汽车空调制冷系统的匹配设计研究

【摘 要】与家居室内用等其他空调系统不同，汽车空调系统具有一定的特殊性，且在运行过程中受诸多因素影响。为了提高汽车空调系统制冷的效果，对其制冷系统进行优化匹配设计至关重要。本文在介绍汽车空调系统要求与基本特点的基础上，从压缩机模型、冷凝器模型和蒸发器模型的建立对汽车空调制冷系统匹配仿真的设计进行了一定的探究。

【关键词】汽车空调制冷系统 匹配设计 仿真模型

随着汽车行业的快速发展，其已经成为人们日常生活中一种十分重要的交通工具。而汽车空调系统作为汽车人性化服务的一个重要方面，是现代汽车发展中必不可少的一个重要组成部分。面对汽车空调系统运行条件的严格和工作环境的日益复杂，以及人们提出的高要求，对汽车空调系统，尤其是制冷系统的匹配进行优化设计已成为汽车制造行业的当务之急。冷凝器、压缩机等仿真模型的建立对提高汽车空调制冷系统服务性能、优化匹配设计具有重要的意义。

1汽车空调系统的要求与基本特点

1.1系统的要求

从系统层面而言，汽车空调制冷系统所使用的零部件应具备接头牢固、防渗漏的特性，并具有较强的抗震能力和足够的强度等级。由于汽车空调制冷系统本身结构复杂而精密，且在实际运行过程中极易出现各种各样的问题，这就要求汽车空调制冷系统的匹配设计必须要能够符合汽车整体系统工程的建设要求。同时，尽可能达到简化操作，更为合理科学高效的控制汽车空调系统整体的发展方向[1]。从人体舒适度层面而言，汽车空调制冷系统的匹配设计应满足人体舒适度要求，能够针对不同乘客要求进行灵活的调整，并具有除霜、除雾、换气等功能。对于湿度的控制应保证在50%到70%之间范围内。

1.2系统的基本特点

根据当前设计出的汽车空调系统来看，现有汽车空调系统主要呈现出以下几个特点：第一，系统结构紧凑，冷凝温度高，制冷量大，降温速度快。第二，系统在自身功能结构设计、流量设计和制冷量控制等方面具有较大的难度[2]。第三，汽车空调制冷系统采用自身发动机作为动力源泉，汽车转速变化大，使得空调制冷设备的选择与控制不仅具有较大的难度，而且必须将自动动力因素综合考虑在内。

2汽车空调制冷系统的匹配仿真模型的建立

2.1压缩机模型的建立

压缩机是汽车空调制冷系统的核心装置，是推动制冷剂在制冷系统内不断循环的根本动力。只有压缩机正常稳定的工作，才能够保证汽车制冷系统可以正常持续制冷。压缩机将从蒸发器中释放出来的低温低压蒸汽制冷剂进行压缩转变成为高温高压的过热气体制冷剂，待压缩完成后将其输送至冷凝器进行冷凝处理[3]。要想有效对压缩机结构进行优化，对其特性进行深入研究，对压缩机与制冷各个装置配件进行优化匹配，就必须建立相应的压缩机数学模型，并利用计算机建立模型进行仿真匹配。

为简化模型建立过程、便于计算，本文将压缩机视为一个做功和升压的过程，而其他的热损失则直接计入压缩机效率等参数变量当中。同时，压缩机吸气与排气气压之间的比值通过由系统各模型建立所获得的仿真值计算得出。然而由于汽车空调制冷系统使用的是实际气体，所以目前还没有一个完全适合的解析方程。当前使用的建立在当时最准确温度、蒸汽压力等因素基础之上的自由能量状态方程，只有在满足一定温度和压强的条件下才能够发挥效用。在这一方程中无量钢量一部分代表理想气体，一部分代表实际气体。气体的特性关系由无量钢量来决定[4]。利用上述方程得出的气体特性数据与实验数据相比，蒸汽压力误差范围在±0.02%左右，其他误差范围也都较小，因而可以用来计算实际汽车空调制冷系统的热力参数。

2.2冷凝器模型的建立

为简化计算，本文根据平行流冷凝器的传热特性和流动特点来建立汽车空调制冷系统过冷式冷凝器参数仿真模型。由于当忽略冷凝器与蒸发器制冷过程中损失的阻力时，两者的温度可近似为一致，所以该模型的建立能够计算出过热、两相和过冷三个状态的制冷剂降压特性和传热特性，以及空气的传热特性[5]。制冷剂处于不同的相区，冷凝器对换热量的计算方式也不一样。借助现代化网络信息技术和计算机，在建立冷凝器数学模型的基础上，开发出相应的仿真设计软件。为降低冷凝器在汽车实际运行过程中受空气流动产生的影响，便于将结果输入到电脑内，还需要在仿真软件的设计与开发过程中，增设蒸发器进风温度接口和风速接口，从而实现汽车空调制冷系统匹配的优化设计，实现提高汽车空调制冷系统的服务水平和工作性能。

2.3蒸发器模型的建立

伴随数值仿真技术水平的不断提高，蒸发器的数学仿真模型建立方法也变得越来越多。例如，大管径沸腾传热蒸发器模型、通过分析流行图来计算蒸发器传热系数模型和全新蒸发传热模型等。不同的制冷剂蒸发器模型所需要的换热量计算方法不一样，对计算结果产生的影响也不一样。本文将采用影响最小的全新蒸发器模型。全新蒸发器模型的适用范围在微通道水力直径范围内，制冷剂在蒸发过程中的加速与减速压降通过相应的公式分别计算而得。为优化模型建立，本文将蒸发器模型设计成空气流动方向与制冷剂运行方向成交叉逆流的形式。

3结语

综上，要想优化汽车空调制冷系统的匹配设计，改进系统结构，增强汽车空调制冷系统的服务水平，就必须在充分掌握汽车空调系统基本特点、明确汽车空调系统匹配设计要求的基础上，建立相应的数学仿真模型，尤其是压缩机数学仿真模型、冷凝器数学模型和蒸发器模型等。

参考文献：

[1]白三卯.车辆空调制冷系统性能实验及其数字化匹配研究[D].吉林大学，2012.

[2]刘洪美.电动汽车太阳能空调系统的设计与研究[D].河北工业大学，2014.

[3]牟春燕，顾九春，梁贵航.汽车空调制冷系统稳态仿真研究[J].拖拉机与农用运输车，2008，05：40-42.

[4]闵海涛，王晓丹，曾小华.电动汽车空调系统参数匹配与计算研究[J].汽车技术，2009，06：19-22.

[5]王晓丹.纯电动客车空调系统参数匹配与设计研究[D].吉林大学，2009.

作者简介：陈伟伟（1985—），男，汉，浙江诸暨人，浙江盾安热工科技有限公司。研究方向：机械制造。