汽车空调 开题报告
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重庆交通大学二 O 一 4 届毕业设计（论文）•开题报告
一、 选题目的与意义 汽车作为一种重要的交通工具，也作为一个国家重要的产业，这使得人们已经离不 开汽车了。随着世界汽车总量的迅速增加，世界能源可持续发展形势堪忧，因此节能减 排将成为汽车行业发展的重要趋势。在节能减排中，冷却模块占有重要位置，保证发动 机能够在一个合适的温度运行有助于提高发动机的燃油经济性以及增加发动机的使用寿 命。同时，对于人们对汽车舒适性的最求日渐提高，汽车空调系统能够对车内空气的温 度，湿度，清洁度，风量和风向等进行调节，保证在各种外界气候和条件下使乘客都处 于一个舒适的空气环境中，这些也都属于冷却模块的应用范围。可见，冷却模块在汽车 冷却系统中占有不可或缺的位置。冷却模块的研究在未来的汽车研究领域也属于重要研 究部分。 二．国内外研究现状 随着此前几年汽车业尤其是轿车的快速增长， 汽车零部件行业也得到了飞速的发展， 汽车空调作为提高汽车乘坐舒适性的一种重要部件已被广大汽车制造企业及消费者所认 可，至 2013 年 8 月止，在国内，国产轿车空调装置率已接近 100%，在其它车型上的装 置率也在逐年提高，汽车空调汽装置已成为汽车中具有举足轻重的功能部件。由于冷却 系统对发动机性能的影响日益显著，通过对冷却系统的不断改进来提高发动机性能已成 为一种有效的手段。对柴油机冷却系统的研究有两个方面：一方面是以提高冷却效率为 目的的系统本身的研究，包括系统各缸水流分布、各部件结构设计、冷却散热系统合理 匹配、系统控制等，称为外冷却研究；另一方面是研究冷却系统关键零部件的热负荷及 其可靠性，它更注重研究固—液耦合问题，称为内冷却研究。目前，汽车空调和发动机 冷却系统的发展趋势主要有以下几个方面。 1 智能化和可控化 目前，大部分汽车空调和发动机冷却系统仍属于传统的被动系统，只能有限地调节 发动机和汽车的热分布状态。但随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电控零部件技 术成熟，冷却系统的智能化和自动化成为可能。 传统的冷却系统中采用机械驱动的冷却水泵和冷却风扇，冷却介质流量取决于发动 机转速，而非发动机实际运行时冷却量需求，显然无法实现对发动机水温在全运行工况 内的合理控制。此外，这些部件耗功严重，比如风扇消耗的功率可以达到发动机总功率 输出的 10%。采用电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温器等部件，可以通过传感器
重庆交通大学二 O 一 4 届毕业设计（论文）•开题报告
和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行，提供最佳的冷却介质流量，实现冷却系 统部件的智能化和可控化，同时降低能耗，提高效率。 ElenaCortona 等人开发出的电动冷却系统中，除了用电动冷却水泵取代传统机械冷 却水泵，同时还用电控智能节温器取代传统的节温器，并开发出与这些电动部件相应的 优化控制策略。通过台架试验对比研究发现，在冷机起动的情况下，新的冷却系统能够 显著缩短暖机时间，大大提高暖机温度。另外，智能节温器对冷却液的良好控制允许冷 却系统有较高的出水温度。在相同的配置和冷却要求下，电动水泵的能量消耗仅为机械 水泵的 16%，即使考虑到电能的转换效率只有机械能效率的一半，整个冷却系统的能量 消耗仍可降低 2/3 左右，优势十分明显。HoonCho 等人用电控冷却水泵取代传统机械水 泵，利用试验和模拟对比分析发现，通过控制水泵转速并提高电控水泵效率，功率消耗 降低量超过 87%，若将水泵转速提高至最大值时，可降低散热器尺寸超过 27%，对提升发 动机性能和燃料经济性潜力很大。 ValeoEngineCooling 公司较早开发出了一种可变速冷却风扇发动机，其风扇速度能 根据冷却液温度和空气调节循环参数来调整，从而能够降低噪声和燃料消耗。国内郭新 民等人对汽车智能化声明，这对于提高发动机的热效率等很有帮助。 2 车室内流场的分析 车室内流场与温度场的ຫໍສະໝຸດ Baidu要性引起世界各大汽车公司的广泛关注,通用、福特、日产 及克莱斯勒公司等积极开展这一领域的研究。 国内外一些学者对送回风口的位置,送风方 式,考虑人体散热、太阳辐射等因素进行了分析,做了大量的研究工作。 3 空调风道的优化 现在大多数的轿车都安装了空调系统,这不仅仅提高了汽车的舒适性,也提高了汽车 的安全性能。 但由于我国地域差异性大,例如夏季某些型号的轿车在我国的南方地区达不 到所需要的制冷量,除霜效果不好,风量分配不均造成室内舒适性差等一些问题。造成这 些问题的原因往往是空调风道系统设计不合理,因此优化空调风道至关重要。 祁照岗、陈江平[8 ]等把原来的单后风道改为双后风道,中心导风管的左、右进风口 只为左、右风道供风,其余风道由中进风口提供风量,改进后室内流场分布均匀, 总风量 提高了 7 %。同济大学的尚明[9]等在中心风道处加两个导流板,并用 CFD 软件进行了分 析,改进后风量分配为左 3111 % ,左中央 2219 % ,右中央 2716 % ,右 1814 % ,风量分配 有了明显的改进。朱娟娟[10 ] 等在原除霜风道的基础上对两种修改方案进行比较:其一
重庆交通大学二 O 一 4 届毕业设计（论文）•开题报告
采用拱形边并增加导流板;其二采用反拱形边并增加导流板。 拱形风道的风量分配比直边 风道更差,相比之下反拱形风道能满足风量分配均匀的目的。 4 汽车空调装置的研究 汽车空调系统运行工况复杂多变,日照,环境,运行地理条件,冷凝器、蒸发器、压缩 机的布置,对系统的效率都有着重要影响。研究汽车空调系统通常是实验研究,但实验研 究一般周期长、费用高。近年来,基于计算机技术的空调系统仿真技术发展很快,已经从 理论模型向实际应用转化。提高冷凝器、蒸发器的换热效率,提高压缩机的做功能力,减 少系统中管路、 设备的压损,寻找制冷系数高、对环境破坏力小的制冷剂一直都是各国学 者的研究重点,这样既可以减小发动机舱的空间,同时又可以保护我们生存的环境。 5 发动机冷却介质流动的合理组织 发动机的冷却介质主要包括水腔内冷却液和空气侧冷却空气。 6 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
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一、 选题目的与意义 汽车作为一种重要的交通工具，也作为一个国家重要的产业，这使得人们已经离不 开汽车了。随着世界汽车总量的迅速增加，世界能源可持续发展形势堪忧，因此节能减 排将成为汽车行业发展的重要趋势。在节能减排中，冷却模块占有重要位置，保证发动 机能够在一个合适的温度运行有助于提高发动机的燃油经济性以及增加发动机的使用寿 命。同时，对于人们对汽车舒适性的最求日渐提高，汽车空调系统能够对车内空气的温 度，湿度，清洁度，风量和风向等进行调节，保证在各种外界气候和条件下使乘客都处 于一个舒适的空气环境中，这些也都属于冷却模块的应用范围。可见，冷却模块在汽车 冷却系统中占有不可或缺的位置。冷却模块的研究在未来的汽车研究领域也属于重要研 究部分。 二．国内外研究现状 随着此前几年汽车业尤其是轿车的快速增长， 汽车零部件行业也得到了飞速的发展， 汽车空调作为提高汽车乘坐舒适性的一种重要部件已被广大汽车制造企业及消费者所认 可，至 2013 年 8 月止，在国内，国产轿车空调装置率已接近 100%，在其它车型上的装 置率也在逐年提高，汽车空调汽装置已成为汽车中具有举足轻重的功能部件。由于冷却 系统对发动机性能的影响日益显著，通过对冷却系统的不断改进来提高发动机性能已成 为一种有效的手段。对柴油机冷却系统的研究有两个方面：一方面是以提高冷却效率为 目的的系统本身的研究，包括系统各缸水流分布、各部件结构设计、冷却散热系统合理 匹配、系统控制等，称为外冷却研究；另一方面是研究冷却系统关键零部件的热负荷及 其可靠性，它更注重研究固—液耦合问题，称为内冷却研究。目前，汽车空调和发动机 冷却系统的发展趋势主要有以下几个方面。 1 智能化和可控化 目前，大部分汽车空调和发动机冷却系统仍属于传统的被动系统，只能有限地调节 发动机和汽车的热分布状态。但随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电控零部件技 术成熟，冷却系统的智能化和自动化成为可能。 传统的冷却系统中采用机械驱动的冷却水泵和冷却风扇，冷却介质流量取决于发动 机转速，而非发动机实际运行时冷却量需求，显然无法实现对发动机水温在全运行工况 内的合理控制。此外，这些部件耗功严重，比如风扇消耗的功率可以达到发动机总功率 输出的 10%。采用电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温器等部件，可以通过传感器
重庆交通大学二 O 一 4 届毕业设计（论文）•开题报告
和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行，提供最佳的冷却介质流量，实现冷却系 统部件的智能化和可控化，同时降低能耗，提高效率。 ElenaCortona 等人开发出的电动冷却系统中，除了用电动冷却水泵取代传统机械冷 却水泵，同时还用电控智能节温器取代传统的节温器，并开发出与这些电动部件相应的 优化控制策略。通过台架试验对比研究发现，在冷机起动的情况下，新的冷却系统能够 显著缩短暖机时间，大大提高暖机温度。另外，智能节温器对冷却液的良好控制允许冷 却系统有较高的出水温度。在相同的配置和冷却要求下，电动水泵的能量消耗仅为机械 水泵的 16%，即使考虑到电能的转换效率只有机械能效率的一半，整个冷却系统的能量 消耗仍可降低 2/3 左右，优势十分明显。HoonCho 等人用电控冷却水泵取代传统机械水 泵，利用试验和模拟对比分析发现，通过控制水泵转速并提高电控水泵效率，功率消耗 降低量超过 87%，若将水泵转速提高至最大值时，可降低散热器尺寸超过 27%，对提升发 动机性能和燃料经济性潜力很大。 ValeoEngineCooling 公司较早开发出了一种可变速冷却风扇发动机，其风扇速度能 根据冷却液温度和空气调节循环参数来调整，从而能够降低噪声和燃料消耗。国内郭新 民等人对汽车智能化声明，这对于提高发动机的热效率等很有帮助。 2 车室内流场的分析 车室内流场与温度场的ຫໍສະໝຸດ Baidu要性引起世界各大汽车公司的广泛关注,通用、福特、日产 及克莱斯勒公司等积极开展这一领域的研究。 国内外一些学者对送回风口的位置,送风方 式,考虑人体散热、太阳辐射等因素进行了分析,做了大量的研究工作。 3 空调风道的优化 现在大多数的轿车都安装了空调系统,这不仅仅提高了汽车的舒适性,也提高了汽车 的安全性能。 但由于我国地域差异性大,例如夏季某些型号的轿车在我国的南方地区达不 到所需要的制冷量,除霜效果不好,风量分配不均造成室内舒适性差等一些问题。造成这 些问题的原因往往是空调风道系统设计不合理,因此优化空调风道至关重要。 祁照岗、陈江平[8 ]等把原来的单后风道改为双后风道,中心导风管的左、右进风口 只为左、右风道供风,其余风道由中进风口提供风量,改进后室内流场分布均匀, 总风量 提高了 7 %。同济大学的尚明[9]等在中心风道处加两个导流板,并用 CFD 软件进行了分 析,改进后风量分配为左 3111 % ,左中央 2219 % ,右中央 2716 % ,右 1814 % ,风量分配 有了明显的改进。朱娟娟[10 ] 等在原除霜风道的基础上对两种修改方案进行比较:其一
重庆交通大学二 O 一 4 届毕业设计（论文）•开题报告
采用拱形边并增加导流板;其二采用反拱形边并增加导流板。 拱形风道的风量分配比直边 风道更差,相比之下反拱形风道能满足风量分配均匀的目的。 4 汽车空调装置的研究 汽车空调系统运行工况复杂多变,日照,环境,运行地理条件,冷凝器、蒸发器、压缩 机的布置,对系统的效率都有着重要影响。研究汽车空调系统通常是实验研究,但实验研 究一般周期长、费用高。近年来,基于计算机技术的空调系统仿真技术发展很快,已经从 理论模型向实际应用转化。提高冷凝器、蒸发器的换热效率,提高压缩机的做功能力,减 少系统中管路、 设备的压损,寻找制冷系数高、对环境破坏力小的制冷剂一直都是各国学 者的研究重点,这样既可以减小发动机舱的空间,同时又可以保护我们生存的环境。 5 发动机冷却介质流动的合理组织 发动机的冷却介质主要包括水腔内冷却液和空气侧冷却空气。 6 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