CN109515115B - 一种以二氧化碳为工质的汽车空调系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以二氧化碳为工质的汽车空调系统和控制方法，涉及汽车空调技术领域。本发明包括HVAC空调箱、制冷剂循环路径和控制系统，制冷剂为二氧化碳，该空调系统被构造成在制热模式的制冷剂循环路径、除湿制热模式的制冷剂循环路径、常规制冷模式的制冷剂循环路径以及喷射制冷模式的制冷剂循环路径之间进行切换，能提高二氧化碳汽车空调制冷能效、实现二氧化碳系统最佳能效、提高压缩机吸气过热度和运行可靠性、避免使用喷射器引起的降温缓慢以及制冷剂流量变小时制冷或制热性能降低。

Description

一种以二氧化碳为工质的汽车空调系统和控制方法

技术领域

本发明涉及汽车空调技术领域，尤其涉及一种以二氧化碳为工质的汽车空调系统和控制方法。

背景技术

目前大部分汽车空调采用R134a制冷剂，GWP值为1300，温室效应极高。欧盟自2017年禁止使用GWP>150的制冷剂。二氧化碳制冷剂天然环保，对环境友好，二氧化碳是汽车空调领域的替代制冷剂之一。

公开号为CN103358851A的专利公开了一种汽车空调系统。汽车空调系统被设计成能够在制冷、制热和除冰等模式的切换。该汽车喷射热泵空调系统主要包括：压缩机、气液分离器、与车厢外环境进行热交换的换热器、两个空调箱、可调节喷射器、中间换热器以及节流元件。其中，第一空调箱用于调节车厢内的温度和/或湿度；第二空调箱用于调节发热部件的温度。

更具体的，在制冷循环时，其工作过程为：压缩机→第二换热器→第三换热器→节流部件→第一换热器→储液罐→压缩机。

在制热模式时，其工作过程为：压缩机→第二换热器→中间换热器高压侧→→节流部件喷射器主流进口→其中一路进入中间换热器低压侧另一路节流后进入第三换热器气后进入喷射器引射口→气液分离器→压缩机。

上述汽车空调系统中，还存在以下缺陷：

1制冷循环时，当采用二氧化碳制冷剂，由于系统循环为跨临界循环，节流过程存在非常大的不可逆膨胀功损失，这会导致二氧化碳汽车空调制冷能效不及常规R134a汽车空调制冷能效。上述汽车空调系统的制冷循环与常规制冷剂循环方式基本一致，包括压缩机压缩过程、冷凝器散热过程、节流过程、蒸发器吸热四个过程，存在二氧化碳汽车空调制冷能效低于常规车空调制冷能效的缺陷，从而引起汽车油耗和排放增加。因此有必要采用技术手段提高二氧化碳汽车空调制冷能效。

2制冷循环时，当采用二氧化碳制冷剂，由于系统循环为跨临界循环，系统需要通过低压储液罐储存足够的制冷剂用于高压调节，且储液罐出口管底部有回油孔用来回油。上述汽车空调系统在压缩机吸气口设置有储液罐，当储液罐储存一定的液态二氧化碳制冷剂时，储液罐出口为具有一定干度的两相制冷剂。若两相制冷剂直接进入压缩机，存在引起压缩机液击的缺陷，从而引起二氧化碳压缩机的可靠性下降。因此有必要采用技术手段提高压缩机吸气过热度和运行可靠性。

3制冷循环时，当采用二氧化碳制冷剂，由于系统循环为跨临界循环，与常规制冷剂的高压冷凝过程不同，二氧化碳跨临界循环高压压力和温度相互独立，当系统效率达到最优时，存在最优的高压压力，最优的系统高压压力与气冷器出口温度相关。若采用常规的控制方法，无法实现二氧化碳系统最佳能效。因此有必要采用技术手段实现二氧化碳系统能效达到最优。

4制冷循环或制热循环时，位于压缩机入口的储液罐或者气液分离器的出口管通常为底部带有回油孔，当积存在底部的润滑油通过回油孔到达气相出口，分离的液态制冷剂也通过回油孔到达气相出口。由于汽车空调工况变化剧烈、负荷变化大，使得二氧化碳制冷剂流量变化大，若采用固定直径的回油孔，当制冷剂流量变小时，存在制冷剂流量较低时出口干度偏低的缺陷，引起制冷或者制热性能降低。因此有必要采用技术手段实现出口干度保持在稳定合理水平。

公开号为CN103712277A的专利文献公开了一种汽车空调系统。汽车空调系统被设计成能够在制冷、制热和除冰等模式的切换；制热系统和制冷系统时，均采用喷射器作为节流机构，提高高温和高寒环境下冷量和热量的需求。

上述汽车空调系统中，还存在以下缺陷：

1制冷循环时，当采用二氧化碳制冷剂，由于系统循环为跨临界循环，系统需要通过低压储液罐储存足够的制冷剂用于高压调节，且储液罐出口管底部有回油孔用来回油。上述汽车空调系统在压缩机吸气口设置有闪发器，当储液罐储存一定的液态二氧化碳制冷剂时，由于回油孔的作用闪发器出口为具有一定干度的两相制冷剂。若两相制冷剂直接进入压缩机，存在引起压缩机液击的缺陷，从而引起二氧化碳压缩机的可靠性下降。因此有必要采用技术手段提高压缩机吸气过热度和运行可靠性。

2制冷循环时，当采用二氧化碳喷射器，喷射器内部缩放喷嘴出口逐渐达到超声速，喷嘴出口压力下降逐渐下降，喷射器的引射流流量逐渐增加；相比于常规制冷循环，喷射制冷循环的启动过程缓慢，存在空气降温缓慢的缺陷。当汽车车内温度较高时，直接启动喷射循环，会引起整车降温时间延长，从而引起乘客的舒适性下降。因此有必要采用技术手段避免使用喷射器引起的降温缓慢的问题。

3制冷循环时，当采用二氧化碳制冷剂，由于系统循环为跨临界循环，与常规制冷剂的高压冷凝过程不同，二氧化碳跨临界循环高压压力和温度相互独立，当系统效率达到最优时，存在最优的高压压力，最优的系统高压压力与气冷器出口温度相关。若采用常规的喷射器，固定流口的喷射器的流量范围无法使得系统在最优效率下工作；若采用常规的节流阀控制方法，无法实现二氧化碳系统最佳能效。因此有必要采用技术手段实现二氧化碳系统能效达到最优。

4制冷循环或制热循环时，位于压缩机入口的储液罐或者气液分离器的出口管通常为底部带有回油孔，当积存在底部的润滑油通过回油孔到达气相出口，分离的液态制冷剂也通过回油孔到达气相出口。由于汽车空调工况变化剧烈、负荷变化大，使得二氧化碳制冷剂流量变化大，若采用固定直径的回油孔，当制冷剂流量变小时，存在制冷剂流量较低时出口干度偏低的缺陷，引起制冷或者制热性能降低。因此有必要采用技术手段实现出口干度保持在稳定合理水平。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何解决提高二氧化碳汽车空调制冷能效、实现二氧化碳系统最佳能效、提高压缩机吸气过热度和运行可靠性、避免使用喷射器引起的降温缓慢、制冷剂流量变小时制冷或制热性能降低的技术问题

为实现上述目的，本发明提供了一种以二氧化碳为工质的汽车空调系统和控制方法。

汽车空调系统，包括HVAC空调箱、制冷剂循环路径和控制系统，制冷剂为二氧化碳；

所述HVAC空调箱主要包括第三换热器、第一换热器和风门，所述第三换热器与所述第一换热器间构成空气流路；所述第三换热器位于所述空气流路的上游，所述第一换热器间位于所述空气流路下游，所述风门设置于所述空气流路下游和所述第一换热器的上游；

所述制冷剂循环路径包括第一节流元件、第一电磁阀、第一换热器、第二换热器、温度传感器、中间换热器、第二电磁阀、可调节喷射器、第三电磁阀、气液分离器、第四电磁阀、第二节流元件、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀、压缩机和相互连接需要的管道；

所述制冷剂循环路径的第一节流元件或第一电磁阀的入口连接所述第一换热器的出口，所述第一节流元件和所述第一电磁阀并联；

所述第一节流元件或所述第一电磁阀的出口连接第二换热器；

所述第二换热器的出口经温度传感器连接中间换热器高压侧的入口，所述高压侧和所述中间换热器的低压侧进行热量交换；所述高压侧出口侧有两条支路，其中一条所述支路连接至第二电磁阀进口；另一条所述支路连接至可调节喷射器的主流进口，所述第二电磁阀出口与所述可调节喷射器的喷射出口合并为一条流路后再分成两条分路，其中一条所述分路经过第三电磁阀连接气液分离器的入口，另一条所述分路先后经过第四电磁阀和第二节流元件与所述第三换热器入口相连；

所述气液分离器的液态出口与所述第二节流元件中间设置有第五电磁阀；

所述第三换热器出口侧分为两条分支，其中一条所述分支经过第六电磁阀连接至所述可调节喷射器的引射流进口；另一条所述分支经过第七电磁阀连接至所述气液分离器的入口；

所述气液分离器的气态出口与所述低压侧入口相连接；

所述低压侧连接压缩机入口；

所述压缩机出口连接所述第一换热器入口；

所述可调节喷射器包括流入所述主流的喷嘴段、混合所述引射流和所述主流的混合段、扩压段和步进电机，在所述喷嘴段设置有缩放喷嘴；

所述气液分离器，包括一个入口、一个液态出口和一个气态出口、底部的回油孔和调节机构，润滑油可通过所述的回油孔从所述气态出口流出所述气液分离器，所述调节机构可调节所述回油孔的直径。

进一步地，所述HVAC空调箱设置在乘员舱的仪表盘内。

进一步地，所述HVAC空调箱还包括内外循环风门、鼓风机，所述内外循环风门设置在所述第三换热器空气流动端的上游，所述鼓风机设置在所述内外循环风门空气流动端的下游和所述第三换热器空气流动端的上游。

进一步地，所述HVAC空调箱中第一换热器的空气流动端下游还设置有模式风门。

进一步地，所述汽车空调系统进行制热时，所述控制系统关闭所述第一电磁阀、所述第六电磁阀、所述第四电磁阀、所述第七电磁阀、所述第五电磁阀，打开所述第二电磁阀、所述第三电磁阀，关闭所述气液分离器的所述液态出口。

进一步地，所述汽车空调系统进行常规制冷时，所述控制系统关闭所述第六电磁阀、所述第三电磁阀、所述第五电磁阀，打开所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述第四电磁阀、所述第七电磁阀；所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度值调节所述第二节流元件的开度，关闭所述气液分离器的所述液态出口。

进一步地，所述汽车空调系统进行喷射制冷时，所述控制系统关闭所述第二电磁阀、所述第四电磁阀、所述第七电磁阀，打开所述第一电磁阀、所述第六电磁阀、所述第三电磁阀、所述第五电磁阀，所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度值调节所述步进电机改变所述喷嘴段的喉部流通面积，打开所述气液分离器的所述液态出口。

进一步地，所述汽车空调系统进行除湿制热时，控制系统关闭所述第六电磁阀、所述第三电磁阀、所述第五电磁阀，打开所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述第四电磁阀、所述第七电磁阀；关闭所述气液分离器的所述液态出口。

进一步地，所述汽车空调系统进行所述汽车空调系统进行常规制冷模式与喷射制冷模式的所述制冷剂循环路径之间进行切换时，控制系统关闭所述第六电磁阀、所述第三电磁阀、所述第五电磁阀，闭合所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述第四电磁阀、所述第七电磁阀；所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度值调节所述第二节流元件的开度，关闭所述气液分离器的所述液态出口；当所述乘员舱温度降到乘客通过所述控制系统设定的温度后，所述控制系统关闭所述第二电磁阀、所述第四电磁阀、所述第七电磁阀，打开所述第一电磁阀、所述第六电磁阀、所述第三电磁阀、所述第五电磁阀，所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度值调节所述步进电机改变所述喷嘴段的喉部流通面积，打开所述气液分离器的液态出口。

本发明在常规制冷模式、喷射制冷模式、除湿制热模式以及进行常规制冷模式与喷射制冷模式的制冷剂循环路径之间进行切换时，下均能够实现高压侧热流体和低压侧冷流体的热量交换，以此提高了二氧化碳跨临界制冷循环能效，实现节能化；另外在喷射制冷模式下，蒸发器出口的制冷剂被吸入到喷射器的引射口，通过喷射器回收部分膨胀功损失，以此提高压缩机吸气压力，降低压缩机能耗，以此也提高了二氧化碳制冷跨临界循环能效，实现节能化；

在常规制冷模式、喷射制冷模式下均能够实现二氧化碳跨临界循环最优高压控制，以此提高了二氧化碳制冷跨临界循环能效，实现节能化；

本发明在急需降温时采用响应更快的二氧化碳常规喷射循环，在稳定降温时采用效率更高的二氧化碳喷射循环，使得乘客的舒适性和节能化均得到兼顾。

本发明还使得从气液分离器气相出口的制冷剂，可以被中间换热器加热至过热状态，避免了压缩机的液击，提高了系统的稳定性；通过可调式回油孔实现了气相出口干度均保持在0.95～1.00之间，避免了出口干度低于0.95，提高了二氧化碳跨临界循环能效，实现节能化。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的总体结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的制热模式中制冷剂流动通道的结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的常规制冷模式中的制冷剂流动通道的结构示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的喷射制冷模式中的制冷剂流动通道的结构示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的除湿制热模式中的制冷剂流动通道的结构示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的常规制冷循环压焓示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的可调节喷射器的结构示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的喷射制冷循环压焓示意图；

图9是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的最优压力控制曲线；

图10是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的气液分离器的结构示意图；

图11是本发明的一个较佳实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统的可调式回油孔的效果示意图。

图中，100-HVAC空调箱、200-以二氧化碳为工质的汽车空调系统、201-制冷剂循环路径、101-第一换热器、102-第三换热器、103-风门、104-内外循环风门；105-第一模式风门、106-第二模式风门、107-第三模式风门、109-鼓风机、110-空气流路、1-压缩机、1a-压缩机出口、1b-压缩机入口、200-空调系统、2-第一电磁阀、3-第一节流元件、4-第二换热器、5-中间换热器、51-高压侧、52-低压侧、6-第二电磁阀、7-可调节喷射器、701-可调节喷射器的主流、702-可调节喷射器的引射流、703-喷嘴段、704-混合段、705-扩压段、706-步进电机、8-第六电磁阀、9-第三电磁阀、10-第四电磁阀、11-第七电磁阀、12-气液分离器、1201-气液分离器入口、1202-气液分离器液态出口、1203-气液分离器气态出口、1204-气液分离器回油孔、1205-气液分离器调节机构、13-第五电磁阀。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明实施例中以二氧化碳为工质的汽车空调系统200被构造成在制热模式的制冷剂循环路径、除湿制热模式的制冷剂循环路径、常规制冷模式的制冷剂循环路径以及喷射制冷模式的制冷剂循环路径之间进行切换，系统总体结构示意图如图1所示。制热模式用于加热乘员舱空气，如图2中的结构示意图所示；常规制冷模式用于冷却乘员舱空气，如图3的结构示意图所示；喷射制冷模式用于高效地冷却乘员舱空气，如图4的结构示意图所示；除湿制热模式用于对乘员舱空气进行先除湿后加热，如图5的结构示意图所示。每种模式中制冷剂的流动路线由箭头所示。

所述的以二氧化碳为工质的汽车空调系统200采用二氧化碳作为制冷剂并构成蒸汽压缩类型的跨临界制冷循环。用于润滑压缩机的冷冻机油与二氧化碳制冷剂可相溶，部分冷冻机油与制冷剂一起在该装置中循环。

本实施例以二氧化碳为工质的汽车空调系统200具有HVAC空调箱(供热通风与空调单元)100和制冷剂循环路径201。

HVAC空调箱100具有：内外循环风门104，用以切换导入乘员舱的空气来自于内部空气或外部空气；鼓风机109，用以将内部空气或外部空气压送至下游侧；第三换热器102，其配设在连接于鼓风机109的空气流路110的上游侧；第一换热器101，其配设在连接于鼓风机109的空气流路110的下游侧；冷暖风门103，用于改变冷空气和热空气的不同混合比例，调节吹入乘员舱的空调风的温度；模式风门105、106和107，用于切换HVAC空调箱处于吹面模式、吹脚模式或者除霜模式。该HVAC空调箱100设置在乘员舱的仪表盘内，将空调风从车厢内多个吹风口选择性地吹入乘员舱。

连接至第一换热器101制冷剂进口侧的是压缩机1的排除端口1a。压缩机1用以吸取、压缩和排出制冷剂，将低温低压的制冷剂压缩成高温高压的制冷剂。第一换热器101用以将压缩机1的排出端1a排出的高温高压的制冷剂与将要吹入乘员舱的空气进行热交换。

连接至第一换热器101制冷剂出口侧的是第一节流元件3或第一电磁阀2，制热模式时，第一节流元件3能够降低流出第一换热器101的制冷剂的压力；常规制冷、喷射制冷及除湿制热模式时，第一电磁阀2全开，制冷剂不经过第一节流元件3。

连接至第一节流元件3或第一电磁阀2的出口侧的是第二换热器4，第二换热器4用以将经过第一节流元件3节流的制冷剂与外部空气进行热交换。连接至第二换热器的出口侧的是中间换热器5，中间换热器的一侧51和中间换热器的另一侧52进行热量的交换。

连接至中间换热器5的出口侧的有两条支路，其中一条支路连接至第二电磁阀6进口；另一条支路连接至可调节喷射器7主流进口，第二电磁阀6出口与可调节喷射器7喷射出口合并为一条流路。

连接至可调节喷射器7出口侧和第二电磁阀6的合并出口再分为两条支路，其中一条支路连接至气液分离器12进口，气液分离器用于分离流向压缩机1的吸入端口1b的制冷剂的液体和气体，中间设置有第三电磁阀9可以控制该制冷剂流道的通断，在制热模式时，通过第三电磁阀9的制冷剂进入气液分离器12入口，在喷射制冷模式时，通过可调节喷射器7的制冷剂进入气液分离器12入口；另一条支路连接至第二节流元件14，中间设置有第四电磁阀10可以控制该制冷剂流道的通断，在常规制冷模式和除湿制热模式时，通过第二电磁阀6的制冷剂经过第二节流元进行压降节流。

连接至第二节流元件14出口侧的是第三换热器102，用以将节流后的制冷剂与将要吹进乘员舱的空气进行热交换。

连接至第三换热器102出口侧的分为两条支路，其中一条支路连接至可调节喷射器7引射进口，中间有第六电磁阀8可以控制该制冷剂流道的通断，在喷射制冷模式时，用以将在第三换热器102与吹入乘员舱内空气换热后的制冷剂流入可调节喷射器7的引射入口；另一条支路连接至气液分离器12进口，中间有第七电磁阀11可以控制该制冷剂流道的通断，在常规制冷模式和除湿制热模式时，用以将在第三换热器102与吹入乘员舱内空气换热后的制冷剂经气液分离器12流回至压缩机1。

连接至气液分离器12气体出口的是中间换热器低压侧52，制冷模式和除湿制热模式时，用以将从气液分离器12分离后的低温低压的气体二氧化碳与中间换热器高温高压侧51二氧化碳进行换热；连接至气液分离器12液态出口侧的是第二节流元件14，中间有第五电磁阀13可以控制该制冷剂流道的通断，在喷射制冷模式时，用以将从气液分离器12分离出的液体二氧化碳进行经过第二节流元件14节流降压后导入到第三换热器102与将要吹入乘员舱的空气进行换热。

在本实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统200中，操作模式可以被切换成制热模式、常规制冷模式、喷射制冷模式以及除湿制热模式。

(1)制热模式

在制热模式中，第一节流元件3处于节流状态，第一电磁阀2、第六电磁阀8、第四电磁阀10、第七电磁阀11、第五电磁阀13处于关闭状态，第二电磁阀6、第三电磁阀9处于打开状态。在此模式下，以二氧化碳为工质的汽车空调系统200被切换到允许制冷剂如由图2中箭头所示的路径流动。

如图2所示，在制热模式下，从压缩机出口1a排出的高温高压二氧化碳制冷剂流入到第一换热器101中，第一换热器101作为二氧化碳跨临界循环的气冷器，与将要进入乘员舱的空气进行热交换，以加热吹入乘员舱的空气达到制热效果，然后从第一换热器101中流出的制冷剂经过第一节流元件3进行节流降压后进入第二换热器4，与外部空气进行热交换，通过蒸发吸收外界环境的热量。之后制冷剂流经中间换热器的一侧51，气液分离器12，以及中间换热器的另一侧52，回到压缩机入口1b完成制热循环。由于中间换热器5的一侧51和中间换热器的另一侧52均为低温低压状态，因此两侧的换热量可以忽略不计，保证了中间换热器5的设置对制热性能不产生影响。

(2)常规制冷模式

在常规制冷模式中，第一节流元件3处于旁通状态，第二节流元件14处于节流状态，第六电磁阀8、第三电磁阀9、第五电磁阀13处于关闭状态，第一电磁阀2、第二电磁阀6、第四电磁阀10、第七电磁阀11处于打开状态。在此模式下，以二氧化碳为工质的汽车空调系统200被切换到允许制冷剂如由图3中实线箭头所示的路径流动。

如图3所示，在常规制冷模式下，从压缩机1排出的高温高压二氧化碳制冷剂流入到第一换热器101和第二换热器4中，第二换热器4作为二氧化碳跨临界循环的主要气冷器，向外部空气进行散热，从第二换热器4中流出的制冷剂经过中间换热器5高压侧51后，和中间换热器5低压侧52的制冷剂进行换热，之后制冷剂经过第二节流元件14进行节流降压后进入第三换热器102，第三换热器102作为二氧化碳跨临界循环的蒸发器，制冷剂在第三换热器102中蒸发吸热，从将要进入乘员舱的空气吸收热量，以降低吹入乘员舱的空气的温湿度以达到制冷效果。从第三换热器102流出的制冷剂进入气液分离器12进行气液两相分离，保证进入压缩机的制冷剂的状态，从气液分离器12气体出口流出的制冷剂经过中间换热器5低压侧52后和高压侧51进行换热后，然后回到压缩机入口1b完成常规制冷循环。

(3)喷射制冷模式

在喷射制冷模式中，第一节流元件3处于旁通状态，第二节流元件14处于节流状态，第二电磁阀6、第四电磁阀10、第七电磁阀11处于关闭状态，第一电磁阀2、第六电磁阀8、第三电磁阀9、第五电磁阀13处于打开状态。在此模式下，以二氧化碳为工质的汽车空调系统200被切换到允许制冷剂如由图4中实线箭头所示的路径流动。

如图4所示，在喷射制冷模式下，从压缩机1排出的高温高压二氧化碳制冷剂流入到第一换热器101和第二换热器4中，第二换热器4作为二氧化碳跨临界循环的主要气冷器，向外部空气进行散热，从第二换热器4中流出的制冷剂经过中间换热器5高压侧51后，和中间换热器5低压侧52的制冷剂进行换热，之后从中间换热器5中流出的制冷剂进入可调节喷射器7主流进口，从可调节喷射器7出口流出的制冷剂进入气液分离器12，从气液分离器12液体出口流出的液体二氧化碳经过第二节流元件14节流降压后流进第三换热器102，第三换热器102作为二氧化碳跨临界循环的蒸发器，从将要进入乘员舱的空气吸收热量，以降低吹入乘员舱的空气的温度以达到制冷效果。从第三换热器102出口流出的制冷剂流入可调节喷射器7引射入口与主流流体混合升压后，从可调节喷射器7出口喷出；从气液分离器12气体出口流出的气体二氧化碳进入中间换热器低压侧52与高压侧51进行换热，然后回到压缩机入口1b完成喷射制冷循环。

(4)除湿制热模式

在除湿制热模式中，第一节流元件3处于旁通状态，第二节流元件14处于节流状态，第六电磁阀8、第三电磁阀9、第五电磁阀13处于关闭状态，第一电磁阀2、第二电磁阀6、第四电磁阀10、第七电磁阀11处于打开状态。在此模式下，以二氧化碳为工质的汽车空调系统200被切换到允许制冷剂如由图5中实线箭头所示的路径流动。

如图5所示，在除湿制热模式下，从压缩机1排出的高温高压二氧化碳制冷剂流入第一换热器101，第一换热器101作为二氧化碳跨临界循环的主要气冷器，向将要进入乘员舱的空气放出热量，提高吹入乘员舱的空气的温度以达到制热效果，从第一换热器101流出的制冷剂进入到第二换热器4中，与外部空气进行热交换，从第二换热器4中流出的制冷剂经过中间换热器高压侧51后和低压侧52进行换热，之后经过第二节流元件14进行节流降压后进入第三换热器102，第三换热器102作为二氧化碳跨临界循环的蒸发器，从将要进入乘员舱的空气吸收热量，以降低吹入乘员舱的空气的温湿度，并将吹入乘员舱的空气中水蒸气冷凝，从而达到除湿效果，从第三换热器102流出的制冷剂进入气液分离器12，从气液分离器12气体出口流出的气体制冷剂进入中间换热器低压侧52与高压侧51进行换热，，然后回到压缩机入口1b完成喷射制冷循环。

在本实施例的以二氧化碳为工质的汽车空调系统200中，采用中间换热器5、可调节喷射器7、常规制冷模式和喷射制冷模式的最优高压控制、常规制冷模式和喷射制冷模式的切换、具有可调节回油孔的气液分离器的设计及其效果如下：

中间换热器5的设计及效果

在常规制冷模式、喷射制冷模式和除湿制热模式下，中间换热器高压侧51位于第二换热器4(二氧化碳跨临界循环气冷器)的出口，中间换热器低压侧52位于气液分离器12的气相出口1203，通过中间高压侧和低压侧的热量交换，使得二氧化碳气冷器出口的温度得到降低，从而降低了阀前焓值，蒸发器的入口和出口的焓差增加，从而提高了制冷量和制冷性能；另一方面，从气液分离器12的气相出口1203流出的气体二氧化碳制冷剂会携带液态制冷剂和润滑油，通过中间换热器的低压侧后，气体二氧化碳制冷剂的过热度得到提高，从而防止了压缩机液积，提高了压缩机的可靠性。

图6显示为二氧化碳常规制冷循环的压焓图，采用了中间换热器，蒸发器入口从a点移到a’点，使得蒸发器进出口的焓差增大，制冷量增大；压缩机入口从e点移到e’，使得压缩机入口的过热度增加，从而起到防止压缩机液积的效果。当中间换热器两侧的传热效果一定值时，在某些工况下，吸气温度点从e’移到e”点，而排气温度会从d’移到d”，超过了压缩温度的正常运行的临界值，经过实验测试得到中间换热器两侧的传热效果应低于70％。

可调节喷射器7的设计及效果

以二氧化碳为工质的汽车空调系统的可调节喷射器7的结构示意图如图7所示，包括喷嘴段703、混合段704和扩压段705三段结构，以及主流701、引射流702、喷射器出口703，以及可调阀针706。在喷射制冷模式下，从中间换热器5流入的二氧化碳制冷剂作为主流701进入到缩放喷嘴段703，在喷嘴段出口达到超声速状态，实现压力能向动能转化；从第三换热器102-蒸发器流出的过热二氧化碳制冷剂作为引射流，在混合段704实现主流和引射流的动能交换，两者速度达到混合稳定后，在扩压段705速度降低，压力升高，实现动能向压力能转化；经过可调节喷射器7后，引射流702的制冷剂压力得到提升，从而可以降低压缩机的耗功；可调节喷射器7具有可调阀针706，可由驱动元件例如步进电机调节其插入深度，从而改变喷嘴段703的喉部流通面积，实现制冷剂流量调节。

图8显示为二氧化碳喷射制冷循环的压焓图，经过压缩机压缩过程(j-a)后，二氧化碳在气冷器4、中间换热器5中进行换热，到达状态点b。然后，二氧化碳从喷射器主流入口进入喷射器7，压力降低，焓值减小，到达状态点c。从喷射器7出口的制冷剂进入气液分离器12后，进行气液两相分离。其中从喷射器的液相出口1202出来的液相二氧化碳则经过节流阀14节流降压(f-g)，并进入第二换热器102蒸发，蒸发后的二氧化碳到达状态点h，然后作为引射流702进入喷射器7引射入口，与喷射器主流701的节流膨胀后的超声速两相流二氧化碳在混合段混合、在扩张段升压，到达状态点e，升压后的二氧化碳进入气液分离器12。而从喷射器的气相出口1203的制冷剂进入中间换热器5进行换热，然后进入压缩机1，达到状态点j，完成循环。

常规制冷模式和喷射制冷模式的最优高压控制设计及效果

在常规制冷模式和喷射制冷模式下，第二换热器4是二氧化碳循环跨临界循环主要的气冷器，在第二换热器4的出口布置温度压力传感器，根据监测得到的温度数据，计算得到系统效率达到最优时的压力。在常规制冷模式时，调节第二节流元件14的开度；在喷射制冷模式时，调节可调节喷射器7的开度。当测得的压力低于计算得到的压力时，降低开度提高压力；当测得的压力高于计算得到的压力时，提高开度降低压力。从而实现常规制冷模式和喷射制冷模式均能够在系统最优效率下工作。图9所示为实验得到的第二换热器4的出口温度和最优压力对应的曲线。实际系统中，可以根据测得的温度，查表获得该温度下最优压力，以此作为控制目标。

常规制冷模式和喷射制冷模式的切换设计及效果

常规制冷模式和喷射制冷模式可以在不同运行工况下通过开关式电磁阀进行切换，使得总体性能达到最优。当车辆需要快速降温时，例如夏天太阳辐射较高，车内温度较高时，启动常规制冷模式，系统响应快，室内空气在短时间内得到冷却，满足乘客舒适性要求；当车辆不需要快速降温时，例如车内空气冷却到一定温度后，启动喷射制冷模式，提升二氧化碳制冷系统运行能效。根据该结构，实现在急需降温时采用响应更快的二氧化碳常规喷射循环，在稳定降温时采用效率更高的二氧化碳喷射循环，使得乘客的舒适性和节能化均得到兼顾。

具有可调节回油孔的气液分离器的设计及效果

图10所示为具有可调节回油孔的气液分离器12，包括入口1201、液相出口1202和一个气相出口1203，出口管为U型管，在U型管底部有一个回油孔1204、以及调节回油孔开度的调节机构1205。在常规制冷模式、除湿制热、制热模式下，气液分离器12液相出口1202关闭；在喷射制冷模式下，气液分离器12液相出口1202打开。气液分离器12起到储存二氧化碳制冷剂、分离气相和液相制冷剂、保证回油的作用。经过分离后的气体制冷剂经过U型管流出气液分离器12，在底部的润滑油和液态制冷剂被气体制冷剂通过回油孔1204吸入。图11所示为采用可调式回油孔和固定式回油孔的气相出口1203的制冷剂干度随着制冷剂流量的曲线。当采用固定式回油孔，当制冷剂的流量较小时，从回油孔进入的液态制冷剂会偏多，从而导致了气相出口1203的制冷剂干度过低，从而会导致系统效率下降。例如图中，当系统制冷剂质量流量为m1时，当回油孔直径大于d1时，出口干度就会低于0.95；当系统制冷剂质量流量为m2时，当回油孔直径大于d2时，出口干度就会低于0.95；当系统制冷剂质量流量为m3时，当回油孔直径大于d3时，出口干度就会低于0.95；但是回油孔又不能太小，否则油孔太小无法满足一定比例的润滑油回油量的要求。当采用可调式回油孔，通过调节机构1205可以在不同的系统流量调节出口管底部的回油孔的直径，能够实现稳定的气相出口1203的制冷剂干度控制在0.95-1.00的范围。当系统制冷剂质量流量为m1时，回油孔直径控制在略低于d1的位置；当系统制冷剂质量流量为m2时，回油孔直径控制在略低于d2的位置；当系统制冷剂质量流量为m3时，回油孔直径控制在略低于d3的位置。这样既保证了制冷剂干度的控制，保证系统在不同工况下均能够保持较高的系统能效，也确保了压缩机回油量的要求，提高了压缩机的可靠性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种以二氧化碳为工质的汽车空调系统，包括HVAC空调箱(100)、制冷剂循环路径(201)和控制系统，制冷剂为二氧化碳；

所述HVAC空调箱(100)包括第三换热器(102)、第一换热器(101)和风门(103)，所述第三换热器(102)与所述第一换热器(101)间构成空气流路(110)；所述第三换热器(102)位于所述空气流路(110)的上游，所述第一换热器(101)位于所述空气流路(110)下游，所述风门(103)设置于所述空气流路(110)下游和所述第一换热器(101)的上游；

所述制冷剂循环路径(201)包括第一节流元件(3)、第一电磁阀(2)、第一换热器(101)、第二换热器(4)、温度传感器、中间换热器(5)、第二电磁阀(6)、可调节喷射器(7)、第三电磁阀(9)、气液分离器(12)、第四电磁阀(10)、第二节流元件(14)、第五电磁阀(13)、第六电磁阀(8)、第七电磁阀(11)、压缩机(1)和相互连接需要的管道；

所述第一节流元件(3)或所述第一电磁阀(2)的入口连接所述第一换热器(101)的出口，所述第一节流元件(3)和所述第一电磁阀(2)并联；

所述第一节流元件(3)或所述第一电磁阀(2)的出口连接所述第二换热器(4)；

所述第二换热器(4)的出口经所述温度传感器连接所述中间换热器(5)高压侧(51)的入口，所述高压侧(51)和所述中间换热器(5)的低压侧(52)进行热量交换；所述高压侧(51)出口侧有两条支路，其中一条所述支路连接至所述第二电磁阀(6)进口；另一条所述支路连接至所述可调节喷射器(7)的主流(701)进口，所述第二电磁阀(6)出口与所述可调节喷射器(7)的喷射出口合并为一条流路后再分成两条分路，其中一条所述分路经过所述第三电磁阀(9)连接所述气液分离器(12)的入口，另一条所述分路先后经过所述第四电磁阀(10)和所述第二节流元件(14)与所述第三换热器(102)入口相连；

所述气液分离器(12)的液态出口与所述第二节流元件(14)中间设置有所述第五电磁阀(13)；

所述第三换热器(102)出口侧分为两条分支，其中一条所述分支经过所述第六电磁阀(8)连接至所述可调节喷射器(7)的引射流(702)进口；另一条所述分支经过所述第七电磁阀(11)连接至所述气液分离器(12)的入口；

所述气液分离器(12)的气态出口与所述低压侧(52)入口相连接；

所述低压侧(52)连接所述压缩机(1)的入口(1b)；

所述压缩机(1)的出口(1a)连接所述第一换热器(101)入口；

所述可调节喷射器(7)包括流入所述主流(701)的喷嘴段(703)、混合所述引射流(702)和所述主流(701)的混合段(704)、扩压段(705)和步进电机(706)，在所述喷嘴段(703)设置有缩放喷嘴；

所述气液分离器(12)，包括一个入口(1201)、一个液态出口(1202)和一个气态出口(1203)、底部的回油孔(1204)和调节机构(1205)，润滑油通过所述的回油孔(1204)从所述气态出口(1203)流出所述气液分离器(12)，所述调节机构(1205)调节所述回油孔(1204)的直径。

2.如权利要求1所述的以二氧化碳为工质的汽车空调系统，其特征在于，所述HVAC空调箱(100)设置在乘员舱的仪表盘内。

3.如权利要求2所述的以二氧化碳为工质的汽车空调系统，其特征在于，所述HVAC空调箱(100)还包括内外循环风门(104)，所述内外循环风门(104)设置在所述第三换热器(102)空气流动端的上游。

4.如权利要求3所述的以二氧化碳为工质的汽车空调系统，其特征在于，所述HVAC空调箱(100)还包括鼓风机(109)，所述鼓风机(109)设置在所述内外循环风门(104)空气流动端的下游和所述第三换热器(102)空气流动端的上游。

5.如权利要求4所述的以二氧化碳为工质的汽车空调系统，其特征在于，所述HVAC空调箱(100)中第一换热器(101)的空气流动端下游还设置有模式风门(105、106、107)。

6.一种如权利要求1所述的汽车空调系统的控制方法，其特征在于，所述汽车空调系统进行制热时，所述控制系统关闭所述第一电磁阀(2)、所述第六电磁阀(8)、所述第四电磁阀(10)、所述第七电磁阀(11)、所述第五电磁阀(13)，打开所述第二电磁阀(6)、所述第三电磁阀(9)，关闭所述气液分离器(12)的所述液态出口(1202)。

7.一种如权利要求1所述的汽车空调系统的控制方法，其特征在于，所述汽车空调系统进行常规制冷时，所述控制系统关闭所述第六电磁阀(8)、所述第三电磁阀(9)、所述第五电磁阀(13)，打开所述第一电磁阀(2)、所述第二电磁阀(6)、所述第四电磁阀(10)、所述第七电磁阀(11)；所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度值调节所述第二节流元件(14)的开度，关闭所述气液分离器(12)的所述液态出口(1202)。

8.一种如权利要求1所述的汽车空调系统的控制方法，其特征在于，所述汽车空调系统进行喷射制冷时，所述控制系统关闭所述第二电磁阀(6)、所述第四电磁阀(10)、所述第七电磁阀(11)，打开所述第一电磁阀(2)、所述第六电磁阀(8)、所述第三电磁阀(9)、所述第五电磁阀(13)，所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度值调节所述步进电机(706)改变所述喷嘴段(703)的喉部流通面积，打开所述气液分离器(12)的所述液态出口(1202)。

9.一种如权利要求1所述的汽车空调系统的控制方法，其特征在于，所述汽车空调系统进行除湿制热时，控制系统关闭所述第六电磁阀(8)、所述第三电磁阀(9)、所述第五电磁阀(13)，打开所述第一电磁阀(2)、所述第二电磁阀(6)、所述第四电磁阀(10)、所述第七电磁阀(11)；关闭所述气液分离器(12)的所述液态出口(1202)。

10.一种如权利要求2所述的汽车空调系统的控制方法，其特征在于，所述汽车空调系统进行常规制冷模式与喷射制冷模式的所述制冷剂循环路径之间进行切换时，控制系统关闭所述第六电磁阀(8)、所述第三电磁阀(9)、所述第五电磁阀(13)，闭合所述第一电磁阀(2)、所述第二电磁阀(6)、所述第四电磁阀(10)、所述第七电磁阀(11)；所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度值调节所述第二节流元件(14)的开度，关闭所述气液分离器(12)的所述液态出口(1202)；

当所述乘员舱温度降到乘客通过所述控制系统设定的温度后，所述控制系统关闭所述第二电磁阀(6)、所述第四电磁阀(10)、所述第七电磁阀(11)，打开所述第一电磁阀(2)、所述第六电磁阀(8)、所述第三电磁阀(9)、所述第五电磁阀(13)，所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度值调节所述步进电机(706)改变所述喷嘴段(703)的喉部流通面积，打开所述气液分离器(12)的液态出口(1202)。

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