汽車空調系統 （Heating ventilating air condition） 主要是為車內提供制冷、制熱、通風等功能，其構成包含壓縮機、空調管路、冷凝器、空調箱、空調風道等組件。膨脹閥 （安裝在空調箱內）、空調管路 （制冷劑運輸媒介） 是影響汽車空調制冷性能的兩個最大因素，體現在膨脹閥限制流過蒸發(fā)器的制冷劑流量，空調管路運輸制冷劑到各個空調部件，以此達到制冷劑通過管路進入蒸發(fā)器與空氣換熱給乘員艙帶來冷量的目的，降低了乘員艙內溫度，兩者相互協同作用促使空調系統在乘員艙內快速降溫。

關鍵詞：膨脹閥 TXV；同軸管 IHX；空調制冷

作者：蒙楊超，羅 穎，俞曉勇

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州

01、膨脹閥TXV

膨脹閥安裝于空調箱內，擁有調控流量降低壓力、維持定量過熱度、預防液沖擊和極端過熱等功能。膨脹閥作為制冷循環(huán)的四大部件之一，是空調系統制冷的一個節(jié)流部件，一般位于空調管與蒸發(fā)器芯體之間，中溫高壓的液狀冷媒經過膨脹閥節(jié)流變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊赫羝?，在蒸發(fā)器內吸取空氣熱能以獲得制冷降溫的效能，其結構由閥體、感溫包、閥桿組件三大部分組成（如圖1所示），膨脹閥具有如下功能[1]。

（1）節(jié)流作用：中溫高壓的液狀冷媒穿過膨脹閥的節(jié)流孔限流后，變?yōu)榈蜏氐蛪旱撵F態(tài)液狀，為冷媒吸熱蒸發(fā)創(chuàng)建條件。

（2）控制制冷劑的流量：若進到蒸發(fā)器的液狀冷媒過多，在蒸發(fā)器出口處就會有未完全揮發(fā)的冷媒吸入到壓縮機，形成液沖擊，損壞壓縮機；若流量過小，經過蒸發(fā)器的冷媒換熱不充分，會降低整車的制冷能力。

膨脹閥工作原理

汽車經常用到是“H”形熱力膨脹閥，其4個接口與蒸發(fā)器進出口、空調管路高低壓管相接，感溫包直接位于蒸發(fā)器出口的冷媒流量中，膨脹閥其開度大小決定冷媒流量的大小，閥球開度是由閥芯推桿和感溫包協同掌控的，感溫包內的制冷劑經過流過出口管處的制冷劑溫度而形成壓力變動，即感溫包壓力P1，彈簧對閥芯的作用力P2，高壓端管路內冷媒流過的壓力P3，3個力的平衡關系如下所示：P1=P2+P3，當這3個力均衡時，節(jié)流閥位置恒定，冷媒流量也保持平衡，制冷效果保持不變[2]。

實際工作時，由于膨脹閥常溫下處于常開狀態(tài)（P1＞P2＋P3），當冷媒供液不足時，冷媒壓力P3下降，感溫包感受到低壓端制冷劑溫度漸漸升高，感溫包內充注物壓力P1變大，引起蒸發(fā)器出口處溫度升高（過熱度上升），感溫包內壓力P1大于冷媒壓力P3與彈簧力P2之和（P1＞P3+P2），會引起閥芯離開閥座，開大流通閥孔，直到P1=P3+P2為止，反之，冷媒流量過大，冷媒壓力P3上升或者感溫包壓力P1下降，即P1＜P3+P2，減少閥開口大小，直到3種壓力平衡為止。

四象限圖

四象限圖是檢測膨脹閥單體性能的基礎，圖內能看出所測膨脹閥的溫度包充注特性、閥芯圓鋼球壓力位移特性、閥芯開度流量特性及溫度流量特性等[3]。空調系統系統的每個部件都有對應的交換焓值，焓值可以轉換成換熱量；通過蒸發(fā)器換熱量、管路低壓值、低壓過熱度可確定蒸發(fā)器里面所需的制冷劑流量（流量與焓值有一定的對應關系），在通過流量與管路高 壓值確定膨脹閥四象限圖，然后選擇對應冷噸的膨脹閥。四象限圖對于膨脹閥的標定選型有至關重要的作用，匹配不好會降低整車空調系統的制冷性能?；谀耻囆?.5 t （冷噸） 鋼球大小的膨脹閥四象限圖如圖2 所示。

（1）第一象限為感溫包內冷媒特性圖，以較常使用的R134a冷媒飽和曲線為基準線，實測流過膨脹閥出口的制冷劑壓力與制冷劑溫度的曲線，當曲線斜率越接近參考線，其調節(jié)越靈敏，當制冷劑溫度達到35℃（已算上過熱度）時，感溫包壓力P1達到極限值0.62MPa，閥門打開。

（2）第二象限為膜片與彈簧的性能圖，先保證感溫包溫度處于0℃，P1恒定不變，然后增加制冷劑流量，壓力P3升高，根據三者關系，P2值逐漸減小，閥門逐漸打開，反之，閥門關閉，此曲線越平滑則膨脹閥彈簧與膜片的性能越優(yōu)。

（3）第三象限是最為重要的一個象限，體現了閥口開度（冷噸）-制冷劑流量特性，在膨脹閥開度相同的情況下，鋼球及閥口大小直接影響系統冷媒的流量，當系統流量一定時，選擇合適的閥口對發(fā)揮系統最大制冷系統有很大幫助，流量越大，選取的閥口大小越大。

（4）第四象限為溫度-流量特性曲線，當出口溫度升高，過熱度逐漸增大，流量隨著閥口越來越大，即蒸發(fā)器帶走的熱能越多，制冷效果越好，但是如果過熱度過大，容易結霜，選擇合適的過熱度也是影響系統制冷的因素之一。

以上四象限圖體現了膨脹閥在不同冷媒溫度、流量下打開的開度不同，只有結合系統的流量大小，選擇合適的閥口大小，才能發(fā)揮空調系統的最大制冷性能。基于上文的四象限圖，分析不同閥口開度對制冷效果的影響。從閥口開度測試結果（見表1）得出，壓縮機轉速恒定，冷媒流量一定，膨脹閥閥口越小，節(jié)流效果越好，高壓越低（過冷度越低），蒸發(fā)器制冷效果越好，因此對于這個車型，選用較小閥口的膨脹閥能發(fā)揮制冷最大性能。

02、空調管路

汽車空調管路在空調系統中對制冷效果的充當著運輸的作用，管路連接著汽車空調系統內各大零部件，管內如果發(fā)生泄漏，直接促成整個空調系統制冷失衡。汽車空調管路通常由鋁管、膠管和其他管路附件（加注口、固定鐵支架、壓力反饋單元、壓板、“O”形圈等）構成。鋁制護套是鋁管同膠管對接的關鍵，護套的緊固通過扣壓完成。

空調管路根據對接的部件可分為壓縮機吸氣管、壓縮機排氣管、蒸發(fā)器進出口管等，它們之間的連接關系如圖3所示。

空調鋁管

鋁材質是管路高低壓管的重要組成成分，鋁管具有重量輕、耐腐蝕性好、導熱性好、易于加工等優(yōu)點，一般高壓鋁管直徑可為12mm、10mm、9mm等規(guī)格，例如蒸發(fā)器進出口管高壓管徑為10mm；低壓鋁管直徑可為16mm、19mm等規(guī)格，例如壓縮機吸氣管管徑為16mm。鋁管作為制冷劑的主要運輸通道，為了避免制造缺陷，設計時盡量減少折彎數量，且折彎角度不得小于90°，同時增大管徑有利于傳遞更多制冷劑到各個部件。

空調膠管

汽車空調膠管根據標準QC/T745—2006選用C型（五層結構，較D型增加一層內膠層）或者D型（四層膠管，結構如圖4所示），考慮成本問題一般采用D型膠管，膠管主要用于緩沖和減震，具有耐150°高溫、拉伸強度好等性能，長度建議取350～400mm以滿足性能要求。

D型膠管結構及材料：第一層為尼龍層，材料為PA；第二層為內膠層，材料為IIR（丁基）或EPDM（三元乙丙膠）；第三層為編織層，材料為PET（聚酯線）；第四層為外膠層，材料為EPDM（三元乙丙膠）。

制冷劑吸放熱的物理性能變化快慢是空調制冷效果好壞的具體體現，在不同連接段的管路內其物理狀態(tài)不相同。首先壓縮機高轉速擠壓冷媒變成高溫高壓的氣態(tài)經過壓縮機排氣管輸送到冷凝器中進行散熱同時轉變成高壓液態(tài)的冷媒。接著液態(tài)冷媒通過蒸發(fā)器進出口管的高壓管路輸送并由膨脹閥節(jié)流后變成低壓液態(tài)接著進入空調箱蒸發(fā)器內進行冷熱能量交換，這時是制冷劑由低壓液態(tài)吸熱變成低壓氣態(tài)的過程，此過程是空調對乘員艙內空氣制冷的關鍵所在，吸收完熱量后的制冷劑再次通過蒸發(fā)器進出口管低壓管回到壓縮機內進行循環(huán)并再次壓縮，制冷劑反復吸放熱量為制冷的全過程（如圖5所示）。

同軸管

本文主要討論在空調箱蒸發(fā)器與壓縮機之間通過改變制冷管路結構設計降低過冷度，提高制冷劑焓值，降低壓縮機耗能，進而降低油耗；同軸管是目前較理想的方案之一，同軸管是將高低壓管路合并在一體，即將低壓管套在高壓管內部（如圖6、圖7所示），高壓管包住低壓管，兩根管子里流通的制冷劑溫度不一樣，且流通方向相反，通過同軸管進行熱交換，將高溫液態(tài)的制冷劑進行冷卻，降低過冷度，同時升高低壓管內制冷劑的溫度，提高過熱度，減少壓縮機的功耗。使用同軸管的空調系統有如下優(yōu)點：①提高空調制冷效果，降低出風口溫度。②增加壓縮機吸氣溫度，從而降低壓縮功率（或可選用排量較小的壓縮機），達到節(jié)能降油耗的功效。③縮小管路布置空間（可不改變其他零部件裝配尺寸即可完成普通管路變更為同軸管），讓出更多空間給周邊零件布置。

蒸發(fā)器進出口管高壓管內壓力高低代表了冷凝器的散熱能力，越低過冷度越低，而低壓管內壓力高低代表了蒸發(fā)器的換熱能力，冷媒壓力越低，制冷效果越好。接下來基于某車型的同軸管（如圖8所示）與常規(guī)分離式高低壓管進行制冷、油耗試驗，分析同軸管與常規(guī)分離式高低壓管路性能差異，驗證同軸管對制冷效果的貢獻。

測試同軸管換熱量，為整車試驗作基礎，試驗結果見表2。整車試驗條件見表3。試驗結果如圖9、圖10、圖11所示。

從結果可以看出，同軸管的高壓端較原管路高壓較低（降低了過冷度），有效地增強蒸發(fā)器吸熱性能，達到更好的降溫制冷效果，從圖中看出空調出風口溫度較原管路溫度低；再者低壓端較原管路較高（增加過熱度），此目的用于增加壓縮機吸氣溫度，降低壓縮機壓縮功率，進而降低整車油耗。試驗結果體現了裝有同軸管的汽車在高速時的油耗低于原管路，說明同軸管能降低壓縮機功率且提供了選用排量更小壓縮機的可能性，帶來更省油的效果。

03、結論

（1）空調同軸管較常用的高低壓分離管降低了蒸發(fā)器進口的過冷度，實現空調出風口溫度下降，提升了空調快速制冷能力。

（2）空調同軸管增加了低壓管的過熱度，提高了壓縮機吸氣溫度，壓縮機功率減小，進而降低發(fā)動機油耗，或可另選用更小排量的壓縮機，實現節(jié)能減排的作用。

（3）膨脹閥的選型對于空調系統最大制冷性能的發(fā)揮起著關鍵的作用，基于蒸發(fā)器換熱量、管路低壓值、低壓過熱度、蒸發(fā)器流量等因素標定好的膨脹閥四象限圖有利于驗證所選用的膨脹閥是否滿足要求，對研究空調系統的制冷性能有一定借鑒意義。

【參考文獻】

［1］ 邱水泉．輕型客車空調不制冷的故障原因及對策［J］．企業(yè)技術開發(fā)，2017（3）．

［2］ 劉海明．淺析汽車空調制冷系統結構及原理［J］．汽車實用技術，2016（9）．

［3］ 牛萬瑩．汽車空調熱力膨脹閥的標定及驗證方法［J］．華東科技，2018（5）．

文章來源：企業(yè)科技創(chuàng)新 2020 年第 1期（總第 459 期）