汽车空调系统技术发展趋势

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一、汽车空调系统在汽车中的重要性日益突出
    国际汽车市场竞争日趋激烈,为获得市场,生产出价廉、安全、舒适和低排放的汽车是各大汽车生产商的努力目标,汽车制造商不断地根据用户的要求更新汽车设计,并期望通过利用新技术来提供更好的性能,而是否需要增加成本则主要取决于获得的利益(如环保)是否足以补偿。
    汽车空调系统作为影响汽车舒适性的主要总成之一,为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制功能,汽车空调系统已成为汽车市场竞争的主要手段之一。其中,采暖系统可使乘员避免过量着装、为车窗提供除雾和除霜功能,提供舒适性和安全服务;冷气系统则通过制冷、除湿来提供舒适性,通过使司机保持警醒、允许关窗等措施提供了安全服务;采暖和冷气系统还可提供除尘、除臭的功能。这些功能已成为车辆必不可少的要求。虽然目前轿车的燃油余热足够提供轿车内的采暖和除霜的需要,但近期研制的高效汽油、柴油发动机的余热会进一步减少,电动车和混合动力车则不得不牺牲驱动性能来提供采暖和制冷,因此必须通过提高汽车空调系统的效率来减轻汽车的动力负担。
    对于新一代的环保型汽车,如电动、混合动力、燃料电池和其它的低排放车辆,由于本身动力远小于传统动力车辆,能够提给空调系统的动力极为有限。拥有一套节能高效、性能可靠的空调系统对开拓市场至关重要。
" V# w5 T  }8 l    二、评价汽车空调系统性能的LCCP
7 U) e) H0 K' q0 Z    汽车动力的更新和新技术的应用,对汽车空调系统提出了新的挑战,也给许多新技术的应用创造了机会。"蒙特利尔议定书"规定,原来在汽车空调系统使用的工质CFC12,在发达国家的使用已经在1996年停止,在发展中国家则在2006年停止。由于各方面的努力,CFC12已逐渐被HFC134ａ所取代，我国从2001年1月1日起已禁止在新生产的车辆中使用CHC12为工质的汽车空调。HFC134a具有ODP(大气臭氧层破坏指数)为零、GWP(温室效应指数) 为CFC12的六分之一、不可燃、低毒性、制冷量和系统性能与CFC12相当等优点,因而作为"过渡性"的替代工质在世界范围内得到认可,但由于它的温室效应指数仍然较高(为CO2的1300倍),已列入"京都协议"规定限制发展
的工质范畴。
    为准确评价新技术在汽车空调业的应用可行性,国际汽车空调学会(MACS)、美国汽车工程师学会(SAE)和美国环境保护机构(U.S.EPA)合作,并提出汽车空调"生命循环气候指数"(Life Cycle Climate Performance,简称LCCP)的概念,来评价汽车空调系统工质及燃油消耗等综合指数,所谓"生命循环气候指数"包括了从产品生产、使用的原材料和部件到废品处理所造成总的直接和间接排放。
% X8 N! r1 a8 I! U# z" E    汽车空调运行引起的温室气体排放量约占汽车排气管排放量的2%～10%,随着高性能发动机的使用,这一比例逐渐变大。目前使用汽车空调在总的温室气体排放中所占比例仍很小。在美国,ＥＰＡ统计的汽车空调引起的温室气体排放约占全球温室气体排放的0.1%。
    温室气体排放发生在汽车生命周期的每一阶段:生产、使用、回收处理。LCCP表示从生产到回收的排放量,包括零部件材料使用的能量造成的排放。LCCP概念比原先使用的"TEWＩ"概念更为科学。"TEWＩ"只包括了制冷剂的直接排放和系统运行能耗造成的间接排放;LCCP还包括了制造零部件、制冷剂消耗的能量、替换及服务耗能。
3 o, d4 k, _4 E2 |    三、减少直接或间接排放的手段
9 S: \: W& U; O4 a    温室气体的直接和间接排放量依赖于空调系统及其零部件的设计水平和产品质量,同时跟车辆运行环境的温度和湿度有关。对一定的制冷剂,直接排放率主要受系统工作压力影响,而环境温度和压缩机输入功率又决定了制冷系统的工作压力。间接排放主要由生产系统所需的能量、保证一定舒适性所必须提供的冷量及制冷系统的效率决定。在某些环境下,燃料消耗引起的间接排放远远大于制冷剂泄漏引起的直接排放量,尤其是在报废之前使用制冷剂回收装置。而在某些气候条件下因为很少使用空调,直接排放则是LCCP的主要部分。
    减少直接排放的措施:
    1)在维修和车辆报废时使用制冷剂回收和再利用设备。
    2)改进零部件质量减少泄漏,降低软管汇漏率并尽可能减少软管长度,改进管路接头,在可能的情况用"全封闭"的结构代替开启式压缩机的轴封。Hutchinson公司开发的新型车用制冷系统双端面密封接头的泄漏量与单"o"型圈密封接头的比较。在127℃,3.2MPa表压下,30天的泄漏测试结果表明新型的泄漏量减少了80%。
2 P: [: D  A7 ]2 m/ {: d4 |1 X    3)减少制冷剂充注量。
* J/ O' h5 N0 w9 B& B+ M    4)改用低GWP值且蒸汽压力适当、渗透率较小的制冷剂。
  m7 x; W# Y3 Y2 k7 c, n+ f' ^" S    减少燃料消耗引起的间接排放:
    1)通过增加车厢隔热层厚度、改善车厢密封性、减少玻璃传热(如采用光线选择性玻璃、隔热膜)等措施减少车厢热负荷。
; V2 ^) Y/ q3 a) J    2)进行压缩机容量调节,减少过度制冷后再加热而引起的能量损耗。如日本电装开发的电控变排量压缩机用电磁阀代替原有变排量压缩机的气动阀,使压缩机输气量可在0-100%范围连续调节,这种结构不仅节能,而且不必安装离合器,因而减轻了压缩机的质量,并大大提高了系统可靠性。
    3)通过控制、减少摩擦、蓄热、改善传热等措施来提高系统零部件的能源利用效率。即将过冷型冷凝器,该换热器将传统的冷凝器、贮液器、干燥过滤器和过冷器合成一体,可确保节流阀前的过冷度而提高效率,且因减小了贮液器的内容积而可减少制冷剂充注量。
4 B! z1 w' Y- H# j    4)使用高效率零部件以减轻质量。
    5)采用新的系统或新的制冷剂来达到更佳的LCCP值,并提供令人满意的加热、冷却、除霜、除湿、除雾和湿度控制性能。如一般车辆在冬季将外部空气经加热器引入车室内除雾(新风模式)时,同样量的热风被排出车外,因此造成采暖负荷的70%的热量损失了。日本电装开发的内外空气双层循环系统,只将加热后的外部热空气引入车室顶部,而使室内空气在足部循环,这样可减少一半的热量损失。而在夏季这种通风方式约可节约40%的动力。
9 i' @8 K1 ^  i$ q1 F2 V( @$ B    四、未来新型动力车可能使用的空调系统
. A* s3 @* v' x2 D" b8 C  `    汽车动力系统的环保设计对市场的影响要远远大于汽车空调系统效率对客户的影响,然而对于能源利用效率最高的电动、混合动力、燃料电池及低排放汽车,它们是否能被用户接受却往往依赖于是否拥有效率更高的采暖和空调系统。例如,单用电力制冷和采暖可使电动车和燃料电池车的可行驶里程减少50%以上,以至连典型城市交通都难于适应。各种生活污水处理设备，无阀过滤器，环保配件价格优惠，焊管、冷却器、活塞杆、油缸缸筒、液压油缸、橡胶机械、橡塑机械、叉车、喷塑、汽车空调压缩机、结晶器铜管总成、护栏、除尘设备、金刚石钻头、精密钢管、无缝钢管、土工格栅、橡塑保温、接线端子、输送机保护、防爆灯、液压件、耐腐泵、抛丸机代理销售、油缸、液压缸、电炉、点焊机、对焊机、保护膜、电脑剥线机、MBR膜生物反应器、电子包装袋、无锡恒立环保对于日益开拓的家用轿车市场,微型车用于空调的能量少于普通车辆,但这部分能量在小功率发动机的输出功中占的比例却不小。
    由于国际社会的共同努力,在全世界范围内实现CFC12到HFC134ａ替代的速度和花费比各公司单兵作战要小得多。如果新的技术能够在全球范围内被接受,则可能有同样的好处,但是不可避免的是,有些新的设计只在某些气候条件下或某些特殊市场规则下才有优势。因此在全球范围内可能存在多种技术选择。
8 y/ d# _6 P, X  X    目前带空调的汽车一般在湿度控制功能,空气通过冷却除湿后再被加热到一定的温度,以控制车窗除雾并保证乘客舒适性。这一点在新的系统设计中可能会遇到挑战,例如在电动汽车中使用热泵型空调供暖,能够提高能源利用率,但要同时实现湿度和温度的控制却很困难。
    未来新型空调系统的开发必须与汽车开发同步,以适应新的变化:如发动机效率提高(余热量减少)、电气化、混合驱动动力及其它新型零部件使用后导致空调系统特性的变化。
    1).汽车电气化日益加强
    新型的电子元件如加热座椅、娱乐系统、电子导航等在汽车上的应用日渐广泛,为了适应这些技术,汽车生产商正在拟转向42v系统。统后有可能去除皮带驱动的系统,如发电机、空调压缩机、水泵及动力转向泵等。这使在汽车空调系统中应用全封闭压缩机成为可能,并且只要发动机舱内靠近仪表盘的部分在足够的空间,就有可能用金属管代替软管,从而大大降低制冷剂泄漏。
3 H) P/ J! r  h4 A. \    2).电动车及一些混合动力车需要负荷调度
电动车和一些混合驱动车为了达到高效和减少温室气体排放的目的,以尽量少使用燃料来满足动力要求。例如,一些混合驱动车在发动机模式时利用多余动力对电池充电,当电池充电完成时则切向电动模式。相应地空调系统的设计面临新的挑战:因为无论发动机模式和电动模式时都需要空调(或采暖)。

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丰田混合动力车为了节约燃料设计成在发动机模式和电动模式中间来回切换,只在发动机模式下开启空调,因为空调的压缩机由发动机通过皮带驱动,发动机必须运行以产生热量,在汽车临时停车或持续减速时切换到电动模式-只有在需要空调时才开启发动机。本田的混合驱动车有一个小汽油发动机,与电动马达并行以补充动力。本田采用独特的"经济模式"使发动机阶段性地怠速运行,以确保车室内保持在舒适的温度。在空调(或采暖)负荷较大时,需要保持发动机连续运转,以确保舒适性
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. o& l4 `  ?) D% {    3).新的零部件技术可减少空调或采暖负荷增强车身隔热、改进门封结构、玻璃镀层和其它新技术的应用都可减少车室热负荷,从而减少用于空调或采暖的能耗而减少温室气体排放。
, X/ K( c+ M0 [8 `    五、技术选择
    至少有六种方案可减少汽车空调系统的温室气体排放量,三种方案是改进现在HFC134a系统,三种方案是采用新的制冷剂,每一个方案都有其优缺点。
. {+ N) O7 U+ a    方案一:改进HFC134a系统的维修和处理环节
    在维修和报废空调系统时回收和再利用HFC134a,以减少直接排放对气候的影响。这一方案需要国家法律保证。据估计发达国家在1～2年内的回收率可达90%,而发展中国家的实施则需要2～3年时间。
    方案二:改进HFC134a系统
0 m* F+ ?0 [' |3 q0 `; Y/ k    这一方案通过改进传统的HFC134a系统,减少系统充注量、提高部件品质来提高系统效率。与制冷剂回收相结合,这一方案的收益最高。估计改进后的HFC134a系统会在1～3年实施。Visteon对其传统HFC134a系统进行了改造,以变排量压缩机取代原有170c c的旋转斜盘式压缩机,以同样换热面积的过冷式冷凝器代替原平行流冷凝器,以同样换热面积的挤压管蒸发器代替原层叠式蒸发器,以1.5冷吨的热力膨胀阀取代原系统中采用的节流短管,新系统同时采用了新型软管和接头,使制冷剂泄漏分别减少78%和88%。新系统的充注量下降了18%,而系统cop则提高了32%。
1 h0 x9 e2 P2 [5 V: b    方案三:全封闭HFC134a系统
' B; Z2 l# V0 p7 x9 w0 B- b    这一方案是采用全封闭的HFC134a系统及制冷剂回收技术,其实施时间依赖于电动汽车投入市场的时间和市场占有率,据估计至少需要4～5年时间。全封闭系统在固定空调中的使用已经很成熟,在汽车上的使用没有大的技术障碍。这种系统对目前正在开发的传统内燃机汽车高电压系统和未来的电动、混合驱动车都非常有吸引
. Y7 X$ J9 N7 Y1 W$ P6 K力。
# l/ U8 w+ L- H1 E0 u. P    方案四:在改进的系统中使用碳氢制冷剂
    汽车生产商和供应商们在正研制使用碳氢为制冷剂的汽车空调系统,尤其是采用载冷剂方式降低可燃性危险的两级系统更有吸引力。1999年Delphi开发了带两级冷却循环的碳氢系统,并在凤凰城会议上与HFC134a系统进行了比较,但新系统的效率和可靠性仍有待进一步的研究。在汽车中使用可燃制冷剂必须经过大量工程验证和测试,而且在商业化以前必须经过制订标准、维修程序、生产和技工培训的过程。但这一方案与封闭系统和二氧化碳系统相比没有大的技术障碍。据估计在第一辆车上装这种可燃工质约需4～5年。
    方案五:在改进的系统中使用低GWP值的HFC134a制冷剂
    采用载冷剂方式的两级HFC134a系统也在研制中, HFC134a的燃烧热约为丙烷的2 3倍,因而可燃性比丙烷小,但与碳氢制冷剂一样, HFC134a在汽车空调系统中的使用也必须经过大量工程验证和测试,而且在商业化以前必须经过制订标准、维修程序、生产和技工培训的过程。其实际应用估计也在4～5年以后。
    方案六:超临界的二氧化碳系统
    目前,全球各大汽车生产厂和零部件供应商都在开发超临界的二氧化碳汽车空调系统及相应的零部件。超临界二氧化碳系统与HFC134a相比有潜在的能源效率优势,且工质的GWP值在所有工质中最低,1999年在美国凤凰城SAE会议上的实车测试结果表明,装载在中型汽车上的几台欧洲和日本开发的二氧化碳系统样机性能均已达到或超过HFC134a系统,而日本的一家装在微型车上的系统性能比HFC134a系统要差。二氧化碳工质与HFC134a相比,其压缩热很大,因而在热泵空调系统使用中很有吸引力。有必要开发安全装置,在检测并将漏至车厢内的二氧化碳气体排出。由于系统工作压力比HFC134a系统高出6倍,因此需要新的维修设备和专业培训。估计正式使用时间4～7年以后。五、技术选择
    至少有六种方案可减少汽车空调系统的温室气体排放量,三种方案是改进现在HFC134a系统,三种方案是采用新的制冷剂,每一个方案都有其优缺点。
/ k' @: m2 k, V6 d    方案一:改进HFC134a系统的维修和处理环节
    在维修和报废空调系统时回收和再利用HFC134a,以减少直接排放对气候的影响。这一方案需要国家法律保证。据估计发达国家在1～2年内的回收率可达90%,而发展中国家的实施则需要2～3年时间。
    方案二:改进HFC134a系统
    这一方案通过改进传统的HFC134a系统,减少系统充注量、提高部件品质来提高系统效率。与制冷剂回收相结合,这一方案的收益最高。估计改进后的HFC134a系统会在1～3年实施。Visteon对其传统HFC134a系统进行了改造,以变排量压缩机取代原有170c c的旋转斜盘式压缩机,以同样换热面积的过冷式冷凝器代替原平行流冷凝器,以同样换热面积的挤压管蒸发器代替原层叠式蒸发器,以1.5冷吨的热力膨胀阀取代原系统中采用的节流短管,新系统同时采用了新型软管和接头,使制冷剂泄漏分别减少78%和88%。新系统的充注量下降了18%,而系统cop则提高了32%。
    方案三:全封闭HFC134a系统
    这一方案是采用全封闭的HFC134a系统及制冷剂回收技术,其实施时间依赖于电动汽车投入市场的时间和市场占有率,据估计至少需要4～5年时间。全封闭系统在固定空调中的使用已经很成熟,在汽车上的使用没有大的技术障碍。这种系统对目前正在开发的传统内燃机汽车高电压系统和未来的电动、混合驱动车都非常有吸引
9 s* i3 S1 o8 k. F3 t! A+ ^力。
    方案四:在改进的系统中使用碳氢制冷剂
6 b, G6 X+ i; \! n. O    汽车生产商和供应商们在正研制使用碳氢为制冷剂的汽车空调系统,尤其是采用载冷剂方式降低可燃性危险的两级系统更有吸引力。1999年Delphi开发了带两级冷却循环的碳氢系统,并在凤凰城会议上与HFC134a系统进行了比较,但新系统的效率和可靠性仍有待进一步的研究。在汽车中使用可燃制冷剂必须经过大量工程验证和测试,而且在商业化以前必须经过制订标准、维修程序、生产和技工培训的过程。但这一方案与封闭系统和二氧化碳系统相比没有大的技术障碍。据估计在第一辆车上装这种可燃工质约需4～5年。
    方案五:在改进的系统中使用低GWP值的HFC134a制冷剂
- |7 w% P9 u/ b$ r    采用载冷剂方式的两级HFC134a系统也在研制中, HFC134a的燃烧热约为丙烷的2 3倍,因而可燃性比丙烷小,但与碳氢制冷剂一样, HFC134a在汽车空调系统中的使用也必须经过大量工程验证和测试,而且在商业化以前必须经过制订标准、维修程序、生产和技工培训的过程。其实际应用估计也在4～5年以后。
/ w1 d1 g) Y* m4 e$ |% T    方案六:超临界的二氧化碳系统
    目前,全球各大汽车生产厂和零部件供应商都在开发超临界的二氧化碳汽车空调系统及相应的零部件。超临界二氧化碳系统与HFC134a相比有潜在的能源效率优势,且工质的GWP值在所有工质中最低,1999年在美国凤凰城SAE会议上的实车测试结果表明,装载在中型汽车上的几台欧洲和日本开发的二氧化碳系统样机性能均已达到或超过HFC134a系统,而日本的一家装在微型车上的系统性能比HFC134a系统要差。二氧化碳工质与HFC134a相比,其压缩热很大,因而在热泵空调系统使用中很有吸引力。有必要开发安全装置,在检测并将漏至车厢内的二氧化碳气体排出。由于系统工作压力比HFC134a系统高出6倍,因此需要新的维修设备和专业培训。估计正式使用时间4～7年以后。