相關知識

一、汽車空調技術的發展

汽車空調技術的發展經歷了由低級到高級、由單一功能到多功能的5個階段，如表1-1所示。

二、汽車空調的定義

汽車空調即車內空氣調節裝置，是指對車內空氣的溫度、濕度、流速及清潔度進行調節控制的裝置。

汽車空調已成為現代汽車的標準配置。隨著人們生活水平的提高，私家車得到了普及，人們對汽車舒適性的要求也越來越高，而汽車空調就是汽車舒適性的重要標志之一。

三、汽車空調的功能

舒適性是人對車內空氣的溫度、濕度、流速及清潔度等指標的綜合感覺。汽車空調的基本功能是在任何氣候條件下，將車內空氣調整到對人體最適宜的狀態，改善駕駛員和車內乘員的舒適性。因此，汽車空調的功能包括調節車內空氣的溫度、濕度、流速及清潔度等，具體內容如表1-2所示。

四、汽車空調的特點

與室內空調相比，汽車空調的主要特點如表1-3所示。

五、汽車空調系統的組成

汽車空調系統一般由制冷系統、采暖系統、通風系統、操縱控制系統（控制電路）及空氣凈化系統組成。

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1. 制冷系統

（1）作用

制冷系統的作用是對車內或由外部進入車內的新鮮空氣進行冷卻和除濕，使車內空氣變得涼爽、舒適。

（2）組成

制冷系統主要由空調壓縮機、冷凝器、蒸發器、孔管或膨脹閥、儲液干燥器、高低壓管、鼓風機、控制電路等部分組成，如圖1-1所示，各部分之間采用銅管（或鋁管）與高壓橡膠管連接成一個密閉系統。

2. 采暖系統

（1）作用

采暖系統的作用是對車內或由外部進入車內的新鮮空氣進行加熱，達到取暖和除霜的目的。

（2）組成

采暖系統是由加熱器、熱水閥、水管、發動機冷卻液等組成的，如圖1-2所示。

1—加熱器；2—發動機進水管；3—熱水閥；4—發動機出水管；5—預熱管

3. 通風系統

（1）作用

通風系統的作用是將車外的新鮮空氣引入車內，達到通風和換氣的目的。

（2）組成

通風系統用于控制駕駛室內冷、熱風的流動方向，還可以保證新鮮空氣不斷地進入車內，使車內污濁的空氣排到車外。

通風系統一般由進氣模式風門、鼓風機、混合氣模式風門、氣流模式風門、導風管、出風口等組成。車內或車外未經調節的空氣，經鼓風機作用送至蒸發器或熱交換器（暖風加熱器芯）處，被調節成冷空氣或暖空氣的空氣流，根據風門模式伺服電動機控制風門開啟角度而流向相應的出風口，如圖1-3和圖1-4所示。一些車型在駕駛室內的后排也有通風口。

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4. 操縱控制系統

（1）作用

操縱控制系統的作用是對制冷系統、加熱系統及通風系統的工作進行控制，同時對車內空氣的溫度、濕度、流量等進行調節，保證空調系統正常工作。

（2）空調控制電路

空調控制電路包括點火開關、A/C開關、電磁離合器、鼓風機開關及調速電阻器、各種溫度傳感器、制冷劑高低壓力開關、溫度控制器、送風模式控制裝置、各種繼電器等，如圖1-5所示。

控制電路主要是根據各種溫度、壓力、轉速等信號，通過電磁離合器控制空調壓縮機的工作。

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（3）空調系統操作機構（控制面板）

①手動空調系統操作機構。手動空調系統操作機構如圖1-6所示，功能如表1-4所示。

A/C—空調開關；S1、S14、S207—熔絲；J220—發動機控制單元（ECU）

1—溫度旋鈕；2—鼓風機旋鈕；3—空氣分配旋鈕

②自動空調系統操作機構。自動空調系統操作機構如圖1-7所示。功能如表1-5所示。

1—溫度旋鈕；2—鼓風機旋鈕；3—空氣分配旋鈕；4—顯示設定的車廂內溫度

5. 空氣凈化系統

（1）作用

空氣凈化系統的作用是對車內空氣中的塵埃、臭味、煙氣等進行過濾，保證車內空氣清潔。

（2）組成

高級轎車裝備有炭罐、空氣濾清器和靜電除塵式凈化器等一套較完整的空氣凈化系統，但在普通型轎車中，空氣凈化的任務則由蒸發器直接完成。

六、熱力學基礎知識

1. 溫度

溫度是物質冷熱程度的量度，其大小反映物質內部分子無規則熱運動的程度。物質的溫度只是表示熱的程度而不是熱的量。溫度的高低程度可用溫度計來測量，測量溫度的標尺稱為溫標。工程上常用的溫標有攝氏溫標、華氏溫標和熱力學溫標3種，如表1-6所示。

表1-6　工程上常用的溫標

3種溫標的關系如下：

2. 濕度

我們日常生活中的空氣是由干空氣和水蒸氣組成的混合體，該混合體稱為濕空氣，習慣上把濕空氣稱為“空氣”。這是由于我們居住的地球表面大部分都是海洋、湖泊和江河，每時每刻都有大量的水分蒸發到大氣中去，使大氣成為干空氣和水蒸氣的混合體。

（1）絕對濕度

濕度用來表示空氣的干燥程度。1m3濕空氣中所含水蒸氣的質量，叫空氣的絕對濕度，用rW表示。絕對濕度只能說明濕空氣在某一溫度下實際所含水蒸氣的質量，但不能說明濕空氣的吸濕能力。因此，采用濕空氣的相對濕度來說明空氣的潮濕程度，或說明空氣接近飽和的程度。

（2）相對濕度

相對濕度就是濕空氣中實際所含的水蒸氣量與同溫度下飽和濕空氣所含的水蒸氣量的比值，用ψ表示，即

式中：rW——空氣的絕對濕度；

rS——飽和濕空氣的絕對濕度；

pW——空氣中水蒸氣的分壓力；

pS——飽和濕空氣中水蒸氣的分壓力。

ψ值越小，表示濕空氣離飽和狀態越遠，空氣越干燥，還能吸收更多的水分；反之，若ψ值越大，則表示空氣越潮濕，吸收水分的能力越差。當ψ=0時，則為干空氣；當ψ=100％時，則為飽和空氣，再也不能吸收水分了。相對濕度是檢驗空調效果好壞的重要參數之一。

3. 壓力與真空度

物體單位表面積上所受的垂直作用力稱為壓力，物理學上稱為壓強，常用p表示，在國際單位制中壓力的單位為N/m2，也稱為帕斯卡，簡稱帕（Pa）。

地球表面包圍著一層很厚的空氣層，我們稱它為大氣層，大氣層對地球表面物體單位面積上所產生的壓力稱為大氣壓力（簡稱大氣壓）。我們把在地球緯度45°、溫度為0℃時，大氣對海平面的壓力稱為標準大氣壓，它相當于101.325kPa。

在工程上有時采用kgf/cm2作為壓力單位，亦稱為工程大氣壓。英、美等國則采用lb/in2作為工程上的壓力單位。

4. 汽化與冷凝

（1）汽化

物質由液態變為氣態的過程稱為汽化。汽化過程為吸熱過程。1kg液體轉變為氣體需要的熱量（單位為J或kJ），稱為該物質的汽化熱。不同的物質有不同的汽化熱。

汽化過程有兩種形式，即蒸發和沸騰。雖然這兩種情況都是物質由液態變成氣態的過程，但是兩者是有區別的。一般說來，蒸發在任何壓力、任何溫度情況下都隨時進行著，而且只發生在液體表面。而沸騰是在一定壓力下，只有溫度達到與此壓力相對應的溫度時才能發生，而且從液體內部產生大量蒸氣，沸騰時的溫度稱為沸點。

在空調制冷系統中，制冷過程主要是利用制冷劑在蒸發器內不斷吸收周圍空氣的熱量進行汽化的過程。制冷時制冷劑在蒸發器中通常是以沸騰的方式進行的，但習慣上稱為蒸發過程，并把沸騰時的溫度稱為蒸發溫度，沸騰時所保持的壓力稱為蒸發壓力。

（2）冷凝

物質由氣態轉變為液態的過程稱為冷凝。冷凝過程一般為放熱過程。

在汽車空調制冷系統中，制冷劑在冷凝器中由氣態變成液態的過程就是一個冷凝過程。制冷劑在冷凝器中由氣態變為液態時的溫度稱為冷凝溫度。在冷凝過程中釋放出的熱量由冷卻空氣帶走。

5. 飽和溫度與飽和壓力

如果對制冷劑加熱，則其中的一部分液體就會變成蒸氣；反之，如果制冷劑放出熱量，則其中的一部分蒸氣又會變成液體（溫度不變）。在這種制冷劑處于液體和蒸氣共存的狀態時，液體和蒸氣是可以彼此轉換的。處于這種狀態的制冷劑蒸氣稱為飽和蒸氣，這種狀態下的制冷劑液體稱為飽和液體。飽和蒸氣的溫度稱為飽和溫度；飽和蒸氣的壓力稱為飽和壓力。

通常所說的沸點都是指液體在一個大氣壓下的飽和溫度。對于不同的液體，在同一壓力下，它的飽和溫度是不同的。不同液體在一個標準大氣壓下的沸點如表1-7所示。

6. 熱的傳遞

熱從一處傳遞到另一處的現象稱為熱的傳遞。熱的傳遞方法有傳導、對流及輻射3種，具體特點如表1-8所示。

表1-8　熱的傳遞方法

7. 顯熱與潛熱

物體受熱，溫度就會上升，溫度上升到一定程度物體狀態就會發生變化。冰加熱后融化成水（固體→液體）；水加熱，溫度上升到100℃開始沸騰汽化（液體→氣體），這時即使繼續加熱，溫度也不再升高。

物質在吸熱過程中只發生溫度變化而不發生形態變化，這一過程所吸收的熱量稱為顯熱；物質在吸熱過程中只發生形態變化而不發生溫度變化，這一過程所吸收的熱量稱為潛熱。

8. 制冷能力與制冷負荷

（1）制冷能力

制冷機就是把熱量不斷地從低溫物體轉移給高溫物體的裝置。制冷能力的大小是以單位時間內所能轉移的熱量來表示的，單位為J/h。

（2）制冷負荷

為了把汽車內部的溫度和濕度保持在一定的范圍內，必須將來自車外太陽的輻射熱和車內的熱量排到大氣中去。這兩種熱量的總和稱為制冷負荷。

由于汽車制冷負荷受到車身形狀及外界大氣溫度、濕度、車速等客觀條件和乘員數量的影響，因此，汽車空調系統的制冷負荷較大。

9. 熱力學基礎知識在汽車空調制冷系統中的應用

（1）汽車空調壓縮機將制冷劑壓縮，升高制冷劑壓力，使其達到飽和蒸氣溫度，并進入冷凝器進行降溫液化。

（2）在冷凝器中，冷凝器風扇將制冷劑降溫，使制冷劑溫度達到飽和蒸氣溫度以下而液化，放出大量的液化潛熱，并排入大氣中。

（3）制冷劑經管道和干燥器，進入膨脹閥，膨脹閥將制冷劑節流降壓，使制冷劑達到飽和蒸氣壓力，并進入蒸發器進行汽化。

（4）汽化的制冷劑在蒸發器中吸收大量的汽化潛熱，將蒸發器周圍的空氣溫度降低，低溫空氣在鼓風機的作用下，循環流入駕駛室，以降低駕駛室的空氣溫度。

（5）同時，蒸發器外表面溫度降低，當低于空氣中水蒸氣的飽和蒸氣溫度時，水蒸氣液化成水排出駕駛室，使駕駛室濕度降低，達到除濕效果。

七、制冷劑

1. 制冷劑的定義

在制冷系統中，用于轉換熱量并且循環流動的物質稱為制冷劑，罐裝和鋼瓶裝制冷劑如圖1-8所示。

2. 制冷劑的循環

汽車空調制冷系統是利用壓縮機使制冷劑循環流動實現制冷的。液態制冷劑在蒸發器中吸取熱量而汽化，使蒸發器表面得到降溫；然后，制冷劑又在高溫下把熱量傳給冷卻空氣而冷凝成液體。如此不斷循環，借助于制冷劑的狀態變化，達到制冷的目的。

3. 制冷劑的類型

制冷劑的種類很多，理論上只要能進行氣液兩相轉換的物質，均可作為制冷系統的制冷劑。目前汽車空調制冷系統使用的制冷劑，通常有R12和R134a兩種，其中，英文字母R是Refrigerant（制冷劑）的簡稱，其數字代號使用的是美國采暖、制冷與空調工程師協會（ASHRAE）編制的代號系統。

目前，能開發出符合制冷效率高且對環境沒有污染要求的制冷劑很困難，現在使用的制冷劑R134a只是R12的替代品，其排放物產生的溫室效應仍然對環境有較大的危害。

4. 制冷劑的特性

（1）R12制冷劑的特性

車用空調中曾廣泛使用R12制冷劑，分子式為Cl2CF2，化學名稱為二氯二氟甲烷。R12是一種易于制造、原料來源豐富、價格相對低廉且可以回收重復使用的制冷劑。只是它對大氣臭氧層有很強的破壞作用，危害人類的健康和生存環境，引起地球的溫室效應，因此，已經被制冷劑R134a所替代。但目前還有少部分2000年以前生產的在用車輛，其空調系統的制冷劑仍為R12。

（2）R134a制冷劑的特性

我國于1996年起，開始使用R134a作為汽車空調的制冷劑，到2000年全部使用R134a。

R134a制冷劑的分子式為CH2FCF3，是鹵代烴類制冷劑中的一種，R134a制冷劑與R12制冷劑相比，其相對分子質量、沸點、臨界參數、飽和蒸氣壓和汽化潛熱等，均與R12相近，具有無色、無臭、不燃燒、不爆炸、基本無毒的特性。

（3）R134a空調系統與R12空調系統的區別

R134a空調系統與R12空調系統的區別如表1-9所示。

5. 制冷劑的使用注意事項

使用制冷劑的注意事項如表1-10所示。

八、冷凍油

1. 冷凍油的作用

冷凍油也稱為冷凍機油、冷凍潤滑油，是制冷壓縮機的專用潤滑油，它保證壓縮機正常運轉、可靠工作，并延長其使用壽命，如圖1-9所示。

冷凍油的作用如表1-11所示。

2. 對冷凍油的性能要求

冷凍油在空調制冷系統中完全溶于制冷劑，并隨制冷劑一起在制冷系統中循環。因此，冷凍油工作在高溫與低溫交替的條件下。為保證其工作正常，對冷凍油提出以下性能要求，如表1-12所示。

3. 冷凍油的使用及性能檢查

冷凍油的使用及性能檢查如表1-13所示。

4. 冷凍油的牌號

按黏度不同，國產冷凍油牌號有13號、18號、25號和30號4種，牌號越大，其黏度也越大。進口冷凍油有SUNISO 3GS、SUNISO 4GS、SUNISO 5GS 3種牌號。目前，汽車空調制冷系統通常選用國產18號和25號冷凍油，或進口SUNISO 5GS冷凍油。