國外汽車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1、國外汽車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)摘要近年來,環(huán)保和能源問題成為世界關(guān)注的焦點(diǎn),也成為影響汽車業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素,各種替代能源動(dòng)力車的出現(xiàn),為汽車空調(diào)業(yè)提出了新的課題與挑戰(zhàn)。結(jié)合國際汽車空調(diào)學(xué)會(huì)()、美國汽車工程師學(xué)會(huì)()和美國環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)()對(duì)汽車空調(diào)業(yè)的有關(guān)政策,對(duì)國外汽車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨向進(jìn)行了討論,以期為國內(nèi)汽車空調(diào)制造業(yè)的同行們提供參考。關(guān)鍵詞市政工程環(huán)境保護(hù)綜述汽車空調(diào)摘要近年來,環(huán)保和能源問題成為世界關(guān)注的焦點(diǎn),也成為影響汽車業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素,各種替代能源動(dòng)力車的出現(xiàn),為汽車空調(diào)業(yè)提出了新的課題與挑戰(zhàn)。結(jié)合國際汽車空調(diào)學(xué)會(huì)()、美國汽車工程師學(xué)會(huì)()和美國環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)()對(duì)汽車空調(diào)業(yè)

2、的有關(guān)政策,對(duì)國外汽車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨向進(jìn)行了討論,以期為國內(nèi)汽車空調(diào)制造業(yè)的同行們提供參考。關(guān)鍵詞市政工程環(huán)境保護(hù)綜述汽車空調(diào)1 汽車空調(diào)系統(tǒng)在汽車中的重要性日益突出    國際汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,為獲得市場(chǎng),生產(chǎn)出價(jià)廉、安全、舒適和低排放的汽車是各大汽車生產(chǎn)商的努力目標(biāo),汽車制造商不斷地根據(jù)用戶的要求更新汽車設(shè)計(jì),并期望通過利用新技術(shù)來提供更好的性能,而是否需要增加成本則主要取決于獲得的利益(如環(huán)保)是否足以補(bǔ)償。    汽車空調(diào)系統(tǒng)作為影響汽車舒適性的主要總成之一,為汽車提供制冷、取暖、除霜、除霧、空氣過濾和濕度控制功能,

3、汽車空調(diào)系統(tǒng)已成為汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主要手段之一。其中,采暖系統(tǒng)可使乘員避免過量著裝、為車窗提供除霧和除霜功能,提供舒適性和安全服務(wù);冷氣系統(tǒng)則通過制冷、除濕來提供舒適性,通過使司機(jī)保持警醒、允許關(guān)窗等措施提供了安全服務(wù);采暖和冷氣系統(tǒng)還可提供除塵、除臭的功能。這些功能已成為車輛必不可少的要求。雖然目前轎車的燃油余熱足夠提供轎車內(nèi)的采暖和除霜的需要,但近期研制的高效汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱會(huì)進(jìn)一步減少,電動(dòng)車和混合動(dòng)力車則不得不犧牲驅(qū)動(dòng)性能來提供采暖和制冷,因此必須通過提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的效率來減輕汽車的動(dòng)力負(fù)擔(dān)。對(duì)于新一代的環(huán)保型汽車,如電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃料電池和其它的低排放車輛,由于本身動(dòng)力遠(yuǎn)小于

4、傳統(tǒng)動(dòng)力車輛,能夠提給空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)力極為有限。擁有一套節(jié)能高效、性能可靠的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)開拓市場(chǎng)至關(guān)重要。2 評(píng)價(jià)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的   汽車動(dòng)力的更新和新技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn),也給許多新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。"蒙特利爾議定書"規(guī)定,原來在汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的工質(zhì)12,在發(fā)達(dá)國家的使用已經(jīng)在1996年停止,在發(fā)展中國家則在2006年停止。由于各方面的努力,12已逐漸被134所取代,我國從2001年1月1日起已禁止在新生產(chǎn)的車輛中使用12為工質(zhì)的汽車空調(diào)。134具有(大氣臭氧層破壞指數(shù))為零、(溫室效應(yīng)指數(shù))為12的六分之一、不可燃、低毒性、

5、制冷量和系統(tǒng)性能與12相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn),因而作為"過渡性"的替代工質(zhì)在世界范圍內(nèi)得到認(rèn)可,但由于它的溫室效應(yīng)指數(shù)仍然較高(為2的1300倍),已列入"京都協(xié)議"規(guī)定限制發(fā)展的工質(zhì)范疇。   為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)新技術(shù)在汽車空調(diào)業(yè)的應(yīng)用可行性,國際汽車空調(diào)學(xué)會(huì)()、美國汽車工程師學(xué)會(huì)()和美國環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)(.)合作,并提出汽車空調(diào)"生命循環(huán)氣候指數(shù)"( ,簡(jiǎn)稱)的概念,來評(píng)價(jià)汽車空調(diào)系統(tǒng)工質(zhì)及燃油消耗等綜合指數(shù),所謂"生命循環(huán)氣候指數(shù)"包括了從產(chǎn)品生產(chǎn)、使用的原材料和部件到廢品處理所造成總的直接和間接排放。汽車空

6、調(diào)運(yùn)行引起的溫室氣體排放量約占汽車排氣管排放量的2%10%,隨著高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的使用,這一比例逐漸變大。目前使用汽車空調(diào)在總的溫室氣體排放中所占比例仍很小。在美國,統(tǒng)計(jì)的汽車空調(diào)引起的溫室氣體排放約占全球溫室氣體排放的%。    溫室氣體排放發(fā)生在汽車生命周期的每一階段:生產(chǎn)、使用、回收處理。表示從生產(chǎn)到回收的排放量,包括零部件材料使用的能量造成的排放。概念比原先使用的""概念更為科學(xué)。""只包括了制冷劑的直接排放和系統(tǒng)運(yùn)行能耗造成的間接排放;還包括了制造零部件、制冷劑消耗的能量、替換及服務(wù)耗能。3 減少直接或間接排放的手段

7、     溫室氣體的直接和間接排放量依賴于空調(diào)系統(tǒng)及其零部件的設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)跟車輛運(yùn)行環(huán)境的溫度和濕度有關(guān)。對(duì)一定的制冷劑,直接排放率主要受系統(tǒng)工作壓力影響,而環(huán)境溫度和壓縮機(jī)輸入功率又決定了制冷系統(tǒng)的工作壓力。間接排放主要由生產(chǎn)系統(tǒng)所需的能量、保證一定舒適性所必須提供的冷量及制冷系統(tǒng)的效率決定。在某些環(huán)境下,燃料消耗引起的間接排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制冷劑泄漏引起的直接排放量,尤其是在報(bào)廢之前使用制冷劑回收裝置。而在某些氣候條件下因?yàn)楹苌偈褂每照{(diào),直接排放則是的主要部分。減少直接排放的措施:1)在維修和車輛報(bào)廢時(shí)使用制冷劑回收和再利用設(shè)備。2)改進(jìn)零部件

8、質(zhì)量減少泄漏,降低軟管匯漏率并盡可能減少軟管長(zhǎng)度,改進(jìn)管路接頭,在可能的情況用"全封閉"的結(jié)構(gòu)代替開啟式壓縮機(jī)的軸封。公司開發(fā)的新型車用制冷系統(tǒng)雙端面密封接頭的泄漏量與單""型圈密封接頭的比較。在127表壓下,30天的泄漏測(cè)試結(jié)果表明新型的泄漏量減少了80%。3)減少制冷劑充注量。4)改用低值且蒸汽壓力適當(dāng)、滲透率較小的制冷劑。減少燃料消耗引起的間接排放:1)通過增加車廂隔熱層厚度、改善車廂密封性、減少玻璃傳熱(如采用光線選擇性玻璃、隔熱膜)等措施減少車廂熱負(fù)荷。2)進(jìn)行壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié),減少過度制冷后再加熱而引起的能量損耗。如日本電裝開發(fā)的電控變排量壓縮

9、機(jī)用電磁閥代替原有變排量壓縮機(jī)的氣動(dòng)閥(圖1),使壓縮機(jī)輸氣量可在0-100%范圍連續(xù)調(diào)節(jié),這種結(jié)構(gòu)不僅節(jié)能,而且不必安裝離合器,因而減輕了壓縮機(jī)的質(zhì)量,并大大提高了系統(tǒng)可靠性。 3) 通過控制、減少摩擦、蓄熱、改善傳熱等措施來提高系統(tǒng)零部件的能源利用效率。如圖2為過冷型冷凝器,該換熱器將傳統(tǒng)的冷凝器、貯液器、干燥過濾器和過冷器合成一體,可確保節(jié)流閥前的過冷度而提高效率,且因減小了貯液器的內(nèi)容積而可減少制冷劑充注量。 4)使用高效率零部件以減輕質(zhì)量。5)采用新的系統(tǒng)或新的制冷劑來達(dá)到更佳的值,并提供令人滿意的加熱、冷卻、除霜、除濕、除霧和濕度控制性能。如一般車輛在冬季將外部

10、空氣經(jīng)加熱器引入車室內(nèi)除霧(新風(fēng)模式)時(shí),同樣量的熱風(fēng)被排出車外,因此造成采暖負(fù)荷的70%的熱量損失了。日本電裝開發(fā)的內(nèi)外空氣雙層循環(huán)系統(tǒng)（圖3）,只將加熱后的外部熱空氣引入車室頂部,而使室內(nèi)空氣在足部循環(huán),這樣可減少一半的熱量損失。而在夏季這種通風(fēng)方式約可節(jié)約40%的動(dòng)力。4未來新型動(dòng)力車可能使用的空調(diào)系統(tǒng)    汽車動(dòng)力系統(tǒng)的環(huán)保設(shè)計(jì)對(duì)市場(chǎng)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽車空調(diào)系統(tǒng)效率對(duì)客戶的影響,然而對(duì)于能源利用效率最高的電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃料電池及低排放汽車,它們是否能被用戶接受卻往往依賴于是否擁有效率更高的采暖和空調(diào)系統(tǒng)。例如,單用電力制冷和采暖可使電動(dòng)車和燃料電池車的

11、可行駛里程減少50%以上,以至連典型城市交通都難于適應(yīng)。對(duì)于日益開拓的家用轎車市場(chǎng),微型車用于空調(diào)的能量少于普通車輛,但這部分能量在小功率發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功中占的比例卻不小。    由于國際社會(huì)的共同努力,在全世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)12到134替代的速度和花費(fèi)比各公司單兵作戰(zhàn)要小得多。如果新的技術(shù)能夠在全球范圍內(nèi)被接受,則可能有同樣的好處,但是不可避免的是,有些新的設(shè)計(jì)只在某些氣候條件下或某些特殊市場(chǎng)規(guī)則下才有優(yōu)勢(shì)。因此在全球范圍內(nèi)可能存在多種技術(shù)選擇。目前帶空調(diào)的汽車一般在濕度控制功能,空氣通過冷卻除濕后再被加熱到一定的溫度,以控制車窗除霧并保證乘客舒適性。這一點(diǎn)在新的系統(tǒng)

12、設(shè)計(jì)中可能會(huì)遇到挑戰(zhàn),例如在電動(dòng)汽車中使用熱泵型空調(diào)供暖,能夠提高能源利用率,但要同時(shí)實(shí)現(xiàn)濕度和溫度的控制卻很困難。     未來新型空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)必須與汽車開發(fā)同步,以適應(yīng)新的變化:如發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高(余熱量減少)、電氣化、混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力及其它新型零部件使用后導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)特性的變化。1).汽車電氣化日益加強(qiáng)新型的電子元件如加熱座椅、娛樂系統(tǒng)、電子導(dǎo)航等在汽車上的應(yīng)用日漸廣泛,為了適應(yīng)這些技術(shù),汽車生產(chǎn)商正在擬轉(zhuǎn)向42系統(tǒng)。采用高電壓系統(tǒng)后有可能去除皮帶驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),如發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、水泵及動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等。這使在汽車空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用全封閉壓縮機(jī)成為可能,并且只

13、要發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)靠近儀表盤的部分在足夠的空間,就有可能用金屬管代替軟管,從而大大降低制冷劑泄漏。2).電動(dòng)車及一些混合動(dòng)力車需要負(fù)荷調(diào)度電動(dòng)車和一些混合驅(qū)動(dòng)車為了達(dá)到高效和減少溫室氣體排放的目的,以盡量少使用燃料來滿足動(dòng)力要求。例如,一些混合驅(qū)動(dòng)車在發(fā)動(dòng)機(jī)模式時(shí)利用多余動(dòng)力對(duì)電池充電,當(dāng)電池充電完成時(shí)則切向電動(dòng)模式。相應(yīng)地空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn):因?yàn)闊o論發(fā)動(dòng)機(jī)模式和電動(dòng)模式時(shí)都需要空調(diào)(或采暖)。豐田混合動(dòng)力車為了節(jié)約燃料設(shè)計(jì)成在發(fā)動(dòng)機(jī)模式和電動(dòng)模式中間來回切換,只在發(fā)動(dòng)機(jī)模式下開啟空調(diào),因?yàn)榭照{(diào)的壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)必須運(yùn)行以產(chǎn)生熱量,在汽車臨時(shí)停車或持續(xù)減速時(shí)切換到電動(dòng)模式只

14、有在需要空調(diào)時(shí)才開啟發(fā)動(dòng)機(jī)。本田的混合驅(qū)動(dòng)車有一個(gè)小汽油發(fā)動(dòng)機(jī),與電動(dòng)馬達(dá)并行以補(bǔ)充動(dòng)力。本田采用獨(dú)特的“經(jīng)濟(jì)模式”使發(fā)動(dòng)機(jī)階段性地怠速運(yùn)行,以確保車室內(nèi)保持在舒適的溫度。在空調(diào)(或采暖)負(fù)荷較大時(shí),需要保持發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),以確保舒適性。3).新的零部件技術(shù)可減少空調(diào)或采暖負(fù)荷增強(qiáng)車身隔熱、改進(jìn)門封結(jié)構(gòu)、玻璃鍍層和其它新技術(shù)的應(yīng)用都可減少車室熱負(fù)荷,從而減少用于空調(diào)或采暖的能耗而減少溫室氣體排放。5技術(shù)選擇     至少有六種方案可減少汽車空調(diào)系統(tǒng)的溫室氣體排放量,三種方案是改進(jìn)現(xiàn)在134系統(tǒng),三種方案是采用新的制冷劑,每一個(gè)方案都有其優(yōu)缺點(diǎn)。方案一:改

15、進(jìn)134系統(tǒng)的維修和處理環(huán)節(jié)     在維修和報(bào)廢空調(diào)系統(tǒng)時(shí)回收和再利用134,以減少直接排放對(duì)氣候的影響。這一方案需要國家法律保證。據(jù)估計(jì)發(fā)達(dá)國家在12年內(nèi)的回收率可達(dá)90%,而發(fā)展中國家的實(shí)施則需要23年時(shí)間。方案二:改進(jìn)134系統(tǒng)    這一方案通過改進(jìn)傳統(tǒng)的134系統(tǒng),減少系統(tǒng)充注量、提高部件品質(zhì)來提高系統(tǒng)效率。與制冷劑回收相結(jié)合,這一方案的收益最高。估計(jì)改進(jìn)后的134系統(tǒng)會(huì)在13年實(shí)施。3其傳統(tǒng)134系統(tǒng)進(jìn)行了改造,以變排量壓縮機(jī)取代原有170的旋轉(zhuǎn)斜盤式壓縮機(jī),以同樣換熱面積的過冷式冷凝器代替原平行流冷凝器,以同

16、樣換熱面積的擠壓管蒸發(fā)器代替原層疊式蒸發(fā)器,以1.5冷噸的熱力膨脹閥取代原系統(tǒng)中采用的節(jié)流短管,新系統(tǒng)同時(shí)采用了新型軟管和接頭,使制冷劑泄漏分別減少78%和88%。新系統(tǒng)的充注量下降了18%,而系統(tǒng)則提高了32%。方案三:全封閉134系統(tǒng)    這一方案是采用全封閉的134系統(tǒng)及制冷劑回收技術(shù),其實(shí)施時(shí)間依賴于電動(dòng)汽車投入市場(chǎng)的時(shí)間和市場(chǎng)占有率,據(jù)估計(jì)至少需要45年時(shí)間。全封閉系統(tǒng)在固定空調(diào)中的使用已經(jīng)很成熟,在汽車上的使用沒有大的技術(shù)障礙。這種系統(tǒng)對(duì)目前正在開發(fā)的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車高電壓系統(tǒng)和未來的電動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)車都非常有吸引力。方案四:在改進(jìn)的系統(tǒng)中使用碳?xì)渲评鋭?/p>

17、    汽車生產(chǎn)商和供應(yīng)商們?cè)谡兄剖褂锰細(xì)錇橹评鋭┑钠嚳照{(diào)系統(tǒng),尤其是采用載冷劑方式降低可燃性危險(xiǎn)的兩級(jí)系統(tǒng)更有吸引力。1999年開發(fā)了帶兩級(jí)冷卻循環(huán)的碳?xì)湎到y(tǒng)(圖4),并在鳳凰城會(huì)議上與134系統(tǒng)進(jìn)行了比較,但新系統(tǒng)的效率和可靠性仍有待進(jìn)一步的研究。在汽車中使用可燃制冷劑必須經(jīng)過大量工程驗(yàn)證和測(cè)試,而且在商業(yè)化以前必須經(jīng)過制訂標(biāo)準(zhǔn)、維修程序、生產(chǎn)和技工培訓(xùn)的過程。但這一方案與封閉系統(tǒng)和二氧化碳系統(tǒng)相比沒有大的技術(shù)障礙。據(jù)估計(jì)在第一輛車上裝這種可燃工質(zhì)約需45年。 方案五:在改進(jìn)的系統(tǒng)中使用低值的152制冷劑    采用載冷劑方式的兩級(jí)152系統(tǒng)也在研制中,152的燃燒熱約為丙烷的2 3,因而可燃性比丙烷小,但與碳?xì)渲评鋭┮粯?152在汽車空調(diào)系統(tǒng)中的使用也必須經(jīng)過大量工程驗(yàn)證和測(cè)試,而且在商業(yè)化以前必須經(jīng)過制訂標(biāo)準(zhǔn)、維修程序、生產(chǎn)和技工培訓(xùn)的過程。其實(shí)際應(yīng)用估計(jì)也在45年以后。方案六:超臨界的二氧化碳系統(tǒng)    目前,全球各大汽車生產(chǎn)廠和零部件供應(yīng)商都在開發(fā)超臨界的二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)