汽车空调系统控制原理以及结霜原因分析

1、汽车空调系统控制原理 

汽车空调四大部件压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器如图1所示。压缩机通过发动机带动，给空调系统中制冷剂循环带来动力，低温低压的气态制冷剂通过压缩机压缩成为高温高压的气态制冷剂进入冷凝器，高温高压的气态制冷剂在冷凝器中冷凝成高温高压的液态制冷剂，然后通过膨胀阀节流成为低温低压的液态制冷剂进入蒸发器，低温低压的液态制冷剂在蒸发器内蒸发吸热成为低温低压的气态制冷剂，进入压缩机压缩进入冷凝器，从而完成整个制冷循环系统。

常见的压缩机启停控制方式是通过温控器感受蒸发器的温度，控制蒸发器在一定温度范围内工作，从而使空调系统始终处于一个稳定的温度范围工作。例如设定蒸发器温度在1℃停机、5℃开机，即当蒸发器的温度达到1℃时，温控器输出信号使压缩机的离合器断开，从而压缩机停止工作，空调系统内制冷剂不再循环，空调不再制冷，蒸发器的温度会上升；当蒸发器的温度上升至5℃时，温控器输出信号使压缩机离合器吸合，压缩机运转，空调继续制冷。从而实现空调系统始终在1~5℃的范围工作。

空调系统在运行时，蒸发器表面的温度低于空气的机器露点温度，蒸发器表面会形成冷凝水，当蒸发器表面温度达到0℃以下时，蒸发器表面的冷凝水就会结冰，当蒸发器结冰后空气就不再与蒸发器换热，空气通过蒸发器表面的冰，这时蒸发器的换热效率会大大降低；当结冰严重时，蒸发器表面被冰覆盖，通过蒸发器的空气被蒸发器表面的冰堵住，驾驶室内出风口风量会减少，且通过蒸发器的空气不再和蒸发器换热，驾驶室内出风口的温度会上升，相当于驾驶室内的空气通过鼓风机在空调HVAC中循环了一次而没有降温，空调制冷效果会失效。在系统运行过程中，我们往往在空调不制冷时才发现蒸发器已经结霜，而且已经形成厚厚的冰层，然而汽车空调结霜并不是一个突发状态，而是一个过程，起初是蒸发器小部分结霜，一旦蒸发器表面结霜面积有逐步扩大的趋势，然后蒸发器有效换热面积逐步减少，蒸发器已经进入了结霜期，霜就会越结越多，最后形成冰，空调失去制冷能力。

空调系统设定蒸发器的工作温度是1~5℃，蒸发器表面理应不会结霜，因为当蒸发器的温度降低至1℃时温控器会断开压缩机离合器，空调系统不再工作，所以空调系统不会出现结霜。但实际汽车空调的结霜问题是一直以来困扰空调厂和整车厂的问题，在这里简单介绍一下汽车空调的结霜原理和对解决结霜问题的一些看法。

2、蒸发器温控器选点

假定汽车空调设定的蒸发器的工作温度是1℃停机、5℃开机，蒸发器的工作温度只是靠温控器感受蒸发器某一点的温度，而这一点并不能代表蒸发器的温度，这里就提到蒸发器温度场的均匀性，如果蒸发器表面的温度绝对均匀，即在空调系统工作时，蒸发器上任意一点的温度都是相同的，那么蒸发器在1℃停机，空调系统不可能结霜。

实际上空调蒸发器表面温度在不同位置温度是不同的，例如蒸发器表面最高温度与最低温度相差5℃。图3为某车型蒸发器温度场分布图。该产品表面的温度差为5.57℃，如果温控器的感温点选择蒸发器温度较高点“1”点，那么蒸发器温度传感器感受到蒸发器温度为1℃的时候，实际上蒸发器其他大部分位置的温度已经达到0℃以下，其中点“2”所在位置区域已经到达-4℃左右，蒸发器就会大面积结霜（图4），结霜部位的蒸发器内部的制冷剂不再与空气进行热交换，此时驾驶室内的温度就会上升，空调制冷失效。如果选择温度较低点“2”点，那么温度传感器感受到蒸发器表面温度在1℃时，蒸发器其他位置的温度在5℃以上，导致空调系统过早停机，蒸发器不能有效发挥制冷量，最终导致驾驶室内降温效果差。此时应选择一点：蒸发器部分部位结霜，即蒸发器结霜范围保持在可控范围，可以选择图3中点“3”温区，当点“3”温区到达1℃时，1点周围区域在-2℃，其他区域在0℃以上，可以使蒸发器部分结霜。一般结霜范围控制在蒸发器面积的20%以内，此处结霜在空调系统停机时间内，蒸发器结的霜融化可以吸收空气的热量，且停机时间内霜可以完全融化，蒸发器可以最大化地发挥制冷能力。

3、蒸发器的排水性能

测试蒸发器的排水性能，干球温度27℃，湿球温度25℃，膨胀阀进口压力1.55MPa，膨胀阀进口过冷度5℃，蒸发器出口压力0.2MPa，蒸发器出口过热度5℃，给定风量测试蒸发器的排水量。通过试验对比相同蒸发器参数下的两台芯体，有亲水处理的比无亲水处理的排水量明显多；经过亲水处理的蒸发器芯体表面的张力会减小，蒸发器表面的冷凝水不会聚集，会顺着蒸发器扁管表面迅速流下；而没有经过亲水处理的蒸发器在芯体表面的冷凝水会形成水珠，与蒸发器翅片形成水桥，导致芯体排水不畅。

当空调系统中采用的表面式温控器（采集吹过蒸发器的空气的温度）感温点位置形成水桥，空气将不从该位置通过，那么温控器感受不到吹过蒸发器表面的风的温度，就会出现实际蒸发器表面的温度已经达到1℃，但温控器感温点由于没有空气通过，感受的温度要高于1℃。此时温控器输出的信号使压缩机继续工作，那么蒸发器感温点温度会降至0℃以下，蒸发器就会结霜，空调会继续运行，结果是蒸发器表面就会完全结霜，最终空调失去制冷效果。

温控器感温点位置应选取HVAC中蒸发器通风好的位置。如果选择的位置通风较差，蒸发器表面的冷凝水只靠重力作用向下排，通风差的位置就较容易形成水桥，对温控器采集蒸发器温度极其不利。图5为试验时温控器选择通风位置不佳的蒸发器出现结霜。

试验测试条件：蒸发器侧空气干球温度21℃，湿球温度18℃，冷凝器侧入口空气干球温度21℃，冷凝器进口风速为9m／s，压缩机转速为实车状态下车速100km／h，变速器合理档位时的实际转速，风机电压13.5V（DC）。分别选取在通风最大的位置和通风较差的位置进行试验，然后调节各档位风量，每档位的风量运行60min，测试空调系统是否结霜。结果是通风最大位置无结霜，通风较差位置小风量时30min出现结霜。

实际在汽车高速行驶时，空调系统中膨胀阀会调节空调系统中制冷剂的流量，膨胀阀将进入蒸发器的进口关小以减少进入蒸发器的制冷剂，从而减少空调系统中制冷剂的流量。膨胀阀有调节流量的作用，还有节流降压的作用，这时膨胀阀功能的矛盾就显示出来了，蒸发器出口一端是压缩机高速运转吸收蒸发器内的制冷剂，蒸发器进口一端被膨胀阀关小以减少空调系统中制冷剂的流量；膨胀阀将蒸发器进口关小调节流量的同时，也增加了膨胀阀的降压功能，这时蒸发器内的压力会迅速降低，而蒸发器内部压力降低对应制冷剂的饱和温度也会降低，这也是在汽车高速行驶时蒸发器降温速率快的原因。如果蒸发器内压力降低到对应的饱和温度0℃以下，则此时空调系统没有停机就会出现蒸发器结冰了。

4、结论

在空调系统设计初期就应考虑温控器选点位置，应在通风较好的位置，且该测温点既不能是温度最低点也不能是温度最高点，既要保证蒸发器发挥最大制冷量，又不能使蒸发器表面大面积结霜；在蒸发器排水性能上，要考虑增强蒸发器的排水性，避免蒸发器表面冷凝水形成水桥导致温控器测温失真，不能及时断开压缩机导致空调系统结霜。