热带沙漠气候环境汽车空调系统的开发

杨伟龙，张凌露

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 210028）

热带沙漠气候环境汽车空调系统的开发

杨伟龙，张凌露

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 210028）

阐述热带沙漠气候环境下汽车空调制冷性能的研究，对热带沙漠气候环境下整车空调系统的舒适性温度指标进行分析探讨；并以某车型出口迪拜的空调系统改进性开发为实例，从系统架构、性能指标、部件布置和试验验证等方面行介绍。

热带沙漠气候；汽车空调；温度；舒适性

随着中国汽车自主品牌技术的成熟，不少公司已经逐步走向国外市场，尤其非洲和阿拉伯国家的较大区域范围属于热带沙漠气候，极度干旱而酷热，与中国气候环境存在明显差异，因此对汽车空调系统的性能要求也存在较大差异，需要对该类气候环境下汽车空调性能参数进行专门研究分析。

参照GSO海湾标准化组织要求，对车辆使用环境的要求为大于50℃。这比目前国内开发空调车外设计温度高了7～10℃。

1 汽车空调制冷工况舒适性温度的确定

温度是影响人体热舒适性的主要参数，汽车空调系统的舒适性温度指标是指制冷工况下车内人体感觉舒适的温度，该舒适性温度指标的确认与车辆使用区域的气候环境密切相关，要在考虑车内人体舒适度的同时，兼顾车内外温度温差在合理的范围内。基于国内气候条件的车内温度目标设定一般在25℃左右，如果参照该经验值设定，对50℃的热带沙漠气候区域，车内外温差达25℃。而车内外温差过大，当乘员从高温的室外进入车内，过大的温差造成很大的热冲击，使人感到不适，甚至感冒。另一方面，在JT／T216—2006标准中，对车内外温差的要求是：当车外温度为35℃时，车内外温差在7～9℃之间。显然，在50℃环境温度下如参照该经验值设定车内温度则过高，不能满足驾乘人员舒适度要求。

查阅外国商用车企业空调系统舒适性温度要求，发现一些企业将全球市场按照温度分为Z1～Z5类5个区域，对夏季空调季节舒适性温度指标按照不同区域设定为：22～29℃。充分考虑该区域的气候特征，在全天候中的温度曲线相对50℃时段较短，45℃左右时段较多，在综合考虑人体舒适性和空调系统的制冷能力基础上，我们选取车内温度为29℃。

2 设计方案及计算实例

我们以南京依维柯出口迪拜市场车型空调系统的开发为例，进一步说明极热环境下，汽车空调系统开发中技术方案、零部件布置、性能参数、试验验证等开发活动的关注点。

2.1 热负荷的计算

传入车厢内的各种热负荷的总和即构成了该车的热负荷，主要包括：玻璃的温差传热和日射的热负荷、通过车顶和车门等车身外构件传入车厢内的热负荷、通过地板传入车厢的热负荷、通过发动机舱传入车厢的热负荷、换气新风带入车厢的热负荷、车内电机及照明灯的热负荷、乘员人体散发的热负荷等。

针对IVECO宝迪A50车型，设定计算的输入条件为：车内温度t内=29℃；￠=40%；t=50℃，日照强度I=1000W／m2；车室内部容积为19.2m2；最大乘员数19人。

通过对各分项热负荷进行计算，空调系统热负荷为Q=11.4kW。

根据空调系统制冷量与空调热负荷关系P=cQ，比例系数c一般取1.05～1.2。考虑车辆使用区域和人数，取c=1.2，因此，整车空调系统制冷量P=1.2× 11.4=13.6kW。

2.2 目标参数的确定

1）系统制冷量的分配原车国内版空调系统10kW，空调系统乘客区和驾驶区的分配各为5kW，考虑热带地区的应用和开发成本，驾驶区空调采用原车型HVAC装置，乘客区空调和驾驶区空调制冷量分别确定为9kW和5kW。

2）整车降温性能目标中速行驶状态下，车辆行驶30min时，车内平均温度低于29℃。

3）系统压力设定考虑到系统正常运行和压缩机的使用寿命，系统压力设计正常运行时低于2.2MPa，系统压力开关高压保护值设定为2.5MPa。

4）温度分布各乘客位置与驾驶员头部温度最大差值不超过2℃。

2.3 总体方案描述

受整车发动机舱空间限制，单个满足14kW制冷量的压缩机体积较大，无法进行整车布置和安装，我们选用两个压缩机，分别独立驱动乘客区空调和驾驶区空调的双系统架构。分系统独立控制，驾驶区空调系统采用全自动控制模式，乘客区空调采用电动控制，充分考虑到驾驶员的行车安全和整车节能。整车空调系统示意图见图1。

3 主要系统部件参数确定及其选型

3.1 压缩机选型

根据以上计算整车空调系统制冷量为14kW，同时根据用户反馈车辆通常的行驶速度为中速工况较多，设定当发动机转速在2200r／min时，空调系统应能够提供车辆所需要的制冷量，即不小于13.6kW制冷量。压缩机初步选择SSB7H15、SE10B20压缩机，压缩机性能曲线分别见图2和图3。

从两种压缩机的性能曲线可以看出，在压缩机转速3000r／min时，分别满足5kW、9kW的空调系统制冷量要求，因此，我们选择7H15和SE10B20分别驱动驾驶区空调和乘客区空调，发动机带轮和压缩机带轮的传动比为1.39。

汽车空调冷凝器热符合计算

式中：Q——冷凝器热负荷，W；Qe——空调系统制冷量，W；P——压缩机消耗功率，W；C——负荷系数，一般取1.4以上。

因为热带沙漠气候区域室外温度高于国内温度10°以上，冷凝器进风温度升高，造成冷凝器换热效率降低，因此，冷凝器换热量与系统制冷量的比例需要较国内车型高，初步确定乘客区空调冷凝器和驾驶区空调冷凝器换热量分别为22kW和12kW。

3.2 蒸发器性能确定

在特定的工况、风量条件下，蒸发器的制冷能力需要满足整车空调系统的热负荷。驾驶区空调蒸发器设计制冷工况：风量450m3／h，蒸发器制冷能力≥5000W；乘客区空调系统蒸发器制冷工况：风量850m3／h，蒸发器制冷能力≥9000W。

国内环境与热带沙漠气候环境下空调系统及总成部件性能参数对比见表1。

表1 空调系统及总成部件性能参数对比

4 系统布置

图4中，车顶外部所示是乘客区冷凝器，这样布置设计主要是保证冷凝器换热能力，同时解决了布置受整车空间限制的问题。

驾驶区空调冷凝器布置在车架侧部（图4），采用双电子扇结构，避免原车型曲轴驱动风扇+前冷却模块结构在车辆低速运行时冷凝器散热不良，同时释放了发动机舱空间，便于双压缩机的布置。压缩机布置在发动机右侧（图5），通过两根皮带独立驱动，压缩机控制通过逻辑线路可以独立控制。

驾驶区送风道通过原车仪表板风口，将空调冷风输送到驾驶位置和前排乘客区域。乘客区蒸发器通过风道与行李架风道连接，在每排座椅位置设置出风口，保证乘客的舒适和整车降温的均匀性。

为了减少外界热量传导，保证空调系统良好的降温性能，我们对车身隔热措施在国内版基础上进行了提升，主要是对车身顶部、底部粘贴聚氨酯隔热棉进行处理，车身侧壁立柱粘贴5mm隔热阻尼板，通过整车隔热保温性能测试，整车保温性能大幅提升。

5 整车降温性能试验及评价

1）试验环境根据热带沙漠的气候环境，结合GCC认证车辆使用环境要求，确定试验环境参数如下：环境温度50±1.0℃；环境相对湿度40%±5%；太阳辐射强度1200W／m2；怠速工况迎面风速5km／h。

2）试验要求①试验开始时间点：在上述试验环境下静止时间超过120min；②试验工况：采用循环风方式，吹面模式，温度设置为最低，风量最大。降温试验工况见表2。

3）试验结果在上述试验环境和试验工况下，进行整车降温性能试验，车内平均温度曲线如图6所示。空调系统压力曲线如图7所示。

表2 降温试验工况

通过试验曲线可以看到，试验进行至30min时，车内平均温度27.5℃，系统高速运行压力低于2.25MPa。

6 空调系统压力试验

1）压力试验目的由于项目开发针对热带沙漠气候，空调系统的运行压力直接关系到空调的性能，特别是压缩机运行可靠性，这就需要系统各种工况下运行压力负荷压缩机的寿命要求。试验目的在于通过试验方式，测试记录压缩机在各种各空调工况下的系统高压，并与压缩机供应商提供的寿命曲线进行对比，判定系统压力是否符合压缩机寿命要求。

2）试验条件试验条件同整车空调降温性能试验条件（见第5章），但整个试验过程采用新风模式。

3）试验工况按照表3进行试验，记录空调系统排气压力值，并绘制压力曲线。

表3 压力试验工况

4）试验结果试验测试压力曲线见图8。图8中黑色曲线为压缩机供应商提供的压缩机工作曲线与转速的关系，在所有工况下，要求压缩机压力必须满足压缩机寿命曲线要求。灰色区域为压缩机工作转速区域。通过压力试验与压力曲线对比可以看出，各种转速工况下，新开发车型压缩机压力曲线位于压缩机寿命压力曲线下方，符合压缩机寿命使用要求。

7 结束语

该针对热带沙漠气候的空调系统方案，通过了用户的现场试验审核，批量投产后性能表现良好，彻底解决了特殊地区的长期空调抱怨。证明设定的热带沙漠气候气象条件下人体的舒适性指标、汽车空调系统开发参数、整车性能目标、验证条件符合实际的使用要求。该开发方案为特高温区域的车用空调开发进行了有益的探索。

［1］陈孟湘.汽车空调［M］.上海：上海交通大学出版社，2001.

［2］陈江平，施骏业，赵宇.国内外汽车空调系统发展动向［J］.化工学报，2008（S2）：9-13.

［3］阙雄才，陈江平.汽车空调使用技术［M］.北京：机械工业出版社，2003.

（编辑习习）

Development of Automotive Air Conditioner in Tropical Desert Climate

YANG Wei-long，ZHANG Ling-lu
（Nanjing IVECO Automobile Co. Ltd.，Nanjing 210028，China）

The cooling performance of automotive air conditioning system in tropical desert climate is studied and the temperature comfort index of the system is analyzed and discussed. Taking air conditioning system of a car model exported to Dubai as an example，its system structure，performance index，component layout and test verification are introduced here.

tropical desert climate；automotive air conditioner；temperature；comfort

U463.851

A

1003－8639（2014）06－0017－03

2013-12-24；

2014-04-21

杨伟龙（1978-），男，工程师，从事汽车空调系统开发研究工作；张凌露（1964-），男，高级工程师，从事汽车电子电器系统、汽车空调系统的开发研究工作。