面向环保汽车的空调最近新技术

本论文是适用于各种环保车空调最近新技术的内容

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２０１４ＣＧ￣ＶＥ０９１

２０１４中国汽车工程学会年会论文集　

面向环保汽车的空调最近新技术

１ 电装(中国)投资有限公司上海技术中心乘用车空调技术部２ 电装(中国)投资有限公司上海技术中心热性能开发部

３ 电装(日本)株式会社热系统开发部

【摘要】　本论文是适用于各种环保车空调最近新技术的内容 近年 世界范围内ＣＯ２排放、燃费等的限制更为严苛

韩国民１ 杨云２ 川久保３ 昌章３

为了满足这些限制要求 汽车厂家除了改善发动机的基本效率以外 还加大了怠速起停车、混合动力车、插电式混合动力车、电动车等各种环保车的投入 这些车辆种类对空调的机能、性能也提出了各种各样要求 作为各种机能实现的有效技术手段 本论文记载了蓄冷空调系统、热泵系统及内外气２层ＨＶＡＣ单元内容

【关键词】　怠速起停 混合动力 插电式混合动力 蓄冷空调系统 热泵系统 内外气２层ＨＶＡＣ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｐｏｒｔｓｒｅｃｅｎｔａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｒｉｅｎｄｌｙｖｅｈｉｃｌｅｓ

ＨａｎＧｕｏｍｉｎ１ ＹａｎｇＹｕｎ２ ＫａｗａｋｕｂｏＭａｓａａｋｉ３

１ ＤＥＮＳＯ(ＣＨＩＮＡ)ＩＮＶＥＳＴＭＥＮＴＣＯ ＬＴＤ ＳｈａｎｇｈａｉＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ ＣＡＲＡ/Ｃｄｅｐｔ

２ ＤＥＮＳＯ(ＣＨＩＮＡ)ＩＮＶＥＳＴＭＥＮＴＣＯ ＬＴＤ ＳｈａｎｇｈａｉＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ ＴｈｅｒｍａｌｓｙｓｔｅｍｓＲ＆Ｄｄｅｐｔ

３ ＴｈｅｒｍａｌＳｙｓｔｅｍｓＲ＆ＤＤｉｖｉｓｉｏｎ ＤＥＮＳＯＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

ＲｅｃｅｎｔＡｉｒ￣ＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＦｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ￣ＦｒｉｅｎｄｌｙＶｅｈｉｃｌｅｓ

ｈｉｃｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓａｒｅｌａｕｎｃｈｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｒｉｅｎｄｌｙｖｅｈｉｃｌｅｓｓｕｃｈａｓｉｄｌｅ￣ｓｔａｒｔ￣ｓｔｏｐｖｅｈｉｃｌｅ ｈｙｂｒｉｄｖｅｈｉｃｌｅ ｐｌｕｇ￣ｉｎｈｙｂｒｉｄｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｒｅａｌｓｏｄｉｖｅｒｓｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｏｓｅｔｙｐｅｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅｓ Ａｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｏｌｕｔｉｏｎｔｏｅａｃｈｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｏｌｄｓｔｏｒａｇｅａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ ｈｅａｔｐｕｍｐｓｙｓｔｅｍａｎｄＦｒｅｓｈ/Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｄｕａｌ￣ｌａｙｅｒＨＶＡＣｕｎｉｔａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ ｔｉｏｎｄｕａｌ￣ｌａｙｅｒＨＶＡＣｕｎｉｔ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｉｄｌｅ￣ｓｔａｒｔ￣ｓｔｏｐ ｈｙｂｒｉｄ ｐｌｕｇ￣ｉｎｈｙｂｒｉｄ ｃｏｌｄｓｔｏｒａｇｅａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ ｈｅａｔｐｕｍｐｓｙｓｔｅｍ Ｆｒｅｓｈ/Ｒｅｃｉｒｃｕｌａ￣ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅａｎｄｓｏｏｎ ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｂａｓｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅ Ｒｅｑｕｉｒｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｐｅｒ￣

Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｆｏｒＣＯ２ｅｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄｗｏｒｌｄｗｉｄｅ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｏｌｌｏｗｓｕｃｈｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ｖｅ￣

外 通过电动化降低发动机使用率 是最近的车辆发展趋

引　　言

为了减少燃油消费、ＣＯ２排放 除了提高发动机效率

势 各种车辆的空调要求及适用技术汇总如表１ 在车辆低油耗发展的趋势下 随着夏季空调燃油消耗比率的增加 标称油耗和实际油耗的偏差也会变大 因此

势必需要提高空

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　２０１４中国汽车工程学会年会论文集

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省油耗计测结果 估算ＮＹＣＣ模式下的省油耗效果

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调系统的效率 另外 随着车辆的低油耗导致废热减少 冬季为了补充空调制热能力 有时需要增加辅助热源 另外 降低热负荷从而降低制冷制热能力 也是一种有效的方法 除此之外 为了能减少发动机的使用率 需要确保发动机停止状态下制冷、制热手段 这些课题及其适用技术 在以下章节中叙述

１　制冷课题及其应用技术

１ １　Ａ/Ｃ系统效率改善

为了降低传统车、ＩＳＳ车、ＨＶ车的实际油耗 空调系统的高效率化很重要 对ＰＨＶ、ＥＶ来说 延长蓄电池模式下续航里程也很重要 除了使压缩机、热交换器等空调部品的效率持续提高之外 通过采用内部热交换器、喷射器系统等提高空调循环自身效率的技术也得到了实用 内部热交换器是通过冷凝器~膨胀阀间的高压液态冷媒和蒸发器~压缩机间的低压气态冷媒间的热交换 使制冷循环的效率得到提高 一般情况下 内部热交换器为２重管构造 具有利于搭载的优点 另一方面 喷射器是一种流体泵 把传统的膨胀阀由涡流损失的膨胀能量回收加以有效利用 从而使系统效率得到提高

１ ２　发动机停止时的制冷

ＰＨＶ、传统车上ＥＶ车因具有高压电路 发动机的动力经带驱动压缩机制冷 ＨＶ、

动机 使之不受发动机状态限制可以独立运转驱动内藏于电动压缩机的电 这样 在发动机停止时 电动压缩机也可以制冷 另一方面 ＩＳＳ车上一般情况下没有高压电路 在等红灯等发动机停止时 就没办法驱动压缩机了 为了维持车室内的舒适性 吹出口温度到达一定值后 必须再起动发动机 这样 有损于ＩＳＳ车降低油耗的设计理念 作为这个问题的对策 下述的蓄冷空调系统已得到了实用化

●

蓄冷空调系统

原理　发动机使用时通过蓄冷材储存冷量 发动机停止时释放冷量 不仅能维持车室内的舒适性 而且可以延长发动机的停止时间 蓄冷量是根据２８℃时能维持约１分钟的冷气来设计的 能满足大多数车辆等红灯停车时的需求

构造　蓄冷空调系统中 传统蒸发器由蓄冷蒸发器所代替 传统蒸发器是由很多扁平铝管及波浪形翅片交互排列构成 而蓄冷蒸发器如图１所示 部分翅片用装有蓄冷材的密闭容积体代替 这种构造比较简单 有和传统蒸发器互换搭载的优点

效果　图２表示了发动机停止后的吹出口温度同传统蒸发器和蓄冷蒸发器的比较结果 蓄冷蒸发器由于蓄冷材的效果 在１０℃附近可以抑制温度的上升速度 使到达舒适界２限倍以上的１５℃所需的时间５４秒

相对于传统蒸发器的１９秒 延长到了

接下来对整车状态下蓄冷空调的省油耗效果进行验证

在走行模式ＪＣ０８下针对蓄冷有无两种情况来计测整车的油耗ｍ 模拟夏季外气条件温度３０℃、湿度５０％、日射５００Ｗ/２动机再起动的控制策略进行测定 采用怠速停止时蒸发器后热敏传感器温度超过 然后根据ＪＣ０８模式下的

１５℃发图１　

蓄冷蒸发器基本构造

图２　蓄冷蒸发器放冷时间

各模式下的停机时间和省油耗效果如表１、图３所示 在ＪＣ０８走行模式下进行整车试验 通过延长发动机停机时间 可以取得５％省油耗效果 另外 在ＮＹＣＣ模式下估算有７ ４％的省油耗效果

表１　各模式下发动机停止时间

模　　式试验时间停车时间发动机停止时间(秒)有蓄冷无蓄冷ＮＹＣＣＪＣ０８((实测估算)

()

１２０４秒)(３５８秒)６００

２２９

３３１２２９

１７１１１９

如上所述 蓄冷空调的省油耗效果和车辆停止频度及时间长短有关系 如果停车时间和整个行驶时间的比值用停车时间比率来表示的话 停车比率和省油耗效果的估算结果如图４所示 从图上可以看出 停车比率越多 燃油降低效果越明显 特别是在交通流量大的区域 这种效果更显著 相对停止比率较少的区域 也有望能有少量的油耗降低

１ ３　降低制冷热负荷

为了减少制冷量 除了在１ １項所述的提高空调系统效

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图３　

各模式下油费降低效果

图４　停车时间比率和省油率效果

率外 降低热负荷 即降低制冷性能的要求也很重要 具体来讲 针对需要降温乘员的集中空调系统、通过乘员直接接触的座椅快速降温等 均有较好的效果

２　制热课题及应用技术

２ １　热源不足

传统车上发动机冷却液由发动机废热加热 进入ＨＶＡＣ的加热芯 加热车室内的空气 然而 随着发动机效率提高 可能会导致制热不足 这种情况下 低电压ＰＴＣ加热器等辅助热源、或者和制冷同样需要采用集中制热等手段来降低热负荷运转ＰＨＶ 需要发动机废热以外的热源车大多数情况下以及

ＥＶ车上 高电压 因为发动机经常不

ＰＴＣ、热泵系统等相对来说具有较大制热能力的热源可以适用 车辆要求的制热所需能量和车辆行走所需的能量相当 对续航距离影响很大 因此需要高效率的制热手段 从理论上说 热泵系统的ＣＯＰ可以超过１ 具体说明如下

●原理热泵系统

　制冷循环中 从压缩机吐出的高温高压的冷媒通过冷凝器进行放热(空气被加热) 节流后成为低温低压的冷媒 通过蒸发器从空气吸热(空气被冷却) 再次回到压缩机构成制冷循环 通过阀的切换 使夏季车室内为蒸发器、车室外为冷凝器而冷却车室内空气 而冬季使车室内为冷凝器、车室外为蒸发器来加热车室内空气 这就是热泵系统的原理 制热运转时 除了压缩机做功外 室外机还能从大气吸收的热能向室内放热 能得到压缩机消耗动力以上的制热能力

构成　室内ＨＶＡＣ单元由制热时空气加热的室内冷凝器、制冷及除湿制热时空气冷却的蒸发器构成 室外热交换器具有制热时作为蒸发器、制冷时作为冷凝器的功能 各热交换器前同时设置有节流阀及根据运转模式实现旁通功能的旁通阀< 制热模式以下介绍各模式下的作动原理>

制热作动如图５所示 压缩机吐出高温高压的气态冷媒 通过室内冷凝器向车室内放热而液化 液化后的冷媒由于旁通阀处于关闭状态 经过制热用节流阀成为低温低压冷媒 通过室外热交换器从大气吸热 之后通过储液罐实现气

液分离 最终只有气态冷媒再次回到压缩机

图５　制热模式作动原理

<制冷模式>

制冷作动如图６所示 和制热一样 虽然高温高压的冷媒被送入室内冷凝器 但因混合风门处于关断状态 车室内空气不会被加热 冷媒之后由于旁通阀处于开通状态 不经过制热用节流阀而直接旁通进入室外热交换器 向大气放然后冷凝 之后 通过制冷用节流阀减压变成低温低压冷媒 冷却车室内空气

图６　制冷模式作动原理

<除湿制热模式>

除湿制热作动如图７所示 除湿制热时制热用旁通阀由于处于关闭状态 经制热节流阀降压 室外热交换器中冷媒温度如果比外气温高就作为冷凝器 比外气温低就作为蒸发器作动 然后通过制冷用节流阀进入蒸发器 回到储液罐 除湿制热运转模式时 除使用压缩机外 还用到室内冷凝器、室外热交换器、蒸发器３个热交换器来控制除湿及再加热能力

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图７　除湿加热模式作动原理

　别和　效果ＨＶ车等低热源车辆比较的话　热泵系统制热时车室内温度变化如图 可以看到室温上升速度８所示 特比较显著

另外 假定热泵系统的效率是２ ０时的ＥＶ续航距离的试算结果如图９所示 和效率为０ ９的高电压ＰＴＣ电加热器相比 续航距离有４０％左右的延长

图８　

升温时的车室内温度上升

图９　室内加热对ＥＶ续航范围的影响

２ ２　发动机停止时的制热

一般情况下传统车发动机冷却水靠和发动机连接的带来驱动水泵实现ＩＳＳ行冷却液循环车、ＨＶ车上为了实现不依赖于发动机的状态循环 发动机停止后 冷却液就没 设置了电动水泵 当然 发动机停止时没有 法而能进循环 发动机废热 但是发动机热容量很大 等红灯类似的短时间停车时 可以向车室内供给温水 ＰＨＶ、ＥＶ如２ １项所述 通过和发动机相独立的热源 可以实现制热

２ ３　降低制热负荷

４０％一般情况下 大概制热负荷的６０％为换气损失 其余

率 为通过窗户等向外气的放热可以减少换气损失 但另一方面 虽然通过增加内气循环 由于呼气会导致车室内湿度上升 成为前车窗结雾的原因 作为避免车窗结雾同时又能增加内气率的手段 以下介绍内外气２层ＨＶＡＣ单元

●

外气/内气２层ＨＶＡＣ单元

原理　外气导入空气和内气循环空气分别被吸入 只有干燥的外气被从ＦＯＯＴ通过内外气出风口吹出ＤＥＦ２层ＨＶＡＣ 一般大概出风口吹出 湿润的内气循环空气从

单元 ２０％只有干燥空气吹向车窗玻璃的内气率是结雾的界限 因此内气循环率可以提高到５０％左右

构造　内外气２层ＨＶＡＣ单元构造如图１０所示 送风机风扇是２层构造 ＨＶＡＣ为了使内气循环空气和外气导入空气不混在一起 设置了分离板

图１０　两层流ＨＶＡＣ单元

効果　如上所述 占全体热负荷６０％左右的换气损失 通过内外气２层ＨＶＡＣ单元使内气混入率提高到５０％ 可以使全体热负荷降低３０％

整车的温升效果如图１１所示 和全外气模式相比 使用内外气２层ＨＶＡＣ单元 车室内温度到达２０℃的时间能缩短９分(３８％) ２０分钟后的车室内温度能提高

５Ｋ

图１１　内外气两层ＨＶＡＣ单元的温升效果

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３　结论

本论文介绍了多样化车辆及其适用的空调技术 本来 制冷循环是用来冷却车室内空气的 随着环保车的扩大 如本文所述制热用热泵等的应用 其适用范围也随之扩大 因

此 提高制冷循环的效率 不仅对空调使用时的实际油耗降低、对ＥＶ续航距离的延长等、对增强车辆的魅力也有贡献 我们除继续追求提高制冷循环的效率之外 还会根据各种车辆的要求 为增强车辆的魅力而不懈努力进行热技术开发

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