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空调系统技术发展趋势
【日期】 2012年10月8日   【浏览】 [6534]
1.汽车空调市场进入发展新阶段
随着我国经济的稳步增长,人们的生活水平和消费水平也有相应的提高,有车一族的数量也越来越多,因而对汽车乘驾舒适性的要求有了更高的标准,汽车空调行业也应运而生。-MF
在全球汽车电子产业规模持续增长,应用比例不断提高的大环境下,随着中国汽车保有量和销售量的提高,以及消费者对汽车驾乘舒适性的追求,使得中国汽车空调的市场规模进一步扩大。报载2005年我国市场销售汽车空调339万套,同比增长32.94%,
销售额达到了26亿元人民币,同比增长30%。彩钢百叶窗从销售量增长情况来看,2005年中国汽车空调市场的增长高于整年市场15%左右的增长速度,
但是我们也应该看到,在市场需求快速增长的背后,中国汽车空调市场正在进入新的发展阶段,市场竞争进一步深化,表现出一系列新的特点。
用户观念正在改变。如今,随着中国经济的持续稳步增长,居民收入都得到了一定的增加,生活水平和消费能力也相应提高,消费观念也在逐步改变,更多的人开始追求生活的舒适化。这反映到汽车消费中,就体现在追求汽车的内饰,安装多媒体影音系统和汽车空调,以及要求人性化的设计等方而。比如,现在载货车空调的安装率就大幅提高,以前用户认为载货车就是挣钱的,安装空调没有必要,而如今越来越多的用户认为虽然载货是挣钱的,但是挣钱也不能挣的太辛苦,也开始选装汽车空调和高级音响等没备了。可以预见,随着最终用户消费观念的进一步改变,必将促进汽车空调产品的市场销售。
产品需求日趋个性化。汽车空调的直接用户是整车厂商,最终用户是消费者,因此,市场对汽车空调产品的需求受到整车厂商和最终消费者的影响。从整车厂商的角度来看,不同类型的整车对汽车空调的要求是不一样的,比如载货车空调和轿车空调就不一样,并且每一款车可能都需要有特殊物理没计的汽车空调,由此可以看出整车厂家对汽车空调的需求是极度个性化的,相应地,汽车空调厂家要根据整车厂的要求开发定制化的个性汽车空调产品。从最终用户的角度来看,虽然消费者可能对汽车空调的物理或者技术特征不很了解,但消费者会通过汽车空调的品牌和使用效果来做出评价。另外,随着我国汽车市场竞争的进一步加剧,特别是轿车市场,新产品推出的速度越来越快,而每一款新车的推出就会要求有新的汽车空调与之配套,也就是说汽车空调产品的生命周期越来越短,需求进一步的个性化发展。
技术发展环保节能化。在国际环保主义潮流的影响下,汽车空调的环保问题也引起了汽车相关群体的关注,汽车空调技术也正在朝环保化方问发展。汽车空调系统具有制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制等功能。虽然目前轿车的燃油余热足够提供轿车内的采暖和除霜的需要,但高效汽油和柴油发动机燃烧效率更高,燃油余热会进一步减少;而电动车和混合动力车则不得不牺牲驱动性能来提供采暖和制冷,因此必须通过提高汽车空调系统的效率来减轻汽车的动力负担。对于新一代环保型汽车,如电动、混合动力、燃料电池和其它的低排放车辆,由于本身动力远小于传统动力车辆,能够提供给空调系统的动力极为有限。鉴于此,提供节能高效、性能可靠的空调系统对占领市场至关重要,这也必将是未来一段时间内中国汽车空调技术的发展方向。
作为一种专用的空调设备,汽车空调与家用空调相比具有自己的特点,那就是其销售量与整车的产销量紧密联系,脱离了整车制造产业,汽车空调也就没有存在的价值。中国汽车市场在21世纪初获得了两年井喷式的高速增长,近年来开始中国汽车市场增速放缓,进入平稳增长阶段。作为整车配套产品,汽车空调市场与整车市场有相同的变化方问,因此汽车空调的增长速度也随着整车增长速度的放缓而放缓。我国汽车市场已经进入了稳步增长阶段,在未来五年内将保持15%左右的增长速度;相应地,中国汽车空调市场的增长也必将保持一个稳定的增长幅度。
2.汽车空调系统已成为汽车市场竞争的主要手段之一
近年来,环保和能源问题成为世界关注的焦点,也成为影响汽车业发展的关键因素,各种替代能源动力车的出现,为汽车空调业提出了新的课题与挑战。国际汽车市场竞争日趋激烈,为获得市场,生产出价廉、安全、舒适和低排放的汽车是各大汽车生产商的努力目标,汽车制造商不断地根据用户的要求更新汽车设计,并期望通过利用新技术来提供更好的性能,而是否需要增加成本则主要取决于获得的利益(如环保)是否足以补偿。?\6w
汽车空调系统作为影响汽车舒适性的主要总成之一,为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制功能。其中,采暖系统可使乘员避免过量着装、为车窗提供除雾和除霜功能,提供舒适性和安全服务;冷气系统则通过制冷、除湿来提供舒适性,通过使司机保持警醒、允许关窗等措施提供了安全服务;采暖和冷气系统还可提供除尘、除臭的功能。这些功能已成为车辆必不可少的要求。虽然目前轿车的燃油余热足够提供轿车内的采暖和除霜的需要,但近期研制的高效汽油、柴油发动机的余热会进一步减少,电动车和混合动力车则不得不牺牲驱动性能来提供采暖和制冷,因此必须通过提高汽车空调系统的效率来减轻汽车的动力负担。
对于新一代的环保型汽车,如电动、混合动力、燃料电池和其它的低排放车辆,由于本身动力远小于传统动力车辆,能够提给空调系统的动力极为有限。拥有一套节能高效、性能可靠的空调系统对开拓市场至关重要。
3.汽车空调系统中的新技术
外部调节的变排量压缩机。目前,在德国大众汽车公司使用的外部调节的变排量压缩机主要有电装公司的7SEU16、7SBU16和6SEU12。其工作原理与内部调节的变排量压缩机相似,不同之处在于控制阀具有一电磁单元,操纵和显示单元从蒸发器出风温度传感器获得信号作为输入信息,从而对压缩机的功率进行无级调节。控制阀由机械元件和电磁单元组成。机械元件按着低压侧的压力关系借助于一位于控制阀低压区的压力敏感元件来影响调节。电磁单元由操纵和显示单元E87通过500Hz的通断频率进行控制。在无电流的状态下,阀门开启,高压腔和压缩机曲轴箱相通,高压腔的压力和曲轴箱的压力达到平衡。全负荷时,阀门关闭,曲轴箱和高压腔之间的通道被隔断,曲轴箱的压力下降,斜盘的倾斜角度加大直至达到100%的排量;关掉空调或所需的制冷量较低时,阀门开启,曲轴箱和高压腔之间的通道被打开,斜盘的倾斜角度减小直至低于2%的排量。当系统的低压较高时,真空膜盒被压缩,阀门挺杆被松开,继续向下移动,使得高压腔和曲轴箱进一步被隔离,从而使压缩机达到100%的排量;当系统的吸气压力特别低时,压力元件被释放,使挺杆的调节行程受到限制,这就意味着高压腔和曲轴箱不再能完全被隔断,从而使压缩机的排量变小。
新结构皮带轮。外部调节变排量压缩机采用了新结构皮带轮。皮带盘由皮带轮和随动轮组成,通过一橡胶元件将皮带轮和随动轮有力地连接起来。当压缩机因损坏而卡死时,随动轮和皮带轮之间的橡胶元件的传递力急剧增大,皮带轮在旋转方向将橡胶元件挤压到卡死的随动轮上,橡胶元件产生变形,对随动轮产生的压力增大,随动轮随之产生变形直至随动轮和皮带轮之间脱离连接,从而避免了皮带传动的损坏。
随动轮的变形量取决于橡胶元件温度的高低,橡胶元件的弹性取决于结构件的温度。由于橡胶元件和随动轮的形变,避免了发动机皮带传动的损坏,同时防止了诸如水泵和发电机的损坏,起到了过载保护的作用。
外部调节的变排量压缩机的优点:压缩机一直运转,无接合冲击,提高了舒适性;通过调节蒸发器的温度使制冷量和热负荷及能量消耗完美匹配,减少了再加热过程,使出风口的温度、湿度恒定调节;由于排量可以降低到近0%,省去离合器可使质量减轻20%(约500~800g);压缩机的功率消耗下降,燃油消耗下降;新结构的皮带轮用于皮带传动和空调压缩机之间的力传递,消除了扭矩波动并同时起到过载保护的作用。
冷凝器组件。冷凝器组件的特点是储液干燥器作为整体焊接在冷凝器的一侧,从而取消了现今的连接管和两个螺栓,而用集流管和与集流管平行布置的储液干燥器之间的开口代替。为减少安装空间,储液干燥器相对于冷凝器表面非对称布置。模拟计算和台架试验表明,当冷凝器部分传热面用于制冷剂的过冷,制冷装置的制冷功率将提高,在过冷度为15K时达到最大值,和无过冷相比可提高4%。制冷功率最大值几乎和装置的工作状态无关。
现今的方法是对制冷装置进行一定量的过量充注而得到过冷,从而使制冷功率得到改善,通过制冷剂向冷凝器的倒流使一部分传热面用于过冷。这种方法的缺点在于,过冷度在不同的行驶状态下将有很大的变化;在制冷剂有较小损失的情况下,过冷度很快就没了。除了由此产生的功率损失外,液体管中饱和状态的液态制冷剂在接收到较少的热量或有较少的压力损失时马上沸腾,产生的蒸气使得膨胀阀达到其调节范围的极限,这导致蒸发器出口处制冷剂的过热度提高,从而使蒸发器传热面积的利用率下降。在压缩机频繁通断的工作过程中,由于压力变化的叠加作用加强了沸腾过程,液体管中的蒸气量大得可以在膨胀阀处产生严重的超高的脉冲噪声。冷凝器组件避免了上述缺点,储液干燥器下部的液态制冷剂通过开口进入冷凝器的过冷段以得到进一步的冷却。通过选择过冷器的面积可以从结构上确定一个需要的过冷度的值。冷凝器组件的优点如下:降低了汽车生产厂在生产、物流和安装方面的费用;降低了维修工作量;降低了系统所需的制冷剂的量,从而进一步改善了空调装置的环保性。最终用户将得益于在较大的充注量范围内而长时间能保持的优化的功率和舒适性。
4.减少直接或间接排放的手段
汽车动力的更新和新技术的应用,对汽车空调系统提出了新的挑战,也给许多新技术的应用创造了机会。“蒙特利尔议定书”规定,原来在汽车空调系统使用的工质CFC12,在发达国家的使用已经在1996年停止,在发展中国家则在2006年停止。由于各方面的努力,
CFC12已逐渐被HFC134a所取代,我国从2001年1月1日起已禁止在新生产的车辆中使用CFC12为工质的汽车空调。HFC134a具有ODP(大气臭氧层破坏指数)为零、GWP(温室效应指数)为CFC12的六分之一、不可燃、低毒性、制冷量和系统性能与CFC12相当等优点,因而作为过渡性"的替代工质在世界范围内得到认可,但由于它的温室效应指数仍然较高(为CO2的1300倍),已列入京都协议,规定限制发展的工质范畴。
温室气体的直接和间接排放量依赖于空调系统及其零部件的设计水平和产品质量,同时跟车辆运行环境的温度和湿度有关。对一定的制冷剂,直接排放率主要受系统工作压力影响,而环境温度和压缩机输入功率又决定了制冷系统的工作压力。间接排放主要由生产系统所需的能量、保证一定舒适性所必须提供的冷量及制冷系统的效率决定。在某些环境下,燃料消耗引起的间接排放远远大于制冷剂泄漏引起的直接排放量,尤其是在报废之前使用制冷剂回收装置。而在某些气候条件下因为很少使用空调,直接排放则是LCCP的主要部分。
减少直接排放的措施:在维修和车辆报废时使用制冷剂回收和再利用设备;改进零部件质量减少泄漏,降低软管汇漏率并尽可能减少软管长度,改进管路接头,在可能的情况用“全封闭”的结构代替开启式压缩机的轴封;减少制冷剂充注量;改用低GWP值且蒸汽压力适当、渗透率较小的制冷剂。
减少燃料消耗引起的间接排放:
一是通过增加车厢隔热层厚度、改善车厢密封性、减少玻璃传热(如采用光线选择性玻璃、隔热膜)等措施减少车厢热负荷。二是进行压缩机容量调节,减少过度制冷后再加热而引起的能量损耗。如日本电装开发的电控变排量压缩机用电磁阀代替原有变排量压缩机的气动阀,使压缩机输气量可在0~100%范围连续调节,这种结构不仅节能,而且不必安装离合器,因而减轻了压缩机的质量,并大大提高了系统可靠性。三是通过控制、减少摩擦、蓄热、改善传热等措施来提高系统零部件的能源利用效率。换热器将传统的冷凝器、贮液器、干燥过滤器和过冷器合成一体,可确保节流阀前的过冷度而提高效率,且因减小了贮液器的内容积而可减少制冷剂充注量;四是使用高效率零部件以减轻质量;五是采用新的系统或新的制冷剂来达到更佳的LCCP值,并提供令人满意的加热、冷却、除霜、除湿、除雾和湿度控制性能。如一般车辆在冬季将外部空气经加热器引入车室内除雾(新风模式)时,同样量的热风被排出车外,因此造成采暖负荷的70%的热量损失了。
5.未来新型动力车可能使用的空调系统
汽车动力系统的环保设计对市场的影响要远远大于汽车空调系统效率对客户的影响,然而对于能源利用效率最高的电动、混合动力、燃料电池及低排放汽车,它们是否能被用户接受却往往依赖于是否拥有效率更高的采暖和空调系统。例如,单用电力制冷和采暖可使电动车和燃料电池车的可行驶里程减少50%以上,以至连典型城市交通都难于适应。对于日益开拓的家用轿车市场,微型车用于空调的能量少于普通车辆,但这部分能量在小功率发动机的输出功中占的比例却不小。
由于国际社会的共同努力,在全世界范围内实现CFC12到HFC134a替代的速度和花费比各公司单兵作战要小得多。如果新的技术能够在全球范围内被接受,则可能有同样的好处,但是不可避免的是,有些新的设计只在某些气候条件下或某些特殊市场规则下才有优势。因此在全球范围内可能存在多种技术选择。目前带空调的汽车一般在湿度控制功能,空气通过冷却除湿后再被加热到一定的温度,以控制车窗除雾并保证乘客舒适性。这一点在新的系统设计中可能会遇到挑战,例如在电动汽车中使用热泵型空调供暖,能够提高能源利用率,但要同时实现湿度和温度的控制却很困难。
未来新型空调系统的开发必须与汽车开发同步,以适应新的变化:如发动机效率提高(余热量减少)、电气化、混合驱动动力及其它新型零部件使用后导致空调系统特性的变化。一是汽车电气化日益加强新型的电子元件如加热座椅、娱乐系统、电子导航等在汽车上的应用日渐广泛,为了适应这些技术,汽车生产商正在拟转向42V系统。采用高电压系统后有可能去除皮带驱动的系统,如发电机、空调压缩机、水泵及动力转向泵等。这使在汽车空调系统中应用全封闭压缩机成为可能,并且只要发动机舱内靠近仪表盘的部分在足够的空间,就有可能用金属管代替软管,从而大大降低制冷剂泄漏;二是电动车及一些混合动力车需要负荷调度电动车和一些混合驱动车为了达到高效和减少温室气体排放的目的,以尽量少使用燃料来满足动力要求。例如,一些混合驱动车在发动机模式时利用多余动力对电池充电,当电池充电完成时则切向电动模式。相应地空调系统的设计面临新的挑战:因为无论发动机模式和电动模式时都需要空调(或采暖)。三是新的零部件技术可减少空调或采暖负荷增强车身隔热、改进门封结构、玻璃镀层和其它新技术的应用都可减少车室热负荷,从而减少用于空调或采暖的能耗而减少温室气体排放。目前,全球各大汽车生产厂和零部件供应商都在开发超临界的二氧化碳汽车空调系统及相应的零部件。超临界二氧化碳系统与HFC134a相比有潜在的能源效率优势,且工质的GWP值在所有工质中最低。二氧化碳工质与HFC134a相比,其压缩热很大,因而在热泵空调系统使用中很有吸引力。有必要开发安全装置,在检测并将漏至车厢内的二氧化碳气体排出。由于系统工作压力比HFC134a系统高出6倍,因此需要新的维修设备和专业培训。估计正式使用时间4~7年以后。
6.国外汽车空调技术
国外汽车空调技术较为发达,尤其是发达国家,以下作一简单介绍。
压缩机:压缩机的设计正朝着减少重量和体积、降低噪音和增加振动稳定性的方向发展。目前国外压缩机仍以斜板式、旋叶式和漩涡式压缩机为主,为减少离合器频繁闭合产生的噪音和获得更佳的控制效果,外部控制式变排量压缩机逐渐成为世界车用空调压缩机的主导方向,它具有结构紧凑、重量轻和节省能源的优点。以日本电装DENSO的变排量压缩机为例,它采用了树脂离合器,体积小,质量轻,而其中的新型控制阀能实现扭矩的估计和控制。另外,随着世界各国的环保意识的不断加强,电动压缩机也得到了进一步的发展,它能满足混合燃料电池车用空调的需要。DANFOSS,DENSO,ZEXEL等国际性公司已进入二氧化碳压缩机小批量生产阶段。
各种设施:新一代的空调系统能比传统空调系统节省30%的能耗,运用多传感器技术使得HVAC能自动控制车内的湿度、温度、空气流速和阳光照射,既能很好地控制出风温度、冷凝风扇速度,实现CEU自动控制,去除车内异臭及有毒气体,很好地防止眼睛和呼吸粘膜的不适,减少冷凝风扇的噪音,也能很好地防止车窗玻璃起雾,确保行驶安全,同时避免在空调运行中使空气变干燥。以Valeo公司的新型空调系统为例,该系统采用了自动内循环模式,由一个环境污染传感器控制,当传感器检测到外界空气中有一氧化碳和二氧化氮等有毒气体时,内循环风模式自动启动,将有毒外界空气隔绝在乘员舱外。
自动内循环模式能在1.8s内迅速关闭进风风门,减少20%的污染物浓度和40%的不良气味。系统配置的香味传播器,可由乘客自己选择所喜欢的香味,以保持车内空气的清新。Valeo将光催化剂均匀涂在蒸发器及暖风机箱体内,能通过光学作用去除有毒气体、杀灭细菌,其良好的再生功能,保证了很长的使用寿命。据试验结果,在内循环风模式下6min后可去除空气中70%的甲苯。DENSO同样也发明一项技术,将一种不易粘附难闻气体的树脂材料涂在热交换器上,可除去车用空调散发出的难闻气体,此项技术已应用在丰田花冠汽车上。
HVAC与汽车仪表板做成一体的复合式结构也逐渐成为主流。如德国BEHR公司的专利产品TSM一热力组件模块,能减少分部件成本、整车总装配成本和总成件的重量,并能节约所占的车内空间。全自动空调系统的发展更加个性化和舒适化,采用汽车辅助加热系统、负离子发生器和车用冷藏箱,提高乘车的舒适性。利用功能集成化技术,将全自动空调与汽车音响合二为一,共用一个显示屏,以解决仪表板位置紧张的矛盾。
为满足乘员对空调温度控制的不同要求,可在前排座椅间安装一套小空调系统,它同样由一个单独的鼓风机、蒸发器芯子、暖风芯子和风门控制器组成,可选择对后排座椅的左侧或右侧送风调控温度,这就是所谓的四区空调系统或个性化乘员空调系统。
空调管路和制冷剂:软管和接头的密封朝着低泄漏的方向发展。汽车空调制冷剂经历了从CFC到HFC一134a再到CO2的过程,目的是提高制冷效能,减少重量和成本。CO2汽车空调系统的好处是全球温室系数仅为HFC一134a系统的1/1300,无毒、非燃烧性天然物质,不需要其它制冷剂的生产工序,能直接从化工厂排放物中提取。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。
德尔福公司开发的虚拟环境舒适工程(VTCE),在汽车空调设计上居世界领先地位。它的研发工作开始于1996年,主要流程是通过CFD计算分析模拟整车运行工况,并加入人体模型,仿真计算人体表面舒适度。运用虚拟环境舒适工程(VTCE)可以显著缩短汽车空调的开发进度,减少设计开发成本。为了建立虚拟环境舒适模型已经收集了600个以上的主观评价试样,也对人体在空调行驶时和制暖行驶时不同部位及整体舒适的数据进行了分析。虚拟环境舒适工程(VTCE)已被应用在北美2004年款的越野车、欧洲2004年款的轿车开发上。
7.我国汽车空调发展现状
国内汽车空调已发展多年,但整体设计和制造水平低于国外。国内汽车空调的发展起于80年代末90年代初,其中的代表性配套企业为,生产大客车空调的上海万众空调器厂,即现在的空调国际(上海)有限公司,生产桑塔纳轿车空调的上海德尔福汽车空调系统有限公司,生产红旗轿车空调的长春一汽杰克赛尔空调有限公司。近年来随着管理信息系统的逐渐普及,国内厂家开始尝试分批次地引进适合企业发展的信息管理系统,如上海德尔福汽车空调系统有限公司引进的产品数据管理系统IPM/PDM,统一管理产品设计信息和工艺信息,形成工程信息数据库,与ERP系统的管理信息数据库通过计算机网络进行有效的信息交换和资源共享,最终满足公司CIMS的总体规划标准,实现公司的信息化。但是,国内汽车空调产业起步晚,存在散、乱、差的格局。汽车空调厂家的设计力量不足,技术落后。就国内几家主要汽车空调厂而言,仍处于仿制国外空调系统的阶段。设计软件虽然也引进了UG,Catia等三维造型软件,但软件的利用率不高,设计人员基本上没有蒸发器、暖风机和鼓风机的全新开发设计能力。
8.我国汽车空调发展对策略
趁着国内汽车市场的飞速发展时机,积极推进汽车空调的国产化工作,与国内各大高等学校合作,鼓励国内设计人员独立设计开发,以期尽早掌握蒸发器、鼓风机和暖风机的全新开发技术。以下为空调三大件整体结构的设计优缺点:一是单箱结构,合格便宜,风道短,零部件少,易于组装。由于没有多箱间的分界面限制,换热器芯子的位置更加灵活自由,泄漏少,不易漏水,更容易以单元方式供货,但对于横断面的设计,难以设计出相应的模具,维修换热器芯子较困难。二是三箱结构,便于售后市场维修,其优缺点和单箱的正好相反。三是两箱结构优缺点介于二者之间,通常推荐采用单箱或两箱设计。从上可知,国内汽车空调厂家应跟随国外技术发展,努力开发效率高、重量轻、体积小的蒸发器。顺应世界潮流,发展结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、节省动力、降低噪声、工作可靠、启动性能好的变排量压缩机。同时关注发展燃料电池车、复合式车用的电动压缩机和二氧化碳空调压缩机;积极引进国外优秀开发软件;借鉴国外发展思路,国内汽车空调行业应该朝着更环保的方向发展。
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因此随着MTBE的全面禁止使用以及乙醇燃料生产成本的降低一定会兴起一个乙醇燃料汽车的研究开发和应用热潮。 
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