引言随着汽车用户对舒适性的要求提高，汽车空调成为车载基本配置之一，汽车空调作为能耗最大的附件之一，成为发动机外的第一能耗大户［1］。为了鼓励汽车空调的节能减排，各个国家和区域均出台了政策和法规，鼓励节能技术的应用。我国在GB 27999—2014中规定：采用包括高效空调在内的一种或多种循环外技术/装置车型，每100 km可获得总计不超过0.5 L的油耗奖励；中汽协汽车空调委员会参考美国EPA的奖励选项结合中国国情，也提出了最大奖励额度不超过4 g/km CO2的建议菜单。但由于技术方案众多，各技术对碳排放的削减效果在整车上尚未充分验证。因此具体选项、评价方法和奖励额度尚待确认［2］。目前燃油汽车空调节能的研究主要集中在测试工况的分析研究［3］、新节能技术的开发以及节能技术效果和成本评价等方向。其中循环工况对汽车油耗的影响已经有了较多的研究［3-4］，但是从汽车空调的角度出发对循环工况的特点的研究仍未发现。目前空调节能技术繁多。覃锋［5］等在A0级轿车上分析了内控变排量压缩机、无刷蒸发风机、同轴管（IHX）、高效油分离等技术对空调系统的提升效果。郝亚［6］等通过试验分析研究了同轴管的节油效果。然而试验方法不可控因素非常多，包括加注量、环境因素和主观因素等。同时由于节能技术繁多，导致在选择和匹配系统过程中，需要考虑成本、效果，甚至多种节能技术叠加的效果。采用一维仿真软件对某车型的空调系统进行仿真建模。从空调角度，分析WLTC工况的特点和达成要求；并从仿真的角度分析节能技术包括IHX，提升蒸发器蒸发温度策略在WLTC工况的节能效果。1空调系统仿真建模1.1空调系统建模AMEsim可以使用户从烦琐的数学建模中解放出来，专注于物理系统本身。文中汽车空调建模包括两相流、传热，湿空气等。建模过程忽略空气流场，元器件（包括压缩机、膨胀阀等）与环境之间的换热，重点关注研究对象在系统中的性能表现。1.2IHX建模与标定IHX的标定工况选择与实际用车工况相近，高压压力为1.7 MPa，低压压力为0.3 MPa，高压进气过冷度为10 ℃，低压进气过热度为5 ℃，冷媒流量为50 kg/h~200 kg/h均匀分布。IHX单品换热标定结果如图1所示，换热功率试验与模型误差基本在5%以内。IHX低压压降标定结果如图2所示，低压压降试验与模型的误差基本在5%以内。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F001图1IHX单品换热标定结果10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F002图2IHX低压压降标定结果1.3模型校核AMEsim软件中常用的乘员舱模型是简易的一维模型，考虑光照、车速以及玻璃等参数的影响。乘员舱基本几何参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.T001表 1乘员舱基本几何参数结构面积/m2厚度/mm角度/（°）前挡玻璃0.99532.8侧窗玻璃1.09569.5后窗玻璃0.33545.0车顶外侧2.790.80内侧2.791.20车门外侧5.820.80内侧5.82120校核工况，车速、光照和温度按照测试工况给定［2］，工况设定如表2所示。发动机转速根据实车采集转速，按照传动比1.32输入。压缩机排量按照目标蒸发器温度0.5 ℃控制。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.T002表 2工况设定基本参数项参数值车速/（km/h）工况车速光照/（W/m2）850±45温度/℃30±1乘员舱头温降温曲线校核结果如图3所示。400 s内，校核模型的头部温度与试验结果偏差较大，最大偏差2.6 ℃，这与乘员舱内座椅等部件的初始温度设置关系比较大。其他时间段内基本吻合，基本误差在1.2 ℃以内。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F003图3乘员舱降温仿真校正结果对比2仿真结果与节能优化分析油耗工况要求10 min内，测点平均温度应降温至不大于23 ℃，考核汽车空调的降温性能；且10 min后至试验结束，测点的平均温度超过23 ℃的累计时长不应超过10 s［2］，考核空调的控制稳定性以及节油能力。WLTC工况车速如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F004图4WLTC工况车速WLTC工况在前10 min为低速工况，车速大于30 km/h的时长仅占总时长（600 s）的24%，压缩机的转速长时间处于怠速和城市低速状态。而在10 min后，为近郊以及高速工况，车速大于30 km/h的时长达938 s。为了满足10 min的降温需求，需要采用降低整车热负荷、提升压缩机传动比以及降低膨胀阀入口焓值等方法，以提升空调系统的性能；而10 min后，特别在10 min~11 min，车速在50 s内提升至50 km/h，压缩机很快提升。此时空调制冷能力提升，车内温度很快下降。WLTC工况10 min内车速区间特征如图5所示。在高速工况内维持乘员舱舒适温度且合理应用节能措施是WLTC工况节能的重要环节。以某车型为例，分析部分性能提升方法以及节能措施的性价比。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F005图5WLTC工况10 min内车速区间特征2.1性能提升分析HVAC热损分析如图6所示。由图6可知，整车降温试验结果，在10 min时，乘员舱的头温为24.9 ℃，不满足油耗工况的要求。提升空调性能的方法有：提高低速工况的发动机转速、提高鼓风机风量、降低膨胀阀入口冷媒焓值等，而这些措施都有可能增加空调的能耗。而提升车辆的隔热性能是一种较为有效的改善措施，既能够提高空调制冷性能，又能降低能耗。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F006图 6HVAC热损分析结合试验结果和空调一维仿真模型，可以分析乘员舱空气在各个区段的升温和换热情况。在10 min时，空气经过蒸发器后，降温为8.0 ℃，之后由于沿程的换热，吹面格栅出风口温度升为12.3 ℃，沿程总升温4.3 ℃。在整个实验工况中，该段沿程的冷量损失约800 W。在HVAC内，空气经过蒸发器，冷却为冷空气。现有HVAC的结构设计，冷空气与暖风芯体虽然有壳体隔热，但由于密封精度和材料隔热性能的原因，冷空气将被一定程度的加热。空气在吹面风道也有一定的温升，特别左右两个出面的风道长度最长，换热面积最大，其热损最大。因此对空调的风道以及混合风门进行贴隔热棉隔热整改，降低风道的换热。整改后的降温结果如图7所示，10 min 的平均头部温度为22.6 ℃，满足油耗工况需求。根据油耗工况的要求，在10 min~30 min，测点的平均温度超过23 ℃的累计时长不应超过10 s。因此在10 min后，改变压缩机的排量，保持目标头温为22 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F007图7HVAC隔热性能改善后仿真预测结果2.2IHX节能效果分析汽车空调制冷管分为高压管和低压管。过冷冷媒从前端冷凝器流出，此时的冷媒是高温高压状态。低压管冷媒温度低，但会被发动机舱加热。同轴管可以有效利用低压管的冷媒剩余冷量，将冷量传递到高压管，以降低蒸发器入口冷媒的焓值。为了强化换热效果，同轴管的结构有肋片管、滚压螺纹管、扭转螺旋管等形式。然而影响同轴管对空调制冷性能和油耗降低效果的因素有很多。不同厂家、工艺，试验工况IHX对空调系统的提升效果也不尽相同。根据IHX的单品试验结果对其换热效率以及低压流阻进行了标定。Adrián［7］等分析IHX长度与性能的关系，说明了IHX具有最优的长度。因此在选择同轴管时，需要谨慎考虑同轴管的结构，供应商工艺的成熟度，以及提升效果等因素。应用中，需要对IHX的长度进行匹配。在油耗工况中，利用性能仿真模型，根据10 min的整车的降温性能分析IHX的最优设计长度。不同IHX长度下整车降温性能如图8所示。不同的IHX长度下，车内目标头部温度在10 min时的降温情况。结果显示IHX的长度0.5 m~0.6 m之间，目标头部的温度最低，因此IHX的最优长度选取为0.55 m。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F008图8不同IHX长度下整车降温性能由于多种因素的影响，并且IHX对油耗和性能的提升效果有限。因此在实车的油耗测试中，不能准确地分析部件对油耗节省的贡献。通过仿真模型，可以忽略不相关因素的干扰，集中分析单一变量对系统的敏感度。为对比IHX对空调油耗提升的效果，仿真模型设置中，无IHX模型的低压管与IHX的长度和内径一致，内部流阻以光管模型设置。高低压管温度曲线如图9所示，为空调系统有、无IHX方案的仿真结果。结果显示，无IHX方案膨胀阀进口稳定后的温度约为3 5 ℃，低压出口管的温度约为5 ℃；有IHX方案膨胀阀进口稳定后温度约为32 ℃，IHX低压出口冷媒温度约为10 ℃，IHX回收冷量约75 W。相比无IHX方案，IHX方案在10 min的头部温度基本相同，且整个油耗工况，压缩机的功耗下降0.6%，节能效果不明显10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F009图9高低压管温度曲线在油耗工况下，工况温度为30 ℃，前端冷凝器的散热边界温和。冷凝器出口冷媒的温度，也就是IHX高压冷媒温度不高，与低压管之间的温差不大，因此IHX冷量回收较小，对整车的油耗贡献不明显。2.3蒸发器温度控制节能效果分析提升蒸发器温度的目的是提升低压压力，一方面降低压缩机的负担；另一方面提升压缩机入口冷媒的密度，在同等冷量需求的情况下，减少压缩机转速，达到降低能耗的目的。在自动空调使用中，当乘员舱达到舒适温度区间内，HVAC鼓风机的档位一般较低，以满足乘员对柔风的舒适需求。如果蒸发器的目标设置温度较低，出风口的温度也会低于乘员需求，因此自动空调标定中会调节冷暖风门，利用暖风芯体来补偿热量的需求。因此蒸发器的温度需要随着乘员舱的需求变化调节，同时也可以根据乘员舒适度与油耗经济之间的平衡需求进行优化。根据油耗工况，在10 min达到23 ℃的快速降温需求的基础上，要求10~30 min保持乘员舱内的温度在21~23 ℃之间。仿真模型中参考赵宇［8］等文中排量的控制方法对排量控制进行简化，在外温与光照辐射一定的情况下，对蒸发器温度与压缩机排量进行关联PID控制。仿真研究分析10 min后的蒸发器目标温度值对压缩机功耗的影响。不同蒸发器目标温度的工况的压缩机功耗结果如图10所示，10 min后蒸发器设置了不同的目标温度。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F010图10不同蒸发器目标温度的工况的压缩机功耗随着目标温度升高，压缩机的功耗减小，并且当目标温度设定为7 ℃时，压缩机的功耗最小。目标温度继续升高对降低压缩机的能耗贡献已经不明显。不同蒸发器目标温度的出风口温度曲线如图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.004.F011图11不同蒸发器目标温度的出风口温度曲线由图11可知，随着目标温度的增加，车内头部温度的波动愈加明显。因此提升蒸发器目标温度能够降低空调的能耗，而目标温度的提升会导致风口温度波动。可根据空调标定能力，选择相应的目标温度。3结语针对汽车空调节能方案众多且节能效果不明确的现状，在WLTC工况的基础上分析了该油耗工况中，汽车空调的性能提升方向以及节能方向；同时结合汽车空调一维仿真模型，着重分析分析了同轴管技术、提高蒸发器温度的控制策略的节能效果。（1）结果显示增强乘员舱和空调箱的隔热性能是提升空调性能和降低空调油耗的有效和经济性高的措施；（2）在油耗工况中，同轴管技术对油耗和空调性能提升的效果不明显；（3）而提高蒸发器温度的控制策略对降低油耗的效果明显，并且成本几乎为零。