張樹鋮,殷翔,宋昱龍,等.跨臨界CO_2汽車空調(diào)中潤滑油影響特性研究進(jìn)展[J].制冷學(xué)報(bào),2024,45(02):1-11.

摘　要

應(yīng)對新能源汽車復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用需求，潤滑油是影響跨臨界ＣＯ２熱泵空調(diào)性能、可靠性的關(guān)鍵因素。油品及油充注量對于充分發(fā)揮系統(tǒng)性能，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。討論了跨臨界ＣＯ２汽車熱泵空調(diào)中潤滑油的作用與影響?？偨Y(jié)了應(yīng)用于ＣＯ２ 汽車熱泵空調(diào)的幾種常用潤滑油，并對各種潤滑油的各項(xiàng)應(yīng)用性能進(jìn)行了對比。分析了加入潤滑油對跨臨界ＣＯ２ 熱泵空調(diào)系統(tǒng)中各部件性能產(chǎn)生的作用與影響，以及對空調(diào)系統(tǒng)整體性能的影響。潤滑油在壓縮機(jī)中起到減小運(yùn)動件磨損和工作噪聲，防止制冷劑泄漏和排溫過高等作用，但過量的油積聚于壓縮腔中會導(dǎo)致容積效率降低和功耗升高；在換熱器及管路中，油在流動壁面上形成的油膜增大了流動流阻及換熱熱阻，同時(shí)油在蒸發(fā)器中起到抑制核態(tài)沸騰和氣泡擾動的效果，對換熱起到惡化作用?？偨Y(jié)了相關(guān)領(lǐng)域現(xiàn)有研究成果與結(jié)論，并對領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵研究方向進(jìn)行了展望。

當(dāng)下，絕大多數(shù)汽車空調(diào)中使用的制冷劑是Ｒ１３４ａ。Ｒ１３４ａ 無毒無害，且不會破壞臭氧層，但其ＧＷＰ（全球變暖潛值，GlobalWarmingPotential）較高，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，釋放后難以分解而不斷積累，會導(dǎo)致十分明顯的溫室效應(yīng)。自《蒙特利爾議定書》基加利修正案中明確將ＨＦＣｓ類制冷劑列入管控范圍以來，尋找新型環(huán)境友好型低溫室效應(yīng)制冷劑成為汽車空調(diào)行業(yè)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。在此背景下，天然工質(zhì)ＣＯ２ 成為一種優(yōu)良的選擇。

自從挪威的G.Lorentzen 等［１］論述了 ＣＯ２ 作為制冷工質(zhì)應(yīng)用的可行性并提出跨臨界ＣＯ２循環(huán)模式以來，ＣＯ２ 制冷技術(shù)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速，逐漸成為替代ＨＦＣｓ 類制冷劑的熱門選擇。ＣＯ２ 作為制冷劑，安全無毒，不可燃，造價(jià)低，對環(huán)境友好，其ＯＤＰ（臭氧損耗潛值，ozonedepletionpotential）＝ ０，ＧＷＰ＝１，且傳熱性能良好，能夠適應(yīng)當(dāng)下制冷領(lǐng)域絕大多數(shù)應(yīng)用場合，目前已在多項(xiàng)領(lǐng)域和行業(yè)中得到應(yīng)用。尤其是近些年隨著空調(diào)熱泵技術(shù)在新能源汽車熱管理領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，ＣＯ２ 以其優(yōu)秀的制熱性能在汽車空調(diào)領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注和研究，被普遍認(rèn)為是有望在汽車空調(diào)領(lǐng)域替代Ｒ１３４ａ的下一代制冷劑［２－３］。

在跨臨界ＣＯ２ 汽車空調(diào)的應(yīng)用中，潤滑油的研究仍是一項(xiàng)重點(diǎn)問題。在潤滑油的選擇與新潤滑油的研制中，所選用的潤滑油應(yīng)滿足良好的潤滑性能，同時(shí)應(yīng)有較長的使用壽命和良好的穩(wěn)定性，以及在對應(yīng)工況溫度下與ＣＯ２ 和各部件材料間的化學(xué)兼容性，保證在油作用下的系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，油的加入會顯著影響系統(tǒng)性能，除影響壓縮機(jī)的工作狀況外，由于汽車空調(diào)系統(tǒng)中普遍不設(shè)置油分離器，使得油會進(jìn)入壓縮機(jī)之后的部件中，對制冷劑的流動及換熱造成阻礙。正確分析油對系統(tǒng)及各部件的影響，也是合理發(fā)揮系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

吳端等［４－６］對 ＣＯ２ 汽車空調(diào)用潤滑油的研究進(jìn)行過介紹和總結(jié)，主要概括了各種合成潤滑油在ＣＯ２汽車空調(diào)系統(tǒng)中的可溶性、潤滑性、穩(wěn)定性、使用壽命、互溶性等特性，并分析了油在換熱器和吸氣管路中的滯留及對系統(tǒng)性能的影響，但對潤滑油對系統(tǒng)各部件的影響及理論層面研究的介紹則不足。此外，較少有學(xué)者對ＣＯ２汽車空調(diào)中潤滑油的影響特性相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行綜述。本文將介紹ＣＯ２ 汽車空調(diào)系統(tǒng)常用合成潤滑油及各項(xiàng)潤滑油性能評價(jià)，并從各個(gè)部件層面及整體制冷系統(tǒng)層面分析潤滑油的添加對空調(diào)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響，為跨臨界ＣＯ２ 制冷系統(tǒng)中潤滑油相關(guān)的研究提供部分方向和參考。

１ 常用潤滑油及其性能對比

１. １ 跨臨界ＣＯ２ 系統(tǒng)常用潤滑油

目前在跨臨界ＣＯ２ 汽車空調(diào)中，研究較為充分且使用較為普遍的潤滑油有以下幾種：

１）ＰＡＧ（polyalkyleneglycol）即聚烷基及乙二醇油，屬于合成潤滑油的一種。該種潤滑油極性強(qiáng)，從而與ＨＦＣｓ類制冷劑混溶性好，且傾點(diǎn)低，在低溫下仍能保持良好的流動性和潤滑性，在ＨＦＣｓ制冷系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)普遍。

２）ＰＯＥ（polyolester）即酯類油，是制冷行業(yè)中歷史悠久，應(yīng)用廣泛的一種合成潤滑油。ＰＯＥ油對高溫和低溫均有很好的適應(yīng)性，形成的油膜強(qiáng)度高，具有良好的耐磨性，與多種制冷劑的溶解性都十分良好，但抗水解能力較差。

３）ＰＶＥ（polyvinylether）即聚乙烯醚類油，是一種空調(diào)壓縮機(jī)用的潤滑油，潤滑性和水解穩(wěn)定性均較強(qiáng)，且具有很好的絕緣性能。

４）ＡＢ（alkyl benzene）即烷基苯類油，減震、降噪和耐磨效果十分突出，抗水解和絕緣性能也較好。

５）ＰＡＯ（poly-alphaolefin）即聚烯烴類油，具有較高的穩(wěn)定性和抗水解性，低溫流動性和潤滑性也較好，在航空航天和軍工領(lǐng)域應(yīng)用較多。

１. ２ 潤滑油性能對比

評價(jià)制冷系統(tǒng)潤滑油的主要指標(biāo)包括粘度與潤滑性能，與制冷劑的互溶性，工作穩(wěn)定性及使用壽命等。

Ｈ． Ｉｋｅｄａ 等［７］ 對 ＰＡＧ、ＰＯＥ、ＰＶＥ、ＰＣ（polycar-bonate）這 ４ 種潤滑油在ＣＯ２ 制冷系統(tǒng)下的性能進(jìn)行了評價(jià)和對比。其中混溶性通過不同混相狀態(tài)下混合物表現(xiàn)出的光學(xué)特性不同，通過透光率來測定；粘度、溶解度通過對應(yīng)儀器測量；潤滑性能由密封式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測量?？偟脑u價(jià)結(jié)果如表１所示。

基于以上評價(jià)結(jié)果，Ｈ． Ｉｋｅｄａ 等［７］認(rèn)為 ＰＡＧ 是最適合于ＣＯ２ 制冷系統(tǒng)的潤滑油。Ｃ． Ｓｅｅｔｏｎ等［８－９］也對ＣＯ２ 系統(tǒng)的幾種人工合成潤滑油的各種特性進(jìn)行了研究和對比，得到了類似的結(jié)果。

而在部分評價(jià)結(jié)果中，有的認(rèn)為ＰＯＥ 油優(yōu)于ＰＡＧ 油。如馬一太等［１０］通過實(shí)驗(yàn)測試得到了ＰＡＧ、ＰＯＥ、ＰＡＯ、ＡＮ／ＡＢ 四類用于ＣＯ２ 制冷系統(tǒng)的合成潤滑油的性能對比，結(jié)果如表２所示。他們認(rèn)為，應(yīng)用于跨臨界ＣＯ２ 制冷系統(tǒng)的潤滑油應(yīng)滿足的性能要求有：與 ＣＯ２具有較高的混合性，相對較高的粘度，較低的溶解度，低的傾點(diǎn)，抗老化，良好的熱穩(wěn)定性，對系統(tǒng)中各種材料具有良好的適應(yīng)性。綜合考慮各類潤滑油性能的基礎(chǔ)上，他們認(rèn)為ＰＯＥ類潤滑油的綜合性能較ＰＡＧ、ＰＡＯ 和烷基芳香烴類潤滑油更適合于ＣＯ２跨臨界循環(huán)系統(tǒng)。

又如Ｊ． Ｈｉｎｒｉｃｈｓ［１１］以汽車空調(diào)系統(tǒng)的ＣＯＰ 為評價(jià)指標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)中對比了ＰＡＧ和ＰＯＥ等幾類潤滑油的影響，如圖１所示。可知，在５種不同的工況下，ＰＯＥ 油對應(yīng)的系統(tǒng)ＣＯＰ略高于ＰＡＧ油，可能的原因是ＰＯＥ油與ＣＯ２ 互溶性好，使換熱器的效率較高。

Ｎ． Ｄ． Ｒｏｈａｔｇｉ［１２］通過實(shí)驗(yàn)得到了幾種常用潤滑油與ＣＯ２ 制冷劑和幾種典型壓縮機(jī)材料（鐵、鋁、銅等）之間的化學(xué)兼容性和穩(wěn)定性。評價(jià)指標(biāo)主要包括老化測試后的視覺變化、總酸數(shù)、有機(jī)陰離子濃度和金屬濃度等。其結(jié)果顯示：礦物油和烷基苯類合成油在ＣＯ２ 中最穩(wěn)定，ＰＡＧ油測試中存在少量的化學(xué)反應(yīng)和潤滑油分解等，ＰＯＥ 油的穩(wěn)定性最差。圖２所示為ＰＯＥ油測試中潤滑油、銅樣片和鐵樣片在未老化和不同環(huán)境下老化后的變化對比。

總體而言，ＰＡＧ潤滑油有著廣泛的適應(yīng)性，在亞臨界和超臨界工況下均有十分優(yōu)異的潤滑性能，且其穩(wěn)定性很好，使用壽命長，雖然與ＣＯ２ 的互溶性不及ＰＯＥ 油，但該差別對制冷系統(tǒng)的性能影響較?。郏保常荨＃校粒?油綜合性能較優(yōu)，是目前應(yīng)用于跨臨界ＣＯ２ 循環(huán)相對較理想的選擇。

同時(shí)，隨著跨臨界ＣＯ２ 空調(diào)熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，開發(fā)新型高性能ＣＯ２專用潤滑油也是推動其更好地走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前關(guān)于新型ＣＯ２制冷系統(tǒng)潤滑油的研發(fā)還較少，但該領(lǐng)域的突破將對跨臨界ＣＯ２ 熱泵空調(diào)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

２ 油對系統(tǒng)及各部件性能影響

組成跨臨界ＣＯ２ 汽車空調(diào)系統(tǒng)的主要部件包括壓縮機(jī)、換熱器（包括低溫側(cè)的蒸發(fā)器和高溫側(cè)的氣體換熱器，以及各種中間換熱器和回?zé)崞鞯龋⒐?jié)流部件、儲液器、管路等。在這其中參與能量傳遞和轉(zhuǎn)換的部件是壓縮機(jī)和換熱器，油對這些部件的影響將直接影響制冷／制熱能力和功耗，從而影響系統(tǒng)性能。下面將從油對各部件及系統(tǒng)整體的影響方面展開論述。

２. １ 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)中應(yīng)注入一定量的油，用于壓縮機(jī)內(nèi)部零件運(yùn)動副的潤滑，以減輕運(yùn)動件之間的磨損，并降低運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲；一定量潤滑油形成的油膜覆蓋于表面，對于防止制冷劑泄漏有著重要意義；同時(shí)，油從壓縮升溫的高溫制冷劑中吸收一部分熱量，起到冷卻制冷劑的作用，從而優(yōu)化壓縮過程。對于汽車空調(diào)用壓縮機(jī)，由于受到實(shí)際條件的限制，一般不設(shè)單獨(dú)的油路及油分離器，因此油會隨著制冷劑一起流出壓縮機(jī)進(jìn)入氣冷，并流經(jīng)整個(gè)制冷循環(huán)后由吸氣管路與制冷劑一同進(jìn)入壓縮機(jī)。

由于制冷劑在油中有一定溶解度，使得壓縮機(jī)進(jìn)口一部分制冷劑溶解在油中，在壓縮過程中又有一部分油解吸出來，這會在一定程度上影響壓縮機(jī)實(shí)際等熵效率，但對容積效率沒有影響。

對于需要油參與潤滑的壓縮機(jī)，在油量不足時(shí)壓縮機(jī)性能及運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性會受到嚴(yán)重的影響。滿足密封、潤滑等所必需的油量后，繼續(xù)增加油量，壓縮機(jī)功耗會有一定程度的降低，油量越大，這種降低趨勢越不明顯。

陳志明等［１４］通過數(shù)學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)研究，分析了含油率對壓縮過程、背壓腔壓力、排氣溫度、容積效率及壓縮機(jī)功率等的影響。其結(jié)果顯示：６％～１２％的含油率下壓縮機(jī)容積效率較高，功耗較低，性能相對最優(yōu)；含油率偏低時(shí)，潤滑不足導(dǎo)致的磨損增加，及密封不足導(dǎo)致的泄漏增加，使壓縮機(jī)性能降低；含油率偏高時(shí)，油在壓縮腔中占有一定工作容積，同時(shí)油攪拌增加，導(dǎo)致了容積效率的下降和功耗增加。陶宏等［１５］研究了油循環(huán)率對電動汽車用變頻空調(diào)式壓縮機(jī)性能的影響，通過實(shí)驗(yàn)測試得到了不同轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)容積效率、電效率、排氣溫度、殼體溫度等隨油循環(huán)率的變化，如圖３所示?？傮w上得出，油循環(huán)率小時(shí)（文中按５％）其改變對壓縮機(jī)性能的影響更顯著。

此外，胡青等［１６－１９］也在不同類型的壓縮機(jī)與工況下，對油循環(huán)率的影響展開了仿真或?qū)嶒?yàn)研究。從結(jié)果中普遍可知，存在能夠使壓縮機(jī)性能最優(yōu)的一個(gè)最佳油量，油量過少或富余均使壓縮機(jī)性能有所下降，其中油不足時(shí)尤為明顯。尋找合適的油充注量，是保證制冷壓縮機(jī)性能充分發(fā)揮的關(guān)鍵。

２. ２ 氣體冷卻器

與一般的壓縮式制冷循環(huán)不同，跨臨界ＣＯ２ 循環(huán)在高溫側(cè)處于超臨界態(tài)，其高壓壓力明顯高于一般制冷循環(huán)，且排熱過程無相變，這使得氣冷換熱器與一般冷凝換熱器有所不同。在目前，跨臨界ＣＯ２ 制冷和熱泵循環(huán)中常用的換熱器主要包括微通道式、管翅式等。當(dāng)油隨著制冷劑一同進(jìn)入氣冷時(shí)，其換熱和壓降特性與無油工況會有較大不同。Ｄａｎｇ Ｃｈａｏｂｉｎ等［２０］實(shí)驗(yàn)研究了超臨界態(tài)ＣＯ２ 在ＰＡＧ 潤滑條件下的冷卻傳熱系數(shù)和壓降特性，結(jié)果表明：對較大管徑，在達(dá)到某一較小的油濃度（本文油濃度均表示油在油－冷媒混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）之前，傳熱系數(shù)和壓降的變化幅度很小，而當(dāng)超過該濃度后，出現(xiàn)大幅下降和增加。他們同時(shí)通過一塊藍(lán)寶石視鏡來觀察換熱管內(nèi)的流態(tài)以了解管內(nèi)換熱機(jī)理，如圖４所示。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油以液滴的形式隨ＣＯ２ 一起流動時(shí)，該流動模式對換熱和壓降的影響較??；而當(dāng)油以一層油膜的形式覆蓋于管壁，這層油膜則會大幅影響換熱并阻礙流動。油膜的形成與油濃度、溫度、管徑等有關(guān)，油濃度和溫度越高，管徑越小，油膜越容易形成。

代寶民等［２１］采用一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法，建立了一種考慮油影響的ＣＯ２ 氣冷器模型，其計(jì)算結(jié)果顯示油在氣冷中起到阻礙換熱的作用，且對于小直徑管該阻礙尤其明顯。雷佩玉等［２２］則應(yīng)用平衡分子動力學(xué)模擬的方法，研究了潤滑油對超臨界ＣＯ２微觀特性和傳熱的影響，結(jié)果表明在超臨界狀態(tài)下夾帶較高含量的潤滑油會嚴(yán)重改變體系微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致傳熱效率大幅降低。Ｌ． Ｇａｏ等［２３－２５］也研究了超臨界ＣＯ２ 冷卻過程中含有潤滑油時(shí)產(chǎn)生的影響，得到了類似的結(jié)果。

２. ３ 蒸發(fā)器

跨臨界ＣＯ２ 制冷和熱泵循環(huán)中，低壓側(cè)蒸發(fā)段處于亞臨界區(qū)，蒸發(fā)器中的換熱為相變換熱，且相變形式以核態(tài)沸騰為主。在蒸發(fā)器中，油對蒸發(fā)器換熱和壓降特性的影響主要包括兩個(gè)方面：

１）與氣冷換熱器中的影響類似，油同樣在蒸發(fā)器管路中積聚形成油膜，影響傳熱和流動，且由于蒸發(fā)器側(cè)溫度低，油的粘度較大，該影響比氣冷側(cè)換熱器中更顯著。與此類似，在蒸發(fā)器末端和吸氣管路中，由于制冷劑逐漸被蒸發(fā)出來，導(dǎo)致液相（油、液態(tài)制冷劑混合物）中的油逐漸富集，低溫下高粘度的油在蒸發(fā)器末端和吸氣管中積聚，從而對壓降造成十分顯著的影響。Ｄａｎｇ Ｃｈａｏｂｉｎ 等［２６］通過實(shí)驗(yàn)對水平光滑管內(nèi)ＣＯ２ 與ＰＡＧ潤滑油混合物的流動沸騰換熱特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)低油濃度下傳熱系數(shù)相比于無油時(shí)顯著降低，但當(dāng)進(jìn)一步增加油濃度時(shí)，傳熱系數(shù)則下降不明顯；壓降隨油濃度的增加單調(diào)增大。

２）油在一定程度上也影響核態(tài)沸騰的微觀過程。在核態(tài)沸騰過程中，存在大量的氣泡的生長、脫離、上升、聚集、合并等行為，這些氣泡運(yùn)動起到十分顯著的擾動流場的作用，從而顯著增強(qiáng)換熱。一般表面存在缺陷的區(qū)域容易成為汽化核心，汽化核心數(shù)目越多，形成氣泡速度越快，核態(tài)沸騰換熱效果也就越好。一旦油在其中占據(jù)一定比例，會在換熱表面形成一層油膜覆蓋，這會顯著阻礙氣泡的生成，從而抑制成核沸騰，促使主要換熱機(jī)制向?qū)α髡舭l(fā)轉(zhuǎn)變。黃永方等［２７］研究了潤滑油對ＣＯ２ 沸騰換熱過程中氣泡行為的影響，建立物理模型并通過數(shù)值模擬分析了潤滑油對沸騰時(shí)氣泡運(yùn)動過程中氣泡上升速度、氣泡形狀及氣泡間相互作用的影響。結(jié)果表明，對于已經(jīng)形成的氣泡，油的存在增大了混合物的表面張力，使得氣泡更容易保持為球形，不易于氣泡聚集與合并，氣泡在流場中的分布較為分散，對流場的擾動小，從而對換熱的提升作用也小。同時(shí)，油的存在增加了氣泡上升阻力，抑制了氣泡運(yùn)動。圖５所示為模擬結(jié)果中油對氣泡形狀和氣泡無量綱上升速度的影響（其中Ｅ為氣泡尺寸長寬比，ω為油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ｔ? ＝ｔ／ Ｈ／ｇ為無量綱時(shí)間。）

楊俊蘭等［２８］利用ｍａｔｌａｂ 軟件模擬分析了０～５％不同油濃度ω０及－１５～１５ ℃蒸發(fā)溫度工況下，ＣＯ２ＰＡＧ 油混合物沸騰時(shí)生成氣泡所需的液體過熱度以及氣泡的臨界半徑、脫離直徑、脫離頻率等，從而分析潤滑油對核態(tài)沸騰中ＣＯ２ 氣泡核化脫離的影響。其模擬結(jié)果如圖６所示。

結(jié)果顯示，在所研究油濃度及蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，油濃度越大或蒸發(fā)溫度越低時(shí)：１）形成氣泡所需的液體過熱度越大，且氣泡的臨界半徑越大，從而使氣泡更難生成；２）氣泡的脫離直徑越大，脫離頻率越小，氣泡脫離更加困難。前已述及，在核態(tài)沸騰換熱中，氣泡的產(chǎn)生和脫離起到擾動流場從而增強(qiáng)換熱的作用，因此潤滑油濃度越高，沸騰換熱越受到抑制。

２. ４ 儲液器

對于儲液器，由蒸發(fā)器流出的兩相態(tài)油－制冷劑混合物通過頂部的進(jìn)口管進(jìn)入，然后制冷劑在導(dǎo)流板頂部沿徑向流動。之后，制冷劑在液面以上的空間中分離為氣態(tài)和液態(tài)。氣態(tài)制冷劑和一小部分液滴流經(jīng)Ｊ型管頂部的網(wǎng)狀濾油器；而大部分混合液體則流經(jīng)Ｊ型管底部的放油孔，最后氣液混合物沿Ｊ型管向上流動并從儲液器排出。儲液器中放油孔的設(shè)計(jì)在一定程度上影響著儲液器液位和局部壓降，ＺｈａｎｇＷｅｎｙｉｎｇ 等［２９］通過 ＣＦＤ 模擬研究了該問題。隨著放油孔直徑的增大，儲液器內(nèi)相態(tài)變化如圖７所示（其中紅色代表ＰＯＥ油和液態(tài)ＣＯ２ 的混合物，藍(lán)色代表ＣＯ２ 蒸氣，圖例色帶表示ＰＯＥ油－ＣＯ２ 混合物中油體積分?jǐn)?shù)）。

可見隨著放油孔直徑的增大，儲液器內(nèi)液位逐漸降低。同時(shí)，分析了儲液器內(nèi)部的流動模式，包括高液位時(shí)ＣＯ２ 蒸氣和散狀液體的渦流，放油孔后液體混合物射流的破裂，以及沿壁面指向流動的不穩(wěn)定。通過模擬得到的靜壓曲線顯示，由于蒸氣的高速流動和摩擦，主要的壓降發(fā)生在Ｊ型管上。

２. ５ 制冷系統(tǒng)

油對制冷系統(tǒng)的影響一般是以性能系數(shù)ＣＯＰ或制冷制熱能力為指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)需考慮系統(tǒng)的可靠性、安全性及長期運(yùn)行穩(wěn)定性等。

隨著油濃度增大，壓縮機(jī)功耗與換熱量均呈降低趨勢，在含油量較少時(shí)，壓縮機(jī)對油的依賴程度較大，其性能受含油率影響顯著，而較少的油量對換熱器的換熱效果影響較小；當(dāng)含油量較多時(shí)，油的增加對壓縮機(jī)的提升已十分有限，相反，換熱器受到油對換熱和流動的阻礙十分嚴(yán)重，此時(shí)增加含油量會使系統(tǒng)性能進(jìn)一步降低。許多研究表明，存在對系統(tǒng)最優(yōu)的含油率，使ＣＯＰ 或制冷制熱能力達(dá)到最大，不能同時(shí)取得ＣＯＰ 和換熱量的最大值。同時(shí)，氣冷換熱器受到的影響一般明顯小于蒸發(fā)器，這是由于大量的混合液體積聚在蒸發(fā)器出口造成的。

同時(shí)，潤滑油種類與充注量的選擇應(yīng)考慮到長期運(yùn)行下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性等。壓縮機(jī)和換熱器的部分常用材料如鐵、銅、鋁等，在一定的溫度和壓力下會在ＣＯ２－油混合物中發(fā)生緩慢腐蝕，同時(shí)部分條件下潤滑油會發(fā)生分解。應(yīng)將潤滑油－ＣＯ２混合物與部件材料在工況條件下的化學(xué)穩(wěn)定性和相容性作為潤滑油選擇與油充注量確定的考慮因素。

秦紅［３０］通過建立實(shí)車管路空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺，以系統(tǒng)換熱量為指標(biāo)，研究油循環(huán)率對系統(tǒng)的影響，在數(shù)組不同負(fù)荷和不同轉(zhuǎn)速工況實(shí)驗(yàn)下，得到圖８所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。系統(tǒng)油循環(huán)率在４.７２％～７.８７％時(shí)系統(tǒng)換熱量有小幅變化，換熱量變化率在５％以內(nèi)；繼續(xù)增大油循環(huán)率時(shí)，系統(tǒng)換熱量則明顯衰減，當(dāng)油循環(huán)率由４.７２％增至１９.６３％時(shí)，換熱量降低２１.２８％。

Ｌｉｕ Ｘｕａｎ 等［３１］通過在實(shí)際汽車空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行的兩種ＳＡＥ標(biāo)準(zhǔn)工況下的一系列實(shí)驗(yàn)，研究了潤滑油對汽車空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)級和部件級影響，主要包括潤滑油對傳熱、壓降、制冷劑分布、蒸發(fā)器有效焓差、質(zhì)量流量、壓縮機(jī)功耗及系統(tǒng)ＣＯＰ的影響。不同ＯＣＲ（油循環(huán)率）下的測試結(jié)果表明，ＯＣＲ 的增大會降低制冷劑側(cè)的傳熱系數(shù)，劣化蒸發(fā)器分布并降低蒸發(fā)器有效焓差，同時(shí)減小可用制冷劑質(zhì)量流量，以上因素均使系統(tǒng)制冷量降低。另一方面，ＯＣＲ通過提高壓縮機(jī)的等熵效率來減小壓縮機(jī)的軸功。這兩方面相互影響，使得ＯＣＲ在２％～３％時(shí)，ＣＯＰ 達(dá)到峰值。圖９列舉了部分系統(tǒng)參數(shù)隨ＯＣＲ的變化。

鄒慧明等［３２］搭建了一套帶油循環(huán)率測試裝置的電動汽車ＣＯ２ 熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，研究典型車輛工況下油循環(huán)率對系統(tǒng)性能的影響。系統(tǒng)主要性能參數(shù)如圖１０所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，由于油對壓縮機(jī)和換熱器的雙重影響，系統(tǒng)整體的ＣＯＰ 隨油循環(huán)率先增大后減小，制冷與制熱模式下最佳ＣＯＰ 對應(yīng)的油循環(huán)率分別為３.８３％和３.５９％。

３ 結(jié)論

本文介紹了跨臨界ＣＯ２ 汽車空調(diào)中有關(guān)潤滑油應(yīng)用及影響的相關(guān)研究，包括各類常用潤滑油的介紹與對比，及潤滑油的加入對空調(diào)系統(tǒng)各部件及系統(tǒng)整體所帶來的作用與影響等，得到結(jié)論如下：

１）目前應(yīng)用于跨臨界ＣＯ２ 系統(tǒng)的潤滑油中，較為常用的有ＰＡＧ類、ＰＯＥ類、ＰＶＥ類及ＰＡＯ類等，以ＰＡＧ 類和ＰＯＥ類潤滑油應(yīng)用最為普遍。目前常見種類的潤滑油中以ＰＡＧ類油對跨臨界ＣＯ２系統(tǒng)的適應(yīng)性最好，應(yīng)用效果最佳，其次是ＰＯＥ類油。此外，新型潤滑油的研發(fā)是優(yōu)化跨臨界ＣＯ２ 系統(tǒng)的有效途徑之一，是當(dāng)下及未來ＣＯ２ 制冷領(lǐng)域一項(xiàng)重要研究方向。

２）潤滑油的存在對于跨臨界ＣＯ２ 系統(tǒng)各部件性能及系統(tǒng)整體性能的影響顯著，在部件中尤以壓縮機(jī)和蒸發(fā)器最為顯著。一方面，系統(tǒng)中的運(yùn)動部件需要一定量的潤滑油進(jìn)行潤滑及冷卻散熱，對于優(yōu)化壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、減少功耗具有重要作用，系統(tǒng)各部位也需要一定量的潤滑油密封以防止制冷劑泄漏。另一方面，潤滑油阻礙了制冷劑的流動和換熱，增大了換熱器流道內(nèi)的流阻和熱阻，并抑制蒸發(fā)器內(nèi)ＣＯ２ 的成核沸騰，使得系統(tǒng)的換熱量降低。此外，過量的潤滑油會反過來增大壓縮機(jī)功耗，甚至危害壓縮機(jī)運(yùn)行安全等。

３）綜合油對系統(tǒng)各部件的影響，對于系統(tǒng)存在一定的最優(yōu)油充注量范圍使系統(tǒng)性能最優(yōu)化，油量不足或油量過多，均會顯著影響系統(tǒng)工作性能。確定合適的油充注量，是發(fā)揮跨臨界ＣＯ２ 系統(tǒng)最佳性能的關(guān)鍵。

總之，潤滑油的存在對跨臨界ＣＯ２ 空調(diào)系統(tǒng)影響顯著，對于空調(diào)系統(tǒng)最大性能發(fā)揮、節(jié)能、長期穩(wěn)定運(yùn)行等方面至關(guān)重要。本文通過對潤滑油作用與影響的介紹和分析，指出了其在制冷系統(tǒng)中的重要性，為跨臨界ＣＯ２ 空調(diào)熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。同時(shí)，對領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵研究方向進(jìn)行了展望。探尋油對部件及系統(tǒng)的影響機(jī)理，從而優(yōu)化油品及油充注量，或?qū)ο到y(tǒng)部件做出針對性能的改良與優(yōu)化以適應(yīng)其影響特性，尋找和研制新型潤滑油等，仍是當(dāng)下該領(lǐng)域中的重要研究方向。