(完整版)汽车空调的选型与布置毕业设计

J I A N G S U U N I V E R S I T Y

本科毕业论文

汽车空调的选型与布置

SELECTION AND ARRANGEMENT OF

AUTOMOTIVE AIR-CONDITION

学院名称：汽车与交通工程学院

专业班级：车辆（卓越1002）

学生姓名：

指导教师姓名：

指导教师职称：

2014年 6 月

汽车空调的选型与布置

专业班级：车辆（卓越1002）学生姓名：

指导老师：职称：

摘要汽车空调的普及与创新，是提高汽车竞争能力的重要手段之一。近年来，随着汽车行业的发展和人们生活水平的提高，人们对于汽车的舒适性、可靠性和安全性的要求也在不断提高，而汽车空调能大大的提高汽车的乘坐舒适性。因此，对汽车空调的研究与开发特别重要。

本文对汽车空调的特点、原理、结构以及功能进行了阐述，并针对某品牌汽车，计算出夏天所需的制冷量，据此计算压缩机的排量与轴功率、冷凝器与蒸发器的传热面积以及膨胀阀功率，并选择相应的装置，最后对其进行布置设计。

关键字：压缩机冷凝器蒸发器膨胀阀匹配布置

SELECTION AND ARRANGEMENT OF AUTOMOTIVE

AIR-CONDITION

Abstract T he popularity and innovation of automotive air-conditioning is one of the important means to improve the competitiveness of the car. In recent years, with the development of the automotive industry and the improvement of people's living standards,people is increasing their requirements for vehicle comfort, reliability and safety , while the automotive air conditioning can greatly improve vehicle ride comfort. So, it is particularly important to research and develop automotive air-conditioning .

In this paper, the characteristics , principles, structure, and function of automotive air-conditioning are described.In addition, I will calculate and design compressor, condenser, evaporator and expansion valve for a certain brand of car.

Key words:compressor condenser evaporator expansion valve match arrangement

目录

第一章绪论........................................................................................................................

1.1汽车空调的国内外发展现状及趋势....................................

1.2本课题研究的内容..................................................第二章空调概述......................................................

2.1汽车空调的功能....................................................

2.2汽车空调的组成....................................................

2.3汽车空调的特点....................................................

2.4 汽车空调的原理...................................................第三章空调系统设计计算.............................................

3.1参数确定 .........................................................

3.2车外综合温度计算..................................................

3.3热负荷的计算......................................................

3.4制冷系统计算与选择................................................

3.4.1制冷剂选择..................................................

3.4.2压缩机的计算与选择..........................................

3.4.3蒸发器的计算与选择..........................................

3.4.4冷凝器的计算与选择..........................................

3.4.5膨胀阀选择..................................................第四章汽车空调的布置...............................................

4.1汽车空调的分类....................................................

4.2乘用车空调系统的布置..............................................结论....................................................................致谢....................................................................

参考文献...............................................................

第一章绪论

1.1汽车空调的国内外发展现状及趋势

汽车空调技术的发展经历了由低级到高级，由单一功能到多功能的5个阶段。

第一阶段单一取暖阶段。1925年,在美国首先出现了利用汽车冷却水通过加热器取暖的方法。1927年，在美国纽约市场上出现了第一台汽车空调装置，当时轰动了世界各国汽车制造商。实际上，这种装置并不能算是真正的空调，只能称之为“加热器”，只是在汽车车厢内增加了热量，在寒冷的季节里，能起到一定的保暖作用。该系统直到1948年才在欧洲出现。而日本在1954年才开始使用加热器取暖。目前，在寒冷的北欧、亚洲北部地区，汽车空调仍然使用单一取暖系统。

第二阶段单一制冷阶段。1938年，美国人帕尔德发明了汽车空调，他受到电冰箱原理的启发，利用电冰箱“冷气”的原理，在一辆老爷车上进行了试验。又于1939年，将改进后的冷气机安装在美国福特汽车公司制造的林肯V12型轿车中，效果很好。1940年，美国通用汽车帕克公司（Packard）第一次将机械制冷用于车用空调，为世界汽车空调市场开辟了发展道路。由于第二次世界大战的爆发，汽车空调的发展遇到了阻碍。二战结束后，汽车空调的实用化、普及化开始发展起来。战后的美国经济迅速发展，特别是因1950年美国石油产地的炎热天气，急需大量的带有制冷效果的汽车，而使单一降温的空调汽车得以迅速发展起来。欧洲、日本轿车到1957年才加装这种单一制冷的空调。单一降温汽车空调目前仍在热带、亚热带地区使用。

第三阶段冷暖一体化阶段。1954年，通用汽车公司首先在（NASH）牌轿车上安装了冷暖一体化的空调，至此，汽车空调才基本上具有调节控制车内温度、湿度的功能。随着汽车空调技术的改进，目前的冷热一体空调基本上均具有加热、降温、除湿、通风、过滤、除霜等功能。这种方式目前仍然在大量的经济型汽车上使用，是目前使用量最大的一种方式。

第四阶段自动控制阶段。冷暖一体汽车空调仍然需要人工操作，很显然，这增加了驾驶员的劳动强度，同时，控制效果也不大理想。于是，自动控制空调装置应运而生。自动空调装置只要预先设定温度，就能自动的在设定的温度范围内工作。系统根据传感器检测到的车内、车外环境的温度等信息，自动地控制空调系统各部件工作，达到调控车内温度和其他功能的目的，减少了驾驶员的劳动强度。

自从冷暖一体化空调出现后，通用汽车就着手研究自动控制的汽车空调，并于1964年首先安装在卡迪拉克（CADILLAC）牌轿车上。紧接着通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司竞相在各自的高级轿车上安装。1971年以后，日本丰田汽车公司的世纪、皇冠，英国的劳斯莱斯以及德国的梅赛德斯—奔驰等豪华高级轿车中，都分别安装了自动汽车空调设备。

第五阶段微机控制阶段。1973年，美国通用汽车公司和日本五十铃汽车公司（后合并到三菱集团）一起联合研制由微型计算机控制的汽车空调系统，并于1977年同时安装在各自的汽车上，将汽车空调技术推广到一个新的高度。微机控制的汽车空调系统由微机按照汽车内外的环境，实现微调化。该系统具备数字化显示、自诊断、数据流传输等一系列功能。通过微机控制，实现了空调运行与汽车运行的相互统一，不仅可以极大地提高制冷效果，还能节约燃料，从而提高了汽车的整体性能和舒适性。

在我国，汽车空调工业的发展大致经历了三个阶段。

第一阶段，从20世纪60年代初到20世纪70年代末。由于我国汽车

工业起步较晚，在这段时期我国汽车空调的发展基本上是一片空白，只能利用汽车发动机排出的废气或冷却水产生的热量来供给车内采暖。

第二阶段，从20世纪80年代初至20世纪90年代初。20世纪80年代初期，我国开始从日本购进汽车空调设备，装配在红旗、上海等小轿车和豪华大客车上；20世纪80年代中后期，又从日本和德国引进了先进的空调生产线和空调生产技术，生产大中型客车、轻型车及轿车的空调系统。

第三阶段，从20世纪90年代开始到目前。国内由一批形成生产规模的汽车空调制造企业，分别从国外引进最先进的压缩机、冷凝器和蒸发器的生产技术和生产线；同时，按照国内外相关法规、标准的要求，普及应用汽车空调制冷系统工质由R12向R134a的转换。至此，我国汽车空调技术在短时间内接近了世界先进水平。

未来汽车空调的发展趋势

1）节能环保的发展趋势

节能环保是目前和今后汽车空调发展的必然趋势。在美国、欧盟、日本等已经出台了相应的法律和法规对空调节能和环保指标做出了明确的硬性规定。我国也出台了相应的规定，以应对当今世界节能环保的大潮流。

2）由DSP控制的直流变频技术代表21世纪空调的发展方向

DSP（数字信号处理器）控制的直流变频空调，采用最新的PAM（脉幅控制）技术，它采用的是直流蜗旋变频压缩机。

3）变频空调网络控制技术将是信息时代的必然产物

变频空调网络控制技术是在一般变频空调的基础上增加了与Interet 的控制接口，通过Internet可对其进行远程控制、远程故障诊断和控制软件升级等，这种技术使得维修更为便利，同时还能实行集中控制以及控制最优化。

4）制冷剂替代技术是空调制造业的当务之急

根据《蒙特利尔协议》，1996年，发达国家开始禁用R12，发展中国家也会于2006年完全禁用R12。R12，通称氟利昂，它们都属卤代物，分子中含有氯元素。众所周知，氟利昂在高空受紫外线照射催化分离出的氯原子与臭氧发生反应，生成氧气。近些年已经发现大气层存在臭氧层空洞，因此世界各国都在积极研制一种更适合环境保护的新型制冷剂。目前一致公认R134a是R12的首选替代物，而且，有关R134a与空调系统的匹配和材料等一系列问题也已经基本上得到了解决。因此研制出对臭氧层无破坏作用的制冷剂替代技术并使之商品化，已经是空调制造行业的当务之急和不可逆转的大趋势。

5）延伸性是开发汽车空调新产品的又一发展趋势

（1）超静音运行：该技术从低噪音压缩机着手，进行降噪，并且内部结构也采取进一步优化，另外运用仿真技术来优化降噪。

（2）大型客车的超远距离送风：该技术采用了超强的送风系统和气流控制技术，使得送风距离可达15m之远，且送风方式可以任选。

（3）健康技术的运用：健康技术的运用将给予空调一个全新的概念，即光触媒、负氧离子、超静音、防霉抗菌材料等新技术，层层净化空气，除异味、除尘能力强，使用时有如身临自然生态空间，有回归自然、返璞归真的感受，大大地提高了乘坐舒适性。

1.2本课题研究的内容

1）阐述汽车空调的特点、原理、结构及作用；

2）针对某款车型进行热负荷的计算；

3）设计选择相应的压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀；

4）对压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀进行布置设计。

第二章空调概述

2.1汽车空调的功能

汽车空调是汽车现代化标志之一，已成为现代汽车的标准配置。汽车空调的基本功能是在任何气候和行驶条件下，都能改善驾驶员的工作条件和创造舒适的行驶环境。随着汽车技术的不断发展，对舒适性的要求越来越高。舒适性是由人体对车内的温度、湿度、空气流速、含氧量、有害气体含量、噪音、压力、气味、灰尘、细菌等多项参数指标的感觉和反应综合决定的。现代汽车空调就是将车内空间的环境调整到对人体最适宜的状态，创造良好的劳动条件和工作环境，从而提高驾驶员的劳动生产率和行车安全；同时，保护乘员的身体健康，利于乘员旅游观光、学习或者休息。为此，现代汽车空调系统的功能可概括为以下几个方面：

1.调节车内温度

一般情况下，多数汽车空调只具有这种单一的车内温度调节和被动湿度调节的功能。汽车空调在冬季利用其暖风系统（即采暖装置）对车内的空气或由外部进入车内的新鲜空气进行加热，从而达到取暖除湿的目的。轿车和中小型汽车由于车内空间较小，所需热量少，一般以发动机冷却循环水作为暖风的热源，而大型客车则需采用独立式加热器作为暖风的热源。汽车空调在夏季利用制冷系统对车内空气或外部进入的车内的新鲜空气进行冷却或除湿，使车内空气变得凉爽和舒适。对大多数人来说，车厢内夏季保持在24℃～28℃，冬季保持在18℃～20℃是比较理想的。

2.调节车内湿度

在过于潮湿或干燥的空气环境中，人会感到不舒服。普通汽车空调只能在调节车内温度的同时被动地调节车内湿度，而高级豪华汽车采用的空

调系统，能对车内的湿度进行适量调节。它是通过增加或减少空气中的潜热来实现的，夏季降温除湿，冬季升温加湿。但在普通汽车上目前还没有安装加湿装置，只能通过开窗或通风设施，靠车外新鲜空气来进行调节。

3.调节车内气流速度

空气的流速和方向对人体舒适性影响佷大。夏季，人们处在适当低速流动的空气中要比处在静止的空气中感觉良好；但是，过高的风直接吹到人体上，也会使人感到不舒服。这就要求汽车空调要具有一个合适的风速。舒适的气流速度一般为0.25m/s左右。在冬季，风速高了会影响人体保温，因而冬季采暖时气流速度应尽量小些。

4.净化车内空气

由于汽车车内空间狭小，乘员密度大，车内极易出现缺氧、二氧化碳浓度过高的情况；同时，汽车发动机废气中的一氧化碳和道路上的粉尘、野外有毒的花粉都容易进入车内，污染车内空气，影响乘员健康。因此汽车空调必须具有补充车外新鲜空气、过滤和净化车内空气的功能。这些功能主要由汽车空调的通风系统和空气净化系统来完成。

5.定期更换车内空气

汽车空调为了节能运转，一般仅进行车内循环，但时间一长，车内空气的品质会因此而下降，这时可以打开新鲜/再循环空气风门，吸入车外新鲜空气，排出车内污浊空气。

6.调节送风方向

汽车空调出风口上设有水平格栅和垂直格栅，可分别做上、下调节和左右调节，用来调节气流出口倾角。根据人体生理特点，头部对冷比较敏感，脚部对热比较敏感。因此，在布置空调出风口时，夏天进冷风时应该向斜上方送出，让冷风吹到乘员的头部；冬季送热风时应该向斜下方送出，使暖风吹到乘员的脚部。

2.2汽车空调的组成

汽车空调由以下几部分组成：制冷系统、加热系统、通风系统、操纵控制系统以及空气净化系统。

1.制冷系统：

采用蒸气压缩式的制冷方式，对车内的空气进行冷却。作为冷源的蒸发器，气温度空气露点温度，因此，制冷系统还具有除湿和净化空气作用。

2.加热系统：

通过把发动机的冷却水引入加热器，利用鼓风机对空气进行加热，还可以对前挡风玻璃除霜。

3.通风系统：

包括鼓风机、风道、风门和出风口等，风门把车外的新鲜空气引入车内，通过排风口把车内的污浊空气排出车外。

4.操纵控制系统：

一般由电气系统、真空系统和操纵装置组成，对制冷系统和加热系统进行控制的同时，对车内的空气温度、风量、流量进行操纵，以保证空调系统正常工作

5.空气净化系统：

一般利用空气过滤器、排风口、电气集尘器和阴离子发生器等组成。

本文主要讲述汽车空调的制冷系统。汽车空调制冷系统包括压缩机、热交换器（包括蒸发器与冷凝器）、储液干燥器（或集夜器）、膨胀阀（或孔管）、温度和压力控制装置、压缩机保护系统等。

(1）压缩机

压缩机是汽车空调制冷系统的心脏，其作用是维持制冷剂在制冷系统中的循环流动，吸入来自蒸发器的低温、低压制冷剂蒸汽，压缩制冷剂使

其压力和温度升高，并将高压制冷剂蒸汽送往冷凝器。压缩机和膨胀阀是制冷系统中低压和高压、低温和高温的分界处。

(2）冷凝器

冷凝器是一种由管子和散热片组合起来的换热器，作用是把压缩机排出的高温、高压制冷剂气体与外界空气进行热交换，从而凝结为较高温度的高压液体。汽车空调的冷凝器有管片式、管道式以及平行流式3种结构形式。目前，我国轿车上主要采用全铝管道式和平行流式冷凝器，而大型客车上主要采用铜管铝片式冷凝器。

(3）蒸发器

蒸发器与冷凝器一样，也是一种换热器，其作用与冷凝器相反，是将经过节流降压后的低温低压液态制冷剂在蒸发器内进行热交换，从而转变成低温低压的气态制冷剂。在这个汽化过程中吸收蒸发器表面周围空气的热量而降温，风机再将冷风吹到车内，以达到降温的目的。

(4）膨胀阀

膨胀阀也称节流阀，是组成汽车空调制冷装置的主要部件，安装在蒸发器入口处，是汽车空调制冷系统的高压侧与低压侧的分界点。其功用是：把来自储液干燥器的高压液态制冷剂节流减压，调节和控制进入蒸发器中的液态制冷剂量，使之适应制冷负荷的变化，同时可防止压缩机发生液击现象和蒸发器出口蒸汽异常过热。

2.3汽车空调的特点

汽车空调利用蒸气压缩式制冷，即利用沸点很低的制冷剂在汽化过程中吸收周围空气中的热量这一原理将车内空气中热量转移给制冷剂，达到车内降温的目的。而制热一般采用发动机冷却水的余热采暖。

汽车空调有如下特点：

1. 空调负荷大，并且负荷变化幅度也大。

汽车车身薄，且是金属壁面，当汽车长时间直接暴露在烈日下（或风雪下），进入车内的热负荷（或冷负荷）比一般房间大得多。汽车车室内乘客密度大，人体热量大，要求制冷能力大，并且需要降温迅速。综合以上因数，要求汽车空调的制冷（或制热）能力要强。

2. 系统中制冷剂流量变化幅度大。

由于汽车空调的压缩机一般均由发动机驱动，而发动机的转速可从600r/min到5000r/min变化，这样对系统的流量控制、系统的设计带来困难。

3. 制冷剂冷凝温度高。

对于大多数车辆来说，冷凝器置于水箱前面，通风冷却效果受发动机水箱辐射热影响，制冷剂的冷凝压力与温度均较高，同时也影响发动机水箱的散热。

4.防振能力强

汽车空调在工作中可能会承受剧烈、频繁的冲击，因此汽车空调的各个零部件应具有足够的强度和抗振能力，接头牢固并防漏。汽车空调制冷系统极容易发生制冷剂的泄漏，其泄漏不仅会造成环境污染，而且可能会破坏整个空调系统的工作条件和制冷系统的部件。遇火甚至会发生燃烧事故。所以，各部件的连接要牢固且大量采用软管接头，同时，要经常检查制冷系统内制冷剂的存储量。

5.结构紧凑，质量小。

由于汽车本身的特点，要求汽车空调结构紧凑，能在有限的空间内进行安装而且安装了开空调后，不至于使汽车增重太多而影响其他性能。现代汽车空调的总质量比20世纪60年代下降了50%，而制冷能力却比同期增强了50%。

6.安全性和舒适性控制难度大

汽车发动机转速变化范围很大，行驶道路状况多变，空调的安全控制难度较大；同时，由于汽车的运行环境相较恶劣，使得其舒适性控制难度较大。

2.4 汽车空调的原理

汽车空调制冷系统在制冷过程中，主要利用压缩机对制冷剂加压使其在冷凝器内液化，液态制冷剂再在蒸发器内蒸发成气体，如此循环往复。在这一循环中，通过制冷剂的汽化吸热降温，再将降温后的冷空气吹进车内；通过制冷剂液化放热将吸收的热量传出车外。循环过程如下：（1）用户按操作程序启动汽车空调系统后，压缩机在发动机的带动下开始工作，驱使制冷剂在密封的空调系统中循环流动，压缩机将气态制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体后排出压缩机。

（2）高温高压制冷剂气体经管路流入冷凝器后，在冷凝器内散热、降温，冷凝成高温高压的液态制冷剂流出。

（3）高温高压液态制冷剂经管路进入干燥储液器内，经过干燥过滤后进入膨胀阀。

（4）高温高压液态制冷剂经膨胀阀节流，状态发生急剧变化，变成低温低压的液态制冷剂。

（5）低温低压液态制冷剂立即进入蒸发器内，在蒸发器内吸收流经蒸发器的空气热量，使空气温度降低，吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成低温低压的气态制冷剂。

（6）低温低压液态制冷剂经管路被压缩机吸入，进行压缩，进入下一个循环。只要压缩机持续工作，制冷剂就在空调系统中连续循环，产生制冷效果；压缩机停止工作，空调系统内的制冷剂随之停止流动，不产生

制冷效果。

图2-1汽车空调原理图

第三章空调系统设计计算

3.1参数确定

综合考虑夏季的高温酷暑和汽车空调系统经常使用的环境，结合相关资料，确定计算车内外边界条件如下：

空气流与汽车相对速度：15m/s;

日照强度：I

水平=1000W/m2 I

垂直

=160W/m2 I

散

=40W/m2

车长：4.48m 车宽：1.74m 车高：1.47m

3.2车外综合温度计算

由于太阳辐射的影响，车身表面温度比环境温度高许多，为简化这部分热负荷计算，引入车外综合温度的概念。由于车顶和车侧的日照强度和

热传导系数不一样，因此，车顶和车侧的综合温度也不一样，其中：

车顶综合温度：t

c顶=ρI

顶

/(α

2

+K

顶

)+t

2

车侧综合温度：t

c侧=ρI

侧

/(α

2

+K

侧

)+t

2

式中：

ρ：车外表面吸收系数，取0.9；

I

顶：车顶太阳辐射强度：I

顶

=I

水平

=1000W/m2；

I

侧：车侧太阳辐射强度：I

侧

=（I

垂直

+I

散

）/2=(160+40)/2=100W/m2

α2：车外空气与车表面的对流放热系数，取经验公式：

α

2

=（8.36+34.15√v）/4.2=33.48

K

顶

：车顶传热系数

K

侧

：车侧传热系数

t

2

：环境温度38℃

壁面传热基本公式：Q=KFΔt

式中：

K ：传热系数；

F ：传热面积；

Δt：温差。

为简化计算，车身各部分按多层均匀平壁考虑，根据传热学理论，有：

K=1/[(1/α

1)+∑（δ

i

/λ

i

）+(1/α

2

)]

式中：

α1：车内表面的对流放热系数，按自然环境考虑，其取值15W（m2·℃）δi：各层材料的厚度；

λi ：各层材料的传热系数。

车顶和车侧的传热系数计算见表3-1：

表3-1 车顶和车侧传热系数

车顶车侧

结构层构成钢板空气

间隙隔热

硬顶

钢板空气

间隙

内饰

板

单一结构层厚度

δi(mm)

0.7 15 5 0.7 25 3

单一结构层导热系数

λi(W/（m2·℃）)

51.63 0.613 0.06 51.63 0.163 0.18

∑（δ

i /λ

i

）(（m2·℃）

/W)

0.175 0.170

1/α

1

(（m2·℃）/W) 1/15 1/15

1/α

2

(（m2·℃）/W) 1/33.48 1/33.48

传热系数K(W/（m

2·℃）)

3.68 3.75 由此可得：

车顶综合温度：t

c顶=ρI

顶

/(α

2

+K

顶

)+t

2

=0.9×1000/（33.48+3.68）

+38=62.22℃

车侧综合温度：t

c侧=ρI

侧

/(α

2

+K

侧

)+t

2

=0.9×100/（33.48+3.3.75）

+38=40.42℃

车地综合温度：t

c地=t

2

+3=41℃

3.3热负荷的计算

通过车顶传入热负荷Q

顶

:车顶面积为3.7m2,则：

Q

顶=K

顶

F

顶

（t

c顶

-t

1

）=3.68×3.7×（62.22-25)=506.79W

通过车侧传入车内的热负荷Q

侧

:车侧面积为11.2m2,则：

Q

侧=K

侧

F

侧

（t

c侧

-t

1

）=3.75×11.2×（40.42-25）=647.64W

通过前壁板传入车内的热负荷Q

发

:

前壁板侧传热系数为：4.63W/(m2·℃)，面积约为1.04m2。经测温度约为75℃，则：

Q

发

=4.63×1.04×（75-25）=240.76W

通过地板传入车内的热负荷Q

地

:

地板面积约为4.95m2,传热系数为：4.02W/（m2·℃），则：

Q

地

=4.02×4.95×（41-25）=318.38W

通过车窗玻璃传入车内的热负荷Q

玻

:

窗玻璃面积见表3-2

表3-2 车窗玻璃面积（m2）

全面积前窗

3.46 0.8

其中前窗挡风玻璃并非垂直安装，其垂直方向投影面积约为0.62m2,水平方向投影面积约为0.52m2。

玻璃传热系数为：K

玻

=11.5W/（m2·℃）