叶 翔，龙书成，常文瑞

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 510000）

前言

汽车空调冷媒流动声是汽车空调在低负荷、小风量工况发生的一种宽频高频噪声，听感为嘶嘶声或流水声[1]。频率在2 000～5 000 Hz及8 000～10 000 Hz，与车辆其他噪声的频率成分有较大不同[2]，容易被分辨出来。

大量研究表明，汽车空调冷媒流动声是空调高压管冷媒在通过膨胀阀时夹杂气泡，气泡冲击膨胀阀阀芯产生的[3]。与空调系统匹配、热管理和膨胀阀参数都有关系[4]。此外，膨胀阀阀芯阻尼特性、声学包裹也对该噪声有一定影响。

本文主要关注冷媒流动声的整车测试和原因诊断，提出了一个整车测试方法，总结了集中典型的冷媒流动声发生原因。

1 整车冷媒流动声测试诊断方法

1.1 测试参数及传感器布置

试验在有温度湿度控制功能的环境仓中进行。

使用麦克风测试出风口噪声。根据NVH数据判断冷媒流动声发生。如图1所示。

图1 出风口噪声测试

在膨胀阀入口布置温度传感器，高压加注口连接压力传感器，测试冷凝压力、温度并换算过冷度。空调热力膨胀阀主要依靠感受低压冷媒过热度来调节开度和冷媒流量[5]，在膨胀阀出口布置温度传感器，低压加注口连接压力传感器，测量蒸发压力和温度并换算过热度。上述温度传感器需要用隔热材料妥善包裹，以防机舱热传递整车误差。如图2所示。

图2 冷媒压力和冷媒温度测试

1.2 测试工况及流程

持续的冷媒流动声发生时通常空调制冷负荷较低，瞬时冷媒流动声发生的工况范围较广[6]。测试应主要关注低负荷工况，并做到全面。如表1所示是测试工况表。

表1 冷媒流动声测试工况表

瞬态冷媒流动声一般在压缩机启停及转速变化时偶然发生；稳态冷媒流动声在压缩机运行全程发生。测试流程应涵盖上述两种情况。

将每一轮测试分为300 s，前10 s空调模式调到表1所示，关闭压缩机，测试背景噪声；第11 s到200 s，压缩机开启，测试压缩机启动瞬时冷媒流动声和持续运行时的冷媒流动声；第201 s到300 s压缩机关闭，测试压缩机关闭瞬时冷媒流动声。为了更好地模拟不同驾驶员的关空调习惯，关闭压缩机动作，又可分为关闭鼓风机和只关闭压缩机这两种情况。测试流程总结为表2所示。

表2 冷媒流动声各工况测试流程

1.3 测试数据处理

1.3.1 NVH测试结果的数据处理

冷媒流动声是一种分布在2 000～10 000 Hz上的宽频噪声，如图3所示。付英杰等对它的频率特性进行研究，推荐使用出风口噪声尖锐度对它进行描述[7]。尖锐度计算公式如下：

图3 冷媒流动声出风口噪声频率范围

将计算范围2 000～10 000 Hz等分为24个频段，每个频段是一个bark，n'(z)是某个频率的特征响度。gn是对应于这个bark的加权系数，可以反映人耳对于高频成分更高的敏感性。

计算后的尖锐度是时间的函数，在某个时刻迅速提高则提示冷媒流动声出现[7]。如图4所示。

图4 冷媒流动声尖锐度处理结果

1.3.2 冷媒热力学参数数据处理

过冷度是高压管冷媒温度与冷媒饱和温度的差值，过冷度越大，冷媒气泡越不易产生，流动越稳定安静。反之，则越可能产生冷媒流动声[8]。过冷度计算公式如下：

其中，Th是膨胀阀冷媒温度，一般用管壁温度代替；Ts（Ph）是冷凝压力Ph时对应的冷媒饱和温度，通过查冷媒热力性质表得到。

同理，过热度计算公式如下：

对于有同轴管的空调系统，同轴管是低压冷媒冷却高压冷媒，帮助其提高过冷度的重要零件。同轴管的降温效果对于膨胀阀前过冷度有重要影响。故此类空调系统在同轴管前后需要各布置一个温度传感器，评估同轴管的降温效果。如图5所示。

图5 同轴管传感器布置图

1.3.3 其他数据处理

保存冷凝压力、蒸发压力、膨胀阀入口高压冷媒温度、出口低压冷媒温度、同轴管前冷媒温度等，供分析问题发生原因。

2 冷媒流动声测试诊断方法的应用

2.1 开空调瞬时冷媒流动声的诊断

某采用涡旋定排量压缩机的燃油车在压缩机开启后3 s左右，出风口出现连续3 s嘶嘶声，听感强烈，不能接受。且天气越热，嘶嘶声越明显。如图6所示是该车在35 ℃环境温度下，开压缩机20 s内的出风口噪声瀑布图和尖锐度图。

图6 某燃油车嘶嘶声瀑布图和尖锐度图

由图6尖锐度可知，从18 s到37 s，出现两阵明显的嘶嘶声，和主观评价有高度一致性。

在环境温度35 ℃，全冷吹面内循环一档风量工况下应用第1节所述方法诊断。录得20 s左右的瞬时嘶嘶声。将存在嘶嘶声时段内（前80 s）的冷媒热力学数据处理后，得到了如图7所示的结果。

图7 冷媒热力学测试测试结果

由上图可知，在冷媒流动声发生时，冷凝压力迅速由2.1 MPa降低到1.75 MPa。但是冷媒温度并没有明显变化。导致膨胀阀前制冷剂过冷度急剧降低，由30 ℃降低到22 ℃。同时，从图8中看出，膨胀阀后蒸发压力在该时刻有短暂变大。诊断冷媒流动声发生原因是，压缩机启动膨胀阀开阀过程中开度增加过快，导致高低压平衡，高压冷媒局部气化，气泡冲击膨胀阀阀芯产生冷媒流动声。

图8 蒸发压力测试结果

膨胀阀阀芯阻尼夹是套在阀芯球头顶杆及其支架间的橡胶减振结构，通过阻尼夹与顶杆之间的摩擦，可有效降低膨胀阀的动作速度。此外，还能吸收阀芯振动能量，降低膨胀阀噪声[9]。如图9所示。

图9 膨胀阀阀芯阻尼夹示意图

将原车膨胀阀更换为带阻尼夹的膨胀阀，其他参数不变。同样的工况下再测试，发现冷凝压力和膨胀阀前过冷度峰值后的下降过程更平缓。开空调过程中主观评价安静，没有冷媒流动声。如图10和图11所示。

图10 膨胀阀加阻尼夹后冷媒热力学参数结果

图11 膨胀阀加阻尼夹后冷媒流动声消失

2.2 关空调瞬时冷媒流动声诊断

某耐久后燃油车压缩机关闭后大约20 s后，出现持续20 s左右的嘶嘶声或流水声。基本在任何工况下都发生，环境温度越高越明显。

在35 ℃环境温度下应用第1节中的方法诊断，得到的出风口噪声瀑布图如图12所示。冷凝压力、膨胀阀入口过冷度、蒸发压力、膨胀阀出口过热度等空调系统参数如图13所示。

图12 耐久后关空调冷媒流动声瀑布图

图13 空调系统参数测试结果

由图13可知，在压缩机关闭后，膨胀阀没有及时关闭，导致空调高压压力迅速降低，直到100 s后与低压压力完全平衡，截止作用失效。在高压压力降低过程中，高压冷媒过冷度迅速降低至小于0，大量的冷媒气化流过膨胀阀产生噪声。

膨胀阀完全失去截止作用的主要是膨胀阀失效导致的，通过更换一个全新的膨胀阀，问题解决，冷媒流动声消失，新膨胀阀的空调参数如图14所示。由此可知，空调关闭过程中的冷媒流动声是膨胀阀关阀速度慢或者失效导致的。

图14 新膨胀阀空调参数测试结果

2.3 电动车压缩机运行持续冷媒流动声诊断

某电动车在环境温度20 ℃以下，空调模式全冷吹面内循环一挡风量的条件下开压缩机，在压缩机运行全程，从出风口发出持续的嘶嘶声。鼓风机挡位加大或环境温度提高，冷媒流动声都消失。初步判断和空调系统负荷低有关。

在环境温度20 ℃工况下用第一节的诊断方法测试，持续冷媒流动声复现。空调参数的测试结果如下：

图15 持续冷媒流动声空调参数测试结果

由上图可知，在出现持续冷媒流动声时，空调的冷凝压力很低，绝对压力只有0.72 MPa，故液化后的冷媒饱和温度较低，与环境温度的温差很小，液化后冷媒难以散热，过冷度持续小，接近于0（如图16中橙线所示）。在流动过程中，持续有冷媒气化，气泡冲击膨胀阀阀芯，发出持续的冷媒流动声。

由于此车前端冷却模块已定型，硬件难以优化，优先通过软件优化提高低负荷冷凝压力，从而改善过冷度。具体方案如下：

（1）降低冷却风扇最低工作占空比，由30%降低至15%，并提高最低工作占空比对应的冷凝压力区间上限值，由10 bar提高到12 bar。

（2）提高压缩机最低工作转速，由800 rpm提高到1 000 rpm。

经过软件更改后，空调低负荷工况下冷凝压力明显提高，过冷度由小于1 ℃提高到6 ℃左右，主观评价冷媒流动声基本消失，软件更改后测到的空调参数如图16所示。以上说明，电动车出现持续冷媒流动声的主要原因是冷凝压力过低，冷媒散热困难导致过冷度不足。

图16 空调软件优化后参数测试结果

2.4 燃油车压缩机运行持续冷媒流动声诊断

某燃油车装配变排量压缩机，无极调速冷却风扇，同轴管，在外界环境温度30 ℃以上，开压缩机后，车内出现持续的嘶嘶声，关闭压缩机嘶嘶声消失。

燃油车空调系统中的同轴管是为了充分利用低压管制冷剂的冷量，冷却高压管冷媒，使它有更高的过冷度，从而提高系统效率和制冷量[10]。空调高压管上装备同轴管有利于抑制冷媒流动声。如果装配同轴管的车辆仍然出现持续冷媒流动声，则怀疑同轴管的换热效果。

采用第1节测试诊断方法35 ℃工况下对该车辆进行测试，为了解同轴管换热效果，在同轴管前后各布置一个热电偶温度传感器。

测试环境温度为35 ℃，工况全冷吹面内循环一档风量。测试中持续的冷媒流动声复现。相关空调系统参数如图17和图18所示。

从图17中可以看出，冷凝器出口过冷度小于0，说明冷凝器出口完全为气液两相状态，需要依靠同轴管的降温作用才能液化。再根据同轴管前后温差（图18黄线）发现同轴管降温效果并不理想，只有10 ℃左右，因此膨胀阀入口过冷度略小于10 ℃。该过冷度不足以使高压管冷媒完全液化。从而产生冷媒流动声。

图17 高压侧空调参数

图18 低压侧空调参数

从图18可以看出，膨胀阀出口冷媒过热度太高，达到了18 ℃，造成膨胀阀出口冷媒温度过高。同轴管的原理是低压冷媒与高压冷媒换热，降低高压冷媒温度。如果低压冷媒温度过高，势必减弱起降温效果，使膨胀阀入口过冷度降低，产生冷媒流动声。

为降低膨胀阀出口过热度和低压冷媒温度，将膨胀阀作动值调大，增加冷媒流量。更改前后膨胀阀参数如表3所示。

表3 膨胀阀优化前后参数

优化后的低压侧空调参数如图19所示，膨胀阀出口过热度由优化前的18 ℃降低至优化后7 ℃，膨胀阀出口冷媒温度明显降低。同时，高压侧空调参数如图20所示，同轴管降温效果明显增强，前后温差由优化前12 ℃左右提高到20 ℃以上。膨胀阀入口过冷度也由优化前的10 ℃左右提高到20 ℃左右。冷媒部分液化现象消失，持续冷媒流动声消失。

图19 膨胀阀优化后低压侧空调参数

图20 膨胀阀优化后高压侧空调参数

由此可见，带有同轴管的燃油车出现持续的冷媒流动声通常考虑提高同轴管的降温效果来改善。

3 结论

（1）冷媒流动声与高压管冷媒通过膨胀阀时的气液两相状态相关，测试空调冷凝压力、膨胀阀前过冷度、蒸发压力、膨胀阀后过热度等参数对诊断其发生原因，设计改善措施有重大帮助。本文第一节提出了整车测试方法。

（2）燃油车开空调瞬间冷媒流动声主要原因是膨胀阀开阀速度太快，导致太多未液化的气液两相冷媒通过膨胀阀阀芯，激励阀芯产生噪声。解决方案主要是优化膨胀阀参数，推迟膨胀阀开阀时刻及降低开阀速度。膨胀阀阀芯阻尼夹对改善此类问题效果明显。

（3）燃油车关空调瞬间冷媒流动声主要原因是膨胀阀失效、关闭不严或者关阀速度太慢，导致压缩机关闭后，高低压管压力迅速平衡，高压管冷媒迅速气化，气化后的气液两相冷媒通过膨胀阀发出噪声。解决方案主要是更换膨胀阀或者提高膨胀阀的关阀速度。

（4）电动车压缩机运行过程中持续的冷媒流动声主要原因是低负荷工况下，压缩机转速太低，高压压力难以建立， 导致高压管冷媒温度太低，液化后的冷媒难以继续散热形成过冷度。冷媒过冷度太低在流动过程中部分冷媒气化，气泡冲击膨胀阀阀芯产生噪声。解决方案主要是优化空调软件标定，提高低负荷工况下的冷凝压力，提高过冷度。

（5）装备有同轴管的燃油车持续产生冷媒流动声的主要原因是同轴管的降温效果差，降温效果差可能是因为进入同轴管的低压冷媒温度太高，难以冷却高压冷媒。解决方案是调整膨胀阀参数，降低膨胀阀出口过热度，从而降低同轴管中低压冷媒温度，提高其对高压冷媒的冷却效果。从而提高同轴管后膨胀阀前高压冷媒过冷度，改善冷媒流动声。