浅析R407C在客车空调中的应用技术论文
随着城乡一体化进程的加快，带动了客车行业的持续发展，同时也带动了客车空调产业的迅速发展。但是，近年来全球气候变暖问题日益严重，引起了各国的高度重视。普遍认为，客车空调系统在提供舒适性小环境的同时也破坏了人类生存的大环境。
R407C 是一种安全、无毒、不破坏臭氧层的新型环保制冷剂，具有单位质量/ 单位容积制冷量大、能效比高、换热效率好等优点。西方发达国家有部分客车空调产品使用了R407C，其中冷王的R407C 制冷系统应用于客车已经量产商业化。在我国R407C 客车空调系统已从研究日渐走向应用，某些公司在客车空调系统中作过一些R407C 尝试应用，并有一定的成效[1- 2]。目前由于人们对这种非共沸工质的温度滑移、制冷剂成分变化后对系统的换热性能的影响不够了解，影响了R407C 在客车空调上的应用和推广。本文将客观地探讨客车空调系统应用国际社会倡导的环保工质R407C 的优越性，为R407C 客车空调器的研发设计提供参考。
1 R407C 与R134a 对比
1.1 制冷运行工况的确定
汽车空调系统与一般的空调系统的结构和使用条件均不同。客车空调90% 以上为非独立式空调系统。由于发动机转速变化很大，一般在700 ~2 300 r/min 之间，空调压缩机转速随汽车发动机转速的变化而相应变化;特别是城市客车运行于城市红绿灯区和停靠站之间，平均行驶车速约30 km/h，并且频繁停起和开关门，加之乘员变化很大，所以客车空调配置要求冷量大、制冷快。
根据客车空调系统随环境和车速而变工况的特点和实际情况，客车空调标准设计工况参数确定如下：冷凝温度50℃～60℃，蒸发温度0℃～5℃，过冷度5℃，过热度10℃，室外温度35℃，室内温度27℃，室内相对湿度50%，压缩机正常转速1 800 r/min。
1.2 综合性能分析
R134a 和R407C 都属于中温制冷剂，其中R134a 属于纯质制冷剂，R407C 属于多组分非共沸制冷剂。汽车空调中常用的制冷剂有R134a，但是R134a 有很多的缺点。它不但具有较高的、非常令人担忧的温室效应指数，而且R134a 亲油性差，还对铜有腐蚀性，但和铁、铝共存稳定性较好。另外，根据新的报道，R134a 在大气中分解会产生一种吸湿力较强的具有腐蚀性的液体，可在不同地方聚集，对人体的健康有一定的危害。而R407C 为非共沸混合工质，它是R32/R125/R134a 三种冷媒以混合质量比为23∶25∶52 而成的非共沸混合物。R407C 作为新型制冷剂正逐步被世人所认知，它具有清洁、低毒、不燃、制冷效果好、节能、环保等特点，已经大量用于空调行业。R407C单位容积制冷量大，热力性质优异，与酯类润滑油相溶;与铁、铜、铝共存，稳定性较好;但是具有较高的冷凝压力，在车载空调上使用有待进一步研究。
1.3 理论热力循环计算
1)纯工质R134a 热力性能计算。对于纯工质R134a，饱和温度和饱和压力是一一对应的。蒸发压力Pe 和冷凝压力Pc 可根据蒸发温度te 和冷凝温度tc 确定。
2)混合工质R407C 热力性能计算。由于R407C 为非共沸制冷剂，在相同压力条件下，相变时存在温度滑移现象，气相饱和温度(露点温度)和液相饱和温度(泡点温度)是不同的。本文选择露点温度和泡点温度的算术平均值作为确定工况点的等效平均温度。用线性插值方法计算出给定的蒸发(气相临界点)温度te和冷凝(液相临界点)温度tc相对应的蒸发压力Pe 和冷凝压力Pc。
3)热力性能计算方法和计算程序。根据上述R407C在给定蒸发温度te 和冷凝温度tc 下的蒸发压力Pe 和冷凝压力Pc 的确定方法，Pe 和Pc 及其te 和tc 成为了一一对应的关系。在确定了制冷循环的各状态点的温度后，根据过程特性，可以用NIST 制冷剂和混合制冷剂热力性质计算程序计算出h1、h2、h5、h0、v1 等。利用状态方程，根据各点状态参数，就可以计算出两种制冷剂在不同工况下的制冷循环的各项性能指标，包括单位质量制冷量、单位理论功、单位容积制冷量和制冷系数等。有关状态方程如下：单位制冷量q0= h1- h5;单位容积制冷量qv=q0/v1;理论比功w0=h2- h1;制冷系数COP=q0/w0;压力比π=Pc/Pe。
a. 实例计算。冷凝温度56.5℃，蒸发温度2℃，过冷度5℃，过热度10℃。特殊工况如表3 所示。冷凝温度60℃，蒸发温度0℃，过冷度5℃，过热度10℃。
实际工作中，上述方法比较繁琐，常利用R407C 制冷剂应用程序进行模拟计算，和上述方法相比，其计算误差<5%，在工程上是可以接受的。
b. 混合工质R407C 热力性能分析。由以上理论计算可知，在客车空调相同的.工况下，R407C 的单位理论功比R134a 约高16%，单位容积制冷量比R134a 高43%～50%;R407C 单位制冷量比R134a 高8%～10%，理论制冷系数比R134a 低5%～6%。在相同的工况下，R407C 的吸气压力比R134a 高54%～64%，排气压力比R134a 高50%～60%;R407C 的压力比比R134a 低3.5%～4.5%。
2 在客车空调应用中的技术探讨
2.1 R407C 系统的性能分析
R407C 单位容积制冷量比R134a 高43%～50%，可采用小排量压缩机达到相同制冷量;能减小客车空调压缩机和两器的体积和重量;能减少客车空调系统的安装空间，增加汽车的机动性和降低油耗。
市场上大客车空调主要使用的BOCK、Thermo King压缩机都有使用R407C 的产品[7- 8]，制冷剂软管的爆破压力均高于12 500 kPa，已满足爆破压力是运行压力的5 倍以上的标准要求。因此，现有的汽车空调制冷系统的耐压性能够适应R407C 的要求。
空调压缩机作为空调系统的心脏，其安全保护一直是控制的重点。为防止损坏，需要有高压控制及防液击的措施。另外，由于汽车大多时间在外面行驶，受天气的影响，其压力变化较大。为防止系统高压过高，最好有安全泄压阀。
采用R407C 作为制冷剂时，在相同的工况下，R407C 的吸气压力比R134a 高54%～64%，排气压力比R134a 高50%～60%;系统的高、低、中压压力开关的动作压力值需要调整。同时为保证制冷系统的回油，设计管路时要考虑气体制冷剂的流速，水平管内为不小于3.8 m/s，竖直管内为不小于7.6 m/s。
2.2 R407C 系统的有关要求
1)R407C 系统对两器的要求。利用R407C 温度滑移的优势，城市客车空调换热器设计时可将两器设计成都是按逆流状态换热，以改善换热性能，并采取相应的强化换热措施，弥补采用R407C热传导性能较差的不足。
由于系统运行时压力比R134a 高，故对两器的要求也高。不光要考虑压力的因素，还要考虑汽车行驶过程中振动所带来的强度影响，最好有减振措施。
R407C 与空气的混合气体不得用于压力和检漏试验，因为可能会引起爆炸。推荐系统检漏压力为3.2～3.5 MPa，在满足换热要求的情况下，管壁的厚度最好大一些。例如，客车空调顶置蒸发器是铜管铝片式，建议铜管为φ9.525×0.41，翅片厚0.15，翅片距2.2 mm，翅片为亲水铝箔;流路按性能设计，但R407C 制冷剂在蒸发器内的流路长建议6～10 m，同时在冷凝器内的流路长建议14～18 m。
2)R407C 系统对膨胀阀和其它零部件的要求。
①膨胀阀。要选择R407C 专用膨胀阀;膨胀阀并不直接控制系统制冷量。针对城市客车在不同行驶速度下空调的变化性，膨胀阀在满足最大制冷量的同时，要求可调节范围大，性能良好。以丹佛斯公司的膨胀阀产品为例，制冷剂采用R407C，当制冷量为28 kW，选择型号为TDEZ8 热力膨胀阀;制冷量为21 kW，选择型号为TDEZ6 膨胀阀。
②管路。作为系统中的连接管路，泄漏一直是汽车空调最头痛的问题。R407C 系统排气压力很高，需要增加系统管路壁厚。又因其是非共沸混合物，如果系统泄漏，对性能的影响是很明显的，这就要求管路系统中尽量少接头，除干燥器需要经常更换、用可拆卸接头外，不推荐用可拆卸接头，尽量采用焊接，减少泄漏点，保证系统的密封。
③干燥过滤器。一般选用分子筛作干燥剂。分子筛是硅酸盐晶体，其晶体结构中有许多孔径均匀的孔道和内表面很大的孔穴，能吸附分子直径比孔径小的分子。
干燥剂：确认两种适合R407C 冷媒用的干燥剂为XH- 10C 和XH- 11。泄漏要求：在R407C 最高工作压力3.4 MPa 下，干燥过滤器的年泄漏量不大于2.8 g/a。结构要求：为防止分子筛磨损，在干燥过滤器的内部加装弹簧固定分子筛，使得冷媒在干燥过滤器内部得到缓冲。安装位置：POE 油具有水解性，选择干燥过滤器安装在系统液管管路上的蒸发器入口处。推荐适用于客车空调干燥过滤器端面密封接口便于更换和维修。
④储液器。空调结构设计时，避免含有R407C 制冷剂的储液器过热。R407C 热分解将会产生具有强烈毒性和强腐蚀性的蒸汽。如果过热，储液器将会爆炸。
⑤ 兼容性。R407C 与R134a 的材料兼容性基本一致;R134a 在汽车空调系统中已经普遍使用，R407C 在工商制冷系统中已广泛使用;目前的材料技术已能满足R407C 的要求。因此，空调系统选用的密封件、软管、冷冻油等材料与R134a 系统相同。但是在高温高压下，一些金属在催化剂作用下可能发生化学反应，从而使制冷剂变质。当镁铝合金材料中镁的含量多于2%时，不能用于R407C 的空调系统。R407C 制冷剂还可能会与焊接零件的焊接剂发生反应。
⑥其它。R407C 空调系统中的截止阀和四通阀(电动客车热泵系统用)与其他制冷剂空调系统不同，必须使用专门R407C 的截止阀和四通阀。
⑦ 低温条件时，蒸发器入口处结霜明显，化霜感温器位置一般要避免选择此位置，以防止感温器频繁动作进入化霜程序，影响到制热效果。
3 结论
1)在客车空调标准工况下，R407C 系统能大大减小汽车空调压缩机和两器的体积和重量，对提高汽车的动力性能，降低能耗，节约制造成本具有很大的意义。
2)客车空调R407C 系统有较高的排气压力。在相同的工况下，有较大的压缩机扭矩、单位理论功比R134a 约高16%;制冷剂泄露会改变组分和热物性等。
3)通过提升汽车空调制冷系统的工艺焊接、加工生产工艺水平，升级气密性试压压力和爆破试验标准;通过调整管路和换热器的壁厚，提高对系统密封件、尤其是冷凝侧的气密性、强度和抗震性的要求;加大压缩机离合器的扭矩;应该可以弥补客车空调R407C 系统有较高排气压力的缺陷。
4)将R407C 用于客车空调制冷系统与R134a 相比，可以降低压缩机的排量和降低成本。考虑到重量因素和理论循环的制冷系数等，R407C 系统运行经济指标和安全可靠性方面，与R134a 基本相同。
5)采用R407C 空调制冷系统，体现了安全和环保新理念，是轻量化、舒适化及节能化的发展方向。
有点长，但是很中用：
一、汽车空调的技术发展
自上世纪20年代汽车空调诞生以来，汽车空调技术是随着汽车的普及和高新技术的应用而发展起来的。汽车空调的技术发展经历了由低级到高级，由单一到多功能的五个阶段。
(1)第一阶段，单一取暖：1925年，美国首次采用了加热器对汽车冷却液进行加热取暖的方法，直至1927年这种单一的供热系统才有了质的突破，那时的汽车供热系统初步具备了加热器、鼓风机和空气滤清器等现代空调结构必备的雏形，这种供热系统直到1948年才在欧洲出现。目前，这种单一的供热系统仍在寒冷的北欧、亚洲北部地区使用
(2)第二阶段，单一制冷：1939年，美国通用汽车帕克公司首次在轿车上安装机械制冷降温空调器，这种单一的制冷系统直到1957年在欧洲出现，并被采用。目前，这种单一的制冷系统仍在亚热带和热带地区使用。
(3)第三阶段，冷暖一体化：1954年，美国通用汽车公司首次在轿车上安装冷暖型一体化的空调器，使得汽车空调具备了调节车内温度、湿度的功能。目前，这种冷暖一体化的空调系统仍在一些中、低档轿车上使用。
(4)第四阶段，自动控制的汽车空调：1964年，美国通用汽车公司1964年首次在轿车上安装自动控制的汽车空调，这种自动控制的汽车空调通过各种传感器反馈的信息自动调节车内温度和空气质量，以此提高车内舒适性。这种自动控制的汽车空调直到1972年才在欧洲出现，并在高级轿车上安装自动空调。
(5)第五阶段，微机控制的汽车空调：1977年，美国通用汽车公司和日本五十铃汽车公司一起联合研究由微型计算机控制的汽车空调系统，并于1977年研制成功安装于汽车上，这种由微机控制的汽车空调系统具备数字化显示、冷暖通风三位一体化、自我诊断系统、执行器自检、数据流传输等功能，极大程度的提高了汽车空调的稳定性和舒适性。目前，这种由微机控制的汽车空调通常安装在豪华轿车上。
二、汽车车空调的特点
(1)汽车空调的安装：汽车空调安装在汽车上，在汽车行驶的过程中，汽车空调承受着剧烈、频繁的振动和冲击，管道连接处容易松动，因此这些地方容易伴随发生制冷剂的泄漏故障。
(2)汽车空调的动力：通常汽车空调的动力来源于汽车发动机，汽车空调系统影响着汽车的动力性和经济性，因此，发动机的输出功率也由此减少10% ~12%，耗油量平均增加10% ~20%。
(3)汽车空调的取暖方式：汽车空调的供暖方式一般有两种，一种是利用汽车发动机冷却液取暖，另一种是采用电子取暖装置。
(4)汽车空调的制冷、制热能力强：由于夏天车内成员密度大，冬天人体所需的热量大，汽车空调的制冷和制热能力也因此设计的比较大。
(5)汽车空调系统受汽车本身结构的影响：汽车空调的各零部件形状和安装位置局限性较大，加上汽车本身结构的紧凑，这给汽车空调系统的检修带来了诸多不便。
(6)汽车空调系统的工况受汽车发动机的影响：汽车空调系统的制冷剂流量变化大，而发动机工况变化又频繁，因此，汽车空调系统的制冷效果也由此受其影响。
三、汽车空调系统的主要结构
1、压缩机
汽车空调压缩机是汽车制冷系统的心脏，它维持着制冷剂在汽车空调系统中的循环流动，因其对低温低压的气态制冷剂进行升温和加压，使得制冷剂大于冷凝器外的大气温度和压力，最终被冷凝器放热形成液态制冷剂。汽车空调压缩机的工作原理与普通空气压缩机类似，根据工作方式的不同，压缩机通常可分为往复式和旋转式，常见的往复式压缩机有曲轴连杆式和轴向**式，常见的旋转式压缩机有旋转叶片式和涡旋式。
2、膨胀阀
膨胀阀是汽车空调制冷系统的重要组成部件，它能将液态制冷剂转化为雾状制冷剂，有节流降压、调节和控制流量的作用。常用的膨胀阀有内平衡热力膨胀阀、外平衡热力膨胀阀和H型膨胀阀等。
3、蒸发器
蒸发器是一种换热装置，属于直接风冷式结构，外形近似冷凝器。在空调制冷系统工作时，它能在低压的雾状制冷剂通过蒸发器时，吸收蒸发器空气周围的热量，降低车内的温度，同时将低压雾状制冷剂变为低压气态制冷剂，让其继续在压缩机中循环。
4、热水阀
热水阀安装在发动机与加热器之间的进水管中，是用来控制加热器的热水管道。根据控制方式不同，热水阀通常可分为两种，一种是拉绳控制阀，另一种是中控控制阀
5、冷凝器
冷凝器主要由管道、框架和散热片组成，通常安装在汽车的前部、侧部或底部，其主要作用是将压缩机出来的高温高压气态制冷剂冷凝成高温高压的液态制冷剂，常用的冷凝器有管带式和管片式两种。
6、冷凝风扇
冷凝风扇是辅助冷凝器进行散热的一种装置，其装在冷凝器上，用电驱动后能产生气流，内置的扇子通电后，会转化成自然风进而达到冷却的效果。
7、储液干燥器
储液干燥器全名为储液干燥过滤器，它安装在冷凝器和膨胀阀之间，它主要有储存制冷剂，干燥制冷剂中的水分，过滤制冷剂中的杂质这三方面的作用。
四、汽车空调的工作原理
1、汽车空调制冷系统的工作原理
汽车空调制冷系统工作时，发动机驱动空调压缩机工作，在空调压缩机的作用下，来自蒸发器的低温低压的气态制冷剂被压缩成高温高压的气态制冷剂（温度约70℃）。高温高压的气态制冷剂排出压缩机后进入冷凝器，经过冷凝器的冷凝，高温高压的气态制冷剂变成了高温高压的液态制冷剂（温度约50℃）。高温高压的液态制冷剂进入膨胀阀后，压力和温度都急剧下降，但体积增大，最终制冷剂以雾状形式进入蒸发器。雾状制冷剂进入蒸发器后，因制冷剂的沸点低于蒸发器内的温度，雾状制冷剂又迅速蒸发成了气态制冷剂。在蒸发的过程中，由于吸收了蒸发器表面大量的热量，使得蒸发器表面温度急剧下降，最后使得低温低压的气态制冷剂又进入了空调压缩机进而进行下一次的空调制冷循环。
2、汽车空调采暖系统的工作原理
汽车空调采暖系统工作时，发动机冷却液温度已达到80℃，这时冷却系统中的节温器主阀门已经开启，使得冷却液进行大循环。节温器和加热器之间装有一个热水阀，需要采暖的时候，需要打开热水阀，这样从发动机水套中出来的热水流经节温器主阀门后，一部分流到供暖系统的加热器，另一部分流到散热器中散热。进入散热器内的热水向周围的空气传热，在鼓风机的作用下，车厢内或车厢外新鲜空气经过加热器后，冷空气变成了热空气，热空气经过通风管道的不同出风口被送入车内。从加热器流出的冷却水，由水泵吸入发动机的水套内，由此就完成了一次采暖循环。
五、汽车空调系统的故障诊断与分析
1、汽车空调检修的基本工具：温度测量仪表、湿度测量仪表、维修专用成套设备（包括歧管压力表组、漏气测试器、制冷剂罐注入阀、制冷剂管割刀、管夹和扩口工具等）、真空泵、制冷剂注入阀、空调系统检修专用阀、检漏仪等。
2、汽车空调的常用的诊断方法
观察法：诊断汽车空调系统，可以先观看干燥过滤器视镜中制冷剂的流动情况，若流动的制冷剂中带有气泡，说明制冷剂不足，需添加制冷剂至适量。若视镜是透明状的，说明制冷剂添加过量了，需放出过量的制冷剂至适量。若视镜中偶尔能看到少量气泡，说明制冷剂适量。
聆听法：诊断汽车空调系统，可以通过耳朵聆听空调系统中的异响，通过异响声源判断发生故障的部位。若听到空调压缩机有刺耳的噪音，说明空调压缩机电磁离合器磁力线圈老化，因而导致电磁力不足，离合片磨损间距过大而发出异响或者是因空调压缩机皮带松紧不当而引起异响。若压缩机在运转过程中能听到液击声，说明制冷剂添加过量了，需放出过量的制冷剂至适量，或者膨胀阀开度过大。
仪器诊断法：诊断汽车空调系统，可以用空调专用检漏仪检查空调系统各管道接口处是否遗漏制冷剂。
压力诊断法：诊断汽车空调系统，可以用歧管压力表分别接在充注阀上，然后打开风速开关，温控开关至最高档，并保持发动机转速为2000r/min，若高压端的压力均在1.30至1.60MPa之间，低压端压力均在0.115至0.22Mpa之间，说明空调系统正常，反之说明空调系统有故障。
六、汽车空调的常见故障
1、故障现象：丰田卡罗拉开空调，空调系统不工作，空调压缩机不吸合。
案例分析：制冷剂泄漏
检修方法：检查空调系统管路的接口处，找出泄漏制冷剂的零部件，更换损坏的零部件后，然后对汽车空调系统进行抽空，加压至汽车空调标准的气压，放置一段时间后，通过观察歧管表示数变化来判断空调系统的气密性，确定汽车空调系统无泄漏后，按汽车空调系统规定的充注量加注制冷剂，故障即可排除。
2、故障现象：大众桑塔纳开空调，空调系统不制冷，空调压缩机吸合，但高压压力没有变化，低压压力过低。
案例分析：膨胀阀堵塞，制冷剂无法循环。
检修方法：更换膨胀阀，然后对空调系统进行抽空，加压至汽车空调标准的气压，放置一段时间后，通过观察歧管表示数变化来判断空调系统的气密性，确定汽车空调系统无泄漏后，按汽车空调系统规定的充注量加注制冷剂，故障即可排除。
3、故障现象：本田飞度开空调，空调系统制冷效果不佳，高压压力和低压压力均偏高。
案例分析：空调压缩机润滑油加注过多或制冷剂加注过多。
检修方法：重新回收加多的空调压缩机润滑油或过多的制冷剂至适量，然后对空调系统进行抽空，加压至汽车空调标准的气压，放置一段时间后，通过观察歧管表示数变化来判断空调系统的气密性，确定汽车空调系统无泄漏后，故障即可排除。
4、故障现象：日产天籁开空调，空调系统工作正常，但工作一段时间后，制冷效果不佳，高压压力和低压压力均偏低。
案例分析：汽车空调管道接口处轻微泄漏制冷剂。
检修方法：重新将各管道接口处拧紧，然后对空调系统进行抽空，加压至汽车空调标准的气压，放置一段时间后，通过观察歧管表示数变化来判断空调系统的气密性，确定汽车空调系统无泄漏后，按汽车空调系统规定的充注量加注制冷剂，故障即可排除。
5、故障现象：大众捷达开空调，空调系统制冷效果不佳，出风口温度过高，低压压力偏高，且空调压缩机还伴有碰击声。
案例分析：膨胀阀损坏。
检修方法：更换膨胀阀，然后对空调系统进行抽空，加压至汽车空调标准的气压，放置一段时间后，通过观察歧管表示数变化来判断空调系统的气密性，确定汽车空调系统无泄漏后，按汽车空调系统规定的充注量加注制冷剂，故障即可排除。
6、故障现象：别克君威开空调，空调系统高、低压压力偏高，压缩机排气管温度过高。
案例分析：空调系统管内混有空气。
检修方法：重新回收空调制冷剂，然后对空调系统进行抽空，加压至汽车空调标准的气压，放置一段时间后，通过观察歧管表示数变化来判断空调系统的气密性，确定汽车空调系统无泄漏后，按汽车空调系统规定的充注量加注制冷剂，故障即可排除。
7、故障现象：宝马730Li开暖气，空调系统不采暖。
案例分析：热水阀损坏。
检修方法：更换热水阀，故障即可排除。
8、故障现象：奔驰S500开暖气，空调系统采暖温度偏低。
案例分析：节温器损坏或节温器被拆除。
检修方法：检查节温器的使用情况或重新安装节温器。
七、总结
随着我国汽车工业的高速发展，汽车空调级大地改善了汽车的乘坐环境，提高了汽车的舒适度。随着汽车空调系统的完善，对汽车空调的维修人员的技术要求日显苛刻。本文系统地介绍了汽车空调系统的结构、工作原理和检修方法，内容包括汽车空调系统的技术发展和基础知识，以及制冷系统、采暖系统的组成和原理，希望能帮助学**动手解决常见空调故障的汽车空调维修人员。
