tǒng)拆裝過程中，需避免潤滑油滴漏損失。制冷劑回收需等待壓力平衡后再緩慢進行，防止?jié)櫥捅恢评鋭ё摺?/p>

4.3 試驗結果及評判

整理匯總上述試驗過程記錄的吸、排氣溫度及壓縮機儲油量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)處理，可得到該空調(diào)系統(tǒng)的吸、排氣溫度及壓縮機儲油量變化曲線，如圖6 所示。

圖6 吸、排氣溫度及壓縮機儲油量曲線

由圖6 中曲線變化趨勢可知，當潤滑油加注量為110 mL 時，排氣溫度變化趨于平穩(wěn)，壓縮機儲油量達52 g，已經(jīng)滿足該壓縮機機體內(nèi)部最低潤滑油量50 g 需求。根據(jù)潤滑油加注量標定試驗的評判標準，同時考慮裝機過程中可能的損耗，確保空調(diào)系統(tǒng)運行的安全性，預留一定的富余量，本系統(tǒng)標定宜確定為120 mL。

為進一步確認加注120 mL潤滑油時系統(tǒng)中潤滑油分布情況，重新將系統(tǒng)油量調(diào)整為120 mL， 運行低速高負荷和高速高負荷2 種極限工況，然后停機，待壓力平衡后，緩慢回收制冷劑，拆下各零部件。

其中，壓縮機6 000 g，蒸發(fā)器芯體1 063 g，冷凝器芯體1 496 g，排氣管249 g，吸氣管496 g，高壓液體管111 g。整理分析試驗前后零部件質(zhì)量差異，可得該空調(diào)系統(tǒng)潤滑油分布數(shù)據(jù)見表3。

表3 空調(diào)系統(tǒng)潤滑油分布

由表3 統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，潤滑油主要分布在壓縮機、冷凝器芯體、蒸發(fā)器芯體中，分別約占總油量49%、23%、19%，管路中主要為管壁殘留，油量較少，占總油量約9%。此外，試驗后空調(diào)系統(tǒng)零部件總儲油量為114 g，而加注120 ml 潤滑油重約116 g，油量減少2 g。出現(xiàn)油量減少的原因主要有電子秤精度不夠產(chǎn)生累計誤差、潤滑油溶入制冷劑被回收和空調(diào)系統(tǒng)零部件拆裝過程中滴漏等3 個方面。

根據(jù)潤滑油的分布試驗結果，考慮拆裝滴漏及制冷劑回收過程中損失的潤滑油量5～10 mL，在售后維修更換該空調(diào)系統(tǒng)各零部件時，需補充潤滑油油量可參考如下：

（1）更換蒸發(fā)器芯體總成，潤滑油補充量為30 mL；更換冷凝器芯體，潤滑油補充量為35 mL；更換吸、排氣管路時，潤滑油補充量為15 ml；更換高壓液體管時，潤滑油補充量為10 mL。

（2）重新充注制冷劑時，潤滑油補充量為 10 mL，若只是補充少量制冷劑可不補充潤滑油。

（3）更換壓縮機時，由于一般新壓縮機含有整個系統(tǒng)所需的120 mL 潤滑油，因此需要從新壓縮機減少50 mL 潤滑油。

5 結語

文中提出的汽車空調(diào)系統(tǒng)潤滑油最佳加注量試驗方法可廣泛適用于傳統(tǒng)汽車和新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)，兼顧了汽車空調(diào)壓縮機可靠性和汽車空調(diào)系統(tǒng)換熱效率。同時，根據(jù)試驗后統(tǒng)計的潤滑油分布數(shù)據(jù)，可以精準確定該汽車空調(diào)系統(tǒng)在售后維修時潤滑油的補充量，進一步保障其售后市場的可靠性和換熱效率。

該試驗需多次回收制冷劑并拆裝壓縮機稱重及加注潤滑油，易造成潤滑油的損失而影響試驗結果準確性，有待進一步優(yōu)化。通過制作專用工裝設備實現(xiàn)潤滑油在線加注以及壓縮機機體儲油量的實時監(jiān)控測量，可減少試驗拆裝過程帶來的測試偏差，從而進一步提高試驗精度，為廣大汽車及零部件企業(yè)提供可靠的空調(diào)潤滑油加注依據(jù)。