陳江艷,楊誠.汽車空調潤滑油最佳加注量試驗方法研究[J].流體機械,2020,48(01):66-70+76.

摘 要：

基于壓縮機結構特點和潤滑油作用機理提出一種標定汽車空調系統(tǒng)潤滑油最佳加注量的試驗方法，并以某新能源汽車空調系統(tǒng)為例，搭建試驗臺架進行實踐。通過試驗臺架模擬汽車空調極限工況，測量并統(tǒng)計分析不同加注油量下的吸、排氣溫度及壓縮機儲油量，確定該空調系統(tǒng)最佳的潤滑油加注量及該加注油量下的潤滑油分布情況，為該系統(tǒng)初始加注潤滑油及售后維修補充潤滑油提供依據，實現(xiàn)汽車空調壓縮機工作可靠性和空調系統(tǒng)換熱效率兼顧。

0  引言

汽車空調系統(tǒng)主要由壓縮機、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷凝器、管路等核心零部件組成，是構建汽車乘員艙良好氣候環(huán)境、保障駕乘舒適性的重要零部件，也是汽車主要耗能單元之一，對新能源汽車續(xù)航里程影響尤為明顯［1-2］。在國家節(jié)能減排大背景下，以降低能耗、提升效率為目標的“高效空調”概念應運而生，成為汽車空調行業(yè)當前主要研究課題之一。

實現(xiàn)“高效空調”，當前主要技術途徑有采用高效壓縮機、高效換熱器、同軸管技術以及系統(tǒng)匹配優(yōu)化等。其中，系統(tǒng)匹配優(yōu)化措施具備低成本、短周期、無風險、廣適用等優(yōu)點，廣受汽車及零部件廠商青睞。一些研究成果表明［3-7］，潤滑油對空調系統(tǒng)換熱性能有顯著影響，當系統(tǒng)含油量較少時，壓縮機質量流量增加，蒸發(fā)器和冷凝器換熱性能增強；當系統(tǒng)含油量過多時，壓縮機功耗增加，實際排氣量減少，蒸發(fā)器、冷凝器換熱能力降低，制冷量減小。此外，潤滑油還顯著影響壓縮機耐久可靠性，機體內潤滑油過少，將導致壓縮機內部零部件磨損加劇、機體溫度升高，2~5 h 就會出現(xiàn)卡死損壞故障［8］，極大的降低客戶用車體驗，影響整車品牌聲譽。部分學者［9-15］深入研究發(fā)現(xiàn)，壓縮機結構、空調兩器大小、管路長度及走向、制冷劑加注量、潤滑油種類、工作狀態(tài)等因素會顯著影響潤滑油的回油情況，并指出合理設計零部件改善系統(tǒng)回油性能、選擇合適的潤滑油及加注量是系統(tǒng)優(yōu)化匹配、提高效率和可靠性的主要舉措。

當前，潤滑油加注量通常由壓縮機生產廠商根據經驗值給定，同型號壓縮機加注相同油量，未區(qū)分系統(tǒng)差異。針對不同汽車空調系統(tǒng)，還沒有統(tǒng)一可實施的試驗方法來確定其潤滑油最佳加注量。由于不同汽車空調系統(tǒng)的兩器大小、管路長短、走向等存在差異，必然存在潤滑油加多或加少情況，將直接影響空調系統(tǒng)換熱效率和壓縮機耐久可靠性。本文對汽車空調壓縮機結構形式、工作原理以及潤滑油種類、作用機理進行分析總結，據此探索實踐一種廣泛適用的標定潤滑油最佳加注量的試驗方法，以提升空調系統(tǒng)換熱效率，降低壓縮機故障率。

1  汽車空調壓縮機結構及工作原理

汽車空調壓縮機主要結構形式有活塞、旋葉、渦旋 3 種。

1.1? 活塞壓縮機結構及工作原理

活塞壓縮機屬于第二代壓縮機，有斜盤式、搖擺式兩種結構形式，其搖擺式的活塞運動為單向作用，而斜盤式的屬于雙向作用。以斜盤式壓縮機為例，其核心零部件主要有主軸、斜盤、活塞、氣缸、鋼球等，如圖 1 所示。

其工作原理：主軸帶動斜盤轉動，斜盤驅動活塞作軸向移動，活塞在前后布置的氣缸中同時做軸向運動，斜盤轉動一周，活塞兩端各完成吸氣、壓縮、排氣循環(huán)一次。

1.2? 旋葉式壓縮機結構及工作原理

旋葉式壓縮機屬于第三代壓縮機，其結構以3 葉式、5 葉式為主。以某 5 葉式旋葉壓縮機為例，其核心零部件有轉子、葉片、氣缸、端板等，如圖 2所示。

其工作原理：轉子在缸體內旋轉，葉片在油壓及離心力作用下滑出，緊貼氣缸內壁，形成若干封閉的月牙形容積腔，并通過氣缸上的吸、排氣口實現(xiàn)壓縮機吸氣、壓縮、排氣工作過程。

1.3? 渦旋壓縮機結構及工作原理

渦旋式壓縮機屬于第四代壓縮機，主要有動靜式和雙公轉式 2 種結構形式。動靜式渦旋結構應用最為普遍，其核心零部件有動渦盤、靜渦盤等，如圖 3 所示。

其工作原理：動渦盤與靜渦盤組合形成數(shù)對月牙形容積腔，隨著偏心軸轉動，外圈形成的月牙容積腔不斷向中心推移，容積縮小，容積腔里的氣體被壓縮直至到達靜窩盤中心從排氣孔口排出，由此實現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣過程。

2  潤滑油種類、作用及選用原則

汽車空調壓縮機所用潤滑油又稱冷凍油，大類分為礦物油、合成油。合成油主要包括 POE、PAG 兩類。根據潤滑油粘度等參數(shù)，可進一步細分為不同牌號。該潤滑油需要與制冷劑有良好的互溶性，有適宜的黏度、閃點、傾點，極好的黏溫性能、抗乳化性能、抗泡性能、氧化安定性能，還需要具備積炭傾向性小、不腐蝕空調系統(tǒng)零部件且防腐蝕性好等要求。

在壓縮機運轉過程中，其潤滑油主要有潤滑、密封和冷卻等 3 個作用。此外，潤滑油還在部分壓縮機結構中參與工作，如在旋葉式壓縮機內部作為滑動軸承支撐轉子旋轉，作為壓力傳遞介質傳遞能量驅動葉片甩出等。

為保證空調系統(tǒng)及壓縮機可靠運行，選擇相匹配的潤滑油主要參考以下 2 個方面：

（1）制冷劑種類。礦物油用于 R12 制冷劑（因破壞大氣臭氧層已被淘汰）。當前主要使用的 R134a、R1234yf 制冷劑，需配套使用合成潤滑油。 

（2）壓縮機結構形式。電動汽車空調壓縮機潤滑油需考慮腐蝕性、吸水性，常用 POE68 潤滑油。旋葉壓縮機潤滑油黏度要求較高，常用PAG100 潤滑油；而渦旋壓縮機、活塞壓縮機所用潤滑油粘度較低，常用 PAG46、PAG68 等牌號潤滑油。

3  潤滑油最佳加注量試驗方法研究 

3.1? 試驗方法理論依據

排氣溫度是壓縮機工作過程中一個極為重要的參數(shù)。排氣溫度過高，將會產生密封橡膠老化、摩擦面過熱、潤滑油碳化、黏度降低、潤滑性能下降等問題，嚴重影響壓縮機的可靠性。

理論上，根據絕熱過程方程式

壓縮機潤滑油主要作用包括潤滑、密封、冷卻等，其加注量將直接影響壓縮機內部零部件運行狀態(tài)，可決定零部件摩擦和制冷劑內泄漏產生額外熱能的多少。因此，針對同一系統(tǒng)相同運行工況，隨著潤滑油加注油量逐漸增加，壓縮機排氣溫度將逐漸降低并最終趨于平穩(wěn)。監(jiān)控排氣溫度曲線變化，可得到該空調系統(tǒng)最佳的潤滑油加注油量。

3.2? 潤滑油最佳加注量試驗工況提取

3.2.1 實車工況分析

分析汽車空調系統(tǒng)實車運行條件，主要有 2種極限工作狀態(tài)：

（1）高溫環(huán)境下，汽車靜止怠速狀態(tài)。整車沒有迎面風，冷凝器主要靠冷凝風扇散熱冷卻，系統(tǒng)壓力高；而壓縮機處于最低轉速，制冷劑流量低，系統(tǒng)回油受到影響。此時空調系統(tǒng)吸氣壓力大致為0.3~0.4 MPa，排氣壓力大致為2.5~3.0 MPa。 

（2）高溫環(huán)境下，汽車高速行駛狀態(tài)。壓縮機處于最高轉速運轉，制冷劑流量大，流速快，潤滑油將被大量排出，若回油不及時，易出現(xiàn)缺油，造成壓縮機卡死等故障。此時吸氣壓力大致為0.2~0.3 MPa，排氣壓力大致為 2.0~2.5 MPa。

此外，在上 / 下坡及左右傾斜路況，壓縮機隨車輛傾斜，潤滑油不能保持在原有位置，將影響其正常潤滑。因此，不同結構壓縮機需設置不同的最低油量要求，以保證極限狀態(tài)下的潤滑需求。

3.2.2 臺架試驗工況提取

為滿足試驗臺架評價需要，基于實車運行極限狀態(tài)，可提取低速高負荷、高速高負荷兩種極限試驗工況，如表 1 所示。

3.3? 潤滑油最佳加注量試驗方法設計

潤滑油最佳加注量試驗流程如圖 4 所示。設計思路：基于分析汽車空調系統(tǒng)實際工作狀態(tài)，提取壓縮機低速高負荷和高速高負荷 2 種極限工況，通過搭建實車空調系統(tǒng)臺架進行模擬，監(jiān)控記錄不同潤滑油加注量下壓縮機吸、排氣溫度及壓縮機重量數(shù)據，并根據吸、排氣溫度及壓縮機重量變化趨勢確定最適合的加注油量。

通過臺架試驗的方式實現(xiàn)潤滑油最佳加注量精準快速標定目的，保證空調壓縮機耐久可靠性，提高系統(tǒng)制冷效率。試驗臺架需能夠控制壓縮機轉速、蒸發(fā)器和冷凝器風速，并監(jiān)控壓縮機吸、排氣壓力及吸、排氣溫度。

4  潤滑油最佳加注量試驗方法實踐

針對某新能源汽車空調系統(tǒng)，筆者根據上述標定潤滑油最佳加注量試驗方法進行實踐。該空調為單蒸系統(tǒng)，其壓縮機為渦旋結構，最低轉速1 000 r/min，最高轉速 6 000 r/min，潤滑油采用POE68，密度為 0.967g/mL。

4.1? 試驗設備及樣件準備

試驗主要設備包括實車空調系統(tǒng)控制臺、溫度傳感器、壓力傳感器、轉速傳感器、電子秤及量杯等，其功能及精度見表 2。

試驗樣件包括壓縮機、蒸發(fā)器（帶膨脹閥）芯體、冷凝器芯體、全套管路，均為全新狀態(tài)，未加注潤滑油。

4.2? 試驗過程簡述

按照試驗流程，首先對各零部件稱重并記錄初始質量。

壓縮機無油狀態(tài)重 5 944 g（60 mL 潤滑油），蒸發(fā)器芯體 1 041 g，冷凝器芯體 1 470 g，排氣管245 g，吸氣管 481 g，高壓液體管 110 g。

根據經驗，該空調系統(tǒng)初始潤滑油加注量設定為 60 mL。將各零部件搭建到實車空調系統(tǒng)控制臺架上，見圖 5。

由于管路結構限制，本套系統(tǒng)蒸發(fā)器芯體放入 HVAC 空調總成中進行風量控制。按預設試驗流程進行低速高負荷、高速高負荷工況測試記錄，并按照每次 10 mL 的油量遞增，循環(huán)進行試驗，直至壓縮機排氣溫度穩(wěn)定，不再明顯降低為止。在系統(tǒng)拆裝過程中，需避免潤滑油滴漏損失。制冷劑回收需等待壓力平衡后再緩慢進行，防止?jié)櫥捅恢评鋭ё摺?

4.3? 試驗結果及評判

整理匯總上述試驗過程記錄的吸、排氣溫度及壓縮機儲油量數(shù)據。數(shù)據經處理，可得到該空調系統(tǒng)的吸、排氣溫度及壓縮機儲油量變化曲線，如圖 6 所示。

由圖 6 中曲線變化趨勢可知，當潤滑油加注量為 110 mL 時，排氣溫度變化趨于平穩(wěn)，壓縮機儲油量達 52 g，已經滿足該壓縮機機體內部最低潤滑油量 50 g 需求。根據潤滑油加注量標定試驗的評判標準，同時考慮裝機過程中可能的損耗，確?？照{系統(tǒng)運行的安全性，預留一定的富余量，本系統(tǒng)標定宜確定為 120 mL。

為進一步確認加注120 mL潤滑油時系統(tǒng)中潤滑油分布情況，重新將系統(tǒng)油量調整為 120 mL，運行低速高負荷和高速高負荷 2 種極限工況，然后停機，待壓力平衡后，緩慢回收制冷劑，拆下各零部件。

其中，壓縮機 6 000 g，蒸發(fā)器芯體 1 063 g，冷凝器芯體 1 496 g，排氣管 249 g，吸氣管 496 g，高壓液體管 111 g。整理分析試驗前后零部件質量差異，可得該空調系統(tǒng)潤滑油分布數(shù)據見表 3。

由表 3 統(tǒng)計數(shù)據可知，潤滑油主要分布在壓縮機、冷凝器芯體、蒸發(fā)器芯體中，分別約占總油量 49%、23%、19%，管路中主要為管壁殘留，油量較少，占總油量約 9%。此外，試驗后空調系統(tǒng)零部件總儲油量為 114 g，而加注 120 ml 潤滑油重約 116 g，油量減少 2 g。出現(xiàn)油量減少的原因主要有電子秤精度不夠產生累計誤差、潤滑油溶入制冷劑被回收和空調系統(tǒng)零部件拆裝過程中滴漏等 3 個方面。

根據潤滑油的分布試驗結果，考慮拆裝滴漏及制冷劑回收過程中損失的潤滑油量 5~10 mL，在售后維修更換該空調系統(tǒng)各零部件時，需補充潤滑油油量可參考如下：

（1）更換蒸發(fā)器芯體總成，潤滑油補充量為30 mL；更換冷凝器芯體，潤滑油補充量為 35 mL；更換吸、排氣管路時，潤滑油補充量為 15 ml；更換高壓液體管時，潤滑油補充量為 10 mL。 

（2）重 新 充 注 制 冷 劑 時，潤 滑 油 補 充 量 為10 mL，若只是補充少量制冷劑可不補充潤滑油。 

（3）更換壓縮機時，由于一般新壓縮機含有整個系統(tǒng)所需的 120 mL 潤滑油，因此需要從新壓縮機減少 50 mL 潤滑油。

5 結語 

文中提出的汽車空調系統(tǒng)潤滑油最佳加注量試驗方法可廣泛適用于傳統(tǒng)汽車和新能源汽車空調系統(tǒng)，兼顧了汽車空調壓縮機可靠性和汽車空調系統(tǒng)換熱效率。同時，根據試驗后統(tǒng)計的潤滑油分布數(shù)據，可以精準確定該汽車空調系統(tǒng)在售后維修時潤滑油的補充量，進一步保障其售后市場的可靠性和換熱效率。

該試驗需多次回收制冷劑并拆裝壓縮機稱重及加注潤滑油，易造成潤滑油的損失而影響試驗結果準確性，有待進一步優(yōu)化。通過制作專用工裝設備實現(xiàn)潤滑油在線加注以及壓縮機機體儲油量的實時監(jiān)控測量，可減少試驗拆裝過程帶來的測試偏差，從而進一步提高試驗精度，為廣大汽車及零部件企業(yè)提供可靠的空調潤滑油加注依據。