汽車空調(diào) 開題報告

1、一、選題目的與意義汽車作為一種重要的交通工具，也作為一個國家重要的產(chǎn)業(yè)，這使得人們已經(jīng)離不 開汽車了。隨著世界汽車總量的迅速增加，世界能源可持續(xù)發(fā)展形勢堪憂，因此節(jié)能減 排將成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。在節(jié)能減排中，冷卻模塊占有重要位置，保證發(fā)動 機能夠在一個合適的溫度運行有助于提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性以及增加發(fā)動機的使用壽 命。同時，對于人們對汽車舒適性的最求日漸提高，汽車空調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)噧?nèi)空氣的溫 度，濕度，清潔度，風量和風向等進行調(diào)節(jié)，保證在各種外界氣候和條件下使乘客都處 于一個舒適的空氣環(huán)境中，這些也都屬于冷卻模塊的應用范圍?？梢?，冷卻模塊在汽車 冷卻系統(tǒng)中占有不可或缺的位置。冷卻模塊的

2、研究在未來的汽車研究領(lǐng)域也屬于重要研 究部分。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著此前幾年汽車業(yè)尤其是轎車的快速增長，汽車零部件行業(yè)也得到了飛速的發(fā)展， 汽車空調(diào)作為提高汽車乘坐舒適性的一種重要部件已被廣大汽車制造企業(yè)及消費者所認 可，至2013年8月止，在國內(nèi)，國產(chǎn)轎車空調(diào)裝置率已接近100%，在其它車型上的裝 置率也在逐年提高，汽車空調(diào)汽裝置已成為汽車中具有舉足輕重的功能部件。由于冷卻 系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響日益顯著，通過對冷卻系統(tǒng)的不斷改進來提高發(fā)動機性能已成 為一種有效的手段。對柴油機冷卻系統(tǒng)的研究有兩個方面：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、冷卻散熱

3、系統(tǒng)合理 匹配、系統(tǒng)控制等，稱為外冷卻研究；另一方面是研究冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的熱負荷及 其可靠性，它更注重研究固一液耦合問題，稱為內(nèi)冷卻研究。目前，汽車空調(diào)和發(fā)動機 冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面。1智能化和可控化目前，大部分汽車空調(diào)和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仍屬于傳統(tǒng)的被動系統(tǒng)，只能有限地調(diào)節(jié) 發(fā)動機和汽車的熱分布狀態(tài)。但隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電控零部件技 術(shù)成熟，冷卻系統(tǒng)的智能化和自動化成為可能。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)中采用機械驅(qū)動的冷卻水泵和冷卻風扇，冷卻介質(zhì)流量取決于發(fā)動 機轉(zhuǎn)速，而非發(fā)動機實際運行時冷卻量需求，顯然無法實現(xiàn)對發(fā)動機水溫在全運行工況 內(nèi)的合理控制。此外，這些部件耗功嚴

4、重，比如風扇消耗的功率可以達到發(fā)動機總功率 輸出的10%。采用電子驅(qū)動及控制的冷卻水泵、風扇、節(jié)溫器等部件，可以通過傳感器 和計算機芯片根據(jù)實際的發(fā)動機溫度控制運行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量，實現(xiàn)冷卻系 統(tǒng)部件的智能化和可控化，同時降低能耗，提高效率。ElenaCortona等人開發(fā)出的電動冷卻系統(tǒng)中，除了用電動冷卻水泵取代傳統(tǒng)機械冷 卻水泵，同時還用電控智能節(jié)溫器取代傳統(tǒng)的節(jié)溫器，并開發(fā)出與這些電動部件相應的 優(yōu)化控制策略。通過臺架試驗對比研究發(fā)現(xiàn)，在冷機起動的情況下，新的冷卻系統(tǒng)能夠 顯著縮短暖機時間，大大提高暖機溫度。另外，智能節(jié)溫器對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，電動水泵的能量消耗僅為機械 水泵的16%，即使考慮到電能的轉(zhuǎn)換效率只有機械能效率的一半，整個冷卻系統(tǒng)的能量 消耗仍可降低2/3左右，優(yōu)勢十分明顯。HoonCho等人用電控冷卻水泵取代傳統(tǒng)機械水 泵，利用試驗和模擬對比分析發(fā)現(xiàn)，通過控制水泵轉(zhuǎn)速并提高電控水泵效率，功率消耗 降低量超過87%，若將水泵轉(zhuǎn)速提高至最大值時，可降低散熱器尺寸超過27%，對提升發(fā) 動機性能和燃料經(jīng)濟性潛力很大。ValeoEngineCooling公司較早開發(fā)出了一種可變速冷卻風扇發(fā)動機，其風扇速度能 根據(jù)冷卻液溫度和空氣調(diào)節(jié)循環(huán)參數(shù)來調(diào)整，從而能夠降低噪聲和燃料消耗。國內(nèi)郭新 民等人對汽車智能化聲明，

6、這對于提高發(fā)動機的熱效率等很有幫助。2車室內(nèi)流場的分析車室內(nèi)流場與溫度場的重要性引起世界各大汽車公司的廣泛關(guān)注,通用、福特、日產(chǎn) 及克萊斯勒公司等積極開展這一領(lǐng)域的研究。國內(nèi)外一些學者對送回風口的位置,送風方 式,考慮人體散熱、太陽輻射等因素進行了分析，做了大量的研究工作。3空調(diào)風道的優(yōu)化現(xiàn)在大多數(shù)的轎車都安裝了空調(diào)系統(tǒng)，這不僅僅提高了汽車的舒適性，也提高了汽車 的安全性能。但由于我國地域差異性大，例如夏季某些型號的轎車在我國的南方地區(qū)達不 到所需要的制冷量，除霜效果不好，風量分配不均造成室內(nèi)舒適性差等一些問題。造成這 些問題的原因往往是空調(diào)風道系統(tǒng)設(shè)計不合理，因此優(yōu)化空調(diào)風道至關(guān)重要。祁照崗

7、、陳江平8等把原來的單后風道改為雙后風道，中心導風管的左、右進風口 只為左、右風道供風，其余風道由中進風口提供風量，改進后室內(nèi)流場分布均勻，總風量 提高了 7 %。同濟大學的尚明9等在中心風道處加兩個導流板，并用CFD軟件進行了分 析,改進后風量分配為左3111 %，左中央2219 %，右中央2716 %，右1814 %，風量分配 有了明顯的改進。朱娟娟10等在原除霜風道的基礎(chǔ)上對兩種修改方案進行比較:其一 采用拱形邊并增加導流板;其二采用反拱形邊并增加導流板。拱形風道的風量分配比直邊 風道更差，相比之下反拱形風道能滿足風量分配均勻的目的。4汽車空調(diào)裝置的研究汽車空調(diào)系統(tǒng)運行工況復雜多變，日照

8、，環(huán)境，運行地理條件，冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮 機的布置，對系統(tǒng)的效率都有著重要影響。研究汽車空調(diào)系統(tǒng)通常是實驗研究，但實驗研 究一般周期長、費用高。近年來，基于計算機技術(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應用轉(zhuǎn)化。提高冷凝器、蒸發(fā)器的換熱效率，提高壓縮機的做功能力，減 少系統(tǒng)中管路、設(shè)備的壓損，尋找制冷系數(shù)高、對環(huán)境破壞力小的制冷劑一直都是各國學 者的研究重點，這樣既可以減小發(fā)動機艙的空間，同時又可以保護我們生存的環(huán)境。5發(fā)動機冷卻介質(zhì)流動的合理組織發(fā)動機的冷卻介質(zhì)主要包括水腔內(nèi)冷卻液和空氣側(cè)冷卻空氣。6發(fā)動機熱管理技術(shù)對于單獨的冷卻系統(tǒng)主要研究的是發(fā)動機冷卻部件的散熱情況，而發(fā)

9、動機熱管理則 涉及發(fā)動機全系統(tǒng)及整車。將冷卻系統(tǒng)研究整合到發(fā)動機熱管理中，能充分考慮冷卻系 統(tǒng)對整車性能的影響，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)動機熱管理技術(shù)被列為美國21世紀商用車計劃的關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高整車性能 潛力巨大。發(fā)動機熱管理系統(tǒng)的目標是提高燃料經(jīng)濟性，降低排放，增加功率輸出和車 輛載重能力，降低氣動阻力損失和車輛維護費用，提高可靠性以及車輛對環(huán)境的適應能 力。主要從以下方面實現(xiàn)：采用計算機芯片控制發(fā)動機溫度，應用強迫對流和核態(tài)沸騰 傳熱相結(jié)合的冷卻機制，使用先進有效的傳熱介質(zhì)，增加換熱量，采用更加輕巧的高導 熱率材料制造的換熱器，對發(fā)動機機艙底

10、部空氣流動進行管理，進行余熱儲存，優(yōu)化散 熱器及風扇的設(shè)計和布置，廢熱循環(huán)及再利用等。計算模擬研究由于在時效性和成本上優(yōu)勢明顯，已成為發(fā)動機熱管理研究的主要手 段。ChadLehner等人利用VECSS程序開發(fā)出了一套用于重載柴油機的熱管理系統(tǒng)。該系 統(tǒng)由一臺計算機控制的可變速冷卻水泵、一個位置可控制的自動調(diào)溫器以及基于該模型 的控制策略組成，利用可控制流動系數(shù)的反饋控制的散熱器能實現(xiàn)對發(fā)動機局部固態(tài)溫 度和冷卻液溫度的優(yōu)化控制。在較寬廣的車輛運行工況范圍內(nèi)，該系統(tǒng)能使重載柴油機 獲得令人滿意的和恒定的發(fā)動機溫度，此外，通過系統(tǒng)模擬和試驗證實，該系統(tǒng)能有效 降低水泵和風扇的功率消耗。AlanB

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

12、液互為邊界條件，計算數(shù)據(jù)自動在這些軟件之間進行互傳直至計算達到收斂值。三維模 擬既可以研究發(fā)動機動力部分的熱變化情況，同時還可以對機艙底流及乘客舒適性進行 精確模擬，能夠得到整個車輛的局部溫度及速度的詳細信息。實際模擬研究表明，通過耦合計算，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，進而可以得到更加精確的計算結(jié)果。當然，在熱管理系統(tǒng)的模 擬研究中，模型的建立和驗證離不開相關(guān)的試驗研究。需要指出的是，作為發(fā)動機熱管理技術(shù)重要組成部分的發(fā)動機熱平衡研究，實際上 是對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)的熱管理初始研究，即得到發(fā)動機熱系統(tǒng)各部分的熱流分布情 況，主要包括冷卻液熱流、機油熱流、排氣

13、熱流，從而為進一步的冷卻部件優(yōu)化指明方 向。目前，研究發(fā)動機熱平衡的主要手段包括試驗研究和模擬研究。試驗研究雖然過程 繁雜，需要測量冷卻液流路、油路、氣路相關(guān)部件處的溫度和流量等數(shù)據(jù)，對測量儀器 的要求較高，周期長、花費高，但是由于其真實可靠，是熱平衡研究必不可少的研究手 段，同時對整個發(fā)動機的熱管理研究意義重大，依然得到研究人員的重視和應用。模擬 研究由于優(yōu)勢明顯，成為目前發(fā)動機熱平衡研究的主要手段，同時也是發(fā)動機熱管理仿 真模擬研究的主要內(nèi)容。三、主要研究內(nèi)容本次設(shè)計主要以乘用轎車為設(shè)計對象，進行汽車冷卻模塊設(shè)計。主要包括以下幾點:1、乘用車冷卻模塊設(shè)計的概述及其方案的確定；2、乘用車冷卻

14、模塊設(shè)計主要熱負荷的計算與主要零件的設(shè)計；3、乘用車冷卻模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料的選擇；4、乘用車冷卻模塊震動分析四、研究方法與實施方案本設(shè)計是基于與乘用車轎車相配套的冷卻模塊設(shè)計，通過對現(xiàn)有乘用轎車上的冷卻 模塊的結(jié)構(gòu)形式、工作參數(shù)和功能作用進行對比分析，再查閱相關(guān)書籍和文獻，完成乘 用車冷卻模塊的設(shè)計。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、主要參考文獻尹 靜，劉永進，郭新民，等.工程機械發(fā)動機和液壓系統(tǒng)智能冷卻系統(tǒng)J.山 東內(nèi)燃機，2004 (2)： 19221.盧廣峰，郭新民，孫運柱，等.汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀J.農(nóng)機 化研究，2002

15、(2)： 1292134.段宏昌.發(fā)動機的內(nèi)部冷卻技術(shù)J.車用發(fā)動機，996 (4)： 12217.朱義倫，鄧康耀.發(fā)動機缸頭冷卻水流場試驗研究J.上海交通大學學報， 2000 (4)： 4632465.王書義，王憲成，段初華.發(fā)動機冷卻水流動的試驗研究J .車用發(fā)動機， 1994 (3)： 34236.屈盛官，黃榮華，孫自樹，等.高強化柴油機氣缸蓋水流分布試驗研究J.車 用發(fā)動機，2001 (3)： 29231.張登春，鄒聲華,翁培奮.鐵路空調(diào)硬臥車內(nèi)氣流分布的數(shù)值模擬J .應用 力學學報,2006 ,23 (1) :132 - 136.祁照崗，陳江平.汽車空調(diào)風道系統(tǒng)CFD研究與優(yōu)化J .

16、汽車工 程,2005 ,(1) :103 - 106.尚明，雷雨成,謝穎.CFD在轎車空調(diào)風道優(yōu)化設(shè)計中的應用，汽車科技,2005 , :19 - 21.朱娟娟,蘇秀平,陳江平.汽車空調(diào)除霜風道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究J .汽車工 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