汽车空调系统结霜试验
摘要：根据汽车空调系统的工作原理阐述了空调结霜的原因，根据系统原理对影响空调结霜的几种因素进行了分析，介绍了空调系统结霜的评价方法。
关键词：汽车空调 空调系统结霜 分析研究
  随着汽车业的迅猛发展，人们对舒适性的要求越来越高，空调系统使用的新技术越来越多，外控变排量压缩机、高性能蒸发器芯体等技术开始应用在汽车空调系统中。结霜问题一直是空调系统匹配中的难题，这些新技术的应用给控制结霜带来了更大的困难。如何较好地控制空调系统的过冷度，避免结霜，获得最佳的整车空调系统性能成为设计者需要重点考虑的方面。本文通过对空调结霜原理的分析，从设计匹配的角度介绍影响空调结霜的主要因素。
一、汽车空调制冷系统的工作原理
汽车空调制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器组成（有时简称空调四大件）；另外还有一个比较重要的组成部件就是贮液干燥过滤器。
汽车空调系统的制冷的工作过程如下：发动机带动压缩机运转，将蒸发器送来的低温低压的制冷剂蒸汽吸入压缩机内进行压缩后，变成高温高压的气体，送给冷凝器使气态制冷剂液化并放出热量。从冷凝器出来的液态制冷剂流经膨胀阀时从其小孔喷出成为低压雾状制冷剂并进入蒸发器，在蒸发器内由于容积变大压力降低，制冷剂汽化，由液态变为气态，同时需要大量吸热，这时用鼓风机使车厢内的热空气流过蒸发器，经热交换后变为冷空气进入车厢，降低车内温度。从蒸发器出来的气态制冷剂又进入压缩机，重新进行新一轮制冷循环。如此周而复始，不断地将车厢内的热量转移到大气中去，达到降低车厢内空气温度的目的。
二、汽车空调结霜原理
图1显示了空调系统的制冷工作原理。压缩机将低温低压气态的制冷剂压缩成高温高压的气态制冷剂流入冷凝器，经过冷凝器的冷凝变成高温高压的液态制冷剂，干燥过滤后流入膨胀阀，经节流变为低温低压的液态制冷剂，流入蒸发器，在蒸发器内吸收流经蒸发器的空气热量，使空气温度降低，吹出冷风，产生制冷效。制冷剂本身因吸收热量而蒸发为低温低压气态的制冷剂。经过压缩机的不停运转，使得整个制冷循环往复，达到整车温度降低的效果。
图1空调系统工作原理
在整个空调制冷循环中，如果蒸发器及低压管路温度低于0℃，在冷却湿热空气时，空气中的水分会在蒸发器芯体低于0℃的区域凝结成冰，此现象就称之为结霜。结霜后，由于蒸发器芯体的翅片间隙被冰霜覆盖，使得风在吹过蒸发器芯体时受阻，整个车内温度无法降低，难以达到整车降温的效果。因此，空调结霜时一般的具体体现就是出风口风速明显降低，整车温度明显上升。
三、影响空调结霜的因素
根据空调的制冷原理，空调结霜的主要原因在于蒸发器区域表面温度低于0℃。一般可分析为以下几个原因:①蒸发器热交换不充分;②进入蒸发器的制冷剂过多;③变排量压缩机排量控制不合理。具体到设计过程来说，就是压缩机与膨胀阀的合理选型匹配及传感器及控制参数的精准控制。
1、压缩机与膨胀阀的选型匹配
压缩机的排量过大或膨胀阀选型不合理都可能导致进入蒸发器的制冷剂过多，从而导致空
调的结霜。因此，为避免空调系统的结霜，首先要合理地匹配压缩机与膨胀阀。
根据整车的定位明确降温性能的指标后，基本可以确定压缩机需要使用的排量。膨胀阀的容量选择与膨胀阀入口处液体制冷剂的压力(或冷凝温度)、过冷度、出口处制冷剂的压力(或蒸发温度)、过热度及阀开度有关。同一个膨胀阀，在不同工况下容量差别是很大的，这与工作时的冷凝压力及蒸发压力的压差有关。膨胀阀的容量要与汽车空调系统制冷能力相匹配，特别是蒸发器的容量相匹配，使蒸发器最大限度地加以利用。若容量选择过大，使阀经常处在小开度下工作，则膨胀阀开闭频繁，易诱发空调系统工作不稳定，影响车内温度稳定，并降低阀门寿命，在某些特定工况时还会造成压缩机液击;若容量选择过小，则流量太小，造成系统制冷能力不足，不能满足车室内制冷量要求。所以应对每一制冷系统所使用的膨胀阀进行选配。一般情况下，膨胀阀容量应比蒸发器能力大20 %-30%。如普通轿车的空调制冷量为2.5~3 kw,膨胀阀可选用3.5~4kw的。
2、传感器及电气控制参数
即使压缩机与膨胀阀选型合理，如果不能正确地控制压缩机的开启及关闭，仍然可能造成空调结霜。需要在整个空调系统中加装传感器，当感知到有结霜风险的时候，就断开压缩
机，避免结霜。见图2。一般是在蒸发器的表面布置一个温度传感器，当感知到蒸发器表面温度低于一定的值时，空调控制器会自动关闭空调压缩机，当温度升高到一定的值时，会自动开启压缩机。
图2空调蒸发器芯体
蒸发器表面温度传感器的布置位置是需要重点考虑到方面，布置不合理极易造成空调结霜。见图3，为了确保温度传感器能布置在合适的位置，一般需要在整个蒸发器表面布上温度点，测试其温度分布区域，为了确保制冷效果，保持一定的过冷度，并不会选择温度最低的点，而是布置在温度次低点。当该点的温度低于一定的值时(有结霜风险时)，压缩机会断开，待该点温度高于一定的值时压缩机恢复吸合。断开值与恢复值跟传感器的精度、蒸发器芯体温度分布均匀性都有很大关系，一般设定为1℃关闭压缩机，4℃开启压缩机。有些公司因蒸发器芯体质量控制或传感器等原因，为避免结霜而牺牲部分性能，可能会设定为2℃关闭压缩机，6℃开启压缩机。
图3蒸发器表面温度传感器布点
3汽车冷凝器、蒸发器芯体热交换的充分性
蒸发器芯体热交换不充分时，芯体的低温没能被周边的热空气有效地加热，极易发生结霜现象。为了避免热交换不充分，在设计中要充分考虑风通过蒸发器芯体的顺畅。不仅应当对鼓风机的风速进行精心匹配，还应考虑芯体安装的位置与风的流向、滤芯的通透性等等，以确保有足够的风顺畅地通过加热器芯体。
四、空调系统结霜评价
1、结霜试验工况
空调结霜试验应当选择最容易结霜的工况做试验。对于普通定排量压缩机系统，由于结霜工况比较容易确定，做起来相对来说容易一点。选择结霜试验工况要根据结霜产生的因素来进行，首先应选择湿度较大的天气，可选择阴雨天，湿度90%RH环境温度25℃。试验时采用最大制冷模式，风机采用最小档位，车内坐4人，试验时间一般为4个小时。而对于变排量压缩机，由于不同工况压缩机的排量不同，简单地采用同定排量压缩机一样的工况难以确定其结霜的可能性，需要在环境仓内做温度场扫描，出系统压力值最低时的工况，以该工况作为结霜试验的试验工况，试验时间一般也为4小时。
2、结霜试验结果评价
结霜实验应根据试验数据对系统做出综合评价。吹面出风口的平均温度温升应小于2℃，吹面出风口的平均风速下降应小于20%。同时，应观察
试验数据形成的曲线，见图4，其温度曲线应当可上下波动但总体应当趋于平衡，即虽然蒸发器有过冷现象的出现，但可以适时按照设计要求进行调节。如果该曲线处于缓慢下降趋势，即使完成了4个小时的结霜试验，仍然不能简单地判断该系统不会结霜，在该种情况下，可能需要持续做验证一直到系统平衡点为止。
图4结霜试验出风口温度监控数据
结束语：
空调制冷系统的匹配是一项复杂的过程，为避免空调结霜，不仅需要从制冷系统的匹配、相关传感器参数精确设定及合理布置位置、鼓风机与风道优化设计等多方面考虑，还应有一整套完整的设计评价方法，通过验证匹配获得良好的整车降温性能。
参考文献：
[1]马俊，变排量汽车空调系统结霜试验研究[J].机电一体化，2007年第1期.
[2]吴胜芳，汽车空调系统工作原理及故障排除[J].科技风，2011年第16期.