跨临界ＣＯ２ 汽车空调中润滑油影响特性研究进展

张树铖,殷翔,宋昱龙,等.跨临界CO_2汽车空调中润滑油影响特性研究进展[J].制冷学报,2024,45(02):1-11.

摘　要

应对新能源汽车复杂应用环境和应用需求，润滑油是影响跨临界ＣＯ２热泵空调性能、可靠性的关键因素。油品及油充注量对于充分发挥系统性能，保障系统安全稳定运行具有重要作用。讨论了跨临界ＣＯ２汽车热泵空调中润滑油的作用与影响。总结了应用于ＣＯ２ 汽车热泵空调的几种常用润滑油，并对各种润滑油的各项应用性能进行了对比。分析了加入润滑油对跨临界ＣＯ２ 热泵空调系统中各部件性能产生的作用与影响，以及对空调系统整体性能的影响。润滑油在压缩机中起到减小运动件磨损和工作噪声，防止制冷剂泄漏和排温过高等作用，但过量的油积聚于压缩腔中会导致容积效率降低和功耗升高；在换热器及管路中，油在流动壁面上形成的油膜增大了流动流阻及换热热阻，同时油在蒸发器中起到抑制核态沸腾和气泡扰动的效果，对换热起到恶化作用。总结了相关领域现有研究成果与结论，并对领域内关键研究方向进行了展望。

当下，绝大多数汽车空调中使用的制冷剂是Ｒ１３４ａ。Ｒ１３４ａ 无毒无害，且不会破坏臭氧层，但其ＧＷＰ（全球变暖潜值，GlobalWarmingPotential）较高，且化学性质稳定，释放后难以分解而不断积累，会导致十分明显的温室效应。自《蒙特利尔议定书》基加利修正案中明确将ＨＦＣｓ类制冷剂列入管控范围以来，寻找新型环境友好型低温室效应制冷剂成为汽车空调行业的重点研究领域。在此背景下，天然工质ＣＯ２ 成为一种优良的选择。

自从挪威的G.Lorentzen 等［１］论述了 ＣＯ２ 作为制冷工质应用的可行性并提出跨临界ＣＯ２循环模式以来，ＣＯ２ 制冷技术在全球范围内发展迅速，逐渐成为替代ＨＦＣｓ 类制冷剂的热门选择。ＣＯ２ 作为制冷剂，安全无毒，不可燃，造价低，对环境友好，其ＯＤＰ（臭氧损耗潜值，ozonedepletionpotential）＝ ０，ＧＷＰ＝１，且传热性能良好，能够适应当下制冷领域绝大多数应用场合，目前已在多项领域和行业中得到应用。尤其是近些年随着空调热泵技术在新能源汽车热管理领域的逐步应用，ＣＯ２ 以其优秀的制热性能在汽车空调领域得到广泛的关注和研究，被普遍认为是有望在汽车空调领域替代Ｒ１３４ａ的下一代制冷剂［２－３］。

在跨临界ＣＯ２ 汽车空调的应用中，润滑油的研究仍是一项重点问题。在润滑油的选择与新润滑油的研制中，所选用的润滑油应满足良好的润滑性能，同时应有较长的使用寿命和良好的稳定性，以及在对应工况温度下与ＣＯ２ 和各部件材料间的化学兼容性，保证在油作用下的系统长期稳定运行。同时，油的加入会显著影响系统性能，除影响压缩机的工作状况外，由于汽车空调系统中普遍不设置油分离器，使得油会进入压缩机之后的部件中，对制冷剂的流动及换热造成阻碍。正确分析油对系统及各部件的影响，也是合理发挥系统性能的关键。

吴端等［４－６］对 ＣＯ２ 汽车空调用润滑油的研究进行过介绍和总结，主要概括了各种合成润滑油在ＣＯ２汽车空调系统中的可溶性、润滑性、稳定性、使用寿命、互溶性等特性，并分析了油在换热器和吸气管路中的滞留及对系统性能的影响，但对润滑油对系统各部件的影响及理论层面研究的介绍则不足。此外，较少有学者对ＣＯ２汽车空调中润滑油的影响特性相关内容进行综述。本文将介绍ＣＯ２ 汽车空调系统常用合成润滑油及各项润滑油性能评价，并从各个部件层面及整体制冷系统层面分析润滑油的添加对空调系统性能产生的影响，为跨临界ＣＯ２ 制冷系统中润滑油相关的研究提供部分方向和参考。

１ 常用润滑油及其性能对比

１. １ 跨临界ＣＯ２ 系统常用润滑油

目前在跨临界ＣＯ２ 汽车空调中，研究较为充分且使用较为普遍的润滑油有以下几种：

１）ＰＡＧ（polyalkyleneglycol）即聚烷基及乙二醇油，属于合成润滑油的一种。该种润滑油极性强，从而与ＨＦＣｓ类制冷剂混溶性好，且倾点低，在低温下仍能保持良好的流动性和润滑性，在ＨＦＣｓ制冷系统中应用相当普遍。

２）ＰＯＥ（polyolester）即酯类油，是制冷行业中历史悠久，应用广泛的一种合成润滑油。ＰＯＥ油对高温和低温均有很好的适应性，形成的油膜强度高，具有良好的耐磨性，与多种制冷剂的溶解性都十分良好，但抗水解能力较差。

３）ＰＶＥ（polyvinylether）即聚乙烯醚类油，是一种空调压缩机用的润滑油，润滑性和水解稳定性均较强，且具有很好的绝缘性能。

４）ＡＢ（alkyl benzene）即烷基苯类油，减震、降噪和耐磨效果十分突出，抗水解和绝缘性能也较好。

５）ＰＡＯ（poly-alphaolefin）即聚烯烃类油，具有较高的稳定性和抗水解性，低温流动性和润滑性也较好，在航空航天和军工领域应用较多。

１. ２ 润滑油性能对比

评价制冷系统润滑油的主要指标包括粘度与润滑性能，与制冷剂的互溶性，工作稳定性及使用寿命等。

Ｈ． Ｉｋｅｄａ 等［７］ 对 ＰＡＧ、ＰＯＥ、ＰＶＥ、ＰＣ（polycar-bonate）这 ４ 种润滑油在ＣＯ２ 制冷系统下的性能进行了评价和对比。其中混溶性通过不同混相状态下混合物表现出的光学特性不同，通过透光率来测定；粘度、溶解度通过对应仪器测量；润滑性能由密封式摩擦磨损试验机测量。总的评价结果如表１所示。

基于以上评价结果，Ｈ． Ｉｋｅｄａ 等［７］认为 ＰＡＧ 是最适合于ＣＯ２ 制冷系统的润滑油。Ｃ． Ｓｅｅｔｏｎ等［８－９］也对ＣＯ２ 系统的几种人工合成润滑油的各种特性进行了研究和对比，得到了类似的结果。

而在部分评价结果中，有的认为ＰＯＥ 油优于ＰＡＧ 油。如马一太等［１０］通过实验测试得到了ＰＡＧ、ＰＯＥ、ＰＡＯ、ＡＮ／ＡＢ 四类用于ＣＯ２ 制冷系统的合成润滑油的性能对比，结果如表２所示。他们认为，应用于跨临界ＣＯ２ 制冷系统的润滑油应满足的性能要求有：与 ＣＯ２具有较高的混合性，相对较高的粘度，较低的溶解度，低的倾点，抗老化，良好的热稳定性，对系统中各种材料具有良好的适应性。综合考虑各类润滑油性能的基础上，他们认为ＰＯＥ类润滑油的综合性能较ＰＡＧ、ＰＡＯ 和烷基芳香烃类润滑油更适合于ＣＯ２跨临界循环系统。

又如Ｊ． Ｈｉｎｒｉｃｈｓ［１１］以汽车空调系统的ＣＯＰ 为评价指标，在实验中对比了ＰＡＧ和ＰＯＥ等几类润滑油的影响，如图１所示。可知，在５种不同的工况下，ＰＯＥ 油对应的系统ＣＯＰ略高于ＰＡＧ油，可能的原因是ＰＯＥ油与ＣＯ２ 互溶性好，使换热器的效率较高。

Ｎ． Ｄ． Ｒｏｈａｔｇｉ［１２］通过实验得到了几种常用润滑油与ＣＯ２ 制冷剂和几种典型压缩机材料（铁、铝、铜等）之间的化学兼容性和稳定性。评价指标主要包括老化测试后的视觉变化、总酸数、有机阴离子浓度和金属浓度等。其结果显示：矿物油和烷基苯类合成油在ＣＯ２ 中最稳定，ＰＡＧ油测试中存在少量的化学反应和润滑油分解等，ＰＯＥ 油的稳定性最差。图２所示为ＰＯＥ油测试中润滑油、铜样片和铁样片在未老化和不同环境下老化后的变化对比。

总体而言，ＰＡＧ润滑油有着广泛的适应性，在亚临界和超临界工况下均有十分优异的润滑性能，且其稳定性很好，使用寿命长，虽然与ＣＯ２ 的互溶性不及ＰＯＥ 油，但该差别对制冷系统的性能影响较小［１３］。ＰＡＧ 油综合性能较优，是目前应用于跨临界ＣＯ２ 循环相对较理想的选择。

同时，随着跨临界ＣＯ２ 空调热泵技术的不断发展，开发新型高性能ＣＯ２专用润滑油也是推动其更好地走向实际应用的关键技术之一。目前关于新型ＣＯ２制冷系统润滑油的研发还较少，但该领域的突破将对跨临界ＣＯ２ 热泵空调技术的发展具有重要意义。

２ 油对系统及各部件性能影响

组成跨临界ＣＯ２ 汽车空调系统的主要部件包括压缩机、换热器（包括低温侧的蒸发器和高温侧的气体换热器，以及各种中间换热器和回热器等）、节流部件、储液器、管路等。在这其中参与能量传递和转换的部件是压缩机和换热器，油对这些部件的影响将直接影响制冷／制热能力和功耗，从而影响系统性能。下面将从油对各部件及系统整体的影响方面展开论述。

２. １ 压缩机

压缩机中应注入一定量的油，用于压缩机内部零件运动副的润滑，以减轻运动件之间的磨损，并降低运转噪声；一定量润滑油形成的油膜覆盖于表面，对于防止制冷剂泄漏有着重要意义；同时，油从压缩升温的高温制冷剂中吸收一部分热量，起到冷却制冷剂的作用，从而优化压缩过程。对于汽车空调用压缩机，由于受到实际条件的限制，一般不设单独的油路及油分离器，因此油会随着制冷剂一起流出压缩机进入气冷，并流经整个制冷循环后由吸气管路与制冷剂一同进入压缩机。

由于制冷剂在油中有一定溶解度，使得压缩机进口一部分制冷剂溶解在油中，在压缩过程中又有一部分油解吸出来，这会在一定程度上影响压缩机实际等熵效率，但对容积效率没有影响。

对于需要油参与润滑的压缩机，在油量不足时压缩机性能及运转可靠性会受到严重的影响。满足密封、润滑等所必需的油量后，继续增加油量，压缩机功耗会有一定程度的降低，油量越大，这种降低趋势越不明显。

陈志明等［１４］通过数学建模和实验研究，分析了含油率对压缩过程、背压腔压力、排气温度、容积效率及压缩机功率等的影响。其结果显示：６％～１２％的含油率下压缩机容积效率较高，功耗较低，性能相对最优；含油率偏低时，润滑不足导致的磨损增加，及密封不足导致的泄漏增加，使压缩机性能降低；含油率偏高时，油在压缩腔中占有一定工作容积，同时油搅拌增加，导致了容积效率的下降和功耗增加。陶宏等［１５］研究了油循环率对电动汽车用变频空调式压缩机性能的影响，通过实验测试得到了不同转速下压缩机容积效率、电效率、排气温度、壳体温度等随油循环率的变化，如图３所示。总体上得出，油循环率小时（文中按５％）其改变对压缩机性能的影响更显著。

此外，胡青等［１６－１９］也在不同类型的压缩机与工况下，对油循环率的影响展开了仿真或实验研究。从结果中普遍可知，存在能够使压缩机性能最优的一个最佳油量，油量过少或富余均使压缩机性能有所下降，其中油不足时尤为明显。寻找合适的油充注量，是保证制冷压缩机性能充分发挥的关键。

２. ２ 气体冷却器

与一般的压缩式制冷循环不同，跨临界ＣＯ２ 循环在高温侧处于超临界态，其高压压力明显高于一般制冷循环，且排热过程无相变，这使得气冷换热器与一般冷凝换热器有所不同。在目前，跨临界ＣＯ２ 制冷和热泵循环中常用的换热器主要包括微通道式、管翅式等。当油随着制冷剂一同进入气冷时，其换热和压降特性与无油工况会有较大不同。Ｄａｎｇ Ｃｈａｏｂｉｎ等［２０］实验研究了超临界态ＣＯ２ 在ＰＡＧ 润滑条件下的冷却传热系数和压降特性，结果表明：对较大管径，在达到某一较小的油浓度（本文油浓度均表示油在油－冷媒混合物中的质量分数）之前，传热系数和压降的变化幅度很小，而当超过该浓度后，出现大幅下降和增加。他们同时通过一块蓝宝石视镜来观察换热管内的流态以了解管内换热机理，如图４所示。发现，当油以液滴的形式随ＣＯ２ 一起流动时，该流动模式对换热和压降的影响较小；而当油以一层油膜的形式覆盖于管壁，这层油膜则会大幅影响换热并阻碍流动。油膜的形成与油浓度、温度、管径等有关，油浓度和温度越高，管径越小，油膜越容易形成。

代宝民等［２１］采用一种人工神经网络的预测方法，建立了一种考虑油影响的ＣＯ２ 气冷器模型，其计算结果显示油在气冷中起到阻碍换热的作用，且对于小直径管该阻碍尤其明显。雷佩玉等［２２］则应用平衡分子动力学模拟的方法，研究了润滑油对超临界ＣＯ２微观特性和传热的影响，结果表明在超临界状态下夹带较高含量的润滑油会严重改变体系微观结构，导致传热效率大幅降低。Ｌ． Ｇａｏ等［２３－２５］也研究了超临界ＣＯ２ 冷却过程中含有润滑油时产生的影响，得到了类似的结果。

２. ３ 蒸发器

跨临界ＣＯ２ 制冷和热泵循环中，低压侧蒸发段处于亚临界区，蒸发器中的换热为相变换热，且相变形式以核态沸腾为主。在蒸发器中，油对蒸发器换热和压降特性的影响主要包括两个方面：

１）与气冷换热器中的影响类似，油同样在蒸发器管路中积聚形成油膜，影响传热和流动，且由于蒸发器侧温度低，油的粘度较大，该影响比气冷侧换热器中更显著。与此类似，在蒸发器末端和吸气管路中，由于制冷剂逐渐被蒸发出来，导致液相（油、液态制冷剂混合物）中的油逐渐富集，低温下高粘度的油在蒸发器末端和吸气管中积聚，从而对压降造成十分显著的影响。Ｄａｎｇ Ｃｈａｏｂｉｎ 等［２６］通过实验对水平光滑管内ＣＯ２ 与ＰＡＧ润滑油混合物的流动沸腾换热特性进行了研究，发现低油浓度下传热系数相比于无油时显著降低，但当进一步增加油浓度时，传热系数则下降不明显；压降随油浓度的增加单调增大。

２）油在一定程度上也影响核态沸腾的微观过程。在核态沸腾过程中，存在大量的气泡的生长、脱离、上升、聚集、合并等行为，这些气泡运动起到十分显著的扰动流场的作用，从而显著增强换热。一般表面存在缺陷的区域容易成为汽化核心，汽化核心数目越多，形成气泡速度越快，核态沸腾换热效果也就越好。一旦油在其中占据一定比例，会在换热表面形成一层油膜覆盖，这会显著阻碍气泡的生成，从而抑制成核沸腾，促使主要换热机制向对流蒸发转变。黄永方等［２７］研究了润滑油对ＣＯ２ 沸腾换热过程中气泡行为的影响，建立物理模型并通过数值模拟分析了润滑油对沸腾时气泡运动过程中气泡上升速度、气泡形状及气泡间相互作用的影响。结果表明，对于已经形成的气泡，油的存在增大了混合物的表面张力，使得气泡更容易保持为球形，不易于气泡聚集与合并，气泡在流场中的分布较为分散，对流场的扰动小，从而对换热的提升作用也小。同时，油的存在增加了气泡上升阻力，抑制了气泡运动。图５所示为模拟结果中油对气泡形状和气泡无量纲上升速度的影响（其中Ｅ为气泡尺寸长宽比，ω为油质量分数，ｔ∗ ＝ｔ／ Ｈ／ｇ为无量纲时间。）

杨俊兰等［２８］利用ｍａｔｌａｂ 软件模拟分析了０～５％不同油浓度ω０及－１５～１５ ℃蒸发温度工况下，ＣＯ２ＰＡＧ 油混合物沸腾时生成气泡所需的液体过热度以及气泡的临界半径、脱离直径、脱离频率等，从而分析润滑油对核态沸腾中ＣＯ２ 气泡核化脱离的影响。其模拟结果如图６所示。

结果显示，在所研究油浓度及蒸发温度范围内，油浓度越大或蒸发温度越低时：１）形成气泡所需的液体过热度越大，且气泡的临界半径越大，从而使气泡更难生成；２）气泡的脱离直径越大，脱离频率越小，气泡脱离更加困难。前已述及，在核态沸腾换热中，气泡的产生和脱离起到扰动流场从而增强换热的作用，因此润滑油浓度越高，沸腾换热越受到抑制。

２. ４ 储液器

对于储液器，由蒸发器流出的两相态油－制冷剂混合物通过顶部的进口管进入，然后制冷剂在导流板顶部沿径向流动。之后，制冷剂在液面以上的空间中分离为气态和液态。气态制冷剂和一小部分液滴流经Ｊ型管顶部的网状滤油器；而大部分混合液体则流经Ｊ型管底部的放油孔，最后气液混合物沿Ｊ型管向上流动并从储液器排出。储液器中放油孔的设计在一定程度上影响着储液器液位和局部压降，ＺｈａｎｇＷｅｎｙｉｎｇ 等［２９］通过 ＣＦＤ 模拟研究了该问题。随着放油孔直径的增大，储液器内相态变化如图７所示（其中红色代表ＰＯＥ油和液态ＣＯ２ 的混合物，蓝色代表ＣＯ２ 蒸气，图例色带表示ＰＯＥ油－ＣＯ２ 混合物中油体积分数）。

可见随着放油孔直径的增大，储液器内液位逐渐降低。同时，分析了储液器内部的流动模式，包括高液位时ＣＯ２ 蒸气和散状液体的涡流，放油孔后液体混合物射流的破裂，以及沿壁面指向流动的不稳定。通过模拟得到的静压曲线显示，由于蒸气的高速流动和摩擦，主要的压降发生在Ｊ型管上。

２. ５ 制冷系统

油对制冷系统的影响一般是以性能系数ＣＯＰ或制冷制热能力为指标进行评价，同时需考虑系统的可靠性、安全性及长期运行稳定性等。

随着油浓度增大，压缩机功耗与换热量均呈降低趋势，在含油量较少时，压缩机对油的依赖程度较大，其性能受含油率影响显著，而较少的油量对换热器的换热效果影响较小；当含油量较多时，油的增加对压缩机的提升已十分有限，相反，换热器受到油对换热和流动的阻碍十分严重，此时增加含油量会使系统性能进一步降低。许多研究表明，存在对系统最优的含油率，使ＣＯＰ 或制冷制热能力达到最大，不能同时取得ＣＯＰ 和换热量的最大值。同时，气冷换热器受到的影响一般明显小于蒸发器，这是由于大量的混合液体积聚在蒸发器出口造成的。

同时，润滑油种类与充注量的选择应考虑到长期运行下系统的稳定性和安全性等。压缩机和换热器的部分常用材料如铁、铜、铝等，在一定的温度和压力下会在ＣＯ２－油混合物中发生缓慢腐蚀，同时部分条件下润滑油会发生分解。应将润滑油－ＣＯ２混合物与部件材料在工况条件下的化学稳定性和相容性作为润滑油选择与油充注量确定的考虑因素。

秦红［３０］通过建立实车管路空调实验台，以系统换热量为指标，研究油循环率对系统的影响，在数组不同负荷和不同转速工况实验下，得到图８所示的实验结果。系统油循环率在４.７２％～７.８７％时系统换热量有小幅变化，换热量变化率在５％以内；继续增大油循环率时，系统换热量则明显衰减，当油循环率由４.７２％增至１９.６３％时，换热量降低２１.２８％。

Ｌｉｕ Ｘｕａｎ 等［３１］通过在实际汽车空调系统中进行的两种ＳＡＥ标准工况下的一系列实验，研究了润滑油对汽车空调系统的系统级和部件级影响，主要包括润滑油对传热、压降、制冷剂分布、蒸发器有效焓差、质量流量、压缩机功耗及系统ＣＯＰ的影响。不同ＯＣＲ（油循环率）下的测试结果表明，ＯＣＲ 的增大会降低制冷剂侧的传热系数，劣化蒸发器分布并降低蒸发器有效焓差，同时减小可用制冷剂质量流量，以上因素均使系统制冷量降低。另一方面，ＯＣＲ通过提高压缩机的等熵效率来减小压缩机的轴功。这两方面相互影响，使得ＯＣＲ在２％～３％时，ＣＯＰ 达到峰值。图９列举了部分系统参数随ＯＣＲ的变化。

邹慧明等［３２］搭建了一套带油循环率测试装置的电动汽车ＣＯ２ 热泵系统实验台，研究典型车辆工况下油循环率对系统性能的影响。系统主要性能参数如图１０所示。由实验结果可知，由于油对压缩机和换热器的双重影响，系统整体的ＣＯＰ 随油循环率先增大后减小，制冷与制热模式下最佳ＣＯＰ 对应的油循环率分别为３.８３％和３.５９％。

３ 结论

本文介绍了跨临界ＣＯ２ 汽车空调中有关润滑油应用及影响的相关研究，包括各类常用润滑油的介绍与对比，及润滑油的加入对空调系统各部件及系统整体所带来的作用与影响等，得到结论如下：

１）目前应用于跨临界ＣＯ２ 系统的润滑油中，较为常用的有ＰＡＧ类、ＰＯＥ类、ＰＶＥ类及ＰＡＯ类等，以ＰＡＧ 类和ＰＯＥ类润滑油应用最为普遍。目前常见种类的润滑油中以ＰＡＧ类油对跨临界ＣＯ２系统的适应性最好，应用效果最佳，其次是ＰＯＥ类油。此外，新型润滑油的研发是优化跨临界ＣＯ２ 系统的有效途径之一，是当下及未来ＣＯ２ 制冷领域一项重要研究方向。

２）润滑油的存在对于跨临界ＣＯ２ 系统各部件性能及系统整体性能的影响显著，在部件中尤以压缩机和蒸发器最为显著。一方面，系统中的运动部件需要一定量的润滑油进行润滑及冷却散热，对于优化压缩机运行状态、减少功耗具有重要作用，系统各部位也需要一定量的润滑油密封以防止制冷剂泄漏。另一方面，润滑油阻碍了制冷剂的流动和换热，增大了换热器流道内的流阻和热阻，并抑制蒸发器内ＣＯ２ 的成核沸腾，使得系统的换热量降低。此外，过量的润滑油会反过来增大压缩机功耗，甚至危害压缩机运行安全等。

３）综合油对系统各部件的影响，对于系统存在一定的最优油充注量范围使系统性能最优化，油量不足或油量过多，均会显著影响系统工作性能。确定合适的油充注量，是发挥跨临界ＣＯ２ 系统最佳性能的关键。

总之，润滑油的存在对跨临界ＣＯ２ 空调系统影响显著，对于空调系统最大性能发挥、节能、长期稳定运行等方面至关重要。本文通过对润滑油作用与影响的介绍和分析，指出了其在制冷系统中的重要性，为跨临界ＣＯ２ 空调热泵系统的设计与应用提供参考。同时，对领域内关键研究方向进行了展望。探寻油对部件及系统的影响机理，从而优化油品及油充注量，或对系统部件做出针对性能的改良与优化以适应其影响特性，寻找和研制新型润滑油等，仍是当下该领域中的重要研究方向。