汽車(chē)空調(diào) 開(kāi)題報(bào)告

1、一、選題目的與意義汽車(chē)作為一種重要的交通工具，也作為一個(gè)國(guó)家重要的產(chǎn)業(yè)，這使得人們已經(jīng)離不 開(kāi)汽車(chē)了。隨著世界汽車(chē)總量的迅速增加，世界能源可持續(xù)發(fā)展形勢(shì)堪憂，因此節(jié)能減 排將成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。在節(jié)能減排中，冷卻模塊占有重要位置，保證發(fā)動(dòng) 機(jī)能夠在一個(gè)合適的溫度運(yùn)行有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性以及增加發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽 命。同時(shí)，對(duì)于人們對(duì)汽車(chē)舒適性的最求日漸提高，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)?chē)內(nèi)空氣的溫 度，濕度，清潔度，風(fēng)量和風(fēng)向等進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證在各種外界氣候和條件下使乘客都處 于一個(gè)舒適的空氣環(huán)境中，這些也都屬于冷卻模塊的應(yīng)用范圍?？梢?jiàn)，冷卻模塊在汽車(chē) 冷卻系統(tǒng)中占有不可或缺的位置。冷卻模塊的

2、研究在未來(lái)的汽車(chē)研究領(lǐng)域也屬于重要研 究部分。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著此前幾年汽車(chē)業(yè)尤其是轎車(chē)的快速增長(zhǎng)，汽車(chē)零部件行業(yè)也得到了飛速的發(fā)展， 汽車(chē)空調(diào)作為提高汽車(chē)乘坐舒適性的一種重要部件已被廣大汽車(chē)制造企業(yè)及消費(fèi)者所認(rèn) 可，至2013年8月止，在國(guó)內(nèi)，國(guó)產(chǎn)轎車(chē)空調(diào)裝置率已接近100%，在其它車(chē)型上的裝 置率也在逐年提高，汽車(chē)空調(diào)汽裝置已成為汽車(chē)中具有舉足輕重的功能部件。由于冷卻 系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響日益顯著，通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)的不斷改進(jìn)來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能已成 為一種有效的手段。對(duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究有兩個(gè)方面：一方面是以提高冷卻效率為 目的的系統(tǒng)本身的研究，包括系統(tǒng)各缸水流分布、各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻散熱

3、系統(tǒng)合理 匹配、系統(tǒng)控制等，稱(chēng)為外冷卻研究；另一方面是研究冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的熱負(fù)荷及 其可靠性，它更注重研究固一液耦合問(wèn)題，稱(chēng)為內(nèi)冷卻研究。目前，汽車(chē)空調(diào)和發(fā)動(dòng)機(jī) 冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。1智能化和可控化目前，大部分汽車(chē)空調(diào)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仍屬于傳統(tǒng)的被動(dòng)系統(tǒng)，只能有限地調(diào)節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)的熱分布狀態(tài)。但隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電控零部件技 術(shù)成熟，冷卻系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化成為可能。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)中采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇，冷卻介質(zhì)流量取決于發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速，而非發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)冷卻量需求，顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在全運(yùn)行工況 內(nèi)的合理控制。此外，這些部件耗功嚴(yán)

4、重，比如風(fēng)扇消耗的功率可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)總功率 輸出的10%。采用電子驅(qū)動(dòng)及控制的冷卻水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件，可以通過(guò)傳感器 和計(jì)算機(jī)芯片根據(jù)實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制運(yùn)行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量，實(shí)現(xiàn)冷卻系 統(tǒng)部件的智能化和可控化，同時(shí)降低能耗，提高效率。ElenaCortona等人開(kāi)發(fā)出的電動(dòng)冷卻系統(tǒng)中，除了用電動(dòng)冷卻水泵取代傳統(tǒng)機(jī)械冷 卻水泵，同時(shí)還用電控智能節(jié)溫器取代傳統(tǒng)的節(jié)溫器，并開(kāi)發(fā)出與這些電動(dòng)部件相應(yīng)的 優(yōu)化控制策略。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在冷機(jī)起動(dòng)的情況下，新的冷卻系統(tǒng)能夠 顯著縮短暖機(jī)時(shí)間，大大提高暖機(jī)溫度。另外，智能節(jié)溫器對(duì)冷卻液的良好控制允許冷 卻系統(tǒng)有較高的出水溫度。在相同

5、的配置和冷卻要求下，電動(dòng)水泵的能量消耗僅為機(jī)械 水泵的16%，即使考慮到電能的轉(zhuǎn)換效率只有機(jī)械能效率的一半，整個(gè)冷卻系統(tǒng)的能量 消耗仍可降低2/3左右，優(yōu)勢(shì)十分明顯。HoonCho等人用電控冷卻水泵取代傳統(tǒng)機(jī)械水 泵，利用試驗(yàn)和模擬對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制水泵轉(zhuǎn)速并提高電控水泵效率，功率消耗 降低量超過(guò)87%，若將水泵轉(zhuǎn)速提高至最大值時(shí)，可降低散熱器尺寸超過(guò)27%，對(duì)提升發(fā) 動(dòng)機(jī)性能和燃料經(jīng)濟(jì)性潛力很大。ValeoEngineCooling公司較早開(kāi)發(fā)出了一種可變速冷卻風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其風(fēng)扇速度能 根據(jù)冷卻液溫度和空氣調(diào)節(jié)循環(huán)參數(shù)來(lái)調(diào)整，從而能夠降低噪聲和燃料消耗。國(guó)內(nèi)郭新 民等人對(duì)汽車(chē)智能化聲明，

6、這對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率等很有幫助。2車(chē)室內(nèi)流場(chǎng)的分析車(chē)室內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的重要性引起世界各大汽車(chē)公司的廣泛關(guān)注,通用、福特、日產(chǎn) 及克萊斯勒公司等積極開(kāi)展這一領(lǐng)域的研究。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)送回風(fēng)口的位置,送風(fēng)方 式,考慮人體散熱、太陽(yáng)輻射等因素進(jìn)行了分析，做了大量的研究工作。3空調(diào)風(fēng)道的優(yōu)化現(xiàn)在大多數(shù)的轎車(chē)都安裝了空調(diào)系統(tǒng)，這不僅僅提高了汽車(chē)的舒適性，也提高了汽車(chē) 的安全性能。但由于我國(guó)地域差異性大，例如夏季某些型號(hào)的轎車(chē)在我國(guó)的南方地區(qū)達(dá)不 到所需要的制冷量，除霜效果不好，風(fēng)量分配不均造成室內(nèi)舒適性差等一些問(wèn)題。造成這 些問(wèn)題的原因往往是空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，因此優(yōu)化空調(diào)風(fēng)道至關(guān)重要。祁照崗

7、、陳江平8等把原來(lái)的單后風(fēng)道改為雙后風(fēng)道，中心導(dǎo)風(fēng)管的左、右進(jìn)風(fēng)口 只為左、右風(fēng)道供風(fēng)，其余風(fēng)道由中進(jìn)風(fēng)口提供風(fēng)量，改進(jìn)后室內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，總風(fēng)量 提高了 7 %。同濟(jì)大學(xué)的尚明9等在中心風(fēng)道處加兩個(gè)導(dǎo)流板，并用CFD軟件進(jìn)行了分 析,改進(jìn)后風(fēng)量分配為左3111 %，左中央2219 %，右中央2716 %，右1814 %，風(fēng)量分配 有了明顯的改進(jìn)。朱娟娟10等在原除霜風(fēng)道的基礎(chǔ)上對(duì)兩種修改方案進(jìn)行比較:其一 采用拱形邊并增加導(dǎo)流板;其二采用反拱形邊并增加導(dǎo)流板。拱形風(fēng)道的風(fēng)量分配比直邊 風(fēng)道更差，相比之下反拱形風(fēng)道能滿足風(fēng)量分配均勻的目的。4汽車(chē)空調(diào)裝置的研究汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜多變，日照

8、，環(huán)境，運(yùn)行地理?xiàng)l件，冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮 機(jī)的布置，對(duì)系統(tǒng)的效率都有著重要影響。研究汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)通常是實(shí)驗(yàn)研究，但實(shí)驗(yàn)研 究一般周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。近年來(lái)，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)從 理論模型向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。提高冷凝器、蒸發(fā)器的換熱效率，提高壓縮機(jī)的做功能力，減 少系統(tǒng)中管路、設(shè)備的壓損，尋找制冷系數(shù)高、對(duì)環(huán)境破壞力小的制冷劑一直都是各國(guó)學(xué) 者的研究重點(diǎn)，這樣既可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間，同時(shí)又可以保護(hù)我們生存的環(huán)境。5發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)流動(dòng)的合理組織發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻介質(zhì)主要包括水腔內(nèi)冷卻液和空氣側(cè)冷卻空氣。6發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)對(duì)于單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)主要研究的是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻部件的散熱情況，而發(fā)

9、動(dòng)機(jī)熱管理則 涉及發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)及整車(chē)。將冷卻系統(tǒng)研究整合到發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理中，能充分考慮冷卻系 統(tǒng)對(duì)整車(chē)性能的影響，將冷卻系統(tǒng)的效率提高至最理想值，最大限度地發(fā)揮冷卻系統(tǒng)的 功用。發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)被列為美國(guó)21世紀(jì)商用車(chē)計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)提高整車(chē)性能 潛力巨大。發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)是提高燃料經(jīng)濟(jì)性，降低排放，增加功率輸出和車(chē) 輛載重能力，降低氣動(dòng)阻力損失和車(chē)輛維護(hù)費(fèi)用，提高可靠性以及車(chē)輛對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能 力。主要從以下方面實(shí)現(xiàn)：采用計(jì)算機(jī)芯片控制發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，應(yīng)用強(qiáng)迫對(duì)流和核態(tài)沸騰 傳熱相結(jié)合的冷卻機(jī)制，使用先進(jìn)有效的傳熱介質(zhì)，增加換熱量，采用更加輕巧的高導(dǎo) 熱率材料制造的換熱器，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙底

10、部空氣流動(dòng)進(jìn)行管理，進(jìn)行余熱儲(chǔ)存，優(yōu)化散 熱器及風(fēng)扇的設(shè)計(jì)和布置，廢熱循環(huán)及再利用等。計(jì)算模擬研究由于在時(shí)效性和成本上優(yōu)勢(shì)明顯，已成為發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理研究的主要手 段。ChadLehner等人利用VECSS程序開(kāi)發(fā)出了一套用于重載柴油機(jī)的熱管理系統(tǒng)。該系 統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的可變速冷卻水泵、一個(gè)位置可控制的自動(dòng)調(diào)溫器以及基于該模型 的控制策略組成，利用可控制流動(dòng)系數(shù)的反饋控制的散熱器能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)局部固態(tài)溫 度和冷卻液溫度的優(yōu)化控制。在較寬廣的車(chē)輛運(yùn)行工況范圍內(nèi)，該系統(tǒng)能使重載柴油機(jī) 獲得令人滿意的和恒定的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，此外，通過(guò)系統(tǒng)模擬和試驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)能有效 降低水泵和風(fēng)扇的功率消耗。AlanB

11、erry和JoeSteiber等人利用車(chē)輛性能分析軟件RAPTOR和商業(yè)軟件FLOWMASTER2進(jìn)行聯(lián)合模擬，由RAPTOR計(jì)算出排熱，并傳輸給FLOWMASTER2中的發(fā)動(dòng)機(jī) 冷卻系統(tǒng)，計(jì)算出冷卻液的循環(huán)溫度并再次反饋給RAPTRO模型，從而精確地實(shí)現(xiàn)性能和 燃料經(jīng)濟(jì)性的預(yù)測(cè)。近年來(lái)在發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理方面的仿真研究較多，大部分是利用多個(gè)軟 件進(jìn)行一維和三維耦合模擬計(jì)算分析。在三維模擬研究方面，用三維CFD計(jì)算冷卻水套 的對(duì)流換熱系數(shù)及缸內(nèi)近壁面平均氣體溫度和氣體的對(duì)流換熱系數(shù)，用ABAQUS/MSC， NAS2TRAN，Patran組成的有限元分析模塊計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)固體結(jié)構(gòu)中的溫度分布，氣一固一

12、液互為邊界條件，計(jì)算數(shù)據(jù)自動(dòng)在這些軟件之間進(jìn)行互傳直至計(jì)算達(dá)到收斂值。三維模 擬既可以研究發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力部分的熱變化情況，同時(shí)還可以對(duì)機(jī)艙底流及乘客舒適性進(jìn)行 精確模擬，能夠得到整個(gè)車(chē)輛的局部溫度及速度的詳細(xì)信息。實(shí)際模擬研究表明，通過(guò)耦合計(jì)算，可以得到一些關(guān)鍵區(qū)域的變化情況，從而提高 了邊界條件的利用效率，進(jìn)而可以得到更加精確的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)然，在熱管理系統(tǒng)的模 擬研究中，模型的建立和驗(yàn)證離不開(kāi)相關(guān)的試驗(yàn)研究。需要指出的是，作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)重要組成部分的發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究，實(shí)際上 是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)的熱管理初始研究，即得到發(fā)動(dòng)機(jī)熱系統(tǒng)各部分的熱流分布情 況，主要包括冷卻液熱流、機(jī)油熱流、排氣

13、熱流，從而為進(jìn)一步的冷卻部件優(yōu)化指明方 向。目前，研究發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡的主要手段包括試驗(yàn)研究和模擬研究。試驗(yàn)研究雖然過(guò)程 繁雜，需要測(cè)量冷卻液流路、油路、氣路相關(guān)部件處的溫度和流量等數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量?jī)x器 的要求較高，周期長(zhǎng)、花費(fèi)高，但是由于其真實(shí)可靠，是熱平衡研究必不可少的研究手 段，同時(shí)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理研究意義重大，依然得到研究人員的重視和應(yīng)用。模擬 研究由于優(yōu)勢(shì)明顯，成為目前發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究的主要手段，同時(shí)也是發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿 真模擬研究的主要內(nèi)容。三、主要研究?jī)?nèi)容本次設(shè)計(jì)主要以乘用轎車(chē)為設(shè)計(jì)對(duì)象，進(jìn)行汽車(chē)?yán)鋮s模塊設(shè)計(jì)。主要包括以下幾點(diǎn):1、乘用車(chē)?yán)鋮s模塊設(shè)計(jì)的概述及其方案的確定；2、乘用車(chē)?yán)鋮s

14、模塊設(shè)計(jì)主要熱負(fù)荷的計(jì)算與主要零件的設(shè)計(jì)；3、乘用車(chē)?yán)鋮s模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的選擇；4、乘用車(chē)?yán)鋮s模塊震動(dòng)分析四、研究方法與實(shí)施方案本設(shè)計(jì)是基于與乘用車(chē)轎車(chē)相配套的冷卻模塊設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有乘用轎車(chē)上的冷卻 模塊的結(jié)構(gòu)形式、工作參數(shù)和功能作用進(jìn)行對(duì)比分析，再查閱相關(guān)書(shū)籍和文獻(xiàn)，完成乘 用車(chē)?yán)鋮s模塊的設(shè)計(jì)。最終使冷凝器在滿足使用性能的前提下更加緊湊、輕量化。成本 更低、散熱性能更好。五、主要參考文獻(xiàn)尹 靜，劉永進(jìn)，郭新民，等.工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)智能冷卻系統(tǒng)J.山 東內(nèi)燃機(jī)，2004 (2)： 19221.盧廣峰，郭新民，孫運(yùn)柱，等.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀J.農(nóng)機(jī) 化研究，2002

15、(2)： 1292134.段宏昌.發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部冷卻技術(shù)J.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，996 (4)： 12217.朱義倫，鄧康耀.發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭冷卻水流場(chǎng)試驗(yàn)研究J.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2000 (4)： 4632465.王書(shū)義，王憲成，段初華.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流動(dòng)的試驗(yàn)研究J .車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)， 1994 (3)： 34236.屈盛官，黃榮華，孫自樹(shù)，等.高強(qiáng)化柴油機(jī)氣缸蓋水流分布試驗(yàn)研究J.車(chē) 用發(fā)動(dòng)機(jī)，2001 (3)： 29231.張登春，鄒聲華,翁培奮.鐵路空調(diào)硬臥車(chē)內(nèi)氣流分布的數(shù)值模擬J .應(yīng)用 力學(xué)學(xué)報(bào),2006 ,23 (1) :132 - 136.祁照崗，陳江平.汽車(chē)空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)CFD研究與優(yōu)化J .

16、汽車(chē)工 程,2005 ,(1) :103 - 106.尚明，雷雨成,謝穎.CFD在轎車(chē)空調(diào)風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，汽車(chē)科技,2005 , :19 - 21.朱娟娟,蘇秀平,陳江平.汽車(chē)空調(diào)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究J .汽車(chē)工 程,2004 , (6) :747 - 749.Van der kooi. Influence of the position of supply and exhaust opening on comfort in a passenger vehicle J . Int Jof Vehicle Design ,1989 , (12) :5 - 6.Currle J . Numerical simulation of