汽车空调的结构原理.docx
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汽车空调的结构原理
2汽车空调的结构原理
汽车空调的组成结构按其功能可有：
制冷系统、加热系统、分配通风系统、空气净化系统和调节控制系统五大部分。
2.1汽车空调制热系统原理
加热系统也称为采暖系统。
汽车空调的采暖装置按热量来源可分为余热式和独立式两类。
余热式采暖是利用汽车发动机工作时产生的剩余热量采暖，它又分为水暖式和气暖式两种。
为了节省能源，大多数汽车空调采暖使用发动机循环冷却水即水暖式。
在制暖时，空调压缩机、冷媒体等制冷系统部件不参加工作，热能来源于汽车发动机冷却水。
发动机的热量以传导方式被冷却液吸收，流动的高温冷却液进入加热器，使加热器得到加温，低温空气流经加热器，空气被加热，达到制热的目的。
（而有的柴油车由于水温上升慢，为了一发动车就能享受到暖风，所以在暖风机里面加有电热丝）制热系统的部件有：
加热器、节温器、水泵、散热器、热水阀、等等。
2.2汽车空调分配通风系统
空气分配主要是利用空气分配箱，其原理参见图2-1所示。
空气分配箱的结构大同小异，与空气分配箱连接的是空气输送（送风）机构，它主要由送风道（或通风软管）和通风口等部件组成。
汽车空调器要满足向乘员头部、足部、左右方向送出冷风、热风或新风，以及风窗送风除霜除雾，所以有一套比较复杂的风门控制系统。
空气输送机构的构造与分布因车而异。
图2-1空气分配箱（空调总成）的工作原理
Figure2-1airdistributionbox（airconditioningassembly）principleofwork
通风一般分为自然通风和强制通风。
自然通风是利用汽车行驶时，根据车外所产生的风压不同，在适当的地方，开设进风口和出风口来实现通风换氧。
强制通风是采用鼓风机强制空气进入和流动的方式，这种方式在汽车行驶时，常与自然通风一起工作。
通风将外部新鲜空气吸进车室内，起通风、换气和调湿作用。
同时，通风造成室内空气流动，对防止风窗玻璃起雾也起着良好作用。
如果通风口阻塞，车窗玻璃上可能出现雾气。
2.3空气净化系统
空气净化系统一般由鼓风机、空气过滤器、杀菌器、负氧离子发生器和进、出风口等组成。
作用是使车厢内空气保持清新洁净。
空气净化方式有过滤式和静电集尘式两种。
在一些高级轿车上，除了使用以上的除尘方法外，还装用了负氧离子发生器，以增加空气中负离子含量，改善车内空气质量，提高舒适性,使车内空气更加清新洁净，利于人体健康。
过滤式空气净化方式是在空调系统的进风口和回风口设置滤清器，它具有结构简单、工作可靠的优点，但功能不全面，其基本结构原理参见图2-2所示。
图2-2空气过滤装置
Figure2-2airfilterdevice
集尘式空气净化方式是在过滤器装置的基础上再增设一套静电除尘装置。
静电除尘装置通过辉光放电使空气中的尘埃粒子带电，将带电粒子吸附在集尘静电集板上，并由灭菌灯发出紫外线，对吸附在集尘板上的尘埃进行照射，将其中的细菌杀死，除尘后的空气被强制通过活性炭过滤器，将其中的烟尘和臭味滤除，用以对引入的空气进行过滤，不断排出车内的污浊气体，保持车内空气清洁。
2.4空调的制冷系统
汽车空调制冷系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、干燥器、膨胀阀等部件组成如图
2-3所示。
图2-3空调的结构组成
Figure2-3air-conditioningstructure
1-蒸发器；2-压缩机3-冷凝器；4-干燥器；5-膨胀阀
2.4.1制冷原理
物质的三种形态：
气态、液态、和固态会相互转化，称为相变。
汽车空调所采用的蒸汽压缩式制冷就是利用液体制冷剂汽化，发生相变吸热来产生冷效应。
当压缩机工作时，压缩机吸入从蒸发器出来的低温低压的气态制冷剂，经压缩，制冷剂的温度和压力升高，并被送入冷凝器。
在冷凝器内，高温高压的气态制冷剂把热量传递给经过冷凝器的车外空气而液化，变成液体。
液态制冷剂流经节流装置时，温度和压力降低，并进入蒸发器。
在蒸发器内，低温低压的液态制冷剂吸收经过蒸发器的车内空气的热量而蒸发，变成气体。
气体又被压缩机吸入进行下一轮循环。
这样，通过制冷剂在系统内的循环，不断吸收车内空气的热量并排到车外空气中，使车内空气的温度逐渐下降如图2-4所示。
从制冷系统的工作过程中，我们可以看出：
制冷剂在系统里不断循环流动，每一循环包括四个过程：
压缩过程、冷凝过程、节流过程、蒸发过程。
1）压缩过程
当压缩机工作时，吸入从蒸发器出来的低压低温气态制冷剂，经过压缩后变成高压高温的气态制冷剂，并排入冷凝器。
2）冷凝过程
在冷凝器，制冷剂与车外空气进行热交换。
由于制冷剂的温度比车外空气高，所以高压高温的气态制冷剂放出热量，并把热量通过冷凝器传递给流经冷凝器的车外空气，而自身冷凝变成高压高温的液态制冷剂，并流到节流装置。
3）节流过程
在节流装置，高压高温的液态制冷剂变成低压低温的液态制冷剂，并进入蒸发器。
4）蒸发过程
在蒸发器，制冷剂与车内空气进行热交换。
由于制冷剂的温度比车内空气低，低压低温的液态制冷剂吸收流经蒸发器的车内空气热量，而自身蒸发变成低压低温的气态制冷剂。
图2-4汽车空调的结构原理图
Figure2-4automobileair-conditioningstructurediagram
2.4.2压缩机
压缩机（Compressor）是汽车空调系统的主要部件之一，是空调制冷系统的心脏，它是制冷系统中低压和高压、低温和高温的转换装置。
压缩机的功用是：
一方面使压缩机进口处成低压状态，使蒸发器携带潜热（包括吸收了车室内热量）的制冷剂流出蒸发器，这种低压状态可使制冷剂进入蒸发器；另一方面使低压气态制冷剂压缩成高压气态制冷剂。
压缩机的这两个功能只要有一个失效就会导致空调系统内的制冷剂无法循环，空调系统将工作不良或一点都不制冷。
空调系统的压缩机，工作时吸气阀吸入制冷剂，压缩后从排气阀排出。
压缩机的形式有：
曲轴连杆式压缩机、翘板活塞压缩机、回转斜盘活塞压缩机、旋转叶片压缩机等。
作为第二代的轴向型压缩机（摇盘式和斜盘式压缩机）一直是汽车空调压缩机的主导产品，约占所有压缩机产品的70％，随着技术的不断进步，轴向型压缩机不但可以做到小型轻量化。
而且，最高转速可达10000r/min以上。
特别是轴向型压缩机率先实现了无级可变排量控制，受到汽车制造商的欢迎，现在新生产的乘用车已全部采用斜盘变排量无级控制的压缩机。
a变排量压缩机
1）变排量压缩机的基本工作原理
把斜盘与压缩机主轴的角度变成可调时回转斜盘式压缩机就变成了变排量空调压缩机。
变排量空调压缩机能够实现自行调节最关键的控制部件是位于压缩机尾端的控制阀或阀组，它通过感受压缩机进、出口端的压力，来控制作用在摇板上活塞后部的压力，从而实现控制摇板角度和活塞行程，达到控制改变压缩机的输出排量，这种控制是一种动态平衡控制。
当空调系统被启动后，只要制冷剂的压力处于工作范围之内，空调压缩机就在控制阀的控制下，不断地调整排量使之与压缩机吸入制冷剂热负载平衡，使得整个压缩机的工作过程顺畅圆滑，不存在周期性变化的工作循环。
发动机也不会因为电磁离合器的周期性离合接触而不断地调整发动机转速，这一点大大地提高了制冷系统的除湿能力，对发动机的燃油经济性的提高和乘坐舒适性等都十分有利。
在实际构造上，可变排量控制阀本身同可变斜盘之间并没有直接的机械联系，真正造成斜盘角度的变化是由于加在所有活塞上制冷剂不同状态压力的动态平衡。
当压缩机主轴高速旋转时，所有活塞的工作状态是不一致的，有的处于吸气行程，有的处于排气行程或者压缩行程。
吸气行程的活塞运动造成了活塞顶部的曲轴箱吸入压力较低，反之压缩和排气行程的活塞运动造成了其顶部的曲轴箱供给压力明显升高。
所有活塞的连杆被均匀地铰接在斜盘周边上，所有活塞顶部受到作用力的合力是促使斜盘改变其倾斜角度的真正动力。
当加在蒸发器上的热负载发生变化的情况下，可变排量控制阀芯的移动促使曲轴箱的供给压力和吸入压力之间发生一系列连续平衡。
平衡的结果使得所有活塞所受到合力通过连杆组传送到与之铰接的斜盘上，于是斜盘在力的作用下就产生了角度倾斜变化，这种变化反过来又促使了活塞的有效工作行程，造成了压缩机的排量变化。
总之，只要曲轴箱吸入压力和供给压力的压差略有变化，就足以产生一个力推动斜盘的倾斜角度发生变化。
2）V-5变排量压缩机的结构原理
“V-5”中的“V”表示可变排量压缩机；“5”表示压缩机内采用5活塞的布置方式如图2-5所示。
实现可变排量是因V-5机的摇板和传动板能与主轴倾斜成某一范围内的任意角，从而改变了压缩机的排量。
斜盘的倾斜角度由位于压缩机尾部的可变排量控制阀控制。
排量的改变是依靠摇板箱压力的改变来实现的。
调节摇板箱压力是靠位于压缩机后端的控制阀来实现的如图2-6所示。
图2-5HarrisonV-5变排量压缩机
Figure2-5HarrisonV-5variabledisplacementcompressors
图2-6V-5变排量压缩机结构图
Figure2-6V-5variabledisplacementcompressorsstructure
图2-7变排量压缩机的平面图
Figure2-7variabledisplacementcompressorsplan
当吸气侧压力低于设定值时，波纹管收缩，针阀下落，弹簧及高压侧压力把钢球推向球座，将球座下连接高压侧气体与摇板箱气体的通道A封死，阻止了高压侧气体通向摇板箱。
与此同时，从低压侧到摇板箱的通道B打开，使部分摇板箱气体通向吸气侧，降低了摇板箱压力，作用在活塞一侧的力使摇板移向增加排量的位置，如图2-8所示。
反之，当吸气压力升高超过控制点地，波纹管膨胀（靠弹簧力），把钢球向上推，使之离开球座。
这样，高压气体就通过控制阀组进入摇板箱，增大了活塞背面的压力，使摇板的倾角减小，从而减小排量，如图2-9所示。
图2-8斜盘倾角增大（活塞行程增大）
Figure2-8inclineddishAngleincreases（pistonstroke）
（a）降低斜盘箱压力的阀位置（b）增大行程所需之力
图2-9斜盘倾角减小（活塞行程减小）
Figure2-9inclineddishAngle（pistonstrokedecrease）
图2-10V-5变排量压缩机的分解图
Figure2-10v5-Variabledisplacementcompressorsdecompositionofthefigure
1-压缩机后盖；2-O形控制阀；3-后垫；4-阀门盘；5-簧片；6-离合器线圈；7-卡环；8-驱动盘离合器；9-皮带轮轴承；10-离合器；11-轴端螺母；12-卡环；13-轴密封；14-轴密封环；15-压缩机壳体；16-压缩机控制阀；17-压力释放阀；18-卡环；19-皮带轮；20-卡螺栓；21-垫片；22-密封圈；23-活塞器；24-后盖O形环；25-垫片；26-垫片；27-轴承；28-放油塞；29-离合器和冲头板；30-压缩机油；31-压力释放阀O环
3）DCW-17变排量压缩机的结构原理
DCW-17压缩机的控制阀采用由两套波纹管和推杆组成的二级结构。
第一级波纹管由低压压力作用使其伸缩，第二级由高压压力作用使其伸缩。
当高压压力低于某一数值时，第二级波纹管会伸长，通过推杆来压缩第一级波纹管。
当高压和低压逐渐升高时，第一级波纹管收缩使控制阀的阀门打开，摇摆室中部分气体流出，摇摆室内压力下降，摇板倾角变大，排量也变大。
当高压和低压逐渐降低时，第一级波纹管开始伸长，阀门打开度变小，对摇摆室流出气体进行限制，摇摆室内压力开始变高，摇板倾角变小，排量也变小。
当制冷负荷再变小而高压低于某一数值时，第二级波纺管伸长，使压缩机排量进一步减小如图2-11所示。
图2-11DCW-17型变排量压缩结构原理图
Figure2-11VariabledisplacementcompressionstructurediagramofDCE-17type
值得一提的是，压缩机的旋转轴是通过磁性离合器及皮带与发动机曲轴相连取得动力的。
当装在蒸发器出风口的传感器感知出风的温度不够低时，它就会通过电路使压缩机的磁性离合器闭合，这样压缩机随发动机运转，实现制冷。
而当出风温度低于设定的温度，它则控制磁性离合器切离，这样压缩机不工作。
如果这一控制失灵，那么压缩机将不断工作，使蒸发器结冰造成管道压力超标，最终破坏系统甚至造成损坏
2.4.3冷凝器
汽车空调制冷系统中的冷凝器是热的交换设备，如图2-13所示冷凝器管道成蛇形状，管上密布着散热片，散热片由薄的铝合金片做成，整个冷凝器制成长方形的框架，用螺栓固定在车体上，形状与发动机的散热器相似，它的管道一般采用铝合金，也有采用铜管的。
为了提高散热效果，冷凝器宽而薄。
制冷过程中其作用是使从压缩机排除的高温、高压制冷剂蒸汽在冷凝器中得到液化或冷凝，并把热量散发到车外空气中，从而使其凝结为高压制冷剂液体。
汽车空调系统冷凝器的结构形式主要有管片式、管带式、鳍片式等几种。
图2-12冷凝器图
Figure2-12condenser
1）管片式
它是汽车空调中早期采用的一种冷凝器，制造工艺简单，由铜质或铝质圆管套上散热片组成。
片与管组装后，经胀管法处理，使散热片胀紧在散热管上。
这种冷凝器散热效果较差，一般用在大中型客车的制冷装置上。
2）管带式
它是由多孔扁管弯成蛇管形，并在其中安置散热带后焊接而成。
管带式冷凝器的散热效果比管片式冷凝器好一些（一般高15%左右），但工艺复杂，焊接难度大，且材料要求高。
一般用在小型汽车的制冷装置上。
3）鳍片式
它是在扁平的多通管道表面直接锐出鳍片状散热片，然后装配成冷凝器。
由于散热鳍片与管子为一个整体，因而不存在接触热阻，故散热性能好；另外，管、片、之间无需复杂的焊接工艺，加工性好，节省材料，而且抗振性也特别好。
所以，是目前较先进的汽车空调冷凝器。
2.4.4蒸发器
蒸发器和冷凝器一样，作为制冷系统的吸热装置，其功能与冷凝器相反，也是一种热交换器，也称冷却器，是制冷循环中获得冷气的直接器件。
外形近似冷凝器，但比冷凝器窄、小、厚。
如图2-14所示它的作用是让低温、低压液态制冷剂在其管道中吸热并蒸发，使蒸发器和周围的空气的温度降低，热、湿空气通过蒸发器时，碰到冰冷的金属管芯和传热片，空气骤冷下来，空气中的水汽被凝结沿金属壁流下排出，冷而干的空气被送入车内，使车厢温度下降，环境舒适。
图2-13蒸发器工作原理
Figure2-13evaporatorprinciple
蒸发器有管片式、管带式和层叠式三种结构，如图2-15所示。
管片式结构简单，加工方便，但换热效率较差。
管带式比管片式工艺复杂，效率可提高10%左右如图2-17。
层叠式加工难道最大，但其换热效率也最高，结构也最紧凑如图2-16所示。
图2-14管片式蒸发器
Figure2-14tubechipevaporator
图2-15层叠式蒸发器
Figure2-15cascadingevaporator
图2-16管带式蒸发器
Figure2-16bothevaporator
2.4.5储液干燥器
汽车空调常常因气温、湿度的影响，使蒸发器负荷发生变化；由于泄漏，造成制冷剂损失；安装了储液干燥器，可以缓冲系统内制冷剂的容量。
充注制冷剂不必过于精确，制冷剂含量上下几毫升，对系统运行并无多大影响。
储液干燥器安装在系统的高压侧，一般串接在管路上，是传统温控系统的特征之一，如图2-18所示
1）干燥剂
干燥剂是吸附系统内湿气的固体，可以是硅胶、分子筛、汽车胶等。
它可以放在两层滤网之间，也可以放在金属丝袋中。
不同的制冷剂使用的干燥剂有很大区别。
2）滤清材料
滤清材料用于防止干燥剂尘污和其他杂物随制冷剂在空调系统内循环。
有些干燥剂前后各有一层滤清材料，有些干燥器内用金属丝网作滤清材料。
制冷剂必须通过滤清材料和干燥剂才能离开储液罐。
3）出液管
出液管能够保证进入热量膨胀阀的制冷剂全部为液态。
进入储液罐的制冷剂往往是气、液混合物，气态在上、液态在下，出液管的下管口深入罐底，从底部引入出液管的只有液体，发往膨胀阀的制冷剂必然是液态。
图2-17储液干燥器
Figure2-17reservoirdryer
1—出液管2—滤清材料3—干燥剂
2.4.6膨胀阀
膨胀阀安装在蒸发器入口管路上，是一种感压和感温的自动阀，用以调整和控制制冷剂进入蒸发器的流量，保证制冷剂在蒸发器内完全蒸发。
需要注意的是，膨胀阀并不控制蒸发器的温度。
膨胀阀有3种：
内平衡热力膨胀阀、外平衡热力膨胀阀、H形膨胀阀等，如图2-19所示是内平衡热力膨胀阀。
固定在回气管路上的遥控感温包内装有惰性液体或制冷剂，当蒸发器出口温度较高时，温包内液体温度随之上升，内压升高。
作用在膜片上的压力大于蒸发器进口压力和过热弹簧压力总和时，针阀离开阀座，阀门开启，制冷剂流入蒸发器。
针阀开启后，制冷剂进入蒸发器，蒸发器内压力随之上升，回气温度降低，膜片下侧压力增加，上侧压力降低，阀门关闭。
由于膜片上、下侧压力经常处于不平衡状态，所以阀门不断地作开启、闭合的循环。
图2-18内平衡式热力膨胀阀
Figure2-18inequilibriumthermalexpansionvalves
1-滤网；2-孔口；3-阀座；4-过热弹簧；5-出口；6-调整螺母；7-内平衡管
2.4.7附属件
除了上面说到压缩机、冷凝器、蒸发器、干燥器、膨胀阀等空调的制冷系统还有鼓风机、管道、膨胀节流管等部件。
a鼓风机
汽车空调制冷系统采用的风机，大部分是靠电机带动的气体输送机械，它对空气进行较小的增压，以便将冷空气送到所需要的车室内，或将冷凝器四周的热空气吹到车外，因而风机在空调制冷系统中是十分重要的设备。
风机按其气体流向与风机主轴的相互关系，可分为离心式风机和轴流式风机两种。
如图2-20所示为现在汽车上常用的轴流式风机。
图2-19鼓风机
Figure2-19blower
b膨胀节流管
膨胀节流管是用于许多轿车制冷系统的一种固定孔口的节流装置。
有人称它为孔管、固定孔管。
膨胀节流管直接安装在冷凝器出口和蒸发器进口之间，用于将液态制冷剂节流降压。
由于不能调节流量，液体制冷剂很可能流出蒸发器而进入压缩机，造成压缩机液击。
所以装有膨胀节流管的系统必须同时在蒸发器出口和压缩机进口之间，安装一个集液器，实行气液分离，避免压缩机发生液击。
膨胀节流管的结构如图2-21所示。
它是一根细铜管，装在塑料套管内。
在塑料套管外环形槽内，装有密封圈。
有的还有两个外环形槽，每槽各装一个密封圈。
把塑料套管连同膨胀节流管都插入蒸发器进口管中，密封圈就是密封塑料套管外径和蒸发器进口管内径间的配合间隙用的。
膨胀节流管两端都装有滤网，以防止系统堵塞。
安装使用后，系统内的污染物集聚在密封圈后面，使堵塞情况更加恶化。
就是这种系统内的污染物，堵塞了孔管及其滤网。
膨胀节流管不能维修，坏了只能更换。
由于膨胀节流管没有运动部件，结构简单、可考性高，同时节省能耗，很多高级轿车都采用这种方式。
缺点是制冷剂流量不能根据工况变化进行调节。
图2-20膨胀管
Figure2-20dexpandablepipe
1—出口；2—孔口；3—密封圈；4—进口滤网
c制冷管道
由于要注入一定压力的制冷剂，所以必须采用金属管道。
特别是从压缩机到冷凝器到制冷剂瓶到膨胀阀这段，由于属系统的高压段，所以比其它管道有更高的耐高压要求。
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