空调用高低压管一体式节能同轴管路

李东武， 张加聪， 陈文强， 韦兴民， 冯擎峰

（吉利汽车研究院， 浙江杭州 311228）

近年来， 随着汽车产业的更新， 对整车的环保节能技术有了更高的要求， 任何对汽车发动机排放及节能的提升， 都会对汽车空调系统提出新的挑战， 尤其对于能源利用率最高的电动车、 混合动力车、 燃料电池车等低排放车， 由于其本身动力输出有限， 这样能够提供给空调系统的动力受到严格限制， 这就对空调系统的节能高效提出更高要求， 空调系统必须通过自身改进结构或采用新技术来实现节能、 高效。

目前绝大多数汽车空调系统使用的空调管路都为高、 低压分体式， 即高压管路和低压管路是两根独立的输送管道。 考虑到空调系统工作过程中两根管路的物理特性， 低压管路中制冷剂刚从蒸发器出来温度较低要从环境中吸热， 这样如果不能有效利用这部分能量， 因整车行驶过程中发动机机舱温度较高， 这部分能量就通过热辐射的方式散失掉， 造成能量的损失； 同时， 空调高压管路高温高压制冷剂需散热来提高制冷性能， 空调用高低压管一体式节能同轴管路能够有效解决上述问题。

1 环模试验条件

根据整车空调系统环境试验及其评估方法， 对汽车空调系统进行环境模拟试验， 试验条件如下。

1） 40 km／h工况 环境温度38±1 ℃、 相对湿度50%±2RH、 日照1 kW／m2、 迎面风速40 km／h、 4档位／D档、 鼓风机最大档、 全冷 （LO）、 吹面方向、内循环、 测试时间45 min、 车内1人， 满足条件后开始试验。

2） 60 km／h工况 环境温度38±1 ℃、 相对湿度50%±2RH、 日照1 kW／m2、 迎面风速60 km／h、 5档位／D档、 鼓风机最大档、 全冷 （LO）、 吹面方向、内循环、 测试时间15 min、 车内驾驶员位置乘坐1人， 满足条件后开始试验。

3） 100km／h工况 环境温度38±1℃、 相对湿度50%±2RH、 日照1 kW／m2、 迎面风速100 km／h、 5档位／D档、 鼓风机最大档、 全冷 （LO）、 吹面方向、内循环、 测试时间15 min、 车内驾驶员位置乘坐1人， 满足条件后开始试验。

4） 怠速工况 环境温度38±1℃、 相对湿度50%±2RH、 日照1 kW／m2、 迎面风速10 km／h、 空档位／P档、 鼓风机最大档、 全冷 （LO）、 吹面方向、 内循环、 测试时间30 min、 车内1人， 满足条件后开始试验。

2 传统空调管路与同轴管路原理对比

汽车空调系统采用蒸汽压缩式制冷原理。 空调系统主要由压缩机、 冷凝器、 贮液干燥器、 热力膨胀阀、 蒸发器、 高低压管组成。 其原理为： 低温低压液态制冷剂进入蒸发器， 在一定压力下吸热汽化， 变成低温低压气态制冷剂， 然后被压缩机抽吸压缩， 成为高温高压气态制冷剂， 再经过冷凝器放热， 冷凝成低温高压液态制冷剂， 然后经过热力膨胀阀， 制冷剂恢复到低温低压状态， 重新流入蒸发器吸热汽化， 从而完成一个制冷循环。

2.1 传统空调管路缺陷

1） 空调低压管路低温吸热散失能量。 低压管与蒸发器出口连接， 在空调制冷过程中因蒸发器温度较低， 出来的制冷剂温度较低， 因此在夏季空调制冷过程中会发现， 空调的低压管路表面会凝结水滴， 这正是低压管路吸热的体现， 这部分能量会通过低压管热传递形式散失到发动机舱， 会增加压缩机及发动机负荷。

2） 空调高压管路高温高压制冷剂， 需散热提高制冷性能。 高压管路与冷凝器总成及压缩机总成出口连接， 空调系统在工作过程中， 管内为高温高压液体， 需要降温， 降低蒸发器进口的制冷剂温度， 提高空调系统的制冷性能。

2.2 同轴管路节能工作原理

高、 低压管结合为一根管路后， 通过高、 低压管在工作过程中自身的物理特性 （蒸发器进出口处高低压管路温差大） 相互传递能量， 能够有效起到节能、 提高制冷性能的作用。 工作原理及实物对比如图1所示。

3 装两种管路系统试验数据对比

同一车型分别装配两套管路后， 整车空调降温试验数据对比如下。

3.1 环模试验38 ℃时试验数据对比

同一车型环模试验38 ℃时分别装配两套管路后， 整车空调降温试验数据对比见图2和表1。

通过对比整车分别装配两种空调管路取得的试验数据， 在40 km／h、 60 km／h、 100 km／h和怠速这几种工况下， 空调的出风口和头部温度相比， 同轴管路有明显的降温效果。

3.2 高温环境怠速数据分析对比

分别装两种管路整车高温环境怠速数据分析对比见表2和表3。

通过对比整车分别装配两种空调管路在路试和环境模拟试验取得的试验数据， 在高温的环境下，装配同轴管路的空调系统出风口及头部温度有较低的出风温度， 与此同时装配同轴管路环模试验环境温度较路试温度更高， 但最终降温效果更好， 充分说明其能够提高系统的制冷能力。

表1 环模试验38 ℃时降温试验数据对比

表2 装传统空调管路环境45～47 ℃时试验数据

表3 装同轴管路48 ℃环境模拟怠速试验数据

3.3 高温各种工况数据分析对比

分别装两种管路整车高温各种工况数据分析对比见表4、 表5和图3。 路试过程30 min采集数据， 取其中7个数据见表4。

表4 装传统空调管路45 ℃路试试验数据

表5 装配同轴管路环模试验48 ℃时试验数据

上面两组数据比较， 虽然装配同轴管路的头部温度降温效果不明显， 但考虑到在环模舱48 ℃环境温度下， 与路试在45 ℃环境温度下比较， 装有同轴管路整车环境更恶劣。

装有同轴管路整车头部温度较传统管路出风口温度对比效果不明显， 分析原因有： ①环境温度： 环模试验设定温度为48℃， 而路试当时的温度为45℃；②光照强度： 环模试验设定光照强度为1 000±50 W，而路试当时的光照只有600 W左右。

上述原因导致整车车身所受热辐射不同， 环模试验整车所受的热辐射更大， 使得在出风口温度较低的情况下， 出现头部温度相比相差不大的缘故。

4 总结

通过在38 ℃时环模试验及高温时 （45～48 ℃）的各种工况下数据对比， 在消耗相同发动机功率的情况下， 同轴管路能够有效提高空调系统的制冷能力， 起到了改善整车节能效果。

另外， 通过此方案改进空调的降温效果， 不会对整车布置及空调结构造成大变动， 所以对在产车型整改较实用， 但因同轴管路较传统管路结构及加工工艺更复杂， 所以价格较高， 有待进一步推广使用、 完善加工工艺、 降低加工费用。