国外汽车空调系统技术发展趋势
《制冷学报 120o2年第 4期
国外 汽 车 空调 系统 技 术发 展 趋 势
陈江 平
(上海 交通 大 学 制冷 与低温 工 程研 究所 上 海 200030)
摘 要 近 年来 ，环 保 和能 源 问题成 为 世界 关 注的 焦点 ，也 成 为 影 响 汽 车业 发 展 的 关 键 因 素 ，各 种 替 代 能 源 动 力车 的
出现 ，为 汽车 空调 业 提 出了新 的课 题 与挑 战 。结合 国际汽 车空 调学 会 (MAcs)、美 国汽 车工 程 师 学会 (sAE)和 美 国环
境 保护 机 构 (os~ a)对 汽车 空调 业 的有 关政 策 ，对 国外 汽 车空 调 系统 技 术 的 发展 趋 向进 行 了讨 论 ，以期 为 国 内汽 车
空调 制造 业 的同行 们 提供 参考 。
关键 词 市政 工 程 环境 保护 综述 汽车 空调
Technique development tendency of the internation al automotive air——conditioning system
Abstract Environm ent— protection and energy problems have attracted the attention of the world，and becom e a jm —
portant role in the developm ent of autom otive industry．The new ly de ve loped powertrain vehicle take chances and chal—
lenges to the automotive air—conditioning system．In this paper，Police s of MACS(M曲 ile Air Condition Society)，EPA
(Environmental Protection Agency’S)and SAE(Society of Automotive Engineers)are summarized to give reference to
Chinese colleges．
．
Kew ~orde -City planning enginee ring，Environm ent protection，Sum marize，Automotive air—condition．
1 汽车 空调 系统在 汽车中的重要性 日益突 出
国际汽 车市场竞 争 日趋激烈 ，为获 得市场 ，生产
出价廉 、安全 、舒适 和低排放 的汽 车是 各大汽车生产
商的努力 目标 ，汽 车制造 商不 断地 根 据用 户 的要求
更新汽车设计 ，并 期望通 过利 用 新技 术来 提供 更好
的性能 ，而是否需 要增加 成本 则 主要 取决 于获 得 的
利 益(如环保 )是否足 以补偿 。
汽车空调 系统作 为影响汽车舒适性 的主要总成
之 一 ，为汽 车提供 制冷 、取 暖 、除霜 、除雾 、空气 过 滤
和湿度控 制功能 ，汽 车空 调 系统 已成 为汽 车市场 竞
争的主要手段 之一 。其 中 ，采 暖 系统 可使乘 员避 免
过量着装 、为车窗提供除雾 和除霜功能 ，提供舒适性
和安全服务 ；冷气 系统则通 过制冷 、除湿来提供舒适
性 ，通 过使司机保持警醒 、允许关 窗等措施提供 了安
全服务 ；采 暖和 冷气 系统 还 可提 供 除 尘 、除臭 的功
能 。这些功 能 已成为车辆必不 可少 的要求 。虽 然 目
前轿 车的燃油余热足够提 供轿 车 内的采 暖和 除霜的
需要 ，但 近期研 制 的高效汽油 、柴油发 动机 的余热会
进一步减 少 ，电动车 和混合 动 力车则 不 得不牺 牲 驱
动性 能来提供采 暖和制 冷 ，因此必 须通 过提 高 汽车
空调系统 的效率来减 轻汽车 的动力 负担。
对 于新一代 的环保 型 汽车 ，如 电动 、混合 动力 、
一 30 一
燃料 电池 和其它 的低 排 放车辆 ，由于本 身 动力 远小
于传统 动力 车辆 ，能够 提给 空调 系统 的动 力极 为有
限。拥有一套 节能 高效 、性 能可靠 的空调 系统 对开
拓市 场至关 重要 。
2 评价汽车 空调 系统性 能的 LCCP
汽车动力 的更 新 和新技 术 的应用 ，对汽 车空调
系统提 出了新 的挑战 ，也 给许 多新技 术 的应 用创 造
了机会 。“蒙特利尔议 定 书”规 定 ，原来 在 汽车 空调
系统使用 的工 质 CFC12，在发 达 国家 的使用 已经在
1996年停 止 ，在 发展中国家则在 2O06年停止 。 由于
各方 面的努力 ，CFC12已逐渐被 HFC134a所取代 ，我
国从 2001年 1月 1 13起 已禁 止 在新 生产 的车辆 中
使用 CFC12为工质 的汽 车空 调。HFC134a具有 ODP
(大气臭氧层 破坏指 数 )为零 、C,WP(温 室效 应指数 )
为 CFC12的六分之 一 、不 可燃 、低 毒性 、制冷 量和 系
统性 能与 CFC12相 当等优 点 ，因而作 为 “过渡性 ”的
替代工质在世界 范 围内得 到认 可 ，但 由于它 的温 室
效应指数 仍 然较高 (为 co，的 1300倍 )，已列 入“京
都协议 ”规定 限制发展 的工质范畴 。
为准确 评 价 新技 术 在 汽 车 空 调业 的应 用 可行
性 ，国际汽车空 调学 会 (M_ACS)、美 国汽 车工 程师 学
收稿 日期 ．'2002年 03月 04日
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《制冷学报 >>2oo2年第 4期
会 (sAE)和美 国环境 保 护机 构 (u．S．EPA)合作 ，并
提出汽车空 调 “生命循 环 气 候 指数 ”(n Cycle Cli—
mate Performance，简称 LCCP)的概 念 ，来 评 价 汽车 空
调系统工质及燃 油消耗等综合指数 ，所谓“生命循 环
气候指数 ”包括 了从产 品生产 、使 用的原 材料和部件
到废 品处理所 造成总 的直接 和间接排放 。
汽车空调 运行引起 的温室气 体排放量约 占汽车
排气 管排 放量 的 2％ 10％，随 着 高性 能 发动机 的
使用 ，这一 比例逐 渐 变大 。 目前使 用 汽 车空调 在总
的温室气 体排 放 中所 占 比例仍 很 小 。在美 国 ，EPA
统计 的汽车空调引起 的温 室气体排放约 占全球 温室
气体排 放的 0．1％。
温室气 体 排 放 发 生在 汽 车 生命 周期 的每 一 阶
段 ：生产 、使用 、回收处理 。LCCP表示从 生产到 回收
的排放量 ，包括零部件材料 使用的能量造成 的排放 。
LCCP概 念 比原 先 使 用 的 “TEWI”概 念 更 为 科 学 。
“TEWI”只包括 了制 冷剂 的直 接排 放 和 系统 运行 能
耗造成 的间接 排放 ；LCCP还包 括 了制造零 部 件 、制
冷剂 消耗 的能量 、替换 及服务耗能 。
3 减 少直 接或 间接排放 的手段
温室气体 的直接 和间接排放量依赖 于空调系统
及其 零部件 的设计 水平 和产 品质 量 ，同时跟 车辆运
行环境 的温度 和湿度 有关 。对 一定 的制冷 剂 ，直 接
排放率主要受 系统 工作 压力 影 响 ，而环 ：毙温 度 和压
缩机输入功率 又决定 了制冷系统 的工作 压力 。问接
排放 主要 由生产 系统 所需 的能 量 、保 证 一 定舒适 性
所必须提供 的冷 量及制冷系统 的效 率决定 。在某些
环境下 ，燃料消耗 引起 的 间接排 放远 远 大于制 冷剂
泄漏 引起 的直接排放 量 ，尤其 是 在报废 之前使 用制
冷剂 回收装置 。而在某些气候 条件下 因为很 少使 用
空调 ，直接排放 则是 LCCP的主要部分 。
减少直接排放 的措施 ：
1)在维修 和 车辆 报废 时 使用 制冷 剂 回收和 再
利 用设 备 。
2)改进零部件 质量减少 泄漏 ，降低软 管汇漏 率
并尽可能减少软管 长度 ，改进 管路 接头 ，在 可能 的情
况用 “全 封 闭 ”的结 构 代 替 开 启 式 压 缩 机 的轴 封 。
Hutchinson公 司开发 的新 型车 用制冷 系统 双 端 面密
封接头 的泄漏量与单“O”型圈密封 接头 的 比较 。在
127oC，3．2MPa表压 下 ，30天 的泄 漏测试结果 表 明新
型 的泄漏 量减少 了 80％。
3)减少 制冷剂 充注量 。
4)改用低 GWP值 且蒸 汽 压 力适 当、渗 透 率较
小 的制冷剂 。
减少燃料 消耗 引起 的间接排放 ：
1)通 过 增 加 车 厢 隔 热层 厚 度 、改 善 车 厢 密 封
性 、减少玻璃传热 (如采用光线选择性 玻璃 、隔热膜)
等措施减 少车厢热负荷 。
2)进行压缩机 容量 调节 ，减少 过度制冷后 再加
热 而引起 的能量损耗 。如 日本 电装开发 的电控变排
量压缩机用 电磁 阀代替 原有变排量压缩机 的气 动阀
(图 1)，使压缩 机输 气 量可 在 0—100％范 围连 续调
节 ，这种 结构 不仅节 能 ，而 且不 必安装 离合 器 ，因而
减轻 了压缩机 的质量 ，并 大大提高 了系统可靠性 。
制 冷
制 冷
图 1 日本 电装开 发 的电控 变排 量 压缩 机
图 2 高 效 的过冷 式 冷凝器
贮 液 器
3)通过控 制 、减少摩擦 、蓄 热 、改 善传热等 措施
来 提高系统零部 件的能源利用效率 。如 图 2为过 冷
型冷凝器 ，该换 热器将 传 统 的冷凝 器 、贮液 器 、干燥
过滤器和过冷 器合成一 体 ，可确 保 节流 阀前 的过 冷
度而提高效率 ，且 因减小 了贮 液器 的 内容积 而可 减
少制冷剂充 注量 。
4)使用高效率零部件 以减轻质量 。
5)采用新 的 系统或 新 的制 冷剂 来 达到 更佳 的
LCCP值 ，并提供令人满 意的加热 、冷 却 、除霜 、除湿 、
除雾 和湿 度控制性能 。
如一般车辆在冬季将外 部空气经加热 器引入 车
室 内除雾 (新 风模式 )时 ，同样量 的热风被排 出车外 ，
因此造成 采 暖 负荷 的 70％ 的热量 损 失 了 。 日本 电
装开发 的内外 空气 双层循 环系 统 (图 3)，只将 加 热
后 的外部热空气 引入 车室 顶部 ，而 使室 内空 气在足
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部循 环 ，这样可 减少 一 半 的热量 损失 。而在 夏季 这
种通风方式约可节 约 40％的动力 。
热 风 在地 板上 方 循 环
图 3日本 电装 公 司 的双层 内外 空气 循 环
4 未来新型 动力车可能使用的 空调 系统
汽车 动力系统 的环保设计对 市场 的影响要远远
大 于汽车 空调系统效 率对 客户 的影 响 ，然 而对 于能
源利 用效 率最高 的电动 、混合动力 、燃料 电池及低排
放 汽车 ，它们是否 能被 用户 接受 却往 往依 赖 于是否
拥 有效率更高 的采 暖和空 调 系统 。例 如 ，单 用 电力
制冷和采暖可使 电动车和燃料 电池车 的可行 驶里程
减少 50％以 上 ，以至连 典 型城 市 交 通都 难 于适 应 。
对于 日益开拓 的家用轿 车市 场 ，微 型车 用 于空调 的
能量少 于普通 车辆 ，但这 部分 能量 在小 功率 发动 机
的输 出功中 占的 比例却不小 。
由于国际社 会 的共 同努力 ，在 全世 界 范 围 内实
现 CFC12到 HFC134a替 代 的速度 和 花 费 比各公 司
单 兵作战要小得多 。如果新 的技术能够在全球 范围
内被接受 ，则 可 能 有 同样 的好 处 ，但 是 不 可 避免 的
是 ，有些新 的设计 只在 某些 气候 条件 下或 某些 特殊
市场规则下才有优 势。因此在全球范 围内可能存在
多种技术选择 。
目前带空调 的汽 车一般 在湿 度控 制 功能 ，空气
通过冷却除湿后再 被 加热 到一定 的温度 ，以控制 车
窗除雾并保证乘 客舒 适性 。这一 点在 新的系统设计
中可能会遇 到挑 战 ，例如 在 电动汽 车 中使用 热 泵型
空调供 暖 ，能够提 高能源利用率 ，但要 同时实现湿度
和温度 的控 制却很 困难 。
未来新 型 空调 系统 的开发 必 须 与 汽 车 开发 同
步 ，以适应新 的变化 ：如发 动机 效率 提 高 (余热 量减
少)、电气 化 、混合 驱动 动力 及其 它新 型零 部件 使用
后 导致空调系统特性 的变化。
1)．汽车 电气化 日益 加强
新型 的电子元 件如加热座椅 、娱乐 系统 、电子导
航等在 汽车上的应用 日渐广泛 ，为 了适应这些技术 ，
汽车生 产商 正在 拟 转 向 42V系统 。采 用 高 电压 系
一 32 一
统后有可 能去除皮带驱动 的系统 ，如发 电机 、空调压
缩机 、水泵及动力 转 向泵等 。这使 在 汽车 空调 系统
中应用全封 闭压缩机 成 为可 能 ，并 且 只要 发动 机舱
内靠 近仪表盘 的部分 在 足够 的空 间 ，就有 可能 用金
属管代 替软管 ，从而大大降低制冷 剂泄漏 。
2)．电动车及一些混合 动力车需要负荷调度
电动车和一些混 合驱动车为 了达 到高效 和减少
温室气体排放 的 目的 ，以尽 量 少使 用燃料 来满 足 动
力要求 。例如 ，一些 混合 驱动 车在 发动 机模 式时 利
用 多余动力对 电池充 电 ，当 电池充 电完 成 时则切 向
电动模式 。相应地空 调 系统 的设计 面 临新 的挑 战 ：
因为无论发 动机模式 和 电动模 式时都 需要 空 调 (或
采暖)。
丰 田混合动力车 为了节约燃料设计成在发动机
模 式和电动模式 中间来 回切换 ，只在 发动 机模 式下
开启空调 ，因为空调 的压缩 机 由发 动机 通过皮 带 驱
动 ，发 动机必须运行 以产生热量 ，在汽车 临时停 车或
持续减速时切换到 电动模式一只有在需要 空调 时才
开启发动机 。本 田的混合驱动车有一个小 汽油发动
机 ，与电动马达并 行 以补充 动力 。本 田采用 独特 的
“经济 模式”使 发动机 阶段性 地 怠速 运行 ，以确保 车
室 内保持在舒 适 的温度 。在空调 (或采暖 )负荷较大
时 ，需要保持发 动机连续运转 ，以确保 舒适性 。
3)．新的零部 件技术可减少 空调或采暖负荷
增 强车身隔热 、改进 门封结构 、玻璃镀层和其它
新技术的应用都 可减少 车室 热 负荷 ，从 而减少 用于
空调或采暖 的能耗而减 少温室气体排放 。
5 技术选择
至少有六种 方案可减少汽车空调 系统的温室气
体排放 量 ，三种 方 案是 改 进 现 在 I-IFC134a系统 ，三
种方案 是采 用新 的制 冷剂 ，每 一个 方 案都 有其优 缺
点 。
方案一 ：改进 I-IFC134a系统的维修和处理环节
在 维 修 和 报 废 空 调 系 统 时 回 收 和 再 利 用
HFC134a，以减 少 直接 排 放 对气 候 的影 响 。这 一 方
案需要 国家法律 保证 。据估计 发 达 国家 在 1～2年
内的 回收率可达 90％ ，而发 展 中国家 的实施则 需要
2～3年时间 。
方案二 ：改进 HFC134a系统
这一方案通 过改进 传统 的 I-IFC134a系统 ，减 少
系统充注量 、提高 部件 品质 来提 高 系统效 率 。与制
冷剂 回收相结合 ，这 一 方案 的收益 最 高。估计 改进
后的 I-[FC134a系统 会 在 1—3年 实施 。Visteon[3 对
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其传统 HFC134a系统进 行 了改造 ，以变排 量压 缩机
取代原有 170ee的旋 转 斜盘 式 压缩 机 ，以同样 换热
面积 的过冷式冷凝器 代 替原 平行 流冷 凝器 ，以 同样
换热面积 的挤压管 蒸发 器代 替原 层叠 式蒸 发 器 ，以
1．5冷 吨的热力膨胀 阀取代 原 系统 中采用 的节 流短
管 ，新 系统 同时采用 了新型软管 和接头 ，使 制冷剂泄
漏分 别 减少 78％和 88％。新 系统 的充 注量下 降 了
18％ ，而系统 CoP则提高 了 32％。
方案三 ：全封闭 HFC134a系统
这一方 案 是采 用 全 封 闭 的 HFC134a系统 及 制
冷剂 回收技术 ，其实 施 时 间依 赖 于 电动 汽车投 入市
场 的时间和市场 占有率 ，据估 计至少 需要 4～5年 时
间。全封 闭系统在 固定 空调 中的使用 已经 很成 熟 ，
在汽 车上 的使用没有大 的技 术障碍 。这种 系统对 目
前 正在开发 的传统 内燃 机汽车高 电压 系统和未来 的
电动 、混合 驱动车都非常有吸 引力 。
方案 四 ：在改进 的系统 中使用碳 氢制冷剂
汽车生产商 和供应 商们在 正研 制使用 碳氢为制
冷剂 的汽车空 调系统 ，尤 其是 采用 载 冷剂方 式 降低
可燃性危 险的两级系统更有 吸引力 。1999年 Delphi
开发 了带 两级 冷 却循 环 的碳 氢 系统 (图 4)，并 在凤
凰城会议上 与 HFC134a系统进 行 了 比较 ，但新 系统
的效 率和可靠 性仍有待进一 步 的研究 。在汽车中使
用可燃制 冷剂必须 经过 大量 工程 验证 和测 试 ，而 且
在 商业 化 以前必须经过 制订标准 、维修程序 、生产和
技 工培训的过程 。但这一 方案与封 闭系统和二氧化
碳 系统相 比没有大 的技 术障碍 。据估计 在第一辆车
上装这种可燃工 质约需 4～5年 。
图 4 DFAPHI的两级 碳 氢车 用空 调 系统
方案五 ：在改进 的系统 中使用 低 GWP值 的 HFC152a
制冷剂
采用载 冷 剂 方 式 的 两级 HFC152a系统 也在 研
制 中 ，HFC152a的燃烧 热 约 为丙 烷 的 2／3，因而 可燃
性 比丙烷小 ，但与碳氢制 冷剂一样 ，HFC152a在汽车
空调系统 中的使 用也 必 须 经 过大 量 工程 验 证 和 测
试 ，而且在 商业 化 以前 必须 经 过 制 订 标 准 、维 修 程
序 、生 产和技 工培 训 的过程 。其 实 际应 用估 计 也在
4～5年 以后 。
方案六 ：超临界 的二氧化碳 系统
目前 ，全球各 大汽 车生 产 厂和零 部件 供应 商 都
在开发超临界 的二 氧化碳 汽车空调 系统及相应 的零
部件 。超 临界 二 氧化 碳 系统 与 HFC134a相 比有 潜
在的能源效率优势 ，且工 质的 GWP值在所有 工质 中
最低 ，1999年在美 国凤凰城 SAE会议 上 的实车测 试
结果表 明(图 5)，装 载在 中型汽 车 上 的几 台欧 洲 和
日本开发 的二 氧化碳系统样机性 能均 已达到或超过
HFC134a系统 ，而 日本 的一家 装在 微 型车 上 的系统
性 能 比 HFC134a系 统 要 差 。 二 氧 化 碳 工 质 与
HFC134a相 比 ，其压缩热很大 ，因而 在热泵 空调 系统
使用 中很 有吸 引力 。有 必要 开 发安全 装 置 ，在检 测
并将 漏至车厢 内的二氧化碳气体排 出 。由于系统工
作压力 比 HFC134a系统 高 出 6倍 ，因此 需要 新 的维
修设备 和专业 培训 。估 计 正式使 用 时间 4～7年 以
后
58
54
52
50
篝柏
46
44
42
m Visteonco 口 Vi3te。n R134a口 onic眠 ■ hudi 130：
口 Nodine co 口 voIvoProd．口 FordProd．口 Dc co
图 5 1999年美 国凤 凰城 SAE会议 E各种 空调 系统的性 能对 比
参 考文 献
1． Meeting Summ~ of the 1999 SAE Automotive Alternate Re-
frigerant Systems Symp,~im ．Published by SAE，2000．
2． SAE Al ternate Refrigerant ClIP Schedule．Published by SAE，
200o．
3． Annual Report of Nippon—denso Company，Published by Nip-
po ndenso，2000．
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国外汽车空调系统技术发展趋势.pdf
