陳江艷，楊 誠

（1.重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院，重慶 400030；2.重慶超力高科技股份有限公司，重慶 401122）

0 引言

汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷凝器、管路等核心零部件組成，是構(gòu)建汽車乘員艙良好氣候環(huán)境、保障駕乘舒適性的重要零部件，也是汽車主要耗能單元之一，對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航里程影響尤為明顯［1-2］。在國家節(jié)能減排大背景下，以降低能耗、提升效率為目標(biāo)的“高效空調(diào)”概念應(yīng)運(yùn)而生，成為汽車空調(diào)行業(yè)當(dāng)前主要研究課題之一。

實(shí)現(xiàn)“高效空調(diào)”，當(dāng)前主要技術(shù)途徑有采用高效壓縮機(jī)、高效換熱器、同軸管技術(shù)以及系統(tǒng)匹配優(yōu)化等。其中，系統(tǒng)匹配優(yōu)化措施具備低成本、短周期、無風(fēng)險(xiǎn)、廣適用等優(yōu)點(diǎn)，廣受汽車及零部件廠商青睞。一些研究成果表明［3-7］，潤滑油對(duì)空調(diào)系統(tǒng)換熱性能有顯著影響，當(dāng)系統(tǒng)含油量較少時(shí)，壓縮機(jī)質(zhì)量流量增加，蒸發(fā)器和冷凝器換熱性能增強(qiáng)；當(dāng)系統(tǒng)含油量過多時(shí)，壓縮機(jī)功耗增加，實(shí)際排氣量減少，蒸發(fā)器、冷凝器換熱能力降低，制冷量減小。此外，潤滑油還顯著影響壓縮機(jī)耐久可靠性，機(jī)體內(nèi)潤滑油過少，將導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部零部件磨損加劇、機(jī)體溫度升高，2～5 h 就會(huì)出現(xiàn)卡死損壞故障［8］，極大的降低客戶用車體驗(yàn)，影響整車品牌聲譽(yù)。部分學(xué)者［9-15］深入研究發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、空調(diào)兩器大小、管路長度及走向、制冷劑加注量、潤滑油種類、工作狀態(tài)等因素會(huì)顯著影響潤滑油的回油情況，并指出合理設(shè)計(jì)零部件改善系統(tǒng)回油性能、選擇合適的潤滑油及加注量是系統(tǒng)優(yōu)化匹配、提高效率和可靠性的主要舉措。

當(dāng)前，潤滑油加注量通常由壓縮機(jī)生產(chǎn)廠商根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給定，同型號(hào)壓縮機(jī)加注相同油量，未區(qū)分系統(tǒng)差異。針對(duì)不同汽車空調(diào)系統(tǒng)，還沒有統(tǒng)一可實(shí)施的試驗(yàn)方法來確定其潤滑油最佳加注量。由于不同汽車空調(diào)系統(tǒng)的兩器大小、管路長短、走向等存在差異，必然存在潤滑油加多或加少情況，將直接影響空調(diào)系統(tǒng)換熱效率和壓縮機(jī)耐久可靠性。本文對(duì)汽車空調(diào)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式、工作原理以及潤滑油種類、作用機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié)，據(jù)此探索實(shí)踐一種廣泛適用的標(biāo)定潤滑油最佳加注量的試驗(yàn)方法，以提升空調(diào)系統(tǒng)換熱效率，降低壓縮機(jī)故障率。

1 汽車空調(diào)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

汽車空調(diào)壓縮機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式有活塞、旋葉、渦旋3 種。

1.1 活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

活塞壓縮機(jī)屬于第二代壓縮機(jī)，有斜盤式、搖擺式兩種結(jié)構(gòu)形式，其搖擺式的活塞運(yùn)動(dòng)為單向作用，而斜盤式的屬于雙向作用。以斜盤式壓縮機(jī)為例，其核心零部件主要有主軸、斜盤、活塞、氣缸、鋼球等，如圖1 所示。

圖1 活塞壓縮機(jī)核心零部件

其工作原理：主軸帶動(dòng)斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)，斜盤驅(qū)動(dòng)活塞作軸向移動(dòng)，活塞在前后布置的氣缸中同時(shí)做軸向運(yùn)動(dòng)，斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周，活塞兩端各完成吸氣、壓縮、排氣循環(huán)一次。

1.2 旋葉式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

旋葉式壓縮機(jī)屬于第三代壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)以3 葉式、5 葉式為主。以某5 葉式旋葉壓縮機(jī)為例，其核心零部件有轉(zhuǎn)子、葉片、氣缸、端板等，如圖2所示。

圖2 旋葉壓縮機(jī)核心零部件

其工作原理：轉(zhuǎn)子在缸體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，葉片在油壓及離心力作用下滑出，緊貼氣缸內(nèi)壁，形成若干封閉的月牙形容積腔，并通過氣缸上的吸、排氣口實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)吸氣、壓縮、排氣工作過程。

1.3 渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

渦旋式壓縮機(jī)屬于第四代壓縮機(jī)，主要有動(dòng)靜式和雙公轉(zhuǎn)式2 種結(jié)構(gòu)形式。動(dòng)靜式渦旋結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍，其核心零部件有動(dòng)渦盤、靜渦盤等，如圖3 所示。

圖3 渦旋壓縮機(jī)核心零部件

其工作原理：動(dòng)渦盤與靜渦盤組合形成數(shù)對(duì)月牙形容積腔，隨著偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈形成的月牙容積腔不斷向中心推移，容積縮小，容積腔里的氣體被壓縮直至到達(dá)靜窩盤中心從排氣孔口排出，由此實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣過程。

2 潤滑油種類、作用及選用原則

汽車空調(diào)壓縮機(jī)所用潤滑油又稱冷凍油，大類分為礦物油、合成油。合成油主要包括POE、PAG 兩類。根據(jù)潤滑油粘度等參數(shù)，可進(jìn)一步細(xì)分為不同牌號(hào)。該潤滑油需要與制冷劑有良好的互溶性，有適宜的黏度、閃點(diǎn)、傾點(diǎn)，極好的黏溫性能、抗乳化性能、抗泡性能、氧化安定性能，還需要具備積炭傾向性小、不腐蝕空調(diào)系統(tǒng)零部件且防腐蝕性好等要求。

在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其潤滑油主要有潤滑、密封和冷卻等3 個(gè)作用。此外，潤滑油還在部分壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)中參與工作，如在旋葉式壓縮機(jī)內(nèi)部作為滑動(dòng)軸承支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，作為壓力傳遞介質(zhì)傳遞能量驅(qū)動(dòng)葉片甩出等。

為保證空調(diào)系統(tǒng)及壓縮機(jī)可靠運(yùn)行，選擇相匹配的潤滑油主要參考以下2 個(gè)方面：

（1）制冷劑種類。礦物油用于R12 制冷劑（因破壞大氣臭氧層已被淘汰）。當(dāng)前主要使用的R134a、R1234yf 制冷劑，需配套使用合成潤 滑油。

（2）壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式。電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)潤滑油需考慮腐蝕性、吸水性，常用POE68 潤滑油。旋葉壓縮機(jī)潤滑油黏度要求較高，常用PAG100 潤滑油；而渦旋壓縮機(jī)、活塞壓縮機(jī)所用潤滑油粘度較低，常用PAG46、PAG68 等牌號(hào)潤滑油。

3 潤滑油最佳加注量試驗(yàn)方法研究

3.1 試驗(yàn)方法理論依據(jù)

排氣溫度是壓縮機(jī)工作過程中一個(gè)極為重要的參數(shù)。排氣溫度過高，將會(huì)產(chǎn)生密封橡膠老化、摩擦面過熱、潤滑油碳化、黏度降低、潤滑性能下降等問題，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的可靠性。

理論上，根據(jù)絕熱過程方程式［16］：

式中 Td——排氣溫度；

Ts——吸氣溫度；

Pd——排氣壓力；

Ps——吸氣壓力；

n ——絕熱指數(shù)；

Cp——定壓比熱容；

Cv——定容比熱容。

壓縮機(jī)排氣溫度Td與吸氣溫度Ts、吸氣壓力Ps、排氣壓力Pd、絕熱指數(shù)n 有關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行中，壓縮機(jī)排氣端的熱能除了來自吸入制冷劑攜帶的熱能和壓縮制冷劑做功產(chǎn)生的熱能以外，還包括運(yùn)動(dòng)零部件摩擦和制冷劑內(nèi)泄漏產(chǎn)生的額外 熱能。

壓縮機(jī)潤滑油主要作用包括潤滑、密封、冷卻等，其加注量將直接影響壓縮機(jī)內(nèi)部零部件運(yùn)行狀態(tài)，可決定零部件摩擦和制冷劑內(nèi)泄漏產(chǎn)生額外熱能的多少。因此，針對(duì)同一系統(tǒng)相同運(yùn)行工況，隨著潤滑油加注油量逐漸增加，壓縮機(jī)排氣溫度將逐漸降低并最終趨于平穩(wěn)。監(jiān)控排氣溫度曲線變化，可得到該空調(diào)系統(tǒng)最佳的潤滑油加注 油量。

3.2 潤滑油最佳加注量試驗(yàn)工況提取

3.2.1 實(shí)車工況分析

分析汽車空調(diào)系統(tǒng)實(shí)車運(yùn)行條件，主要有2種極限工作狀態(tài)：

（1）高溫環(huán)境下，汽車靜止怠速狀態(tài)。整車沒有迎面風(fēng)，冷凝器主要靠冷凝風(fēng)扇散熱冷卻，系統(tǒng)壓力高；而壓縮機(jī)處于最低轉(zhuǎn)速，制冷劑流量低，系統(tǒng)回油受到影響。此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)吸 氣壓力大致為0.3～0.4 MPa，排氣壓力大致為2.5～ 3.0 MPa。

（2）高溫環(huán)境下，汽車高速行駛狀態(tài)。壓縮機(jī)處于最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，制冷劑流量大，流速快，潤滑油將被大量排出，若回油不及時(shí)，易出現(xiàn)缺油，造成壓縮機(jī)卡死等故障。此時(shí)吸氣壓力大致為0.2～0.3 MPa，排氣壓力大致為2.0～2.5 MPa。

此外，在上/下坡及左右傾斜路況，壓縮機(jī)隨車輛傾斜，潤滑油不能保持在原有位置，將影響其正常潤滑。因此，不同結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)需設(shè)置不同的最低油量要求，以保證極限狀態(tài)下的潤滑需求。

3.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)工況提取

為滿足試驗(yàn)臺(tái)架評(píng)價(jià)需要，基于實(shí)車運(yùn)行極限狀態(tài)，可提取低速高負(fù)荷、高速高負(fù)荷兩種極限試驗(yàn)工況，如表1 所示。

表1 極限試驗(yàn)工況

3.3 潤滑油最佳加注量試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

潤滑油最佳加注量試驗(yàn)流程如圖4 所示。設(shè)計(jì)思路：基于分析汽車空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)，提取壓縮機(jī)低速高負(fù)荷和高速高負(fù)荷2 種極限工況，通過搭建實(shí)車空調(diào)系統(tǒng)臺(tái)架進(jìn)行模擬，監(jiān)控記錄不同潤滑油加注量下壓縮機(jī)吸、排氣溫度及壓縮機(jī)重量數(shù)據(jù)，并根據(jù)吸、排氣溫度及壓縮機(jī)重量變化趨勢(shì)確定最適合的加注油量。

圖4 試驗(yàn)流程

通過臺(tái)架試驗(yàn)的方式實(shí)現(xiàn)潤滑油最佳加注量精準(zhǔn)快速標(biāo)定目的，保證空調(diào)壓縮機(jī)耐久可靠性，提高系統(tǒng)制冷效率。試驗(yàn)臺(tái)架需能夠控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、蒸發(fā)器和冷凝器風(fēng)速，并監(jiān)控壓縮機(jī)吸、排氣壓力及吸、排氣溫度。

4 潤滑油最佳加注量試驗(yàn)方法實(shí)踐

針對(duì)某新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)，筆者根據(jù)上述標(biāo)定潤滑油最佳加注量試驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)踐。該空調(diào)為單蒸系統(tǒng)，其壓縮機(jī)為渦旋結(jié)構(gòu)，最低轉(zhuǎn)速 1 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min，潤滑油采用POE68，密度為0.967g/mL。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備及樣件準(zhǔn)備

試驗(yàn)主要設(shè)備包括實(shí)車空調(diào)系統(tǒng)控制臺(tái)、溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電子秤及量杯等，其功能及精度見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備功能及精度

試驗(yàn)樣件包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器（帶膨脹閥）芯體、冷凝器芯體、全套管路，均為全新狀態(tài)，未加注潤滑油。

4.2 試驗(yàn)過程簡述

按照試驗(yàn)流程，首先對(duì)各零部件稱重并記錄初始質(zhì)量。

壓縮機(jī)無油狀態(tài)重5 944 g（60 mL 潤滑油），蒸發(fā)器芯體1 041 g，冷凝器芯體1 470 g，排氣管245 g，吸氣管481 g，高壓液體管110 g。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該空調(diào)系統(tǒng)初始潤滑油加注量設(shè)定為60 mL。將各零部件搭建到實(shí)車空調(diào)系統(tǒng)控制臺(tái)架上，見圖5。

圖5 試車統(tǒng)調(diào)系統(tǒng)框圖

由于管路結(jié)構(gòu)限制，本套系統(tǒng)蒸發(fā)器芯體放入HVAC 空調(diào)總成中進(jìn)行風(fēng)量控制。按預(yù)設(shè)試驗(yàn)流程進(jìn)行低速高負(fù)荷、高速高負(fù)荷工況測(cè)試記錄，并按照每次10 mL 的油量遞增，循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，直至壓縮機(jī)排氣溫度穩(wěn)定，不再明顯降低為止。在系統(tǒng)拆裝過程中，需避免潤滑油滴漏損失。制冷劑回收需等待壓力平衡后再緩慢進(jìn)行，防止?jié)櫥捅恢评鋭ё摺?/p>

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及評(píng)判

整理匯總上述試驗(yàn)過程記錄的吸、排氣溫度及壓縮機(jī)儲(chǔ)油量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)處理，可得到該空調(diào)系統(tǒng)的吸、排氣溫度及壓縮機(jī)儲(chǔ)油量變化曲線，如圖6 所示。

圖6 吸、排氣溫度及壓縮機(jī)儲(chǔ)油量曲線

由圖6 中曲線變化趨勢(shì)可知，當(dāng)潤滑油加注量為110 mL 時(shí)，排氣溫度變化趨于平穩(wěn)，壓縮機(jī)儲(chǔ)油量達(dá)52 g，已經(jīng)滿足該壓縮機(jī)機(jī)體內(nèi)部最低潤滑油量50 g 需求。根據(jù)潤滑油加注量標(biāo)定試驗(yàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮裝機(jī)過程中可能的損耗，確?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，預(yù)留一定的富余量，本系統(tǒng)標(biāo)定宜確定為120 mL。

為進(jìn)一步確認(rèn)加注120 mL潤滑油時(shí)系統(tǒng)中潤滑油分布情況，重新將系統(tǒng)油量調(diào)整為120 mL， 運(yùn)行低速高負(fù)荷和高速高負(fù)荷2 種極限工況，然后停機(jī)，待壓力平衡后，緩慢回收制冷劑，拆下各零部件。

其中，壓縮機(jī)6 000 g，蒸發(fā)器芯體1 063 g，冷凝器芯體1 496 g，排氣管249 g，吸氣管496 g，高壓液體管111 g。整理分析試驗(yàn)前后零部件質(zhì)量差異，可得該空調(diào)系統(tǒng)潤滑油分布數(shù)據(jù)見表3。

表3 空調(diào)系統(tǒng)潤滑油分布

由表3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，潤滑油主要分布在壓縮機(jī)、冷凝器芯體、蒸發(fā)器芯體中，分別約占總油量49%、23%、19%，管路中主要為管壁殘留，油量較少，占總油量約9%。此外，試驗(yàn)后空調(diào)系統(tǒng)零部件總儲(chǔ)油量為114 g，而加注120 ml 潤滑油重約116 g，油量減少2 g。出現(xiàn)油量減少的原因主要有電子秤精度不夠產(chǎn)生累計(jì)誤差、潤滑油溶入制冷劑被回收和空調(diào)系統(tǒng)零部件拆裝過程中滴漏等3 個(gè)方面。

根據(jù)潤滑油的分布試驗(yàn)結(jié)果，考慮拆裝滴漏及制冷劑回收過程中損失的潤滑油量5～10 mL，在售后維修更換該空調(diào)系統(tǒng)各零部件時(shí)，需補(bǔ)充潤滑油油量可參考如下：

（1）更換蒸發(fā)器芯體總成，潤滑油補(bǔ)充量為30 mL；更換冷凝器芯體，潤滑油補(bǔ)充量為35 mL；更換吸、排氣管路時(shí)，潤滑油補(bǔ)充量為15 ml；更換高壓液體管時(shí)，潤滑油補(bǔ)充量為10 mL。

（2）重新充注制冷劑時(shí)，潤滑油補(bǔ)充量為 10 mL，若只是補(bǔ)充少量制冷劑可不補(bǔ)充潤滑油。

（3）更換壓縮機(jī)時(shí)，由于一般新壓縮機(jī)含有整個(gè)系統(tǒng)所需的120 mL 潤滑油，因此需要從新壓縮機(jī)減少50 mL 潤滑油。

5 結(jié)語

文中提出的汽車空調(diào)系統(tǒng)潤滑油最佳加注量試驗(yàn)方法可廣泛適用于傳統(tǒng)汽車和新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)，兼顧了汽車空調(diào)壓縮機(jī)可靠性和汽車空調(diào)系統(tǒng)換熱效率。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)的潤滑油分布數(shù)據(jù)，可以精準(zhǔn)確定該汽車空調(diào)系統(tǒng)在售后維修時(shí)潤滑油的補(bǔ)充量，進(jìn)一步保障其售后市場(chǎng)的可靠性和換熱效率。

該試驗(yàn)需多次回收制冷劑并拆裝壓縮機(jī)稱重及加注潤滑油，易造成潤滑油的損失而影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，有待進(jìn)一步優(yōu)化。通過制作專用工裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)潤滑油在線加注以及壓縮機(jī)機(jī)體儲(chǔ)油量的實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量，可減少試驗(yàn)拆裝過程帶來的測(cè)試偏差，從而進(jìn)一步提高試驗(yàn)精度，為廣大汽車及零部件企業(yè)提供可靠的空調(diào)潤滑油加注依據(jù)。