汽车空调部件及系统性能优化研究

论文摘要

能源和环境问题是目前世界各国最为关注的两个问题,提高能源效率降低温室气体排放是解决这两个问题的有效途径。汽车空调制冷剂替代是《京都议定书》的重要内容之一,欧盟已经通过立法禁止在2011年之后生产制冷剂全球变暖指数大于150的新汽车空调。目前环保制冷剂仍处于研制阶段,系统效率和安全性有待提高。因此对现有R134a汽车空调进行性能改进是降低汽车空调能耗和环境影响的最有效方法之一,具有很强的现实意义。因此本文以部件优化设计为基础,引入汽车空调变暖影响总当量(TEWI指数)为评价指标,以系统节能为目的,采用数学仿真和实验研究相结合的方法,对现有传统R134a汽车空调进行了性能提升分析,获得了汽车空调系统性能优化和降低汽车空调TEWI指数的有效途径。本文主要研究内容及成果如下:一、建立了高精度的汽车空调系统综合性能实验台架;利用田口试验法对汽车空调用换热器进行了研究,获得影响空气侧传热和压降的最重要参数;通过汽车空调四大件(膨胀机构、压缩机、冷凝器和蒸发器)的建模和分析,得到了改进四大件对系统COP(Coefficient of Performance,COP)提升的潜能;研究结果表明,优化蒸发器和冷凝器可大大改进系统性能;二、建立了普通平行流冷凝器和过冷式冷凝器数学模型,并经大量实验验证,模型误差<±5%;研究结果表明过冷式冷凝器可给带来更大系统COP和过冷度;三、建立了层叠式蒸发器和微通道平行流蒸发器数学模型,经实验验证模型偏差<±5%;单体性能对比实验结果显示微通道平行流蒸发器在强化传热方面优势明显,并可保证系统出口过热度稳定;进一步从制冷剂流程排布和空气侧翅片与制冷剂管接触型式等方面对微通道平行流蒸发器进行了优化分析;四、将上述两器模型引入到汽车空调系统仿真中,开发和建立了R134a汽车空调系统仿真平台。在系统层面优化设计了蒸发器和冷凝器,建立由过冷式平行流冷凝器、微通道平行流蒸发器、定排量压缩机和热力膨胀阀组成的强化R134a汽车空调系统;使制冷剂充注量减少了50g,增大了系统COP和制冷量,并使TEWI值降低了125kgCO2;五、提出了以车室内温度、设定温度和蒸发器表面温度为输入参数的全新外控变排量压缩机排量输出控制方法,重点分析了变排量压缩机系统和定排量压缩机系统对整车性能的影响;环模和道路实验结果表明通过控制策略能够降低系统能耗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外文献综述
• 1.2.1 蒸发器研究现状分析
• 1.2.2 冷凝器研究现状分析
• 1.2.3 压缩机研究现状分析
• 1.2.4 其他部件研究现状分析
• 1.2.5 系统研究现状分析
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 汽车空调实验装置与系统性能提升潜力分析
• 2.1 系统实验装置
• 2.1.1 蒸发器室和冷凝器室
• 2.1.2 压缩机室
• 2.1.3 实验台架测试项目和技术规范
• 2.1.4 测量不确定性度分析
• 2.2 系统实验工况设置
• 2.3 换热器空气侧性能分析
• 2.3.1 试验设计方法
• 2.3.2 参数选择及计算方法
• 2.3.3 SN 计算分析
• 2.4 R134a 汽车空调系统性能提升的理论分析
• 2.4.1 基于实际模型的基准热力学循环
• 2.4.2 部件对系统性能提升的影响
• 2.5 降低汽车空调系统变暖影响总当量（TEWI 指数）分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 过冷式平行流冷凝器
• 3.1 冷凝器数学模型
• 3.1.1 基本假设
• 3.1.2 制冷剂侧传热与压降
• 3.1.3 空气侧传热与压降
• 3.1.4 储液干燥器中制冷剂压降特性
• 3.1.5 冷凝器换热量计算
• 3.1.6 模型输入与输出
• 3.1.7 模型实验验证
• 3.1.8 冷凝器仿真软件设计及应用
• 3.2 平行流冷凝器与过冷式冷凝器性能对比
• 3.2.1 平行流冷凝器与过冷式冷凝器
• 3.2.2 冷凝器单体性能对比
• 3.3 本章小结
• 第四章 微通道平行流蒸发器
• 4.1 蒸发器数学模型
• 4.1.1 基本假设
• 4.1.2 蒸发器干、湿工况传热分析[156]
• 4.1.3 制冷剂侧传热和压降
• 4.1.4 空气侧传热和压降
• 4.1.5 模型计算流程设计
• 4.1.6 实验与仿真对比及分析
• 4.1.7 蒸发器仿真软件设计及应用
• 4.2 层叠式蒸发器与微通道平行流蒸发器性能分析
• 4.2.1 层叠式蒸发器与微通道平行流蒸发器
• 4.2.2 单体性能实验分析
• 4.3 微通道平行流蒸发器优化设计与分析
• 4.3.1 流程排布对微通道平行流蒸发器性能的影响
• 4.3.2 翅片接触方式对微通道平行流蒸发器性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统匹配及实验研究
• 5.1 汽车空调系统匹配仿真平台
• 5.1.1 压缩机模型
• 5.1.2 膨胀阀模型
• 5.1.3 储液干燥器模型
• 5.1.4 管路模型
• 5.1.5 汽车空调系统仿真平台
• 5.1.6 仿真结果分析
• 5.2 基准R134a 汽车空调系统与强化R134a 汽车空调系统
• 5.2.1 冷凝器设计与开发
• 5.2.2 蒸发器设计与开发
• 5.2.3 基准系统和强化系统的建立
• 5.3 系统充注量对比实验分析
• 5.4 系统性能实验分析
• 5.4.1 压缩机性能分析
• 5.4.2 冷凝器和蒸发器的压降特性
• 5.4.3 怠速工况性能分析
• 5.4.4 城市工况性能分析
• 5.4.5 高速工况性能分析
• 5.4.6 系统节能特性分析
• 5.5 强化R134a 汽车空调系统变暖影响总当量（TEWI 指数）分析
• 5.5.1 基本方法与假设
• 5.5.2 计算过程
• 5.5.3 计算结果分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 控制策略对系统节能的影响分析
• 6.1 定排量压缩机和变排量压缩机
• 6.1.1 定排量压缩机
• 6.1.2 变排量压缩机
• 6.2 外控变排量压缩机的控制方法
• 6.3 环模实验结果分析
• 6.3.1 实验装置和系统
• 6.3.2 变排量压缩机系统与定排量压缩机系统性能对比
• 6.3.3 控制策略对整车性能影响
• 6.4 道路实验结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结论与展望
• 7.1 总结论
• 7.2 本文创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表或录用的论文、申请专利及奖励