汽车空调-文献综述

文献综述

1．汽车空调系统的组成与工作原理

1。1．汽车空调系统的组成

（1)制冷系统：对车内空气或外部进入车内的新鲜空气进行冷却，来实现降低车内温度的目的.f2)通风系统:通风系统一般分为自然通风和强制通风。自然通风是利用汽车行驶时，根据车外所产生的风压不同在适当的地方开设出风口和进风口来实现通风换气：强制通风是采用鼓风机强制外气进入的方式。(3)空气净化系统:空气净化系统是由空气过滤器、出风口等组成。(4)控制系统:控制系统主要由电气元件、真空管路和操纵系统组成.

1。2．汽车空调系统的工作原理

汽车空调的基本原理与通常的制冷原理基本一致。利用水的蒸发、冷凝过程，通过外界输入功达到制冷目的.当然一般空调的涵义乃是包括冷气、暖气、空气净化三个内容，本文仅就主要部分一一制冷这一环节加以展开。从蒸发器来的低压制冷剂气体被吸入压缩机气缸后．经压缩变成相对高温高压气体。然后进入冷凝器.经冷却后变成相对高压、常温液体．再经过膨胀阈降温降压后成为相对低温低压液体，该液体在蒸发器中蒸发吸热汽化后再被吸人压缩机进行压缩。如此不断循环。则冷风得以源源不断地被送入车厢，由此获得致冷功效。

2．汽车空调系统的技术创新

2。1．压缩机

压缩机是汽车制冷系统的心脏．是推动制冷剂在制冷系统中不断循环的动力源．变排量压缩机还起着根据复合大小调节制冷剂循环量的作用，其动力来源于汽车主发动机或辅发动机.压缩机的设计正朝着减少重量和体积、降低噪音和增加振动稳定性的方向发展.目前周外压缩机仍以斜板式、旋叶式和漩涡式压缩机为主。为减少离合器频繁闭合产生的嗓音和获得更佳的控制效果，外部控制式变排量压缩机逐渐成为世界车用空调压缩机的主导方向．它具有结构紧凑、重量轻和节省能源的优点。以日本电装DENSO 的变排量压缩机为例。它采用了树脂离合器．体积小，质量轻。而其中的新型控制阀能实现扭矩的估计和控制。另外，随着世界各国的环保意识的不断加强,电动压缩机也得到了进一步的发展。它能满足混合燃料电池车用空调的需要。DANFoSS。DENSO，ZEXEL 等国际性公司已进人二氧化碳压缩机小批量生产阶段.同时在节能方面。日本电装公司开发的～种外部电控变排量压缩机．排量叮从0-100％之间变化．压缩机的开停可完全不受离合器控制。因而这种压缩机取消r电磁离合器，使机组重量大为减轻。

汽车空调非常有潜力的压缩机-数码涡旋式压缩机数码涡旋式压缩机突出的优点是具有“轴向柔性"这一独特的性能，这可使定涡旋盘在轴向上有少量位移，使定涡旋盘与动涡旋盘之间始终用最佳力共同加载，实现无级的能量调节,非常适合汽车空调使用。数码涡旋压缩机工作原理是:压缩机容量是通过涡旋盘的周期性啮合与脱开来改变的。当外部电磁阀关闭时，数码涡旋象标准型压缩机一样工作，容量达到100％。当外

部电磁阀打开时，两个涡旋盘稍微脱离。此时压机无制冷剂被压缩,从而无容量输出。所以在一个10秒钟的循环中,如果涡旋盘加载2秒钟,卸载8秒钟,其平均容量就是20％。加载时间占循环周期的比例可以在10％一100％输出容量的范围内任意改变引3。当数码涡旋压缩机在车上的安装工艺及驱动等问题解决后,将是汽车空调最有前途的压缩机。

2。2．冷凝器组件

冷凝器组件的特点是储液干燥器作为整体焊接在冷凝器的一侧,从而取消了现今

的连接管和两个螺栓．而用集流管和与集流管平行布置的储液干燥器之间的开口代替.为减少安装空间．储液干燥器相对于冷凝器表面非对称布置。现今一般汽车空调的方法是对制冷装置进行一定量的过量充注而得到过冷．从而使制冷功率得到改善．通过制冷剂向冷凝器的倒流使一部分传热面用于过冷。这种方法的缺点在于，过冷度在不同的行驶状态下将有很大的变化;在制冷剂有较小损失的况下，过冷度很快就没了。除了由此产生的功率损失外．液体管中饱和状态的液态制冷剂在接收到较少的热量或有较少的压力损失时马上沸腾。产生的蒸气使得膨胀阀达到其调节范围的极限．这导致蒸发器出口处制冷荆的过热度提高从而使蒸发器传热面积的利用率下降。冷凝器组件避免了上述缺点，储液干燥器下部的液态制冷剂通过开口进入冷凝器的过冷段以得到进一步的冷却。通过选择过冷器的面积町以从结构上确定一个需要的过冷度的值.

2.3．制冷剂

汽车空调制冷剂经历了从CFC到HFC一134a再到C02的过程。目的是提高制冷效能。减少重量和成本。C0:汽车空调系统的好处是全球温室系数仅为HFc—134a系统的l，1300．无毒、非燃烧性天然物质．不需要其它制冷剂的生产工序.能直接从化工厂排放物中提取。美、日、欧都已相继研制成功了二氧化碳汽车空调系统并装车试运行。但是这也仅仅停留在试运行阶段，下面我们也将详细介绍新一代的环保、廉价制冷

-CMR-05.

2。4．采暖系统

一般汽车的暖气热源都是来自于发动机冷却水的废热，由于发动机的高效率化。废热减少，使得冬季取暖的热源成问题。新时期很多汽车公司都发明与采用一些补充的或新的采暖方法。f1）增加辅助电动水泵一发动机停转时，用电动水泵将发动机热水送向暖风芯子，此办法适用于混合动力车发动机停转时间不会太长的场合;（2）采用热泵式空调系统一由于热泵系统冬季采暖效率较低，而且系统较复杂，一般只用于电动车、燃料电池车等车辆.CO：的压缩热很大，若采用C02热泵式空调系统，则冬季采暖效率较高；（3)利用摩擦热取暖一一对于高效率的柴油机，其废热较少。冷却水温度较低,采暖热源不够。必须要发动机额外做功其中的一个方法就是增加一个Vis．COU$加热器。Viscous加热器是利用一个与发动机转轴相连(可通过皮带1的圆盘在旋转时与高黏度的发动机机油摩擦而产生热，吸收r这部分摩擦热而升温的机油被送向车内的热交换器．供车内辅助采用．在热交换器中被降温了的机油又重新被抽回发动机。

以上我所介绍的几种汽车空调结构中的核心是压缩机系统，然而压缩机中必不可少的材料之一是制冷剂,随着经济的发展和环境的破坏,环保，经济的新型制冷剂成为各大厂家和科研机构的奋斗目标。

我国2002年前生产的汽车空调几乎都是R12系统。R12制冷剂是导致臭氧层被破坏和产生温室效应的重要凶素。根据《蒙特利尔议定书》的要求，将逐步淘汰包括R12在

内的CFCs和HCFCs等对臭氧层有破坏作用的制冷剂.另根据《京都议定书》的要求，必须减少温室气体的排放，尽量使用低GWP值的制冷剂.选择替代制冷剂应该考虑以下几个方面：oDP和GWP为零或尽可能小；与原有制冷剂的热力性质相近或相似，不改变现有设备或只做很少改动;制冷性能好,具有较高的COP值；传热特性好，溶油性好；化学性质稳定，无毒，无刺激性气味；价格低廉，易于生产［13。目前，R12的替代制冷剂有R134a、R600a及其混合物等；C02也是一种重要的替代制冷剂。另外由两种或者多种制冷剂按照一定的比例混合而形成的混合制冷剂也是替代现有制冷剂的重要方法。例如R22的替代制冷剂主要为混合制冷剂R407C和R410A。混合制冷机可以分为共沸制冷剂和非共沸制冷剂两种。大部分混合制冷剂是非共沸制冷剂，只有极少数制冷剂是共沸制冷剂。如果混合制冷剂的组分及比例选择适当可以直接替代现有的制冷剂,而不需要对现有设备做出较大的改变，故混合制冷剂是一个重要的发展方向。

CMR-05是由HF℃_152a,HF℃_-227ea和HFC-125 3种成分按某比例混合而CMR_05是1种无色透明挥发性液体和蒸气(环境温度下为气体）[3｜，有乙醚清新气味（微弱的）。HFC—152a具有可燃性限制了它的使用，但由于HFC—227ea具有优秀的阻燃性，HFC—125是不燃的，因此相对于其它混合制冷剂，CMR-05属非易燃性物质。CMR-05的3种组分的ODP值均为0(Rll为1），不仅对于臭氧层没有破坏作用，而且CMR—05温室效应系数只有R134a的一半而且在相同制冷量的情况下，CMR-05的充注量（质量）约为

R134a的75%；在价格方面，CMR-05 3万元／t左右,R134a为3．2万元／t左右,故使用CMR—05的成本较低。所以CMR-05成为了目前比较理想的制冷剂。

其实汽车空调的合理使用不仅能较少对环境的破坏而且可以增加其使用寿命.与此同时又节约了资源，增加了环保.所以我们要对汽车空调机进行合理的使用和很好的保养，以维持其最佳工作状态。

4.发动机热管理技术

对于单独的冷却系统主要研究的是发动机冷却部件的散热情况，而发动机热管理则涉及发动机全系统及整车。将冷却系统研究整合到发动机热管理中，能充分考虑冷却系统对整车性能的影响,将冷却系统的效率提高至最理想值，最大限度地发挥冷却系统的功用。

发动机热管理技术被列为美国21世纪商用车计划的关键技术之一，对提高整车性能潜力巨大。发动机热管理系统的目标是提高燃料经济性,降低排放,增加功率输出和车辆载重能力，降低气动阻力损失和车辆维护费用，提高可靠性以及车辆对环境的适应能力。主要从以下方面实现：采用计算机芯片控制发动机温度,应用强迫对流和核态沸腾传热相结合的冷却机制，使用先进有效的传热介质,增加换热量，采用更加轻巧的高导热率材料制造的换热器，对发动机机舱底部空气流动进行管理,进行余热储存，优化散热器及风扇的设计和布置,废热循环及再利用等.

计算模拟研究由于在时效性和成本上优势明显，已成为发动机热管理研究的主要手段。ChadLehner等人利用VECSS程序开发出了一套用于重载柴油机的热管理系统。该系统由一台计算机控制的可变速冷却水泵、一个位置可控制的自动调温器以及基于

该模型的控制策略组成，利用可控制流动系数的反馈控制的散热器能实现对发动机局部固态温度和冷却液温度的优化控制。在较宽广的车辆运行工况范围内，该系统能使重载柴油机获得令人满意的和恒定的发动机温度,此外，通过系统模拟和试验证实，该系统能有效降低水泵和风扇的功率消耗。

AlanBerry和JoeSteiber等人利用车辆性能分析软件RAPTOR和商业软件FLOWMASTER2进行联合模拟，由RAPTOR计算出排热，并传输给FLOWMASTER2中的发动机冷却系统，计算出冷却液的循环温度并再次反馈给RAPTRO模型，从而精确地实现性能和燃料经济性的预测.近年来在发动机热管理方面的仿真研究较多，大部分是利用多个软件进行一维和三维耦合模拟计算分析。在三维模拟研究方面,用三维CFD计算冷却水套的对流换热系数及缸内近壁面平均气体温度和气体的对流换热系数，用

ABAQUS/MSC，NAS2TRAN,Patran组成的有限元分析模块计算发动机固体结构中的温度分布,气—固-液互为边界条件，计算数据自动在这些软件之间进行互传直至计算达到收敛值.三维模拟既可以研究发动机动力部分的热变化情况,同时还可以对机舱底流及乘客舒适性进行精确模拟，能够得到整个车辆的局部温度及速度的详细信息.

实际模拟研究表明,通过耦合计算，可以得到一些关键区域的变化情况，从而提高了边界条件的利用效率,进而可以得到更加精确的计算结果。当然，在热管理系统的模拟研究中，模型的建立和验证离不开相关的试验研究。

需要指出的是,作为发动机热管理技术重要组成部分的发动机热平衡研究，实际上是对发动机稳态运行状态的热管理初始研究,即得到发动机热系统各部分的热流分布

情况,主要包括冷却液热流、机油热流、排气热流，从而为进一步的冷却部件优化指明方向。目前，研究发动机热平衡的主要手段包括试验研究和模拟研究.试验研究虽然过程繁杂，需要测量冷却液流路、油路、气路相关部件处的温度和流量等数据，对测量仪器的要求较高，周期长、花费高,但是由于其真实可靠，是热平衡研究必不可少的研究手段，同时对整个发动机的热管理研究意义重大，依然得到研究人员的重视和应用。模拟研究由于优势明显，成为目前发动机热平衡研究的主要手段，同时也是发动机热管理仿真模拟研究的主要内容。

3。汽车空调的未来展望

汽车空调的未来是美好的。未来动力车将成为主流，那么动力车可能会采用什么样的空调系统呢？汽车动力系统的环保设计对市场的影响要远远大于汽车空凋系统效率对客户的影响，然而对于能源利用效率最高的电动、混合动力、燃料电池及低排放

汽车，它是否能被用户接受却往往依赖于是否拥有效率更高的采暖和窑凋系统.例如，单用电力制冷和采暖可使电动车和燃料电池车的可行驶里程减少50％以上，以至连典型城市交通都难于适应.对于益开拓的家用轿车市场，微型车用于空凋的能量少于普通车辆，但这部分能量在小功率发动机的输出功中占的比例却不小.由于国际社会的共同努力，在全世界范幽内实现cFcl2到Hrcl34a替代的速度和花费比各公司尊兵作战要小得多。如果新的技术能够在全球范围内被接受，则可能有同样的好处,但是不可避免的是，有些新的设计只在某些气候条件下或某些特殊市场规则下才有优势.因此在全球范围内可能存在多种技术选择。目前自带空调的汽车一般在湿度控制功能，空气通过冷却除湿后再被加热到一定的温度,以控制车窗除雾并保证乘客舒适性。这一点在新的系统没计中可能会遇到挑战，例如在电动汽车中使用热泵型窄调供暖，能够提高能源利用率，但要同时实现湿度和温度的控制却很困难。未来新型空调系统的开发必须与汽车开发同步，以适应新的变化：如发动机效率提高（余热量减少）、电气化、混合驱动动力及其它新型零部件使用后导致空调系统特性的变化。

1）。汽车电气化口益加强新型的电f元件如加热座椅、娱乐系统、电子导航等在汽车上的应用日渐广泛，为r适应这些技术，汽车生产商正在拟转向42v系统。采用高电压系统后有可能去除皮带驱动的系统,如发电机、空调压缩机、水泵及动力转向泵等。这使在汽车空调系统中应用全封闭压缩机成为可能，并且只要发动机舱内靠近仪表盘的部分在足够的空间，就有可能用金属管代替软管，从而大大降低制冷剂泄漏.

2)．电动车及一些混合动力车需要负荷调度电动车和一些混合驱动车为了达到高效和减少温室气体排放的日的,以尽量少使用燃料来满足动力要求。例如，一些混合驱动车在发动机模式时利用多余动力对电池充电，当电池充电完成时则切向电动模式。相应地空调系统的设计面临新的挑战:因为无论发动机模式和电动模式时都需要空调（或采暖）。丰田混合动力车为了节约燃料设计成在发动机模式和电动模式中问来回切换,只在发动机模式下开启空调，困为宅调的压缩机由发动机通过皮带驱动，发动机必须运行以产生热量，在汽车I临时停车或持续减速时切换到电动模式一只有在需要空凋时才开启发动机。本田的混合驱动车有一个小汽油发动机,与电动马达并行以补充动力。本田采用独特的“经济模式"使发动机阶段性地怠速运行，以确保车室内保持在舒适的温度。在空凋（或采暖)负荷较大时,需要保持发动机连续运转，以确保舒适性。

3）．新的零部件技术可减少空凋或采暖负荷增强车身隔热、改进门封结构、玻璃镀层和其它新技术的应用都可减少车室热负荷，从而减少用于空凋或采暖的能耗而减少温室气体排放。

结语：

汽车产业的蓬勃发展必将带动汽车空调产业的辉煌、发达。但是随着技术经济的发展和人们对生活质量的高要求，各大空调厂商和科研人员必须更加专心的投入到空调新技术的开发中来以便满足人们的各种需求.也只有这样也才能够维持空调产业和

汽车产业的生命源泉。

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