汽车空调HVAC技术概论.docx
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汽车空调HVAC技术概论
汽车空调HVAC技术概论
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单位:
一汽轿车股份有限公司
第1章HVAC介绍
1.1术语
HVAC:
是英文HeatingVentilatingAirConditioning的缩写，即采暖，通风与空调；指安装在仪表板下具有加热、通风、空气调节功能的单元，包含鼓风机总成、加热器芯体、蒸发器芯体、混合风门、模式风门等主要部件。
ACloop：
制冷系统，主要功能是冷却和干燥通过蒸发器的空气
R134a：
在ACloop中使用的制冷剂（C2H2F4）
LP：
连接蒸发器与压缩机管路中的低压
HP：
连接冷凝器与膨胀阀管路中的高压
GMV：
鼓风机
Flashair：
来自车厢外的空气（外循环）
Recirculation：
来自车厢内的空气（内循环）
TXV：
ThermalExpansionValve,膨胀阀
VFC：
VentFullCold，全冷吹面
VFH：
VentFullHot，全热吹面
FFC：
FeetFullCold，全冷吹脚
FFH：
FeetFullHot，全热吹脚
DFC：
DefrostFullCold，全冷除霜
DFH：
DefrostFullHot，全热除霜
第2章HVAC设计规范
2.1．HVAC结构设计
设计一个HVAC就像搭积木一样,将进气单元,鼓风单元,空气净化单元,制热单元,制冷单元,分发单元按照一定的规则组合在一起。
图1
随着汽车工业不断发展，如今HVAC的设计需要满足以下的要求：
●便于更小的包装
●产生更高的制冷、制热能力
●更多的新功能
●更轻的重量
●当然，还有更低的成本
选择或设计一款合适的HVAC是一项综合性很强的工作，最好的方法是综合全球当前所有的设计，以下是一些HVAC的例子。
2.1.1各种HVAC一览
●已经得到应用的HVAC
图2
●处于开发阶段的，即将得到应用的HVAC
图3
●处于概念阶段的HVAC
图4
如此众多的HVAC，如何选择或设计一款最符合自己的HVAC？
我们需要综合以下几点来参考:
●可靠性（是否采用标准设计，热力性能是否稳定，运动机构是否合理）
●新颖性（是否有3个以上新专利的运用）
●高性能（较低的空气压降，高性能的热交换器，稳定的温度控制性能，理想的排水系统）
●灵活性（模块化设计，能在不同车型可以同时应用）
●经济性（采用标准零部件，适应容易简单的工艺，少量的投资，尽量使用较少、较轻的零件）
2.1.2单区/多区HVAC
HVAC按照结构分，可以分为单区空调和多区空调。
单区空调指的是只能将车内环境作为一个整体来调节，如奔腾B50车型；而多区可以将驾驶舱分为主驾驶区间，副驾驶区间，后排左乘客区间，后排右乘客区间,并单独进行环境空气调节。
多区中包含2区，指的是主、副驾驶区间，如马自达-睿翼；3区，指的是除主、副驾驶区间外，将整个后排乘客区间作为一个整体，如丰田大霸王；4区，指的是主、副驾驶区间，以及后排左、右乘客区间，如红旗检阅车。
一个单一紧凑型的HVAC怎样才能做到多区控制呢？
如一个3区或4区空调，必须具有左、右；前、后的空气分发功能，同时也应具备左/右，前/后温度调节功能，这就意味着要求针对不同区具有独立的模式运动机构和空气混合运动机构。
如下图：
图7
2.1.3多区HVAC的关键结构的设计因素
首先考虑的是乘客的安全因素，尤其要保证有一定量的风吹到汽车挡风玻璃上并能得到足够来自加热器的热量，另外要有稳定的舒适性，这就要求前后的混合风门以及前后的分发风门设计的位置要合理，以达到各自区间相互的温度不受干扰，否则就达不到分区控制的目的，如下图。
图9
2.1.4HVAC的噪音控制
一个HVAC的结构直接对其产生的噪音的大小等级产生影响，随着汽车市场不断的发展，客户对噪音的要求越来越高，目前市场的HVAC在整车上的噪音控制在62分贝到66分贝，而今后的发展趋势是到2012年能控制其噪音在55分贝的水平，并且能保证HVAC单体与装车状态的噪音水平相当。
一个合理的设计能降低噪音的水平或避免噪音的产生，为了减少噪音以下设计要素需要遵循：
●将进气口设计在发动机舱内
●将过滤器设置在进气口
●将循环进气口设置在汽车防火墙内
●将鼓风机设置在汽车的一侧，而不是设置在中间，以避免与驾驶舱发生共振
●在循环进气口设置防噪音的罩子
●换热器不能直接暴露在出风口外
另外，多区空调的结构有利于减少噪音，因为此结构减少了共振的几率；多出风口的结构能减少噪音；低风速也是减少噪音的一个很重要的因素（不要超过7m/s）；鼓风机的选择相当重要，选择一款鼓风机不仅要看所要求的风量，还要看其噪音水平，一个静音水平高的鼓风机将减少HVAC许多噪音问题；选择静音水平高的微电机也是减少噪音的方法；空气流动方向与换热器面的夹角也会影响噪音的大小，这个角度不允许超过60o。
2.2加热功能
目前一般轿车用加热器是利用从发动机来的高温冷却水的热量与其周围空气进行热交换而达到制热效果，也有为了加大制热量而增加电辅助加热器。
加热器芯按照结构划分可以分为管片式加热器、全铝制钎焊平行流式加热器，目前市场大多采用管片式和平行流式。
管片式加热器芯采用多根U-型圆形铝管穿过一层层铝片，经过胀型，装配水槽（一般是塑料材料）等工序加工而成，平行流式加热器是采用多根平行的铝扁管，扁管之间镶嵌百叶窗蛇形翅片，装配好水槽（铝合金材料）后进行钎焊等工序加工而成。
管片式加热器芯加工工艺及设备简单，其在国内是一种很成熟的产品，而全铝制钎焊平行流式加热器加工工艺复杂，相关技术要求很高，目前很少有国内本土空调厂家生产这种加热器，主要依赖进口，如日本的Denso，美国的德尔福，法国的法雷奥，德国贝洱等汽车零部件供应商都具备设计，生产此种加热器的能力。
这两种加热器相比较，平行流式加热器具有更高的换热性能，在同样外部条件下，同等散热体积的平行流式加热器要比管片式加热器制热能力高出25%-40%。
在以后的发展中，全铝制钎焊平行流式将会逐渐取代管片式加热器。
图10上海贝洱公司生产的全铝制钎焊平行流式加热器芯
2.2.1加热器芯的选择
根据冷却水的流向可以将加热器芯分为U型加热器、I型加热器、交叉型加热器。
这3中类型的加热器在温度特性上各有不同，U型加热器在这3款加热器中加热均匀性是最差的，不利于双区HVAC的应用；I型加热器加热均匀性同样也不理想，但加热器两边的温差还是比较均匀的，在HVAC中其安放位置要特别注意，不适合做3区空调用；交叉型加热器芯具有最好的温度均匀性，几乎可以用于任何形式的HVAC，以下是3种加热器芯的热力分布图。
图11
图12
图13
2.2.2加热器芯在HVAC中的位置
在使用不同类型加热器的时候，加热器在HVAC中放置的位置有相应的规则需要遵循
1．如果使用交叉型的加热器时，空气必须从加热器最冷的一面进，从加热器最热的一面出，如果反过来，就会发生本来被加热的空气热量被加热器最冷的一面吸收一部分，加热性能会减少5-6%。
2．如果使用I型加热器芯，根据其热力特性应该使其芯体左右相对于HVAC左右放置，这样两边的温度差将受到的影响很少，一般左右两边的温度差在2℃左右，如果不利用这个特性，将其位置相对HVAC成90o，则HVAC左右最大温差将达到10℃。
3．如果在3区或4区空凋中使用I型加热器芯，则分区挡板应该应该平行于扁管，垂直于加热器芯表面，如下图：
图14AudiB8-4zonesHVAC
4．热空气流道设计使其风速能够达到7-10m/s,如图15中S为最小热空气流道截面，这个截面大小的设计就要考虑到使风速能在7-10m/s的范围之内，当然还要考虑到风门的厚度，大小等因素。
D最少要大于40mm，以保证有足够的风量进入加热器芯。
图15
5．如图16、17：
图16BMWPL2
图17CAP2003
2.2.3加热器芯与HVAC壳体的配合
图18
图19
2.2.4PTC的选择
有的时候为了进一步提高HVAC制热量，而加热器芯无法满足制热量的要求，我们可以选择电加热器（PTC）来进行辅助加热。
电加热器的种类很多，如下给出几种规格的PTC。
图20
2.2.5PTC在HVAC中的装配位置
PTC必须放置在加热器芯的后面，否则会将PTC的热能传递给加热器芯，降低整体制热性能，如图20。
图21
PTC与加热器芯之间的距离应该大于4mm，可以与加热器芯成一定的角度，以改善空气流量，但角度不能太大，应限制在0o-10o之间，当PTC很小，同时要改善压力降时，应循循下图22所示放置方式，不能采用第一个示意放置方式，因为这样可能会产生涡流。
图22
PTC的功耗不能太大，以PSA集团为例，其规定的功耗不能超过1000W，并且要求经过PTC时风量不小于250kg/h,图23是PSAX7空调PTC的性能曲线图。
另外PTC表面温度可以达到160℃，而塑料外壳所能承受的最高温度只有110℃，所以应该避免将其两者接触，一般采用螺钉固定在外壳上，而加热面不能与其他塑料零件相接触。
图23PSAX7
2.3制冷功能
蒸发器是HVAC实现制冷功能的关键部件。
将经过TXV（膨胀阀）降压后的液态制冷剂在蒸发器内沸腾蒸发，吸收蒸发器表面周围空气的热量而降温，风扇将冷空气吹送到车厢，达到降温的目的。
蒸发器从结构上分可以分为管片式蒸发器，管带式蒸发器，层叠式蒸发器，平行流式蒸发器，其中层叠式和平行流式蒸发器制冷效率最高，而层叠式蒸发器与平行流式蒸发器相比，平行流式具有用料少，重量轻等特点，目前市面上以层叠式和平行流式最为广泛的应用，而一些老车型还在使用管片式蒸发器，如富康、捷达。
管带式蒸发器一般在大型客车或列车之上，目前轿车市场已经基本不用此类蒸发器了。
图24上海贝洱公司生产的全铝钎焊平行流式蒸发器
2.3.1蒸发器的选择
选择一款合适的蒸发器需要注意以下要素：
●蒸发器要有足够的制冷量
●温度平衡和风量平衡要好
●具有很好的控制冷凝水的能力
●能满足装配性要求
2.3.2蒸发器在HVAC中的位置
要有一个好的冷凝水排泄功能，蒸发器在HVAC中倾斜的角度要控制好，要参照图24虚线范围内所示：
图25
要尽可能保证到达蒸发器表面空气的均匀性，这样才能得到一个稳定的风速，但经过蒸发器的风速不能太大，否则会将蒸发器表面的冷凝水给吹出来，这是绝对不能允许的。
一般蒸发器允许通过的最大风速：
当翅片间距为1.4mm时，风速最高不能超过2.5m/s；但翅片间距为1.7mm,最大风速不能超过3m/s，在蒸发器底部这一点尤其重要，因为蒸发器这个部位含有大量的冷凝水。
蒸发器要求具有良好的热平衡性，蒸发器四周要用海绵密封好，否则周围的热空气会泄露进来，这样会导致使出口空气的热平衡性降低，以下是Valeo某款蒸发器的温度分布图，风量为600kg/h，环境温度为30℃，环境湿度为60%。
图26
这里要强调一下蒸发器密封的重要性，其密封性对空气温度，气流的平衡性，冷凝水的控制都有很大关系。
蒸发器的密封一般采用沿着蒸发器四周粘贴海绵，然后靠壳体上设计的筋条进行固定。
用于蒸发器密封海绵材料有PE，PU，EPDM等，当蒸发器管露在HVAC壳体外面，需要用海绵包裹好，否则其上面的冷凝水会滴落在汽车驾驶舱内。
当蒸发器管在HVAC壳体内部是，可以用海绵将其包裹好，也可以用一个塑料罩将其罩起来，如果将其裸露在塑料罩内，管子上面的冷凝水必须滴落在没有空气流的区域，否则会有冷凝水溅射的风险。
图27
设计一个合理的冷凝水排泄槽在HVAC设计中很重要，以保证收集，排出产生的冷凝水，以下要素需要注意：
●壳体与排水槽要很好的密封
●蒸发器与排水槽要很好的密封
●蒸发器与壳体要很好的密封
●在蒸发器下要有足够的空间
●排水槽要有合理的排水形状
●排水槽要在HVAC的最低点
在蒸发器表面不要放置温度传感器或其他零件，如果非要放置两者之间的距离应小于20mm；在蒸发器出风面要有足够的面积。
这两个要求都是为了保证不会产生局部风速过大的风险，因为这样可能导致冷凝水溅射。
图28
排水槽的形状要有一定的倾斜角度，这样冷凝水才能顺利的排出HVAC，如下图中α角度，Valeo规定的是17o，以下是两种类型排水槽，一种只有一边有倾斜角度，一种是两边都有倾斜角度。
图29
图30
2.4进气与吹风功能
HVAC要实现降温或制热，必须有流动的空气在换热器表面进行热交换，而要提供流动的空气就必须有鼓风机和进气装置。
进气装置主要功能是将HVAC外部空气倒入其内，这里的HVAC外部空气就分为来自车厢外的空气（Freshair，我们叫做外循环）和来自车厢内的空气（Recirculation，我们叫做内循环）。
鼓风机就是使空气流动的动力源，风量的大小很大关系上取决于鼓风机的能力。
2.4.1进气装置
这里介绍两种常见的进气装置。
图27这种装置进气方式只有两种选择，要么Fresh（车外空气，下面内容以此简称）,要么Recirc（车内空气，下面内容以此简称）。
图31
图28这种进气装置的特点就是可以独立控制内外循环空气，可以同时进Fresh和Recirc，如在夏季制冷条件下（为了减少功耗，一般用内循环），为了改善车内空气质量，同时又不能很大程度地降低降温效果，可以适当凋节外循环风门开度，让一定量的Fresh进入车内，以改善车内空气质量。
图32
进气装置在设计上要注意的以下要素
●确保低的空气压降（需要良好的空气流道和截面，尽量不要改变空气流动的方向，空气流道中不要有其他零件或壳体的拐角）
●良好的结构强度
●保证有足够的风量能进入
●风门运动灵活（实现内外循环的切换而风门转动角度尽量小，选择可靠的运动机构）
●良好的密封性（风门与壳体之间要保证密封，壳体的密封）
●良好的静音性（运动机构的噪音控制，选择车的一侧安装）
●保证中间位置风门角度的准确性（减少风门的重量，合适的运动机构以及正确的微电机，风门与壳体之间要灵活，适当加润滑油或润滑脂）
以下是几种车型上的进气装置。
图33
图34
2.4.2鼓风装置
鼓风装置是提供空气流动的动力源，主要由风叶轮，直流电机，调速电阻（或调速模块），电机支座和导风壳体组成。
一般手动空调用调速电阻来实现风量大小的控制，电动空调可以用调速电阻或调速模块，而自动空调必须用调速模块，调速电阻是考手动改变电阻值而改变电压大小来实现调速，而调速模块是一个可编程的控制模块，可以根据车内环境自动调节风量大小。
图35
鼓风机装置的设计要素
●风叶轮和导风壳体间的距离要合适，如图32，如果其中J1太小，叶轮和可壳体就有碰撞的风险，使电机被锁住，无法运动，如果太大将降低鼓风机的能力，合适大小为3mm，
图36
●风叶轮于电机支座要保持合适的距离，如图33中J2，如果太小两者之间会有碰撞的风险，可能将电机锁住；电机的降温环境将恶化，如果太大讲降低鼓风机的能力。
合适大小为3mm。
图37
●电机与电机支座底部的距离J3大小也要合适，如图34，太小两者可能将碰撞，产生噪音，由于塑料的摩擦可能发生起火事故；如果太大则浪费空间，最合适的大小为3mm。
图38
●风叶轮与导风壳体的截面距离J4与导风壳体倒角R1，如图35，如果J4太小可能会产生噪音，太大就降低鼓风机的能力，如果R1太小则增大空气压降，如果太大则风量减小，风阻增大。
R1合适的大小为风叶轮外径的10%-11%，J4合适的大小为风页轮的外径的9%-10%。
图39
●
2.5空气净化功能
车内空气质量的好坏与HVAC的通风和净化能力直接相关，而实现空气净化,改善空气质量,必须有空气净化及改善装置。
一般轿车用空气过滤器，根据过滤介质可以分为粒子过滤器（能过滤空气的尘埃）、碳纤维过滤器也叫组合过滤器（能过滤空气中的有害气体和异味）、负离子过滤器（除了拥有过滤功能之外，还产生对人体有益的负氧离子）、维他命C过滤器（除了拥有过滤功能之外，该过滤器还能够释放维他命C,帮助皮肤保持湿润）,各种香熏过滤器等，前两者应用的最为广泛。
一般过滤器要求能过滤空气中的尘埃，有害气体如CO，NOX，HC，SOX，异味如H2S等，根据不同用户及不同需要而选择不同类型的过滤器。
图40
过滤器在HVAC中的位置，有如下几种，无论哪种放置方式都使进入HVAC的空气更加均匀，都能屏蔽而降低噪音。
●设置在HVAC的上游，在汽车的进气口
●设置在HVAC鼓风机和进气口之间
●设置在鼓风机周围
●设置在鼓风机和蒸发器之间（过滤器的底部一定要高于蒸发器的底部，否则将会被冷凝水浸湿）
汽车空气质量控制需要从3个方面入手：
●阻止车外污染进入车内（利用空气质量传感器和反应快速的进气风门微电机）
●防止HVAC细菌的产生（采用抗菌介质的过滤器或电子过滤器）
●车内空气的净化
2.6空气混合与分发功能
HVAC靠各种风门的配合运动从而实现风量分配和温度调节的功能，温度凋节主要依靠混合风门的运动来实现；吹面，吹脚，除霜等各种模式靠各种分发风门的运动来实现。
2.6.1混合功能
混合冷，暖空气来实现出风口温度的凋节与控制，
图41
以下是几种实例
图42
图43
2.6.2分发功能
分发功能是车内得到很好舒适性的关键因素，起到风量平衡的作用。
图44
分发功能主要包含3个风量的分配，分别是除霜（Def.），通风（Vent），吹脚（Feet），根据不同需要，可以组合多种模式，如除霜吹脚模式，通风吹脚模式，通风除霜模式，大多数采用4种或5种模式，其中通风模式，吹脚模式，通风吹脚模式，吹脚除霜模式，除霜模式这5种是最长用的。
图45
●靠两个风门实现分配功能，如图42
图46
●靠多个风门实现风量分配，如图43
图47
风量平衡要求首先要制定一个合适的标准，如AudiB8：
图48
2.7运动机构
HVAC上所有的机械运动都需要运动机构来实现，如各种风门的转动，水阀的开启与闭合等，动力来源有的是靠手动的拉丝，有的是靠微电机，而连接动力源和各种风门或阀门的部件我们称作传动机构。
传动机构包含各种塑料连杆，塑料拨杆，塑料齿轮，有导向作用的塑料拨盘，金属拉杆，金属连杆等，将这些零件有机的连接起来，达到精确传动的作用。
图49
2.7.1运动机构设计要素
●运动机构越简单就越稳定
●微电机的控制力矩根据外部温度的变化而变化（一般两个风门以上传动的力矩计算要考虑到微电机能提供的最大力矩）
●使用连杆传动时避免死链接的发生
●手动空调采用拉丝传动最多采用2根拉丝
图50
●选择模数为1.5的齿轮系统
●设计防差错功能（配合唯一性）
●考虑运动机构的位置返回问题（主要由于空气压力造成）
●采用不同材料的零件（避免由于零件间由于摩擦造成的噪音）
第3章HVAC主要功能评价试验及方法
验证某HVAC设计是否符合认可要求,最终需要用试验来验证,这一章节将介绍HVAC主要功能评价试验,这些试验可以统称风洞台架试验,在这些试验最先做的试验必须是风量试验,因为如果风量都达不到要求,后续的试验如制冷,制热,温度平衡等就没有必要再做了,噪音试验可以在做其它试验如风量试验时完成,然后做制冷,制热试验,冷凝水排出试验,风量分配试验,温度平衡试验.以下是各个试验所需要的时间。
表1
试验项目
试验准备时间（h）
试验时间（h）
试验总时间（h）
风量试验
1
1（如果包含密封性试验，时间还需多1h）
2（如果包含密封性试验，时间共3h）
噪音试验
2
1
3
制热能力试验
1
2-3
4-5
制冷能力试验
2-3
2-3
5-7
冷凝水排出试验
2-3
5-7
8-11
风量分配试验
5-8
5-9（所有模式）
10-17
温度平衡试验
2
1（1条曲线）
4
3.1试验准备和试验台架
●准备状态良好的台架
●准备试验设备（支架；风道；热电偶；连接鼓风机的装置；带线束的控制面板）
●准备HVAC试验单元（鼓风机；检查风门是否运行正常；检查运动机构是否正常；将换热器用管子和密封圈连接好）
●估算试验时间（连接零件和试验台架；检查设备；设备调试）
图51HVAC性能试验台
将HVAC外循环进气口与台架吹风口用专用工装连接，保证其连接部位的密封性（用锡箔纸或海绵密封）如果风门靠微电机驱动，就要连接12V直流电源，连接好控制面板。
然后按照相关的企业标准设定试验条件，如环境温度，环境湿度，风量，背压等，测量所需要的数据，形成相关试验报告，用于后续分析及评价。
3.2风量试验
a）试验条件
-设备将在无配风的情况下试验；
-鼓风机电压U=12V；
-设备提供一定背压；
-设备加热器中无循环；
-除了分配通风内循环，将在“内循环”进风口处测量，其他情况下风量将在外循环进风口处测量。
-HVAC及设备上其他无关的空气入口；出口或孔洞将予以封住（包括残余气流出口）
测量采用新过滤器；
b）风量试验评价
表2
分配
最小流量（kg/h）
背压（Pa）
除霜
360
−100
吹脚
360
−70
吹面
540
−240
通风内循环
570
−150
3.3风量分配试验
a）试验条件
试验条件与3.1a相同，但是试验是在带有配风情况下执行，无背压，不用封住出口。
图52风量分配试验台
b）试验评价
●吹面分配
所有吹面装置打开，将分别在25%和50%的混合模式下检验以下平衡：
-侧吹面装置的流量=吹面装置总流量的50-60%
-中央出风口的流量=吹面装置总流量的50-40%
-左侧吹面装置的流量=右侧吹面装置的流量的100%±20%
-左侧中央风嘴的流量=右侧中央风嘴流量的100%±20%
●吹脚分配
所有吹面装置关闭，将分别在25%,50%,75%和100%混合模式下检验以下平衡：
-吹脚出口AVD处的流量=左侧吹脚AVG流量的100%±20%
-吹脚出口AR处的流量=左侧吹脚AVG+AVD流量的100%±20%
-左侧除霜流量（总计）=左侧吹脚流量的15%（最大）
所有吹面装置打开，将分别在25%,50%,75%混合模式下检验以下平衡：
-吹脚出口AVD的流量=左侧吹脚AVG流量的100%±20%
-吹脚AR出口处的流量=左侧吹脚AVG+AVD的流量的100%±20%
-吹面装置的总流量=总流量的50-60%
-吹脚出口和除霜的流量=总流量的50-40%
-侧吹面装置的流量=至吹面装置总流量的50-40%
-中央吹面的流量=至吹面装置总流量的50-40%
-左侧吹面装置的流量=至右侧吹面装置流量的100%±20%
-左侧中央吹面的流量=右侧中央吹面流量的100%±20%
●吹脚除霜分配
所有吹面装置关闭，将检验50,75和100%混合的以下平衡：
-除霜出口的流量=总流量的50-65%
-吹脚的总流量=总流量的50-35%
-左侧除霜G的流量=左侧除霜D流量的100%±20%
-吹脚出口AVD的流量=左侧吹
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