整車冷媒流動聲測試診斷研究

葉 翔，龍書成，常文瑞

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510000）

前言

汽車空調冷媒流動聲是汽車空調在低負荷、小風量工況發生的一種寬頻高頻噪聲，聽感為嘶嘶聲或流水聲[1]。頻率在2 000～5 000 Hz及8 000～10 000 Hz，與車輛其他噪聲的頻率成分有較大不同[2]，容易被分辨出來。

大量研究表明，汽車空調冷媒流動聲是空調高壓管冷媒在通過膨脹閥時夾雜氣泡，氣泡沖擊膨脹閥閥芯產生的[3]。與空調系統匹配、熱管理和膨脹閥參數都有關系[4]。此外，膨脹閥閥芯阻尼特性、聲學包裹也對該噪聲有一定影響。

本文主要關注冷媒流動聲的整車測試和原因診斷，提出了一個整車測試方法，總結了集中典型的冷媒流動聲發生原因。

1 整車冷媒流動聲測試診斷方法

1.1 測試參數及傳感器布置

試驗在有溫度濕度控制功能的環境倉中進行。

使用麥克風測試出風口噪聲。根據NVH數據判斷冷媒流動聲發生。如圖1所示。

圖1 出風口噪聲測試

在膨脹閥入口布置溫度傳感器，高壓加注口連接壓力傳感器，測試冷凝壓力、溫度并換算過冷度?？照{熱力膨脹閥主要依靠感受低壓冷媒過熱度來調節開度和冷媒流量[5]，在膨脹閥出口布置溫度傳感器，低壓加注口連接壓力傳感器，測量蒸發壓力和溫度并換算過熱度。上述溫度傳感器需要用隔熱材料妥善包裹，以防機艙熱傳遞整車誤差。如圖2所示。

圖2 冷媒壓力和冷媒溫度測試

1.2 測試工況及流程

持續的冷媒流動聲發生時通?？照{制冷負荷較低，瞬時冷媒流動聲發生的工況范圍較廣[6]。測試應主要關注低負荷工況，并做到全面。如表1所示是測試工況表。

表1 冷媒流動聲測試工況表

瞬態冷媒流動聲一般在壓縮機啟停及轉速變化時偶然發生；穩態冷媒流動聲在壓縮機運行全程發生。測試流程應涵蓋上述兩種情況。

將每一輪測試分為300 s，前10 s空調模式調到表1所示，關閉壓縮機，測試背景噪聲；第11 s到200 s，壓縮機開啟，測試壓縮機啟動瞬時冷媒流動聲和持續運行時的冷媒流動聲；第201 s到300 s壓縮機關閉，測試壓縮機關閉瞬時冷媒流動聲。為了更好地模擬不同駕駛員的關空調習慣，關閉壓縮機動作，又可分為關閉鼓風機和只關閉壓縮機這兩種情況。測試流程總結為表2所示。

表2 冷媒流動聲各工況測試流程

1.3 測試數據處理

1.3.1 NVH測試結果的數據處理

冷媒流動聲是一種分布在2 000～10 000 Hz上的寬頻噪聲，如圖3所示。付英杰等對它的頻率特性進行研究，推薦使用出風口噪聲尖銳度對它進行描述[7]。尖銳度計算公式如下：

圖3 冷媒流動聲出風口噪聲頻率范圍

將計算范圍2 000～10 000 Hz等分為24個頻段，每個頻段是一個bark，n'(z)是某個頻率的特征響度。gn是對應于這個bark的加權系數，可以反映人耳對于高頻成分更高的敏感性。

計算后的尖銳度是時間的函數，在某個時刻迅速提高則提示冷媒流動聲出現[7]。如圖4所示。

圖4 冷媒流動聲尖銳度處理結果

1.3.2 冷媒熱力學參數數據處理

過冷度是高壓管冷媒溫度與冷媒飽和溫度的差值，過冷度越大，冷媒氣泡越不易產生，流動越穩定安靜。反之，則越可能產生冷媒流動聲[8]。過冷度計算公式如下：

其中，Th是膨脹閥冷媒溫度，一般用管壁溫度代替；Ts（Ph）是冷凝壓力Ph時對應的冷媒飽和溫度，通過查冷媒熱力性質表得到。

同理，過熱度計算公式如下：

對于有同軸管的空調系統，同軸管是低壓冷媒冷卻高壓冷媒，幫助其提高過冷度的重要零件。同軸管的降溫效果對于膨脹閥前過冷度有重要影響。故此類空調系統在同軸管前后需要各布置一個溫度傳感器，評估同軸管的降溫效果。如圖5所示。

圖5 同軸管傳感器布置圖

1.3.3 其他數據處理

保存冷凝壓力、蒸發壓力、膨脹閥入口高壓冷媒溫度、出口低壓冷媒溫度、同軸管前冷媒溫度等，供分析問題發生原因。

2 冷媒流動聲測試診斷方法的應用

2.1 開空調瞬時冷媒流動聲的診斷

某采用渦旋定排量壓縮機的燃油車在壓縮機開啟后3 s左右，出風口出現連續3 s嘶嘶聲，聽感強烈，不能接受。且天氣越熱，嘶嘶聲越明顯。如圖6所示是該車在35 ℃環境溫度下，開壓縮機20 s內的出風口噪聲瀑布圖和尖銳度圖。

圖6 某燃油車嘶嘶聲瀑布圖和尖銳度圖

由圖6尖銳度可知，從18 s到37 s，出現兩陣明顯的嘶嘶聲，和主觀評價有高度一致性。

在環境溫度35 ℃，全冷吹面內循環一檔風量工況下應用第1節所述方法診斷。錄得20 s左右的瞬時嘶嘶聲。將存在嘶嘶聲時段內（前80 s）的冷媒熱力學數據處理后，得到了如圖7所示的結果。

圖7 冷媒熱力學測試測試結果

由上圖可知，在冷媒流動聲發生時，冷凝壓力迅速由2.1 MPa降低到1.75 MPa。但是冷媒溫度并沒有明顯變化。導致膨脹閥前制冷劑過冷度急劇降低，由30 ℃降低到22 ℃。同時，從圖8中看出，膨脹閥后蒸發壓力在該時刻有短暫變大。診斷冷媒流動聲發生原因是，壓縮機啟動膨脹閥開閥過程中開度增加過快，導致高低壓平衡，高壓冷媒局部氣化，氣泡沖擊膨脹閥閥芯產生冷媒流動聲。

圖8 蒸發壓力測試結果

膨脹閥閥芯阻尼夾是套在閥芯球頭頂桿及其支架間的橡膠減振結構，通過阻尼夾與頂桿之間的摩擦，可有效降低膨脹閥的動作速度。此外，還能吸收閥芯振動能量，降低膨脹閥噪聲[9]。如圖9所示。

圖9 膨脹閥閥芯阻尼夾示意圖

將原車膨脹閥更換為帶阻尼夾的膨脹閥，其他參數不變。同樣的工況下再測試，發現冷凝壓力和膨脹閥前過冷度峰值后的下降過程更平緩。開空調過程中主觀評價安靜，沒有冷媒流動聲。如圖10和圖11所示。

圖10 膨脹閥加阻尼夾后冷媒熱力學參數結果

圖11 膨脹閥加阻尼夾后冷媒流動聲消失

2.2 關空調瞬時冷媒流動聲診斷

某耐久后燃油車壓縮機關閉后大約20 s后，出現持續20 s左右的嘶嘶聲或流水聲?；驹谌魏喂r下都發生，環境溫度越高越明顯。

在35 ℃環境溫度下應用第1節中的方法診斷，得到的出風口噪聲瀑布圖如圖12所示。冷凝壓力、膨脹閥入口過冷度、蒸發壓力、膨脹閥出口過熱度等空調系統參數如圖13所示。

圖12 耐久后關空調冷媒流動聲瀑布圖

圖13 空調系統參數測試結果

由圖13可知，在壓縮機關閉后，膨脹閥沒有及時關閉，導致空調高壓壓力迅速降低，直到100 s后與低壓壓力完全平衡，截止作用失效。在高壓壓力降低過程中，高壓冷媒過冷度迅速降低至小于0，大量的冷媒氣化流過膨脹閥產生噪聲。

膨脹閥完全失去截止作用的主要是膨脹閥失效導致的，通過更換一個全新的膨脹閥，問題解決，冷媒流動聲消失，新膨脹閥的空調參數如圖14所示。由此可知，空調關閉過程中的冷媒流動聲是膨脹閥關閥速度慢或者失效導致的。

圖14 新膨脹閥空調參數測試結果

2.3 電動車壓縮機運行持續冷媒流動聲診斷

某電動車在環境溫度20 ℃以下，空調模式全冷吹面內循環一擋風量的條件下開壓縮機，在壓縮機運行全程，從出風口發出持續的嘶嘶聲。鼓風機擋位加大或環境溫度提高，冷媒流動聲都消失。初步判斷和空調系統負荷低有關。

在環境溫度20 ℃工況下用第一節的診斷方法測試，持續冷媒流動聲復現?？照{參數的測試結果如下：

圖15 持續冷媒流動聲空調參數測試結果

由上圖可知，在出現持續冷媒流動聲時，空調的冷凝壓力很低，絕對壓力只有0.72 MPa，故液化后的冷媒飽和溫度較低，與環境溫度的溫差很小，液化后冷媒難以散熱，過冷度持續小，接近于0（如圖16中橙線所示）。在流動過程中，持續有冷媒氣化，氣泡沖擊膨脹閥閥芯，發出持續的冷媒流動聲。

由于此車前端冷卻模塊已定型，硬件難以優化，優先通過軟件優化提高低負荷冷凝壓力，從而改善過冷度。具體方案如下：

（1）降低冷卻風扇最低工作占空比，由30%降低至15%，并提高最低工作占空比對應的冷凝壓力區間上限值，由10 bar提高到12 bar。

（2）提高壓縮機最低工作轉速，由800 rpm提高到1 000 rpm。

經過軟件更改后，空調低負荷工況下冷凝壓力明顯提高，過冷度由小于1 ℃提高到6 ℃左右，主觀評價冷媒流動聲基本消失，軟件更改后測到的空調參數如圖16所示。以上說明，電動車出現持續冷媒流動聲的主要原因是冷凝壓力過低，冷媒散熱困難導致過冷度不足。

圖16 空調軟件優化后參數測試結果

2.4 燃油車壓縮機運行持續冷媒流動聲診斷

某燃油車裝配變排量壓縮機，無極調速冷卻風扇，同軸管，在外界環境溫度30 ℃以上，開壓縮機后，車內出現持續的嘶嘶聲，關閉壓縮機嘶嘶聲消失。

燃油車空調系統中的同軸管是為了充分利用低壓管制冷劑的冷量，冷卻高壓管冷媒，使它有更高的過冷度，從而提高系統效率和制冷量[10]?？照{高壓管上裝備同軸管有利于抑制冷媒流動聲。如果裝配同軸管的車輛仍然出現持續冷媒流動聲，則懷疑同軸管的換熱效果。

采用第1節測試診斷方法35 ℃工況下對該車輛進行測試，為了解同軸管換熱效果，在同軸管前后各布置一個熱電偶溫度傳感器。

測試環境溫度為35 ℃，工況全冷吹面內循環一檔風量。測試中持續的冷媒流動聲復現。相關空調系統參數如圖17和圖18所示。

從圖17中可以看出，冷凝器出口過冷度小于0，說明冷凝器出口完全為氣液兩相狀態，需要依靠同軸管的降溫作用才能液化。再根據同軸管前后溫差（圖18黃線）發現同軸管降溫效果并不理想，只有10 ℃左右，因此膨脹閥入口過冷度略小于10 ℃。該過冷度不足以使高壓管冷媒完全液化。從而產生冷媒流動聲。

圖17 高壓側空調參數

圖18 低壓側空調參數

從圖18可以看出，膨脹閥出口冷媒過熱度太高，達到了18 ℃，造成膨脹閥出口冷媒溫度過高。同軸管的原理是低壓冷媒與高壓冷媒換熱，降低高壓冷媒溫度。如果低壓冷媒溫度過高，勢必減弱起降溫效果，使膨脹閥入口過冷度降低，產生冷媒流動聲。

為降低膨脹閥出口過熱度和低壓冷媒溫度，將膨脹閥作動值調大，增加冷媒流量。更改前后膨脹閥參數如表3所示。

表3 膨脹閥優化前后參數

優化后的低壓側空調參數如圖19所示，膨脹閥出口過熱度由優化前的18 ℃降低至優化后7 ℃，膨脹閥出口冷媒溫度明顯降低。同時，高壓側空調參數如圖20所示，同軸管降溫效果明顯增強，前后溫差由優化前12 ℃左右提高到20 ℃以上。膨脹閥入口過冷度也由優化前的10 ℃左右提高到20 ℃左右。冷媒部分液化現象消失，持續冷媒流動聲消失。

圖19 膨脹閥優化后低壓側空調參數

圖20 膨脹閥優化后高壓側空調參數

由此可見，帶有同軸管的燃油車出現持續的冷媒流動聲通?？紤]提高同軸管的降溫效果來改善。

3 結論

（1）冷媒流動聲與高壓管冷媒通過膨脹閥時的氣液兩相狀態相關，測試空調冷凝壓力、膨脹閥前過冷度、蒸發壓力、膨脹閥后過熱度等參數對診斷其發生原因，設計改善措施有重大幫助。本文第一節提出了整車測試方法。

（2）燃油車開空調瞬間冷媒流動聲主要原因是膨脹閥開閥速度太快，導致太多未液化的氣液兩相冷媒通過膨脹閥閥芯，激勵閥芯產生噪聲。解決方案主要是優化膨脹閥參數，推遲膨脹閥開閥時刻及降低開閥速度。膨脹閥閥芯阻尼夾對改善此類問題效果明顯。

（3）燃油車關空調瞬間冷媒流動聲主要原因是膨脹閥失效、關閉不嚴或者關閥速度太慢，導致壓縮機關閉后，高低壓管壓力迅速平衡，高壓管冷媒迅速氣化，氣化后的氣液兩相冷媒通過膨脹閥發出噪聲。解決方案主要是更換膨脹閥或者提高膨脹閥的關閥速度。

（4）電動車壓縮機運行過程中持續的冷媒流動聲主要原因是低負荷工況下，壓縮機轉速太低，高壓壓力難以建立， 導致高壓管冷媒溫度太低，液化后的冷媒難以繼續散熱形成過冷度。冷媒過冷度太低在流動過程中部分冷媒氣化，氣泡沖擊膨脹閥閥芯產生噪聲。解決方案主要是優化空調軟件標定，提高低負荷工況下的冷凝壓力，提高過冷度。

（5）裝備有同軸管的燃油車持續產生冷媒流動聲的主要原因是同軸管的降溫效果差，降溫效果差可能是因為進入同軸管的低壓冷媒溫度太高，難以冷卻高壓冷媒。解決方案是調整膨脹閥參數，降低膨脹閥出口過熱度，從而降低同軸管中低壓冷媒溫度，提高其對高壓冷媒的冷卻效果。從而提高同軸管后膨脹閥前高壓冷媒過冷度，改善冷媒流動聲。