引言

汽車空調(diào)是整車系統(tǒng)的最大耗能附件,其能耗約占發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的10%~30%(隨車速?發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和環(huán)境因素變化)?以往研究和法規(guī)的重點(diǎn)主要集中在空調(diào)系統(tǒng)的制冷?制熱和舒適性等要求上,但隨著整車能耗法規(guī)的日益嚴(yán)格,汽車空調(diào)能耗也同樣被重視起來(lái)?

在2017年1月,工信部頒布了«乘用車循環(huán)外技術(shù)/裝置節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法第3部分-高效空調(diào)»征求意見稿,同時(shí)在2019年1月工信部公布的下一階段«乘用車燃料消耗量限值»征求意見稿中,仍然保留了乘用車循環(huán)外技術(shù)條目,擬對(duì)裝備有節(jié)能效果的循環(huán)外技術(shù)車輛給予一定的油耗獎(jiǎng)勵(lì)?可見,汽車空調(diào)的能耗水平在未來(lái)法規(guī)層面將會(huì)是整車能耗不可分割的一部分?

本文首先綜述了國(guó)內(nèi)外汽車空調(diào)節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法現(xiàn)狀,再通過(guò)試驗(yàn)與仿真結(jié)合的方式對(duì)影響空調(diào)能耗因素進(jìn)行研究,對(duì)國(guó)內(nèi)空調(diào)能耗法規(guī)提出修改建議?

1  國(guó)內(nèi)外汽車空調(diào)節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法現(xiàn)狀

1.1  美國(guó)

美國(guó)針對(duì)空調(diào)能耗共有兩項(xiàng)測(cè)試?一是傳統(tǒng)油耗測(cè)試循環(huán)使用的EPA5工況法,另一項(xiàng)是專門用于空調(diào)系統(tǒng)能耗測(cè)試的AC17工況法?

EPA5工況法中的SC03循環(huán)更側(cè)重于整車,主要考察車輛在極端環(huán)境條件下,空調(diào)系統(tǒng)全負(fù)荷工作時(shí)的整車油耗,不進(jìn)行同循環(huán)下的關(guān)空調(diào)測(cè)試?SC03工況的主要特征包括:高溫35℃,40%相對(duì)濕度,850W/m2光照；時(shí)長(zhǎng)99min,里程58km,平均車速348km/h?

AC17工況法更側(cè)重于空調(diào)系統(tǒng),主要考察空調(diào)系統(tǒng)在較溫和環(huán)境條件下的能耗水平,溫和的環(huán)境條件更有助于不同空調(diào)技術(shù)(如變排壓縮機(jī)技術(shù))的節(jié)能表現(xiàn)?AC17工況的主要特征包括:溫度25℃,50%相對(duì)濕度,850W/m2光照；時(shí)長(zhǎng)227min,里程222km,平均車速586km/h?AC17測(cè)試基于車型空調(diào)部件采用的先進(jìn)技術(shù)計(jì)算CO2(油耗)獎(jiǎng)勵(lì),2017年及以后,乘用車獎(jiǎng)勵(lì)上限值為CO25g/mile(0.124L/100km)?

1.2  歐洲

歐洲使用的空調(diào)測(cè)試循環(huán)是MACTP工況,MACTP工況是等速工況,其主要特征包括:溫度25℃,相對(duì)濕度45%,不開光照但會(huì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行700W/m2的等效光強(qiáng)處理,空調(diào)設(shè)置為外循環(huán)?采用多層次的校正對(duì)最終結(jié)果的空調(diào)開?關(guān)油耗差值進(jìn)行修正?

1.3  中國(guó)

2017年1月中國(guó)公布了«乘用車循環(huán)外技術(shù)/裝置節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法第3部分一高效空調(diào)»征求意見稿?循環(huán)為NEDC工況,環(huán)境溫度30℃,相對(duì)濕度50%,光強(qiáng)850W/m2,空調(diào)溫度設(shè)置為23℃,內(nèi)循環(huán)吹面模式,關(guān)閉后排出風(fēng)口?油耗獎(jiǎng)勵(lì)值公式為式(1)?式(2),車輛得到的油耗獎(jiǎng)勵(lì)除了與空調(diào)的實(shí)際能耗水平有關(guān),還和通過(guò)車重計(jì)算得到的空調(diào)能耗相關(guān)?

FCJ=(TAC-FCAC)K (1)

TAC=0.000918CM+0.430 (2)

式中FCJ表示油耗獎(jiǎng)勵(lì)值,TAC為汽車空調(diào)燃油消耗量目標(biāo)值(L/100km)；K為空調(diào)使用比例系數(shù)(0.25)；CM為整車裝備質(zhì)量(kg)；FCAC為汽車空調(diào)開啟/關(guān)閉后的油耗差值?

2  汽車空調(diào)能耗影響因素分析

本文通過(guò)試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的形式對(duì)空調(diào)能耗進(jìn)行分析,試驗(yàn)研究循環(huán)工況和空調(diào)技術(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響,仿真研究環(huán)境條件和車輛參數(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響,使用了2輛搭載同樣空調(diào)和動(dòng)力系統(tǒng)的A級(jí)車型和MPV車型作為研究對(duì)象?車輛的基本參數(shù)見表1?



汽車空調(diào)是一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng),它的工作狀態(tài)與車內(nèi)外環(huán)境條件?車輛動(dòng)力等因素有關(guān)?結(jié)合法規(guī),在測(cè)試中影響空調(diào)能耗的因素可分為4個(gè)部分:測(cè)試使用的循環(huán)工況?環(huán)境條件?車輛因素和空調(diào)技術(shù)本身?

2.1  循環(huán)工況對(duì)空調(diào)能耗的影響

表2為不同循環(huán)工況下車型A的空調(diào)能耗試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果表明空調(diào)系統(tǒng)能耗與車速之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性:平均車速越低,空調(diào)能耗越大,且空調(diào)能耗占整車能耗比例也更大?循環(huán)工況對(duì)空調(diào)能耗影響主要在平均車速和循環(huán)時(shí)長(zhǎng)2個(gè)方面?



2.1.1  循環(huán)平均車速的影響

在怠速情況下,空調(diào)開啟后會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)怠速負(fù)荷,因此發(fā)動(dòng)機(jī)需提高一定的怠速轉(zhuǎn)速,使怠速時(shí)油耗增加?而高速狀態(tài)下冷凝器端風(fēng)速高,使冷凝器換熱效率提升,且此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率更高,同樣的空調(diào)額外負(fù)荷所消耗的燃油量更低?但車輛高速行駛時(shí),車廂內(nèi)處于負(fù)壓區(qū),空氣從車窗?車門?空調(diào)外循環(huán)風(fēng)門等處滲入量更大,使一部分發(fā)動(dòng)機(jī)余熱和外部空氣從縫隙中進(jìn)入車廂內(nèi),增大空調(diào)的制冷需求?

2.1.2  循環(huán)時(shí)長(zhǎng)的影響

對(duì)于車型A,空調(diào)系統(tǒng)的最大負(fù)荷工作時(shí)間一般在最開始的4min內(nèi),這段時(shí)間變排壓縮機(jī)全負(fù)荷工作,將車內(nèi)溫度從50℃左右降溫至23℃左右?隨著溫度的下降,變排壓縮機(jī)排量下降,能耗也降低?隨著試驗(yàn)循環(huán)時(shí)間的加長(zhǎng),空調(diào)高負(fù)荷工作占比時(shí)間縮短,使平均空調(diào)能耗下降?

2.2  環(huán)境條件對(duì)空調(diào)能耗的影響

環(huán)境參數(shù)指環(huán)境溫度?環(huán)境相對(duì)濕度以及光照強(qiáng)度?車輛經(jīng)過(guò)30min浸車后車內(nèi)溫度在48℃左右?制冷過(guò)程中,空調(diào)系統(tǒng)約1/3的制冷量用于抵消光照輻射的熱量,1/3制冷量用于補(bǔ)償由于漏風(fēng)引入的新空氣熱量,另外1/3用于車廂內(nèi)部制冷?NEDC工況下環(huán)境條件變化對(duì)車型A的油耗影響如圖1所示?


環(huán)境溫度主要影響車輛保溫浸車后的車廂溫度和冷凝器端的熱交換率?環(huán)境溫度升高之后,會(huì)使車內(nèi)保溫升高,同時(shí)由于外部空氣側(cè)溫度升高會(huì)使冷凝器換熱效率下降,環(huán)境溫度變化±5℃會(huì)帶來(lái)約7%的空調(diào)能耗影響?

相對(duì)濕度直接影響空調(diào)的制冷能耗?濕度越高,制冷量越大?水蒸氣冷凝為水,相變的汽化潛熱使制冷量加大,同時(shí)冷凝出來(lái)的水(與氣溫相同)就在蒸發(fā)器上,又會(huì)繼續(xù)被冷卻?這部分的水將會(huì)消耗大量的制冷量?所以環(huán)境濕度越高,制冷耗能就越高?但法規(guī)試驗(yàn)規(guī)程要求使用內(nèi)循環(huán)模式,因此環(huán)境空氣的濕度對(duì)車內(nèi)循環(huán)空氣的濕度影響不大,對(duì)空調(diào)能耗的影響很小,±20%的相對(duì)濕度變化對(duì)空調(diào)能耗幾乎無(wú)影響?

光照強(qiáng)度主要影響車輛保溫浸車后的車廂溫度?冷凝器端熱交換率以及車輛行駛時(shí)的車廂內(nèi)外換熱率?±150W/m2的光照強(qiáng)度變化會(huì)使保溫后的車廂內(nèi)溫度變化3℃左右?和環(huán)境溫度因素不同,溫度對(duì)浸后的車內(nèi)溫度峰值有較大影響,對(duì)降溫的過(guò)程影響較小,但光照強(qiáng)度對(duì)降溫過(guò)程影響較大,車廂吸收的熱輻射更多,意味著空調(diào)制冷量需求更多,使空調(diào)能耗增加?±150W/m2的光照強(qiáng)度變化會(huì)帶來(lái)約7%的空調(diào)能耗影響?

2.3  車輛參數(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響

2.3.1  車重對(duì)空調(diào)能耗的影響

車重對(duì)于空調(diào)能耗影響結(jié)果如圖2所示,結(jié)果表明不同車廂容積的車輛,在不同的整車裝備條件下,空調(diào)能耗和車重?zé)o關(guān)聯(lián)性?車重增加導(dǎo)致車輛行駛阻力增加,因此空調(diào)關(guān)閉和開啟后的油耗都有上升,但空調(diào)能耗并不受此影響?



2.3.2  發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)功率與空調(diào)能耗關(guān)系如圖3所示,通過(guò)對(duì)搭載6款不同排量?不同功率發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛仿真分析得知隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率和排量的增大,車輛的基礎(chǔ)油耗和空調(diào)開啟后油耗都顯著上升,但空調(diào)能耗卻有一定下降,這和不同發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間和單位輸出功率所消耗的燃油量有關(guān)?空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于小排量?低功率發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗影響要顯著高于大排量?高功率發(fā)動(dòng)機(jī)?



2.3.3  車廂容積對(duì)空調(diào)能耗的影響

一般A00級(jí)車型如FIAT500的車廂容積為2000L,A級(jí)車的車廂容積為3000L,5座MPV的車廂容積為5000L?車廂容積越大,意味著車窗面積越大,導(dǎo)致陽(yáng)光輻射更多,車內(nèi)吸熱物體增加,且空氣也更難形成循環(huán)回路,法規(guī)要求關(guān)閉后排出風(fēng)口,進(jìn)一步惡化了后排空間的空氣循環(huán),同時(shí)車廂容積增大后更難保證車廂的氣密性?這些因素都會(huì)增加空調(diào)的制冷量需求,導(dǎo)致空調(diào)開啟后油耗增加?圖4是不同車廂容積與空調(diào)能耗之間關(guān)系的仿真結(jié)果,式(3)為空調(diào)能耗與車廂容積關(guān)系的二次擬合曲線,仿真時(shí)考慮了車廂容積增加帶來(lái)的氣密性下降問題?圖5顯示了一般轎車的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣密性試驗(yàn)結(jié)果,車輛靜態(tài)怠速時(shí)車內(nèi)外壓差為50Pa左右,此時(shí)的漏風(fēng)量在70L/s左右?

FAC=00869V2-03V+1.376 (3)

式中,FAC為空調(diào)能耗；V為車廂容積(×1000L)?





2.4  空調(diào)技術(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響

空調(diào)節(jié)能技術(shù)主要有變排壓縮機(jī)?內(nèi)/外循環(huán)風(fēng)門主動(dòng)控制?高效的換熱器和座椅主動(dòng)通風(fēng)等,它們的節(jié)能效果和技術(shù)成本各不相同?本文試驗(yàn)了2項(xiàng)空調(diào)節(jié)能技術(shù),即變排量空調(diào)壓縮機(jī)和內(nèi)置換熱器技術(shù),前者節(jié)能效果顯著,后者成本很低但節(jié)能效果并不明顯?內(nèi)置換熱器又叫同軸管(IHX),原理是將空調(diào)系統(tǒng)中的低溫低壓管和高溫高壓管制成同軸管,內(nèi)管是低壓管,外部是高壓管,以實(shí)現(xiàn)更高效的換熱?




圖6為不同空調(diào)技術(shù)下的空調(diào)能耗試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果表明變排壓縮機(jī)的節(jié)能效果顯著,其節(jié)省油耗約占空調(diào)能耗的33.6%?內(nèi)置換熱器雖然在空調(diào)試驗(yàn)臺(tái)架上能提高換熱效率,有不錯(cuò)的節(jié)能表現(xiàn),但在整車試驗(yàn)條件下,其節(jié)能效果難以體現(xiàn),僅占空調(diào)能耗的0.7%?

2.5  不同因素對(duì)空調(diào)能耗影響綜合分析

各因素的影響效果如圖7所示,以車型A為參考對(duì)象,濕度取±20%；整車質(zhì)量取±200kg；環(huán)境溫度取±5℃；光照強(qiáng)度取±150W/m2；發(fā)動(dòng)機(jī)排量對(duì)比了1.9T/155kW和1.4T/110kW兩款發(fā)動(dòng)機(jī)；試驗(yàn)循環(huán)對(duì)比了NEDC和WLTC兩個(gè)循環(huán)?



3  汽車空調(diào)能耗評(píng)價(jià)方法探索

綜合分析各因素對(duì)空調(diào)能耗影響后,可以發(fā)現(xiàn)車重和空調(diào)能耗無(wú)關(guān)聯(lián)性,而車廂容積與空調(diào)能耗關(guān)系緊密,因此相比車重,車廂容積更適合作為設(shè)定目標(biāo)值的依據(jù)?汽車空調(diào)能耗的評(píng)價(jià)方法需盡可能避免車輛不一致性帶來(lái)的差異,即對(duì)于同一空調(diào)系統(tǒng)的不同車輛,按評(píng)價(jià)方法得到的油耗獎(jiǎng)勵(lì)值應(yīng)當(dāng)相近?因此在式(3)的基礎(chǔ)上,加入A車型在原公式下的獎(jiǎng)勵(lì)值,修改后的獎(jiǎng)勵(lì)公式為式(4)?式(5)?

FCJ=（TAC-FCAC）K (4)

FAC=0.0869V2-0.3V+1.776 (5)

式中,FAC為空調(diào)能耗；FCJ表示油耗獎(jiǎng)勵(lì)值；TAC為汽車空調(diào)燃油消耗量目標(biāo)值(L/100km)；K為空調(diào)使用比例系數(shù)(0.25)；V為車廂容積(×1000L)；FCAC為汽車空調(diào)開啟/關(guān)閉后的油耗差值?

為了保證修改后評(píng)價(jià)方法的車輛一致性要求,進(jìn)行了6輛車的驗(yàn)證,結(jié)果見表4?按原獎(jiǎng)勵(lì)公式,車型A?D獲得了近01L/100km的油耗獎(jiǎng)勵(lì),而使用同一空調(diào)系統(tǒng)的車型B?E沒有獲得任何獎(jiǎng)勵(lì),這是由于車型B?E車廂容積更大導(dǎo)致空調(diào)能耗大幅增加,因此按車重設(shè)定空調(diào)能耗目標(biāo)值有局限性?而修改后的評(píng)價(jià)方法以和空調(diào)能耗關(guān)聯(lián)緊密的車廂容積為依據(jù),避免了車輛不一致性帶來(lái)的影響,保證了這些車型得到的油耗獎(jiǎng)勵(lì)相近,能更客觀地反映空調(diào)的能耗水平?