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沈阳航空工业学院毕业设计论文第1页1绪论制冷和空调并非是近世纪的发明。早在12000多年以前,一些简单形式的制冷和空调就已经开始使用。尽管这些系统按今日的标准看是粗糙的,但它们确实起到了与现代装置相同的作用。汽车空调出现于1940年,但直至1960年才开始普及。从那时起,对汽车空调的兴趣一直持续上升。空调现在已是最普及的汽车附件之一。汽车空调,即汽车空气调节的简称,即采用人工制冷和采暖的方法,调节车内的温度、湿度、气流速度、洁净度等参数指标,从而为人们创造清新舒适的车内环境。1.1汽车空调业的发展历程汽车空调技术的发展是从低级到高级,由功能简单向功能齐全方向发展的,其发展过程可以概括为以下五个阶段第一阶段单一供暖,即利用房间取暖的方法的汽车空调。1925年首先在美国出现利用汽车冷却液通过加热器的方法取暖。到1927年发展到具有加热器、鼓风机和空气滤清器等比较完整的供热系统。目前在寒冷的北欧、亚洲北部地区,汽车空调仍然使用单一供暖第统。第二阶段单一制冷的汽车空调。1939年,由美国通用汽车帕克公司(PACKARD)首先在轿车上安装机械冷降温的空调器,成为汽车空调的先驱。目前在热带、亚热带地区,汽车空调仍然使用单一冷系统。如广东、海南岛使用的空调出租汽车,大部只有制冷降温功能。第三阶段冷暖一体化的空调。1954年美国通用汽车公司,首先在纳什轿车上安装了冷暖一体化的空调器,汽车空调才基本上具有了调节控制车内温度、湿度的功能。随着汽车空调技术的改进,目前冷暖一体体的空调基本上具有降温、除湿、通风、过滤和除霜等功能。第四阶段自动控制的汽车空调。冷暖一体汽车空调需要人工操纵,增加了驾驶员的工作量,同时控制质量也不太理想。1964年美国通用公司将自动控制的汽车空调安装在凯迪拉克轿车上。这种自动空调装置只要预先设置好温度,机器就能自动地沈阳航空工业学院毕业设计论文第2页在设定的温度范围内工作,达到调节车内空气的目的。第五阶段微型计算机的汽车空调。1973年美国通用汽车公司和日本五十铃汽车公司一起联合研究微型计算机控制的汽车空调系统,1977年同时安装在各自生产的汽车上。微型计算机控制的汽车空调增加了显示数字化,冷、暖、通风三位一体化。微型计算机根据车内外的环境条件,控制空调器的工作,实现了空调运行与汽车运行的相关统一,极大地提高了调节效果、节约了燃料,从而提高了汽车的整体性能和最佳的舒适性。目前微型计算机控制的汽车空调装在高级汽车上,如福特公司的林肯、丰田汽车公司的凌志、本田汽车公司的雅阁和三菱大客车等。1.2我国汽车空调发展现状在20世纪60年代,我国曾经有利用汽车发动机排出的高温废气来取暖的供热系统,并在工作6070年代生产的北京吉普和北方的一些长途客车上应用。1976年以来,上海、南京、广东等地开始生产汽车空调设备,但这些产品大多是为轿车配套的。20世纪80年代初期,我国从日本购进降温汽车空调。20世纪80年代中后期,我国第一汽车制造厂以及上海、北京、湖南、广州、佛山等地分别从日本、德国引进先进的空调生产线和空调技术,使我国的汽车空调技术接近世界水平,为我国汽车空调的发展打下良好的基础。我国现在主要汽车空调生产厂家20多家,其中绝大部分都引国外技术生产线和生产设备,还有些是中外合资企业,国内汽车空调技术的研究和开发与国外的差距正在逐渐缩小。从市场上占有情况上看,由于大多数空调的生产未具规模化,加上汽车空调种类繁多,国内汽车空调销售市场仅为几家所垄断。其中上海德尔福汽车空调系统有限责任公司生产的爱斯牌汽车空调为别克、帕萨特、桑塔纳、捷达、富康、切诺基等车型配套杰克赛尔汽车空调有限公司生产的空调主要为奥迪、红旗轿车及解放牌重、中、轻型车配套湖北沙市电工仪表集团生产为东风汽车公司、神龙富康汽车公司配套的载货车空调和富康轿车空调广州豪华空调器有限公司生产海南马自达、奥拓、广州本田、长安之星配套的车空调。随着我国汽车配件市场的逐步放开,国内汽车空调生产厂家面临国外汽车空调专业生产厂家的严重挑战。因此国内汽车空调生产如何走上专业化、规模化经营之路,将成为我国未来几年汽车空调业迫切需要解决的问题。沈阳航空工业学院毕业设计论文第3页1.3汽车空调的发展方向当前,从市场需求方面看,汽车空调装置应进一步降低成本,提高燃油经济性从制造方面看,随着车厢地板的降低以及车辆向大型化、高级化发展,需进一步提高汽车空调各组成装置的紧凑性和效率从乘员和驾驶员方面看,车内温度要合理分布、设备操作要简便,空调装置应向全季节型发展。⑴日趋自动化早期的汽车空调系统,进出风系统、冷气系统和暖气系统彼此间互相独立,因而它们的控制系统也自成一体,且汽车空调都是手动控制,仅凭人的感觉来调节开关,因而温度、湿度及风量很难控制。近年来,随着电子计算机的普及并逐步应用到汽车空调系统,使得空调系统的控制效果日趋完善,空调设备的性能也越来越高。使用这种空调系统能进行全天候的空气调节,集制冷、采暖、通风于一体。在人为设定的最佳温度、湿度及风量的情况下,该系统可根据车内人员数量及其他情况的变化进行多档位、多模式的微调,从而达到设定的最佳值,使车内始终保持舒适的人工气候环境,同时可进行故障自动诊断和数字显示,从而缩短其检修和准备时间。⑵提高舒适性当前不少汽车的空调系统的制冷和采暖是各自独立的系统。每当梅雨季节,车窗玻璃上常常蒙上雾气,若要去掉雾气,必须起动冷气装置,但这样会使车内太冷。为了克服此缺点,目前正在开发一种全季节型的空调系统。该系统具有换气、采暖、除湿、制冷等功能,夏天由发动机驱动制冷系统,冬天由加热器制热采暖,过渡季节则采用制冷与采暖混合吹出温和进行除湿,使车厢内换气情况达到最佳状态。⑶高效节能、小型轻量化要进一步降低空调重量和外形尺寸,必须提高警惕各组成装置的结构紧凑性和效率。在压缩机方面,以往的空调系统多采用斜板式压缩机,这种压缩机制冷能力相对较低,性能系数和容积效率也相对较小。为了提高压缩机性能,现已使用制冷效率高的旋转式压缩机和三角转子压缩机。在冷凝器和蒸发器方面,管片换热器已逐渐被管带式换热器取代。而目前散热性能更佳,结构更为紧凑的平行流冷凝器和层叠式蒸发器又有取代管带式换热器的趋势。在制冷管路方面,进行优化设计使管路结构更为合理,并在管路上装配防振橡胶鞋块以防共振等。沈阳航空工业学院毕业设计论文第4页⑷向环保型汽车空调发展目前所使用的汽车空调制冷剂R12对大气臭氧层有一定的破坏作用,根据蒙特利尔议定书规定,发达国家1966年开始禁用R12,发展中国家2006年完全禁用R12。因此世界各国都在积极研制一种更适合环境保护的新型制冷剂。目前世界各国一致辞公认R134a是R12的首选替代物,并基本上解决了空调系统的匹配和材料等一系列问题。⑸采用空调新技术空调制冷方式有许多种,目前应用于汽车空调的制冷方式全部为蒸汽压缩式。其他制冷方式,如吸收式、吸附式、蒸气喷射式、空气压缩式等,很少在汽车空调上采用。但利用发动机的余热来驱动制冷系统是一个理想的节能方案,所以世界各国都在研究这种新技术。成果有氢他物汽车空调系统、固体吸附制冷汽车空调系统、吸收式汽车空调系统、二段式制冷循环汽车空调系统。这里不进行更详细的介绍。1.4汽车空调的功能和特点1.4.1汽车空调的功能由生活中可知道,汽车空调的功能是调节车内的温度、湿度、气流速度、洁净度等。调节车内温度是汽车空调的基本功能,在夏季人感到舒适的温度是22℃~28℃,冬季是16℃~18℃。温度低于14℃,人会感觉到冷,温度越低,手脚动作就会越僵硬,驾驶员将不能灵活操作。温度超过28℃,人就会觉得燥热,精神集中不起来,思维迟钝,容易造成交通事故。超过40℃,则称为为害温度,将对人体健康造成损害。另外,人体面部所需求的温度比足部略低,即要求头凉足暖,温差大约为2℃。汽车空调的第二个功能是调节车室内的湿度。普通汽车空调一般不具备这种功能,只有高级豪华汽车采用的冷暖一体化空调器,才能对车内的湿度进行适量调节。它通过制冷装置冷却降温去除空气中的水分,再由采暖装置升温以降低空气的相对湿度。人觉得舒适的相对湿度夏季是50~60,冬季是40~50。在这种湿度环境中,人会觉得心情舒畅。汽车空调的第三个功能是调节车室内的空气流速。人在流动的空气中比在静止的空气中要舒适,这是因为流动的空气能促进人体内外散热。所以,空气流速是汽车空沈阳航空工业学院毕业设计论文第5页气调节的重要内容之一。空气流速在0.2m/s以下为好,并且以低速变动为佳。汽车空调的第四个功能是过滤净化空气。由于车内空间小,乘员密度大,全封闭空间的空气极易产生缺氧和二氧化碳浓度过高的情况汽车发动机废气中的一氧化碳和道路上的粉尘都易进入车内,造成车内空气浑浊,严重影响乘员的身体健康,因此必须对车内空气进行交货处理。1.4.2汽车空调的特点汽车直接暴露在太阳下或风雪下,隔热措施困难汽车在行驶时有大量风沙、废气从各种缝隙钻入车厢内,造成车厢内的空气污染并增加热负荷汽车的行驶速度变化无常,难以保证稳定的空调工况等。所以汽车空调的工作环境比房间空调器要恶劣得多。因此,汽车空调应比一般房间空调具有更高的技术性能和工作可靠性。具体要求如下⑴汽车空调应保证在任何条件下,车厢内部都具有舒适的温度范围和气流平均速度。⑵汽车空调的控制机构和操纵机构要灵活、方便、可靠。⑶汽车空调的零部件要求可靠、体积小、重量轻、安装维修方便。⑷汽车空调应具有快速制冷和快速采暖的能力。⑸汽车空调冷气装置工作时,对汽车发动机的动力消耗、燃油消耗、加速和爬坡性能的影响应尽可能小。⑹汽车空高在汽车上的结构布局要紧凑合理。零件安装要有防振措施,保证汽车空调在剧烈颠簸振动条件下能可靠地工作。1.5汽车空调系统的组成与分类1.5.1汽车空调系统的组成汽车安装空调的目的是为了调节车内空气的温度、湿度,改善车内空气的流动,并且提高空气的清洁度。因此汽车空调系统主要由以下几个部分组成⑴制冷装置(系统)对车内空气或由外部进入车内的新鲜空气进行冷却或除湿,使车内空气变得凉爽舒适。⑵暖风装置主要用于取暖,对车内空气或由外部进入车内的新鲜空气进行加沈阳航空工业学院毕业设计论文第6页热,达到取暖、除湿的目的。⑶通风装置将外部新鲜空气吸进车内,起通风和换气作用。同时通风对防止风窗玻璃起雾也起良好作用。⑷加湿装置在空气湿度较低的时候,对车内空气加湿,以提高车内空气的相对湿度。⑸空气净化装置除去车内空气的尘埃、臭味、烟气及有毒气体,使车内空气变得清洁。将上述各部分全部或部分有机的组合在一起安装在汽车上,便组成了汽车空调系统。在一般的轿车和客、货车上,通常只有制冷装置、暖风装置和通风装置,在高级轿车和高级大客车上,才有加湿装置和空气净化装置。1.5.2汽车空调系统的分类⑴按驱动型式分类汽车空调系统可分为非独立式汽车空调系统和独立式汽车空调系统。非独立式汽车空调系统的空调制冷压缩机由汽车本身的发动机驱动,汽车空调系统的制冷性能受汽车发动机工况的影响较大,工作稳定性较差。尤其是低速时制冷量不足,而在高速时制冷量过剩,并且消耗功率较大,影响发动机的动力性。这种类型的汽车空调系统一般多用于制冷量相对较小的中、小型客车上。独立式车空调系统空调制冷压缩机由专用的空调发动机驱动,因此汽车空调系统的制冷性能不受汽车主发动机的工况影响,工作稳定、制冷量大,但由于加装了一台发动机,不仅成本增加,而且体积和质量也增加。这种类型的汽车空调多用于大、中型客车上。⑵按结构型式分类汽车空调可分为整体式空调、分体式空调以及分散式空调。整体式空调的将发动机、压缩机、冷凝器和蒸发器通过传动带、管道连接成一个整体,安装在一个专用机架上,构成一个独立的总成,由副发动机带动,通过车内通风管将风送入车内。分体式空调是将压缩机、冷凝器、蒸发器以及独立式空调的副发动机部分或全部分开布置,用管道联成一个制冷系统。沈阳航空工业学院毕业设计论文第7页分散式空调是将蒸发器、冷凝器、压缩机等各部件分散安装在汽车和各个部位,并用管道相联接。轿车、中小型客车及货车都采用这种结构形式。另外,按照蒸发器的布置方式分类还可将汽车空调分为仪表台板式空调、顶置式空调按蒸发器和冷凝器的数量的不同分类,汽车空调可分为单蒸单冷式、单蒸双冷式、双蒸单冷式、双蒸双冷式。沈阳航空工业学院毕业设计论文第8页2汽车空调的工作原理2.1汽车空调的制冷原理汽车空调制冷原理主要有三个要点⑴液体变成气体时,需要吸收大量的热量,热量被吸收而温度随之降低。⑵温度的变化不仅与物体内所含热量的大小有关,而且与物体的体积、质量有关。⑶物体热量的自然传递,只能从高温物体向低温物体传递,即高能向低能传热。汽车冷气系统设计是利用制冷蒸发时需吸收蒸发潜热的基本原理。制冷剂从液体转变为气体时会吸收热量,该过程是在蒸发器中发生的,蒸发器位于乘客车厢内,其作用是吸走热量。制冷剂从气体转变为液体时需要放出热量,这个过程是在冷凝器中进行的。如图2.1所示。高压侧低压侧排气管冷凝器风扇高压液管储液干燥器膨胀阀压缩机低压液管吸气管感温包鼓风机蒸发器图2.1汽车空调系统工作原理汽车空调压缩机由发动机驱动旋转(非独立式空调系统压缩机由汽车发动机驱动,独立式空调系统压缩机由单独的发动机提供动力)。由压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸气,通过高压软管进入汽车空调的冷凝器。由于高温、高压的制冷剂蒸气温度高于车外的空气温度,因此借助冷凝器风扇使冷凝器中的制冷剂蒸气的热量被车外带走,使高温、高压的制冷剂蒸气冷凝成为较高温度的高压液体,通过高压软管流入储液干燥器,经干燥和过滤后,流过膨胀阀。在膨胀阀的节流作用下,制冷剂变成低沈阳航空工业学院毕业设计论文第9页温、低压的液体而进入汽车空调的蒸发器,在定压下汽化并吸收蒸发管外空气中的热量,使流经蒸发器的车内循环空气的温度降成为冷气,通过鼓风机送入车内,降低车内的空气温度。气化后的制冷剂蒸气,由压缩机吸入进行压缩,又变成高温、高压的气体,通过高压软管压入汽车空调的冷凝器,完成了汽车空调的制冷循环。此循环周而复始进行,就可以使车内的温度维持在舒适的状态。2.1.1汽车空调的制冷方式空调的制冷方式很多,常见的有以下四种液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。其中液体汽化制冷的应用最为广泛,它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。蒸气压缩式、吸收式、蒸气喷射式和吸附式制冷都属于液体汽化制冷方式。⑴液体汽化制冷任何液体汽化时都要吸收热量。在定压状态下,1kg液体汽化时所吸收的热量称为汽化潜热。对于任何一种液体,汽化潜热是随其蒸发压力而变的而在相同的压力下,不同工质的汽化潜热也是不相同的。工质的分子量越小,其汽化潜热的数值越大。对任何一种工质,随着蒸发温度的提高其汽化潜热不断减小,当达到临界状态时其汽化潜热为零。在制冷机的工作过程中,在低温下蒸发的制冷剂液体都是使高压液体经节流降压而得到的。较高压力的饱和液体节流降后即进入两相区,并散发出一定的饱和蒸气。由此可见,液体汽化制冷循环由工质低压下汽化、蒸气升压、高压气体液化和高压液体降压四个基本过程组成。蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式制冷和吸咐式制冷都具备上述四个基本过程。⑵气体膨胀制冷在气体制冷机中,是利用高压气体的绝热膨胀达到低温状况,并利用膨胀后的气体在你压下的吸热过程制冷的。气体绝热膨胀的特性随使用的设备而变,一般有两种方式一种方式是高压气体经膨胀机膨胀,此时有外功输出,因而气体经李流阀膨胀,此时无外功输出,气体的温降小,但节流阀的结构较简单且便于气体流量的调节。这种膨胀方式在气体制冷机中使用较少。⑶涡流管制冷
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