第二節 汽車空調技術的應用與發展

一、汽車空調技術的發展過程

汽車空調自1925年問世以來，經過幾十年的發展，已經由最初的奢侈品成為必需品，它大大改善了車內環境，改善了駕駛人的工作條件，提高了乘員的舒適性。汽車空調示意圖如圖1-15所示。

汽車空調技術是隨著汽車的普及和高新技術的應用而發展起來的。汽車空調技術的發展經歷了由低級到高級、由單一功能到多功能的5個階段。

第一階段：單一取暖。1925年，首先在美國出現了利用汽車冷卻液通過加熱器取暖的方法，到1927年發展到具有加熱器、風機和空氣濾清器的比較完整的取暖系統。該系統直到1948年才在歐洲出現。而日本到1954年才開始使用加熱器取暖。目前，在北歐、亞洲北部地區，汽車空調仍然使用單一取暖系統。

第二階段：單一冷氣。1939年，由美國通用汽車帕克公司（Packard）首先在轎車上安裝了機械制冷的空調器。歐洲、日本到1957年才出現加裝這種單一冷氣的轎車。單一降溫的方法目前仍然在熱帶、亞熱帶地區使用。

第三階段：冷暖一體化。1954年，美國通用汽車公司首先在納什（Nash）牌轎車上安裝了冷暖一體化的空調器，這時的汽車空調基本上具有調節控制車內溫度、濕度的功能。隨著汽車空調技術的改進，目前的冷暖一體化汽車空調基本上具有降溫、除濕、通風、過濾、除霜等功能。這種方式目前仍然在大量的經濟型汽車上使用，是目前使用量最大的一種方式。

第四階段：自動控制。冷暖一體化汽車空調需要人工操縱，這顯然增加了駕駛人的勞動強度，同時控制效果也不太理想。自從冷暖一體化汽車空調出現后，美國通用汽車公司就著手研究自動控制的汽車空調，并于1964年首先安裝在凱迪拉克（Cadillac）牌轎車上，緊接著福特、克萊斯勒等汽車公司競相在各自的高級轎車上安裝。日本、歐洲國家直到1972年才在高級轎車上安裝自動控制的汽車空調。目前，高檔轎車的全自動空調與其他電控系統組成局域網，根據車內外的環境情況，自動控制汽車空調系統的工作，既提高了調節效果，又節約了燃料。

第五階段：微機控制。1973年，美國通用汽車公司和日本五十鈴汽車公司聯合研究微機控制的汽車空調，1977年同時安裝在各自生產的汽車上。微機控制的汽車空調功能增加了，且數字化顯示。微機根據車內外的環境條件，控制汽車空調的工作，實現了汽車空調運行與汽車運行的相互統一，極大地提高了調節效果，節約了燃料，從而提高了汽車的整體性能和舒適性。

圖1-15 汽車空調示意圖

二、我國汽車空調的應用現狀

我國汽車空調工業的發展大致經歷了三個階段。

第一階段，從20世紀60年代初到70年代末，主要是利用汽車發動機排出的廢氣或冷卻液循環產生的熱量來供給車內取暖。

第二階段，20世紀80年代初至90年代初。80年代初期，我國從日本購進制冷降溫用的汽車空調系統，裝配在紅旗、上海等小轎車和豪華大客車上；80年代中后期，我國一汽等生產廠從日本、德國引進先進的空調生產線和空調生產技術，生產大中型客車、輕型車及轎車的空調系統，為我國的汽車空調發展打下了良好的基礎。

第三階段，從20世紀90年代開始至今。國內有一批形成生產規模的汽車空調制造企業，分別從國外引進最先進的壓縮機、冷凝器和蒸發器的生產技術和生產線。同時，按照蒙特利爾議定書和中國消耗臭氧層物質逐步淘汰國家方案的要求，普及應用汽車空調制冷系統工質由R12向R134a的轉換。至此，我國汽車空調技術在短時間內接近了世界先進水平。

我國現有主要汽車空調生產廠家20多家，其中絕大部分都引進國外技術生產線和生產設備，還有些是中外合資企業，國內汽車空調技術的研究和開發與國外的差距正逐漸縮小。

從市場占有情況看，由于目前大多數汽車空調生產未具規模，加上汽車空調種類繁多，國內汽車空調銷售市場僅為幾家所壟斷。其中上海德爾福汽車空調系統有限公司生產的愛斯牌汽車空調為別克、帕薩特、桑塔納、捷達、富康、切諾基等車型配套；杰克賽爾汽車空調有限公司生產的空調主要為奧迪、紅旗轎車及解放牌重、中、輕型車配套，湖北沙市電工儀表集團生產的空調為東風汽車公司、神龍富康汽車公司的載貨車和富康轎車配套；廣州豪華空調器有限公司生產的空調為海南馬自達、奧拓、廣汽本田、長安之星配套。隨著我國汽車配件市場的逐步放開，國內汽車空調生產廠家面臨國外汽車空調專業生產廠家的挑戰，因此國內汽車空調生產如何走上專業化、規模化經營之路，將成為我國未來幾年汽車空調業迫切需要解決的問題。

三、汽車空調發展的趨勢

當前，從市場需求方面看，汽車空調裝置應進一步降低成本，提高燃油經濟性；從制造方面看，隨著車廂地板的降低以及車輛向大型化、高級化發展，需進一步提高汽車空調各組成裝置的緊湊性和效率；從乘員和駕駛人方面看，車內溫度要合理分布、設備操作要簡便，空調裝置應向全季節型發展。

1.日趨自動化

早期的汽車空調進出風系統、冷氣系統和暖氣系統彼此間互相獨立，因而它們的控制系統也自成一體，且汽車空調都是手動控制，僅憑人的感覺來調節開關，因而溫度、濕度及風量很難控制。近年來，隨著電子計算機的普及并逐步應用到汽車空調系統，使得空調系統的控制效果日趨完善，空調設備的性能也越來越高。使用這種空調系統能進行全天候的空氣調節，集制冷、取暖、通風于一體。在人為設定的最佳溫度、濕度及風量的情況下，該系統可根據車廂內人員數量及其他情況的變化進行多檔位、多模式的微調，從而達到設定的最佳值，使車內始終保持舒適的人工氣候環境，同時可進行故障自動診斷和數字顯示，進而縮短其檢修和準備時間。

2.提高舒適性

目前不少汽車空調系統的制冷和取暖是各自獨立的系統。每當梅雨季節，車窗玻璃上常常蒙上霧氣，若要去掉霧氣，必須啟動冷氣裝置，但這樣會使車內太冷。為了克服此缺點，廠商開發了一種全季節型的空調系統，該系統具有換氣、取暖、除濕、制冷等功能，夏天由發動機驅動制冷系統，冬天由加熱器制熱取暖，過渡季節（如梅雨季節）則采用制冷與取暖混合方式吹出溫和風進行除濕，使車廂內換氣情況達到最佳狀態。

3.高效節能、小型輕量化

要進一步降低空調裝置的重量和外形尺寸，必須提高各組成裝置的結構緊湊性和效率。在壓縮機方面，以往的空調系統多采用斜板式壓縮機，這種壓縮機制冷能力相對較低，性能系數和容積效率也相對較小。為了提高壓縮機性能，現已使用了制冷效率高的旋轉式壓縮機和三角轉子壓縮機。在冷凝器和蒸發器方面，管片式換熱器已逐漸被管帶式換熱器取代。目前散熱性能更佳、結構更為緊湊的平行流冷凝器和層疊式蒸發器又有取代管帶式換熱器的趨勢。在制冷管路方面，進行優化設計使管路結構更為合理，并在管路上裝配防振橡膠塊以防共振等。

4.向環保型汽車空調發展

由于汽車空調制冷劑R12對大氣臭氧層有一定的破壞作用，根據《蒙特利爾議定書》規定，發達國家1996年開始禁用R12，發展中國家2006年完全禁用R12，世界各國都在積極研制一種更適合環境保護的新型制冷劑。目前世界各國一致公認R134a是R12的首選替代物，并基本上解決了空調系統的匹配和材料等一系列問題。

5.新型空調結構和系統得到發展

空調制冷方式有許多種，目前應用于汽車空調的制冷方式全部為蒸氣壓縮式，其他制冷方式，如吸收式、吸附式、蒸氣噴射式、空氣壓縮式等，很少在汽車空調上采用。但利用發動機的余熱來驅動制冷系統是一個理想的節能方案，所以世界各國都在研究這種新技術，如氫化物汽車空調系統、二氧化碳汽車空調系統、固體吸附式汽車空調系統和吸收式汽車空調系統等。

6.出現新型空調部件

新結構、新材料、新工藝將不斷應用于汽車空調部件，主要體現在熱交換器和管口連接上，以保證得到更理想的性能。據了解，奔馳、寶馬、奧迪、凱迪拉克等豪華轎車的空調系統，在繼承自動恒溫空調的數字變頻恒溫、內外循環和后排出風等優點的基礎上，具有了更先進、更人性化的特點，前后左右四個座位的溫區均可由乘客自己動手調節，圖1-16所示為大眾途銳車四溫區調節自動空調控制示意。

四、自動空調新技術在汽車上的應用

隨著人類對環境污染的重視和科技水平的提高，目前，汽車自動空調系統采用了許多新技術，今后幾年內，汽車空調將在下列方面采用新技術：

1）系統控制向智能化、網絡化發展。不僅在轎車上如此，在大客車及其他車型上也向微機智能化控制方向發展。冷、暖、通風三位一體，控制設定、運行及故障報警實現數字顯示化。由電腦根據車內、外環境溫度和人工設定要求，自動控制壓縮機運轉、熱水閥開度、風機速度、輔助發動機轉速及各種風門的開閉位置，并有故障診斷和記憶功能。由于實現了智能化、網絡化，不僅提高了乘員舒適性，而且節省能源，縮短故障判斷時間。

2）可變排量壓縮機進一步得到發展和應用，渦旋式壓縮機前景看好。渦旋式壓縮機早在19世紀初就已開發出來，但直到1988年才由Copeland公司應用到家用空調器和熱泵上，到1993年三電公司正式開發出適宜于汽車空調上用的渦旋式壓縮機。在加工、材料等疑難問題逐步得到解決后，它的高效、節能、零部件數少等優點大受人們青睞。

圖1-16 大眾途銳車四溫區調節自動空調

3）換熱器進一步向小型化、高效能方向發展。平流式冷凝器和層疊式蒸發器將進一步發展，層疊式管片工藝與多元平流式原理在蒸發器和冷凝器上相互滲透、相互結合，出現多元流層疊式蒸發器和疊片式多元平流冷凝器。管子內肋翅更細化，壁厚和直徑進一步減小，翅片的開口及凹凸形狀將更精確、更科學，翅片的厚度也更薄。

4）快速、高密封性的管口連接方式將更普及，尺寸公差要求將更嚴格。

5）超臨界二氧化碳（CO2）汽車空調系統將日趨成熟。CO2作為最早采用的制冷劑之一，在19世紀末就曾經應用，但由于技術原因，一直未普及。隨著氯氟碳制冷劑工質對環境的危害漸漸被人們所重視，采用超臨界循環的CO2系統以其優良的環保特性、良好的傳熱性質，較低的流動阻力及相當大的單位容積制冷量，重新在制冷領域受到重視。目前，美、日、歐都相繼研制成功了二氧化碳汽車空調系統并裝車試運行，并逐步進入二氧化碳壓縮機小批量生產應用階段。

6）新型空調結構。除了單向制冷以外，不少汽車上已開始使用雙向空調，即采用熱泵系統，夏季制冷，冬季取暖（逆向工作）。由于熱泵系統冬季供暖效率較低，往往需要加設一個水暖加熱器，并由控制系統自動控制熱泵系統的工作。當水溫高時，發動機冷卻液進入水暖加熱器；當水溫低時，自動起動壓縮機工作，制冷工質逆向流動，蒸發器成了散熱器。