汽车工程手册：乘员室采暖与冷却

乘员室的空调满足多项任务：

1）保证风窗玻璃的良好视野。

2）为全体乘员创造舒适的气候。

3）为驾驶人创造不易疲劳的环境。

4）防止乘员吸入令人不愉快的气味。

空调不只是创造舒适的车内环境，也为汽车安全行驶作出贡献，因为在舒适的气候环境中驾驶人的注意力要好于在炎热或寒冷的气候环境下的注意力（见6.4.3小节和参考文献[8]）。与安全有关的法规要求车内气候^[9]能保证风窗玻璃上没有雾气和结冰。

在本书6.4.3小节中将就有关舒适性和空调功能的一些问题进行讨论。要实现空调功能，空调设备必须要有充分的热循环和制冷循环。以下就这些循环中的一些部件和它们与汽车的相互作用作一介绍。

汽车空气调节是通过具有一定温度的空气流量实现的，在图3.3-7中用箭头表示空气的流动。空气通过仪表板处的喷口、脚部空间喷口和后座乘员空间喷口进入车内。鼓风机3安装在仪表板后面。在风扇玻璃下面的外部空气靠径流式风扇1经空气滤清器2吸入乘员室，在空调内的空气经蒸发器4冷却并干燥，然后空气在加热器5中加热。

图3.3-7 高档乘用车上的空调设备

1—径流式风扇 2—空气滤清器 3—鼓风机 4—蒸发器 5—加热器

1.加热功能和加热部件

汽车一般利用内燃机余热加热。发动机缸体中流动的一部分冷却液供热循环用，并经设置在空调中的加热器，在加热器中将含在冷却液中的热量传给流入乘员室的空气。

图3.3-8 加热器功率和空气侧压力损失

加热器的工作原理与冷却液散热器相似，冷却液散热器已在3.3.1小节中介绍过。图3.3-8表示在不同冷却液流量时，冷却液加热功率随空气质量流量的变化关系。给定的空气进口温度为-20℃，冷却液进口温度为+80℃。其他情况下的空气进口温度和冷却液间的温度差，则随加热功率的变化也相应变化。

安装在驾驶室内的加热器加热功率做调节，在冷却液侧可通过电脉冲控制阀或连续可调阀（控制冷却液侧的温度）或通过在加热器后的热空气和空调中的冷空气的混合气实现。这时，冷却液全部流过加热器（空气侧的控制详见6.4.3小节）。

供给加热器的热冷却液与发动机当前的工况有关。冷却液的质量流量和温度与发动机转速和负荷有很大关系。在设计冷却液回路时，要注意在汽车所有工作状态能提供乘员室中的加热器的冷却液流量超过600L/h，从而能保证冷却液的热量很好传给空气。如果设计条件在发动机冷却液泵（水泵）的热循环中没有足够多的冷却液质量流量，则要使用附加的电驱动冷却液泵（该泵的典型供液量为100L/h，压力1000mbar），这可防止发动机在怠速时加热功率下降。

提高发动机热效率会导致冷却液中可用的热量不足。在外界空气温度为-20℃时，在稳定状态电加热功率约为7kW（特别是在现代直喷柴油机及未来的汽油机上，废热就不够用），以保证发动机在冷起动后快速加热或达到舒适的车内温度。为解决加热量的不足，有多种加热方案[10]可供选择：主动加热系统，即通过另一个热源，如使用附加的一次能量弥补冷却液的供热与车内所需热量的不足。附加的一次能量可能是：燃料加热器（图3.3-9）或空气侧的电加热（PTC加热，图3.3-10）。表3.3-2是各种加热系统一览表。

图3.3-9 燃料加热器

图3.3-10 PTC采暖设备（Bchr工作图）

表3.3-2 加热系统一览表

图3.3-11 PTC元件的温度-电阻特性线

在参考文献[11，12]中详细比较了各种加热系统。参考文献[13，14]介绍了燃料加热器和附加的电加热系统的新发展。所有的电加热器通过来自发电机的发动机附加负荷都有一个间接的加热作用。直接由电能产生的热量与间接供给冷却液的热量大致相当。

除主动加热系统外，还有被动加热系统，如借助废气传热从废气中回收能量。

2.制冷设备的功能和它的部件

图3.3-12 汽车上制冷循环简图

汽车上的制冷系基于蒸发原理，与冷却箱类似。在蒸发器外部进入乘员室的空气被冷却，同时空气湿度下降，如图3.3-12所示。在蒸发器内部，在制冷介质温度低于环境温度和低压下吸取空气中的热量并蒸发。在压缩机中的制冷介质在较高压力下蒸发。在高于环境温度下，在发动机室、冷却液散热器前的冷凝器的热量传给外部空气，同时制冷介质液化。液态制冷介质进入收集器。收集器储存不同工作状态的制冷介质和在膨胀阀中再次膨胀至低压、低温状态，随后制冷介质又进入蒸发器，制冷循环结束。

不同的膨胀阀对在发动机室的制冷作用有重大影响，静态热力学的膨胀阀，通过调节制冷介质质量流量，在蒸发器出口只有制冷介质蒸气。在各种工况下，除很好利用蒸发器外，还要保护压缩机免受“液态制冷介质的冲击”。在制冷系统中，收集器安装在冷凝器和膨胀阀间的发动机室中。

常用毛细管作为节流装置（节流管）替代静态热力学膨胀阀。由于节流管的断面是不变的，在蒸发器出口还有液态制冷介质。为保护压缩机，在该制冷系统中，从蒸发器到压缩机的制冷介质管路中必须安装一个能分离和储存液态制冷介质的容器。容器容积约为收集器容积的两倍。

冷凝器和发动机冷却系间的相互作用对调整汽车上的整个热量管理特别重要。其一是在设计发动机冷却系时要考虑冷凝器的放热；其二是冷凝器的良好通风对制冷设备的功率和效率是具有决定性作用的。在将制冷设备组合到汽车上时，首先要避免冷却空气回流。目前的冷凝器主要为钎焊的扁管与波纹散热片组成的冷凝器芯子^[15]，如图3.3-13所示。

图3.3-13 带集成收集器的扁管冷凝器（Behr工厂图）

蒸发器安装在空调设备内。在最近几年，由于提高了蒸发器的功率密度，蒸发器的结构厚度约从100mm降至65mm。图3.3-14是这种类型的扁管蒸发器。在冷却热空气时，在蒸发器中分离出空气中的湿气。为此有一个亲水层，以阻止能产生不愉快气味的细菌和微生物生长。

新研发的蒸发器集中在进一步提高功率密度，其厚度减至40mm。汽车空调设备的制冷介质为R134a，它是不能燃烧、无毒的氢氟烃类，它与很多塑料和金属相容。汽车空调用的替代制冷介质，如CO₂（R744）正在研发中（见3.3.2小节）。

为润滑压缩机，在制冷介质中添加质量分数约为10%～20%的机油，这样会损失一些制冷功率。

在每种汽车上的空调设备中，制冷介质的数量是不同的，它主要由携带液态制冷介质的部件内部容积确定。典型值为600～900gR134a。

3.压缩机和制冷功率控制

图3.3-14 扁管蒸发器（Behr工厂图）(www.xing528.com)

制冷设备压缩机由发动机带驱动。驱动功率达6kW的压缩机属较大的、需由发动机提供辅助能量的部件。

在当前的汽车上几乎无例外地采用摆动盘式压缩机。由压缩机曲轴驱动一个斜置的盘，通过斜置盘的摆动运动，使安放在圆形柱塞套中的多个柱塞运动。通过柱塞头部上的文丘利孔完成压缩的气态制冷介质的吸入和排出过程。现代压缩机通过斜置盘相对压缩机曲轴的倾斜程度改变柱塞行程容积，从而调节制冷介质的输送量和压缩机功率。在行程不变（排量不变）的压缩机上，通过电磁离合器周期性地接通、切断压缩机达到功率匹配。在小型发动机上接通压缩机产生的冲击可通过发动机控制予以缓冲。

摆动盘式压缩机的优点为：在低转速范围容积效率高，易于实现功率调节，在调节范围的性能良好。

可调压缩机的发展趋势是采用不变行程容积。在这期间，外部可控压缩机已替代内部进气压力调节的那些压缩机^[17，18]。调节的目标是补偿发动机转速的变化。无离合器工作是外部可控的必要前提。如果断开制冷循环，这时不再用机械方式将压缩机与发动机分开，而是将压缩机调节在零行程位置。此外还可通过外部调节来调整蒸气温度，使压缩机按需要吸收功率。这一措施可减少由制冷循环引起的发动机所消耗的燃料。

4.空调设备的设计

是否需要加热或冷却汽车乘员室取决于汽车方面和气候的边界条件：

（1）汽车方面的边界条件

1）内部装置的质量和热容量以及乘员室的封闭面积。

2）乘员室大小。

3）封闭面隔热情况，如车顶、地板、前围板。

4）汽车外部尺寸、风窗玻璃角度和辐射性能。

5）车内通风和空气流动情况，不密封产生的漏气状况。

6）绕汽车流动的空气随汽车行驶速度而改变外部的传热程度。

（2）空气的边界条件

1）外界空气温度。

2）空气的相对湿度。

3）太阳照射。

设计汽车空调主要要考虑发动机的起动工况，因为起动过程所需的电功率要比正常状态多几倍。汽车空调通常是这样设计的，汽车在较长时间停车后，在发动机起动后较短时间内乘员室温度能达到舒适的温度。在夏天太阳照耀下，车内的空气温度可达70℃。空调设备的设计条件是外界气温40℃，相对湿度40%，太阳照射能量1000W/m²。

图3.3-15 高档乘用车车内空气加热曲线

在冬天，车内温度会冷却到外界空气温度。设计空调时一般设定外界气温为-20℃。在以最佳的空气流量为5kg/min（小于可能的最大流量）对车内加热时，其温度变化如图3.3-15中的上面曲线所示。下面曲线则表示配置直喷柴油机、没有加热器的汽车的不舒适的车内温度变化。

除了外界空气温度外，设计空调时还要设定汽车行驶状态。典型的汽车行驶状态是平路面、3档、车速32km/h或50km/h。大多关注的是发动机在低速状态时的空调性能，因为汽车在发动机较低转速下驱动冷却液泵和空调压缩机，无论是冷却还是加热车内空气都是不利的工作情况。

在蒸发器鼓风机全功率时，制冷设备的典型冷却曲线表明，在20min后车内空气温度可达到30℃和60min后车内空气温度可达到23℃。图3.3-16为空调设备在最大功率时车内空气温度从开始冷却到稳定的温度状态的变化曲线。

冷却开始蒸发器功率达8kW，到接近稳定状态时功率降至2.5kW左右。这时车内的空气流量为7～10kg/min。

判定空调设备性能的参量主要有：

图3.3-16 典型的车内空气冷却曲线

1）制冷功率。

2）制冷效率。

3）噪声与振动。

4）调节性能。

5）耐久性。

这些参量受空调设备本身的各个部件和外部环境的影响。外部环境的影响就是制冷介质管路的长度和特性、冷凝器通风状况以及在制冷环境中设定的压力和温度的工作条件等方面的影响。这表明空调设备的性能或制冷循环效率只能在汽车上才能最后确定。

为设计加热循环和制冷循环，进行仿真计算是十分必要的^{[16，19～22]}。仿真计算可以再现这两个循环的稳态工作状况，且精度高。仿真计算同样适用于车内乘员室的空气加热和冷却过程，因为可以把这两个仿真精度高的循环看成为准稳态循环。动态仿真计算（如开启、关闭空调时的冲击或制冷循环中制冷介质的质量转移）正在开发中。

5.空调增加汽车燃料消耗

空调导致汽车燃料消耗增加^[23]，这可归因于：①驱动压缩机需消耗发动机功率；②增加了汽车重量而要多消耗燃料；③驱动风扇和鼓风机也需要电功率。

在设计空调设备时，空调设计边界的严酷条件决定了空调所需的功率和在热循环和制冷循环时的各部件参数。而燃料消耗则是在空调最常用的部分负荷工况。为此，可以利用空调的负荷谱计算由于空调而增加的汽车年平均燃料消耗。在空调负荷谱中，按负荷频度在不同的外部温度和不同的汽车行驶状态参数时对汽车燃料消耗进行加权处理^[24]。

以选定的汽车为例，根据中欧地区天气的空调负荷谱就可得到压缩机消耗的功率。再乘以汽车每年的使用时间就可得到年消耗的总功率。假设汽车的年行驶里程为15000km，并以行驶循环的平均速度32.5km/h计，则相当于每年行驶462h。在所选定的汽车上，驱动压缩机的年平均燃料消耗为68L，加上电风扇、电磁离合器等用电器件年消耗13L和汽车由于增加了空调设备的16kg重量而年多消耗12L，这样空调设备的年总燃料消耗为93L。以100km行驶燃料消耗计，则燃料多消耗值为0.62L/100km。空调在其他汽车上的应用情况或在不同的气候状况和在汽车车身的不同边界条件下，也是以选定的负荷谱为基础进行计算，但燃料多消耗值有一定的变动。如参考文献[25]中，空调增加的燃料消耗为0.75L/100km。

6.未来的制冷介质

20世纪90年代初的制冷介质为R12，因其破坏臭氧能力高而被R134a替代。在这期间，欧盟规定，即便是R134a，由于它的温室效应在未来也将弃之。早在20世纪90年代中期，已开始对环境友好的制冷介质替代品进行首次试验^[26，27]。可燃的制冷介质，在车内直接蒸发时由于它的危险性而没有被考虑。预计CO₂（R744）可作为制冷介质而被采用。由于R744制冷介质的热力学性能，在制冷循环中具有高达135bar的工作压力和在制冷循环的高压部分中超过了R744制冷介质的临界温度（31℃），所以对制冷循环中的各个部件有特别的要求。除提高部件的抗爆裂安全性外，无法再用常规的密封和软管用的橡胶。在超临界压力和温度下，R744提高了对几乎是每一种塑料和聚合材料有侵蚀性的特别溶解性能。为此，所有与制冷介质接触的零部件要有金属保护层^[28]。为优化制冷循环的功率和效率，需要采用“内部热交换器”^[29]。在内部热交换器中，流入气体散热器中的气体逆向流向蒸发的制冷介质，以尽可能提高蒸发器中的焓降。经部件优化设计的空调系统效率要比制冷介质为R134a的空调系统效率高^[30～32]。

使用制冷介质R744的空调也有利于将制冷设备作为热泵使用^[29～31]。

参考文献