汽車空調制冷系統(tǒng)的匹配設計研究

【摘 要】與家居室內用等其他空調系統(tǒng)不同，汽車空調系統(tǒng)具有一定的特殊性，且在運行過程中受諸多因素影響。為了提高汽車空調系統(tǒng)制冷的效果，對其制冷系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配設計至關重要。本文在介紹汽車空調系統(tǒng)要求與基本特點的基礎上，從壓縮機模型、冷凝器模型和蒸發(fā)器模型的建立對汽車空調制冷系統(tǒng)匹配仿真的設計進行了一定的探究。

【關鍵詞】汽車空調制冷系統(tǒng) 匹配設計 仿真模型

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，其已經成為人們日常生活中一種十分重要的交通工具。而汽車空調系統(tǒng)作為汽車人性化服務的一個重要方面，是現代汽車發(fā)展中必不可少的一個重要組成部分。面對汽車空調系統(tǒng)運行條件的嚴格和工作環(huán)境的日益復雜，以及人們提出的高要求，對汽車空調系統(tǒng)，尤其是制冷系統(tǒng)的匹配進行優(yōu)化設計已成為汽車制造行業(yè)的當務之急。冷凝器、壓縮機等仿真模型的建立對提高汽車空調制冷系統(tǒng)服務性能、優(yōu)化匹配設計具有重要的意義。

1汽車空調系統(tǒng)的要求與基本特點

1.1系統(tǒng)的要求

從系統(tǒng)層面而言，汽車空調制冷系統(tǒng)所使用的零部件應具備接頭牢固、防滲漏的特性，并具有較強的抗震能力和足夠的強度等級。由于汽車空調制冷系統(tǒng)本身結構復雜而精密，且在實際運行過程中極易出現各種各樣的問題，這就要求汽車空調制冷系統(tǒng)的匹配設計必須要能夠符合汽車整體系統(tǒng)工程的建設要求。同時，盡可能達到簡化操作，更為合理科學高效的控制汽車空調系統(tǒng)整體的發(fā)展方向[1]。從人體舒適度層面而言，汽車空調制冷系統(tǒng)的匹配設計應滿足人體舒適度要求，能夠針對不同乘客要求進行靈活的調整，并具有除霜、除霧、換氣等功能。對于濕度的控制應保證在50%到70%之間范圍內。

1.2系統(tǒng)的基本特點

根據當前設計出的汽車空調系統(tǒng)來看，現有汽車空調系統(tǒng)主要呈現出以下幾個特點：第一，系統(tǒng)結構緊湊，冷凝溫度高，制冷量大，降溫速度快。第二，系統(tǒng)在自身功能結構設計、流量設計和制冷量控制等方面具有較大的難度[2]。第三，汽車空調制冷系統(tǒng)采用自身發(fā)動機作為動力源泉，汽車轉速變化大，使得空調制冷設備的選擇與控制不僅具有較大的難度，而且必須將自動動力因素綜合考慮在內。

2汽車空調制冷系統(tǒng)的匹配仿真模型的建立

2.1壓縮機模型的建立

壓縮機是汽車空調制冷系統(tǒng)的核心裝置，是推動制冷劑在制冷系統(tǒng)內不斷循環(huán)的根本動力。只有壓縮機正常穩(wěn)定的工作，才能夠保證汽車制冷系統(tǒng)可以正常持續(xù)制冷。壓縮機將從蒸發(fā)器中釋放出來的低溫低壓蒸汽制冷劑進行壓縮轉變成為高溫高壓的過熱氣體制冷劑，待壓縮完成后將其輸送至冷凝器進行冷凝處理[3]。要想有效對壓縮機結構進行優(yōu)化，對其特性進行深入研究，對壓縮機與制冷各個裝置配件進行優(yōu)化匹配，就必須建立相應的壓縮機數學模型，并利用計算機建立模型進行仿真匹配。

為簡化模型建立過程、便于計算，本文將壓縮機視為一個做功和升壓的過程，而其他的熱損失則直接計入壓縮機效率等參數變量當中。同時，壓縮機吸氣與排氣氣壓之間的比值通過由系統(tǒng)各模型建立所獲得的仿真值計算得出。然而由于汽車空調制冷系統(tǒng)使用的是實際氣體，所以目前還沒有一個完全適合的解析方程。當前使用的建立在當時最準確溫度、蒸汽壓力等因素基礎之上的自由能量狀態(tài)方程，只有在滿足一定溫度和壓強的條件下才能夠發(fā)揮效用。在這一方程中無量鋼量一部分代表理想氣體，一部分代表實際氣體。氣體的特性關系由無量鋼量來決定[4]。利用上述方程得出的氣體特性數據與實驗數據相比，蒸汽壓力誤差范圍在±0.02%左右，其他誤差范圍也都較小，因而可以用來計算實際汽車空調制冷系統(tǒng)的熱力參數。

2.2冷凝器模型的建立

為簡化計算，本文根據平行流冷凝器的傳熱特性和流動特點來建立汽車空調制冷系統(tǒng)過冷式冷凝器參數仿真模型。由于當忽略冷凝器與蒸發(fā)器制冷過程中損失的阻力時，兩者的溫度可近似為一致，所以該模型的建立能夠計算出過熱、兩相和過冷三個狀態(tài)的制冷劑降壓特性和傳熱特性，以及空氣的傳熱特性[5]。制冷劑處于不同的相區(qū)，冷凝器對換熱量的計算方式也不一樣。借助現代化網絡信息技術和計算機，在建立冷凝器數學模型的基礎上，開發(fā)出相應的仿真設計軟件。為降低冷凝器在汽車實際運行過程中受空氣流動產生的影響，便于將結果輸入到電腦內，還需要在仿真軟件的設計與開發(fā)過程中，增設蒸發(fā)器進風溫度接口和風速接口，從而實現汽車空調制冷系統(tǒng)匹配的優(yōu)化設計，實現提高汽車空調制冷系統(tǒng)的服務水平和工作性能。

2.3蒸發(fā)器模型的建立

伴隨數值仿真技術水平的不斷提高，蒸發(fā)器的數學仿真模型建立方法也變得越來越多。例如，大管徑沸騰傳熱蒸發(fā)器模型、通過分析流行圖來計算蒸發(fā)器傳熱系數模型和全新蒸發(fā)傳熱模型等。不同的制冷劑蒸發(fā)器模型所需要的換熱量計算方法不一樣，對計算結果產生的影響也不一樣。本文將采用影響最小的全新蒸發(fā)器模型。全新蒸發(fā)器模型的適用范圍在微通道水力直徑范圍內，制冷劑在蒸發(fā)過程中的加速與減速壓降通過相應的公式分別計算而得。為優(yōu)化模型建立，本文將蒸發(fā)器模型設計成空氣流動方向與制冷劑運行方向成交叉逆流的形式。

3結語

綜上，要想優(yōu)化汽車空調制冷系統(tǒng)的匹配設計，改進系統(tǒng)結構，增強汽車空調制冷系統(tǒng)的服務水平，就必須在充分掌握汽車空調系統(tǒng)基本特點、明確汽車空調系統(tǒng)匹配設計要求的基礎上，建立相應的數學仿真模型，尤其是壓縮機數學仿真模型、冷凝器數學模型和蒸發(fā)器模型等。

參考文獻：

[1]白三卯.車輛空調制冷系統(tǒng)性能實驗及其數字化匹配研究[D].吉林大學，2012.

[2]劉洪美.電動汽車太陽能空調系統(tǒng)的設計與研究[D].河北工業(yè)大學，2014.

[3]牟春燕，顧九春，梁貴航.汽車空調制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真研究[J].拖拉機與農用運輸車，2008，05：40-42.

[4]閔海濤，王曉丹，曾小華.電動汽車空調系統(tǒng)參數匹配與計算研究[J].汽車技術，2009，06：19-22.

[5]王曉丹.純電動客車空調系統(tǒng)參數匹配與設計研究[D].吉林大學，2009.

作者簡介：陳偉偉（1985—），男，漢，浙江諸暨人，浙江盾安熱工科技有限公司。研究方向：機械制造。