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汽车空调系统动态特性与优化分析 韩旭瑞 王 刚 长城汽车股份有限公司 河北 保定071000 摘要：在国际环保主义潮流的推动下，汽车空调技术正朝着更节能环保的方问不断发展。对 于传统的轿车而言，虽然发动机冷却液余热足够提供车内的除霜和采暖的需要，。而对于如 电动、混合动力、燃料电池等他新一代环保型汽车而言，其自身能量消耗远小于传统动力车 辆，能够提供给空调系统的能量极其有限。鉴于此，开发更节能、高效且高可靠性的空调系 统必将是未来汽车空调技术的发展方向。 关键词：汽车；空调系统；动态特性；优化 中图分类号：TB611 文献标识码：A 1 导言 汽车空调出现故障时，一般都是具有规律的，因此需要对汽车空调在工作方面的原理进 行详细的了解，然后对所出现的故障现象以及故障原因进行分析，从因果角度出发，然后采 用科学的、正确的的方法对其进行诊断和排除，如果处理不当，只会出现更加严重的问题和 更加严重的损失。本文就对汽车中的空调系统的动态特性和对其的优化工作进行深入的分 析。 2 系统数学模型 汽车空调系统由换热器（蒸发器、冷凝器）、压缩机、节流部件（热力膨胀型、节流管） 与制冷剂储存装置（储液器、汽液分离器）构成，应用广泛的两种汽车空调系统分别为CCTXV （见图1）和CCOT （见图2）系统。本文将系统各部件采用控制容积建立数学模型，对换热 器根据制冷剂状态建立可变控制容积模型，最后利用系统部件质量和能量间的联系组成汽车 空调系统动态特性数学模型。 图1 CCTXV汽车空调系统示意图 图2 CCOT 汽车空调示意图 2.1 换热器 （蒸发器、冷凝器） 根据制冷剂状态将换热器分成过热区、两相区和过冷区，每一个区域为一控制体积，建 立控制容积内制冷剂的质量守恒方程和能量守恒方程。制冷剂质量方程与能量方程分别为： 换热器管壁热平衡方程和空气侧换热量分别为： 2.2 节流部件（热力膨胀阀和节流孔管） 2.2.1 热力膨胀阀.热力膨胀阀既是节流部件，也是流量控制部件。热力膨胀阀感温包的感 受热度ΔT′sh 与蒸发器出口过热度的关系可用一阶惯性延迟环节描述如下： 膨胀阀的流量环节采用如下计算公式： 2.2.2 节流孔管.节流孔管是无延迟的节流部件，不具有流量控制功能，通过节流孔管的制 冷剂质流量可用下式计算： 2.3 制冷剂储存部件（储液器、汽液分离器） 2.3.1 储液器.储液器位于冷凝器和热力膨胀阀之间（见图1），用于存储来自冷凝器的制冷 剂，储液器内制冷剂存在气相区和液相区。气相区的质量平衡方程和能量平衡方程分别为： 相应的液相区方程分别为： 制冷剂气体、液体与器壁的换热分别为： 边界限制条件为： 2.3.2 气液分离器.气液分离器位于蒸发器和压缩机之间（见图2），以分离流出蒸发器的制 冷剂液体，防止压缩机液击。气液分离器中气相区能量方程和质量方程分别为： 液相区能量方程和质量方程分别为： 气液分离器中气相区和液相区的质量分别为： 2.4 压缩机 制冷空调系统运行过程中压缩机转速很高，吸排气过程可认为是连续过程，其质量方程 和能量方程分别为： 压缩机对气体作功： 2.5 空调车室 空调车室内空气的吸热量构成汽车空调系统热负荷，采用空间集中参数法计算系统热负 荷。根据现代控制理论中对扰量与响应的处理方法，将辐射热和环境温度的变化作为扰量， 空调车室的冷负荷和空气温度变化作为响应。空调车室负荷CL 由导热负荷CL1、辐射负荷 CL2、对流负荷CL3 组成，则空调系统第n 时刻所需的冷负荷为： 车室内温度变化过程为： 车室蓄热量： 2.6 制冷剂状态方程 求解上述质量与能量方程时，需要确定制冷剂的状态参数。HFC134a 状态方程采用马丁 -侯方程，其状态方程为： 根据系统部件参数间定量耦合的观点，将部件数学模型按能量与质量关系连接组成汽车 空调系统模型，采用有限差分法显式格式求解上述微分方程。 3 计算结果与实验验证 本文采用上述系统数学模型，对国产轿车CCTXV 空调系统进行了动态特性计算，并与环 境模拟实验室中的实验结果进行了比较。图3、4 分别表示压缩机吸气、排气压力，蒸发器 内空气进、出口温度的仿真结果与实验结果。计算结果与实验值吻合较好，说明本文建立的 汽车空调系统动态特性数学模型正确，方法可靠，