某微型卡车空调系统设计

黄朝斌

（安徽江淮汽车股份有限公司轻卡研发部，安徽 合肥 230000）

前言

汽车空调是汽车空气调节的简称，即采用人工制冷和采暖的方法，调节车内的温度、湿度、空气速度等参数指标，从而为人们创造清新舒适的车内环境。调节车内温度是汽车空调的基本功能，多数汽车空调只具有这种单一功能。汽车空调在冬季利用其采暖装置升高车室内的温度。轿车和中小型汽车一般以发动机冷却循环水作为暖风的热源。在夏季，车内降温由制冷装置完成。部分高级轿车还具备车内湿度，过滤净化车内空气等等功能。

随着汽车技术的不断发展和人们生活水平的日益提升，人们对舒适性的要求越来越高。舒适性是由人对车内的温度、温度、空气流速等参数指标的感觉和反映来决定的，普通人感到舒适的温度为大约 21℃到 26℃， 相对湿度为 45%到50%。汽车空调就是将车内内空间环境调整到人体最适宜的状态，创造良好的劳动条件和工作环境，以提高驾驶员的劳动生产率和行车安全。近年来越来越多的轿车、客车采用空调，货车、工程车上也纷纷安装空调装置，可见人们对空调的需求越来越迫切、越来越必要性。因此，微卡有必要增加空调系统，这样不仅能提高汽车的舒适性，也能提高产品的市场竞争力。

文章论述了汽车空调的结构与原理，重点讲述了制冷循环、采暖循环以及电气控制的构成与工作过程。并以某汽油机微卡为实例，详细讲解了整车空调系统的选型、开发设计过程。

1 汽车空调的结构和工作原理

1.1 空调制冷循环

空调制冷循环系统主要由压缩机、压缩机吸、排气软管、出液软管、冷凝器总成、储液器总成、H型膨胀阀、蒸发器总成；储液器总成内部包含干燥器、过滤器等零件，外壳上装有高低压压力开关。

1.1.2 制冷原理

压缩机吸入低温低压制冷剂气体，并对低温低压制冷剂气体进行压缩，变成高温高压制冷剂气体，高温高压制冷剂气体通过高压软管被送到冷凝器冷凝，向经过冷凝器的空气放热，被冷凝成高压中温的液体，流向储液器，在储液器中制冷剂被过滤杂质、脱去水分后，通过高压软管流至膨胀阀，经膨胀阀节流降压，变成低压低温液气混合物，进入蒸发器。低压低温液气混合制冷剂在蒸发器中蒸发，从经过蒸发器的车内空气吸热，蒸发为过热的气体，进入压缩机并开始下一个制冷循环，周而复始的进行。经过蒸发器的车内空气向蒸发器放热，变为冷空气，同时由于蒸发器表面的温度低于空气露点，空气中的水汽冷凝成为露水排出车外，从而降低了车内空气的温度和湿度。空调制冷原理如图1所示。

图1 空调制冷原理

1.2 空调采暖循环

冷暖一体式空调制暖循环系统主要由暖风机、发动机、水泵、水阀、水箱、管路等组成。

1.2.1 采暖原理

利用水泵将发动机的热冷却液泵入暖风芯体，通过暖风芯体进行热交换，向车内空气放热，之后回到水箱进入下一个采暖循环。如图2所示。

图2 空调采暖原理

1.3 电气控制

电气控制部分的主要由电源开关、电磁离合器、空调控制器、温度开关、高低压压力开关、调速电阻、连接线束、继电器等。

1.3.1 电气控制原理

空调控制器是空调制冷和采暖部分的控制中枢，它通过旋钮或按键来控制风门或电控元件的工作状态，从而控制制冷和制热的开启、关闭和空调风机的转速及温度调节。

电源开关用于控制空调的动力，它是空调控制器的主要零部件之一，起着开关空调的作用(通常又叫A/C开关)，在风挡开关按下时制冷工作。

1.3.2 温度控制

当驾驶室内温度下降，蒸发器内温度达到设定值（一般为 3℃左右）时，温度开关断开；室内温度上升后温度开关接通。使驾驶室保持在（22～25）℃的舒适温度。

1.3.3 压力保护控制

高低压压力开关是一个安全部件，以保证制冷系统的安全运行。当高压压力≥3.14MPa或低压≤0.2MPa时，高低压压力开关断开，压缩机离合器被切断，制冷系统停止工作，当系统压力高压降到2.5MPa或系统低压升到0.23MPa。

2 空调系统总体参数与结构选型

2.1 空调系统的总体参数

车型：W3；乘员数：2人；驱动方式：主机驱动式。

制热量：3462W；制冷量：2885W；制冷工质：HFC134a；压缩机额定转速：1800r/min。

2.2 空调系统的结构选型

采暖设备和制冷设备的安装按相对位置可分为分置式、组合式等。分置式多用在原设计只装采暖设备而不装制冷设备的汽车上；一旦用户需要即设置独立的制冷器，冷、暖两设备分别控制，分别送风；分置式成本高，占据空间大，空调性能不完备。冷、暖组合式结构是近年来在各载货车上广泛采用的结构，其优点是可以根据用户的需要可以随时加装制冷设备；当不安装制冷系统，只保留采暖时，车内蒸发器不装即可。本车选择冷、暖组合式结构。如图3所示。

图3 冷、暖组合式结构

2.2.1 制冷

车内空气经蒸发器由鼓风机吸入，经冷却、除湿，通过风道，从仪表台出风口（驾驶员、副驾驶员座位各一个，中控台两个）吹出。

2.2.2 采暖

车内空气经蒸发器由鼓风机吸入，通过加热器加热，从下部吹出，后通过风道，从仪表台出风口。

2.2.3 除湿

车内空气经蒸发器由鼓风机吸入，由蒸发器冷却除湿，经过加热器再加热，由通风口吹出。

2.2.4 温度调整

采用空气混合方式，根据冷风量和热风量的比例调整温度。

2.2.5 出风口的选择

手动控制，分别可选择吹面、吹面/吹脚、吹脚、吹脚/除霜、除霜。

2.2.6 车内空气循环方式选择

驾驶室空气循环方式可分为三种：内循环、外循环、内外混合循环。本车选用内外混合循环方式，通过进风模式旋钮来调节内外气的进气量。

3 汽车空调系统设计

3.1 压缩机装置设计

空调压缩机是汽车制冷系统的心脏，是推动制冷剂在制冷系统中不断循环的动源。除部分客车空调（独立式空调）压缩机是由专门的辅助发动机驱动外，大部分汽车空调压缩机均由汽车主发动机驱动（非独立式空调），本产品压缩机由发动机驱动。由于压缩机由发动机驱动，压缩机的转速受发动机转速影响，变化很大，再加上其固定是通过支架与发动机刚性连接，压缩机的工作条件极差。因此对空调压缩机在性能和结构上提出了下列特殊要求：

一是由于汽车使用区域广，各地的热、湿负荷变化大，在设计、选用压缩机时，应能保证在极端情况下仍能具有令人满意的降温性能。

二是要有良好的低温性能，在怠速和低速运转时，具有较大的制冷能力和较高的效率。

三是高速运行时要求输入功率低，这样不仅能节省油耗，而且能降低发动机用于空调方面的功率消耗，提高汽车动力性。

四是体积小，重量轻，因为微卡的发动机机舱空间很小，同时这也是所有汽车零件的要求。

3.1.1 压缩机设计计算

理论冷媒循环量计算：

式中：Q为制冷量（kcal/h）；Gth为理论冷媒循环量（kg/h）；△ie为蒸发器吸热量（kcal/kg），取 29.6 kcal/kg。

前面已知Q=2885W（2482kcal/h）代入上式得：

式中：VS为压缩机容量（cm3/r）；Nc为压缩机转速（rpm）；NV为压缩机容积效率、V1为压缩机入口气体比体积（m3/kg）。

已知 Gth= 83.9 kg/h、V1取 0.062m3/kg、Nc取 1800rpm、NV取0.65，代入上式得：

3.1.2 压缩机选用

根据压缩机排气量的设计目标 VS=88.9（cm3/r），并结合发动机结构，选择活塞式压缩机FM10G11-021A，额定电压12V，4PK多楔带传动，排量110（cm3/r）满足设计要求。

3.1.3 压缩机布置

根据发动机的外形及总布置的要求，压缩机布置如图 4所示：

图4 压缩机布置

3.2 冷凝器装置设计

冷凝器的作用是使由压缩机排出的高温高压制冷剂气体在冷凝器内通过金属管壁和翅片的与冷凝器外部的空气进行热交换，将高温高压气态制冷剂转变为高温高压的液态制冷剂，并把热量散发到车外环境中。制冷剂的换热大体上可以分三个阶段，即过热、两相和过冷。过热和过冷阶段制冷剂处于单相状态，发生的是显热交换；而在两相阶段，制冷剂发生集态变化，即冷凝，属于潜热交换。在冷凝器中，制冷剂的大部分热量是在凝结阶段释放的。

汽车用冷凝器均采用铝，主要是考虑铝的重量比较轻，作为铝质的冷凝器来讲需要采取防腐蚀措施，如阳极氧化、化学处理、阴极防腐等方法。

冷凝器的结构型式有：管片式、管带式、平行流式，而平行流式冷凝器是目前较流行的结构型式，本产品选用的冷凝器为平行流式冷凝器。

表1 冷凝器结构型式的对比

3.2.1 冷凝器选型

根据整车的布置及现有的产品状态，选用一款同系列车型上所用的冷凝器，平行流式冷凝器，散热量 8000W，风量840 m3/h，额定电压DC12V，额定电流12A。

3.2.2 冷凝器性能校核

冷凝器散热量的设计目标按冷负荷的150%设定，为1.5×2885，得出4327.5W，

冷凝器的散热量为8000W＞4327.5W，满足设计要求。

3.2.3 冷凝器布置

根据总布置要求，冷凝器侧置，装配在车架右纵梁内侧。如图5所示。

图5 冷凝器布置

冷凝器与传动轴间隙为35 mm，均满足要求。如图6所示。

图6 与周边部件间隙校核

3.3 冷暖主机设计

3.3.1 HVAC结构确定

根据驾驶室状态，及现有的HVAC总成，选用一款同系列车型上所用的HVAC总成，中置鼓风机加热器总成加横置蒸发器，非常适用于微型卡车的驾驶室结构。加热器散热量4641W，蒸发器制冷量3704W。如图7所示。

图7 HVAC总成布置

3.3.2 HVAC部件性能校核

加热器芯体性能以热负荷的125%为设计目标：1.25×Q热=4327W。选用的加热器散热量4641W，可得其性能满足设计要求。

蒸发器芯体性能以冷负荷的125%为设计目标：1.25×Q冷=3600W。选用的蒸发器制冷量3704W，可得其满足设计要求。

3.4 控制器装置设计

3.4.1 静控制器的确定

空调控制器采用旋钮式控制器，保留进、回风。

图8 控制器外形

3.4.2 控制器的功能

控制器功能如表2所示。

表2 控制器操作说明

3 结论

本论文从汽车空调的的概念、功能和特点出发，阐述了汽油机微卡增加空调系统的必要性，并论述了汽车空调的结构与工作原理，最后以微卡W3为实例，详细讲解了整车空调系统的设计过程。

在本次设计中，采用经验设计与匹配设计相结合设计方法，注重体现了规范化、系列化、标准化、通用化和模块化的设计原则，并有同系列的柴油机微卡参数作为参考，进一步提高空调系统开发质量、降低开发成本、缩短开发周期。这也诠释了产品空调系统系列化、平台化的重要性。

本文提出的微卡空调系统的设计，虽不能完全应用于商用车行业，但是本文所体现的空调系统的设计思路，对读者仍有一定的参考价值。

参考文献

[1] 方贵银,李辉. 汽车空调技术[M].汽车工业出版社.2002.1.

[2] 陈孟湘.汽车空调[M].上海交大出版社.2001.6.

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