二氧化碳汽车空调系统研究进展

  

作者：陈江平

<P>（上海交通大学制冷与低温工程研究所）

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<P>概述 </P>
<P>    CO2作为最早采用的制冷剂之一，在上个世纪并直到30年代得到了普遍使用，随着CFCs的出现，除在船用领域一直被采用外，CO2很快被人们所抛弃，这种发展的主要原因是在冷却水温高的热带地区，由于CO2的临界温度只有31.1℃，采用传统Perkin蒸汽压缩制冷循环时冷量损失较大，且存在着饱和压力过高，压缩机功耗过大的缺点，当然这也和当时的制造水平有关。</P>
<P>    七十年代，CFC及HCFC被 发现破坏大气臭氧层及温室效应指数较高而面临全面禁用。HFC134a也由于其温室效应指数较高而被认为是一种过渡型的替代物。在此背景下，采用超临界循环的CO2系统以其优良的环保特性、良好的传热性质、较低的流动阻力及相当大的单位容积制冷量，重新在制冷领域，尤其在认为用新型化合替代物同样会隐藏着不可预知潜在危险的欧洲得到了青睐。由于汽车空调易于泄漏，其替代的任务更为迫切，二氧化碳汽车空调的研制进展最快，离实用化的距离也最近，美、日、欧都已相继研制成功了二氧化碳汽车空调系统并装车试运行，DANFOSS、DENSO、ZEXEL等已进入二氧化碳压缩机小批量生产阶段。

<P>    当前环境保护问题越来越受到重视,二氧化碳汽车空调系统产品一旦成熟,必将使其它制冷工质黯然失色,我国汽车空调业又将面临新的挑战,为此本文对二氧化碳汽车空调系统的研究现状进行总结,以期为关心汽车空调发展的读者提供参考.


超临界循环的CO2制冷系统原理


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图1 CO2系统循环原理
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    90年代初，挪威技术大学Lorentzen教授开发了采用跨临界制冷循环的汽车空调样机，并申请获得了国际专利。跨临界的CO2蒸汽压缩式制冷循环如图1所示，它是一种和深度冷冻装置中的高压（林德）流程气体液化与分离装置类似的系统，只不过其目的不是为了气体液化和分离，而是利用气体液化后可以蒸发吸收汽化潜热的特性以达到制冷的目的。</P>
    跨临界系统由压缩机C、气体冷却器G、内部热交换器I、节流阀V、蒸发器E与储液器A组成封闭回路。气体工质在压缩机中升压至超临界压力P2，在p-h图上为过程f-a，然后进入气体冷却器中，被冷却介质（空气或冷却水）所冷却。为了提高系统的性能系数COP，出气体冷却器后的高压气体在内部热交换器中进一步冷却。它是用压缩机回气管前面的低温低压蒸汽过热这一回热原理实现的，此即过程b-c。理想情况下，焓降hb-hc=hf-he。然后用节流阀减压，经节流后的气体被冷却，且部分气体液化，湿蒸汽进入蒸发器E内汽化，吸收周围介质的热量。蒸发器中的液体并不全部汽化，而是设计成有少量液体盈余，因此其出口状态a将在两相区内，这对提高蒸发器的传热效率十分有利。正因为如此，E出口须配置储液器，以防止压缩机液击和便于压缩机回油（专用回油管道如图上虚线所示）。储液器出来的低压饱和蒸汽进入内部热交换器的低压侧通道，吸收高温高压的超临界气体的热量后，成为过热蒸汽进入压缩机升压。如此周而复始完成循环。</P>

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<P>CO2跨临界系统的工作压力远远超过亚临界循环，蒸发压力为30-40bar，冷却压力为100-110bar，这给压缩机及管路的机械设计与密封带来一些特殊的问题，需要进行较大改进。CO2具有相当大的单位容积制冷量（０℃时单位容积制冷量分别为NH3的1.58倍，是Ｒ12和Ｒ22的８.25倍与５.12倍），故而与传统系统相比，CO2制冷系统的容积流量可显著减小，这样使得压缩机的尺寸，阀门与管道的流通面积比一般制冷系统小得多。同时CO2良好的热力性质也为设计结构紧凑，高效的热交换器提供了可能性。图2为NTH研制的CO2汽车空调系统样机与CFC12系统的比较。</P>


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　<B>1）、压缩机</B>


CO2和氨一样，其绝热指数（Ｋ）值较高，达1.30，这可能会产生压缩机排气温度偏高的顾虑，但由于CO2的低压工作压力Ｐ0很高，因而压缩机的压比π＝PH/P0却比其他制冷剂系统的低得多，因此不会象氨系统那样需要对压缩机本身进行冷却。正因为绝热指数Ｋ值高，压比小，可减小压缩机余隙容积的再膨胀损失，使压缩机的容积效率较高。这已为文献［2］的样机测试结果所证实。

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同时，因为CO2压缩机的吸排气压力均比R134a压缩机的大得多，因而选择压缩机类型及合理的压缩机设计显得尤为重要。经过实验和理论研究，Jurgen SUB和Horst Kruse[2]认为往复式压缩机，主要是柱塞和轴塞式压缩机凭借油润滑，在汽缸壁和活塞之间存在良好的油膜滑动密封，成为CO2系统的首选（图3）。

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因此迄今为止，汽车空调系统中使用的二氧化碳压缩机采用往复式结构，图4为DANFOSS研制三缸斜盘式压缩机、Bock研制的两缸立式活塞式客车空调压缩机和电装的变排量压缩机。

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由于应用于汽车空调系统的CO2压缩机汽缸体积小，以及存在潜在高冲击速度，对传统使用的簧片阀提出了挑战，必须采用更为先进的阀门。BOCK将压缩机排气阀改良后发现压缩机效率提高了7%。

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a b c

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a 轿车空调压缩机三缸斜盘式，排量26cm3，缸径18.5mm, 行程31.9mm

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b 客车空调压缩机两缸直列式，排量120cm3，缸径28mm, 行程49.0mm

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c BENZ轿车上使用的二氧化碳变排量压缩机

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图4 CO2压缩机结构

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热交换器CO2汽车空调系统热交换器包括蒸发器、气体冷却器和内部气体换热器，占有整个系统质量的一半及大部分体积，应有高效、紧凑、重量轻的特点，以满足汽车空调的特殊要求。

制冷循环中的散热由空气冷却器完成，其作用相当于传统制冷循环中的冷凝器。在空气冷却器中，二氧化碳工作在超临界状态下，始终处于气态，并不发生一般冷凝器中的冷凝液化过程。受二氧化碳物性的制约，空气冷却器中制冷剂侧压力很高，达110bar左右。另外，由于二氧化碳处于超临界状态，出口温度独立于出口压力，使它可以有较大的压降。因此，制冷剂侧往往设计成较大的流量密度（）和较小的管径（）。同时，小管径也有助于承受较高的压力。同样的平均温差下，二氧化碳和R-22的冷却曲线如下：
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<p>R134a                                                     CO2
<p>  图5 二氧化碳和R-22的冷却曲线对比          图6 二氧化碳“平流式”蒸发器与气体冷却器
<p>CO2的冷却曲线特性使采用小迎风面积、长空气流道、低空气流速的逆流式换热器成为可能。相同换热量下，逆流式与叉流式的比较见下表2。采用逆流式设计的气冷器接近方形，紧凑的结构和较小的空气流量可以使汽车空调中的空气冷却器不必一定放在散热器前，也可不放在汽车前部，有利于汽车设计整体优化，也避免了增加散热器的负荷以及车底热空气进入冷却器中。
<p>最初的空气冷却器由Lorentzen和Pettersen于1990-1991年推出，为传统的管片式.。进一步的模型计算表明，采用更小的管径有助于提高换热强度。同时，由于对最小爆炸压力的考虑，也要求缩小管径。因此，Lorentzen和Pettersen在94年重新设计了气冷器，管径减小到3.2mm/2.0mm。由于过小的管径带来制造上的困难，增加了成本。在这种情况下，提出了铜制“平行流”空气冷却器的概念，一组平行的小直径换热管构成一个整体以便于制造。计算和实验都表明这种换热器有较大的潜力，管径更小，换热强度更高，结构更为紧凑，成为空气冷却器的新标准（图6）。与空气冷却器类似，最初的蒸发器也是从圆管平肋片式逐步发展到铜制“平行流”式换热器。（图6）
<p>CO2系统以内部气体换热器取代了原来的吸气软管及液体管，采用了逆向双管系统，通过压缩机吸气管前面的蒸汽过热这一回热原理实现，有利于提高系统效率，使节流前制冷剂处于过冷状态，保持节流机构工作稳定。
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压缩机高压开关气冷器其它CO2跨临界制冷循环节流前的高压制冷剂不是冷凝液体，环境温度对系统性能的影响大为减小，系统性能基本上由高压侧压力所决定，可以通过控制节流阀的大小调节高压侧压力，从而实现对系统冷量的控制。CO2跨临界制冷循环具有在一定范围内可连续调节冷量的优点，受环境影响不大，适用于汽车空调系统。在车室温度较高工况下可加大制冷量，显著缩短打冷时间。就控制冷量能力角度来说，膨胀阀已不是简单传统意义的概念了。节流及控制元件应当根据不同汽车空调控制精度要求，采用不同元件，一般采用自动控制阀。



在系统中还采用了储液器，用以防止压缩机液击和便于压缩机回油。储液器容量设计比实际来得大，以满足不同工况要求。为防止水与CO2反应产生腐蚀，应在储液器中设置干燥器。

<P>此外，出于CO2系统高工作压力和汽车空调具体特点考虑，管路采用小口径铜管及采用性能良好的接口，以减少泄漏。出于安全考虑，系统需要高低压保护装置，压缩机安全阀等装置。</P>

实用化研究现状二氧化碳超临界循环理论由挪威技术学院的Lorentzen教授提出，在欧洲最先得到响应。 1994年起BMW、DAIMLERBENZ、VOLVO、德国大众、Danfoss、Valeo等欧洲著名公司发起了名为“RACE”的联合项目，联合欧洲著名高校、汽车空调制造商等研制CO2汽车空调系统，并计划在2003年欧洲生产的汽车有一半装备CO2汽车空调系统。BENZ汽车公司现已装备二氧化碳汽车空调系统的轿车生产，德国KONVECTA生产的以二氧化碳为工质的空调公交客车从96年运行至今。DANFOSS、奥地利的Obrist、英国均已研制出二氧化碳车用压缩机。日本的DENSO、ZEXEL的二氧化碳压缩机已进入小批量生产阶段。美国开展的研究不仅仅限于汽车空调，其在家用空调、坦克空调、超市陈列柜以及热泵系统的研究也已取得明显进展。</P>国内对于二氧化碳超临界循环技术的研究也已开始，但多数以理论分析为主。天津大学马一太教授在获得国家自然科学重点基金的资助，研制家用二氧化碳空调系统；上海交通大学车用空调工程中心与上海易初通用机器有限公司在上汽集团的支持下，联合上海DELPHI汽车空调有限公司等单位，投资数百万元开展二氧化碳汽车空调系统的研制工作，目标在三年内完成二氧化碳系统的装车试验。</P>值得一提的是，美国的Spauschus公司申请了压缩和吸收式联合的二氧化碳制冷系统，混合液体成分包括新戊基乙二醇、乙醇醚、乙醇脂、吡咯烷酮、乙二脂、己二酸盐、碳酸盐等，采用涡漩式压缩机，二氧化碳和混合液体被压缩后压力升高，二氧化碳被混合液体吸收，同时放出热量，经过节流阀后压力下降，二氧化碳析出，吸收热量制冷。该系统工作压力低于35bar，和CFC及HFC制冷系统的工作压力相当。该技术已由FORD公司应用，研制车用空调。</P>

小结　</P>CO2跨临界循环系统，充分利用了CO2高饱和压力，良好热力性能及相当大单位容积制冷量，具有高效紧凑等特点，适合于汽车空调。</P>在CO2跨临界循环系统研究的理论和实验方面已经取得了不小的成就，CO2系统日趋成熟，商用化指日可待。</P>CO2具有优良环保性能，从安全方面考虑，汽车空调中CO2虽然压力高，但其体积很小，即使在部件破裂着一不太可能发生的情况下，例如制冷剂侧容积不到２L的CO2汽车空调机所释放出来的潜在能量还赶不上一个典型的CO2灭火器释放的多，何况有保护系统予以监控与保护，因而机械系统的安全性是完全可靠的。</P>CO2系统结构与原车用空调系统有明显不同，高压侧压力、回热换热量等系统循环参数对系统COP影响显著，必须对系统热力循环进行优化设计。</P>以CO2作为工质的汽车空调系统，无论在理论方面，还是在部件实现方面，都完全具备了可能性。</P>

支持

我师傅拆修过一台这样的泵，不过像柴油机的高压泵，没有啥了不得的，活塞没有他老人家的大拇指粗．<img src="images/post/smile/dvbbs/em05.gif" />