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摘要：汽车空调系统设计是汽车产品开发当中的最重要的环节之一。空调系统的开发流程时间跨度较长，而且包含的开发设计内容较多，本文作者是结合自身的工作经历对其开发过程就其中的重点部分（HVAC总成）进行了部分说明，事实上空调系统数据阶段设计完成后还要进行单体验证、整车环模试验、除霜除雾公告试验等一系列试验验证工作。因此，空调系统设计非常重要，与整车空调舒适性以及乘员舱驾乘主观感受有密切关联，在汽车产品开发过程中对空调系统开发必须给予高度重视。
关键词：汽车；空调系统；设计
引言
随着消费者对汽车功能以及性能要求越来越高，空调系统设计的重要度也日益升高。空调系统与汽车的空调舒适性密切相关，不仅决定了乘员舱内气体的温度、湿度、流量等关键技术参数，还与汽车的能耗经济性有一定的联系。
1.空调系统构成及分类
汽车空调系统由制冷系统和制热系统两大系统组成。制冷系统采用的是蒸发压缩式制冷原理，主要是由冷凝器、压缩机、蒸发器、干燥器、膨胀阀等部件组成；空调制热系统的原理相对简单一些，主要是利用发动机的余热以及冷却液循环来实现制热功能。空调制热系统主要由蒸发器（加热器芯体）、鼓风机等构成。空调制冷系统构成简图，箭头代表气流方向，蓝色代表低温气流，红色代表高温气流，空调制热系统的原理图，同样的红色箭头代表高温冷却液、低温箭头代表低温冷却液。
2.汽车空调系统工作原理
汽车空调系统一般由制冷系统、暖风系统、空调净化系统、控制系统组成。制冷系统主要由压缩机、冷凝器（包括冷凝风扇）、膨胀阀和蒸发器（包括鼓风机）组成。其制冷原理是低压（低温）液态制冷剂进入蒸发器，由于制冷剂在蒸发器内气化时的温度低于管外空气的温度，因此能自动吸收车内空气中的热量，使空气的温度降低，产生冷效应。然后，气化了的制冷剂通过压缩机压缩，变成温度高于车外空气的高温高压气体。这时，制冷剂通过布置在车外的冷凝器将热量释放到大气中，制冷剂放热变成高压（高温）液态制冷剂。最后，经过节流阀，恢复到低压（低温）液态。所以，当空调要进行制冷时，必须开启压缩机使制冷剂循环，从而降低车内温度。
3.空调系统设计思路
空调系统的设计主要是空调系统类型的选择、空调系统匹配、整车制冷量匹配计算等内容。
3.1空调类型选择
产品开发立项初期通常要进行市场调研确定对标车型、目标销售群体、车型市场定位等相关信息作为空调类型选择的依据（手动空调、半自动空调、全自动空调等）；确定是否需要开发室内空气净化装置、开发多蒸发系统；确定是否需要开发多区域空调、冷暖一体型空调等。
3.2整车制冷量需求计算收集
与之相关的整车参数（空调系统尺寸、乘坐人数、门护板、前围板隔热参数等），进行空调系统冷负荷计算、湿负荷计算、整车空调热湿负荷计算。3.3 关键零部件详细设计HVAC总成是空调系统的关键零部件之一。空调系统的工作过程共有压缩、冷却、膨胀、蒸发四个环节。同时蒸发器又是HVAC总成的核心，涵盖了膨胀和蒸发两个环节。蒸发器芯和加热器芯的结构形式有管片式、管带式、承叠式三种，以蒸发器芯为例，对三种结构形式的蒸发器芯优缺点进行对比说明。
4.车型原空调系统降温性能
在运行工况下，系统的高压和低压并不高，表明冷凝器和压缩机的能力能够满足制冷要求。但该车的出风口温度和呼吸点温度均明显高于竞争车型。该车型各吹面出风口温度较竞争车型高出约1～4℃不等，出风口温度会直接影响整车呼吸点温度，这是由于该车型空调系统制冷能力不足导致的。表2是该车型HVAC总成与其余3个公司现有资源车型的风量对比试验结果。
从试验结果可以看出，该车型HVAC总成风量在各个模式下均与其他车型存在较大差距，这也是该车型空调系统降温效果差的原因之一。
5.性能提升方案
5.1综合考虑整车边界条件、开发费用、开发周期等因素
性能提升方案分析方法如：①尽量使用现有空间；②利用供应商成熟且先进技术来设计零部件；③结合零部件台架试验、系统台架试验和环境模拟试验验证改进后的系统性能。ErikLundberg［3］在2002年SAE会议上提出，强化R134a空调系统性能和环境友好性的几个重要途径，其中包括提高系统效率，使用更为紧凑的高效换热器。因此，提高蒸发器换热能力和换热效率是该空调系统性能提升的重要目标之一。鼓风机风量大小也是影响蒸发器换热效率的重要影响因素，风量越大，换热效率越高。同时，为更好地发挥HVAC降温性能，膨胀阀的匹配也是非常重要的部分。
5.2蒸发器选型
汽车空调蒸发器置于HVAC内，它属于直接风冷式结构。用于汽车空调上的蒸发器结构型式主要有管片式、管带式、层叠式和平行流式。平行流蒸发器是新一代的汽车空调蒸发器，其特点是换热效率高、表面温度分布均匀等。研究表明，同样迎风面积的平行流蒸发器，38～40mm厚，可以替代60mm及以上厚度的层叠式蒸发器，材料和空间得到大幅的节省。新开发的汽车空调中，平行流蒸发器的应用已成为趋势。原车型上使用的是层叠式蒸发器，为提升蒸发器换热效率，拟对HVAC壳体进行局部修改，将其更改为平行流式蒸发器。根据空调系统负荷计算结果，选择了不同型号的蒸发器进行台架试验。试验样件状态：HVAC总成裸态、未带膨胀阀。试验条件：制冷剂侧：膨胀阀前压力1700kPa，膨胀阀前温度55℃，膨胀阀后压力310kPa，膨胀阀后温度10℃；空气侧：进口温度40℃，湿度40%，进气流量480m3／h。试验结果如表3所示，在相同的试验工况下，平行流蒸发器样件与原状态蒸发器相比，换热能力提升较大，其中样件B换热能力最大，达到7504.4kW。
6.改进后空调系统性能分析
性能提升方案确定后，利用蒸发器样件B、鼓风机样件B、膨胀阀样件D组成了新的HVAC总成，然后与压缩机、冷凝器组成新的空调系统，进行了制冷性能系统台架试验。试验条件：内循环，最大制冷，吹面模式，蒸发器入口干球温度27±1℃，湿球温度19.5±0.5℃，冷凝器进风温度35±1℃，风机端电压13.5V。表6试验结果表明，改进后的空调系统性能提升效果明显，改进方案得到了初步验证。
7.结论
根据原车型与竞争车型降温数据的比较结果，分析原车型降温效果差的主要原因，并提出整改方案。通过零部件台架试验、系统台架试验及环境模拟试验等手段，验证了性能提升方案的可行性。改进后的整车空调性能与改进前相比较，呼吸点温度在前20min降低6℃～7℃，制冷性能提升明显。
结束语
综上所述，改进后整车空调降温性能为验证改进后空调系统在整车上的表现，将搭载新空调系统的整车在风洞环境模拟试验室内进行了最大降温性能试验。试验规范与竞争车型和原车型的最大降温性能试验规范相同。
参考文献：
[1]GB11556，汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法，2009.
[2]GB11555，汽车风窗玻璃除雾系统的性能要求及试验方法，2009.
[3]GB11552，轿车内部凸出物，2009.[4]No.78/317/EEC机动车玻璃表面的除霜和除雾系统.
[4]No.74/60/EEC关于车辆内部安装件认证的统一规定.
[5]USFederal-MVSS103挡风玻璃除霜除雾系统.[7]USFederal-MVSS201关于整车内部碰撞保护的统一规定.