徐志鹏 程 佳
一、背景
汽车空调装置近年来已经成为不可缺少的重要组成构件，它不仅是人们出勤的一种享受，更是汽车主动安全的重要组成部分。高温环境会让人感觉非常不舒适，而且会导致人们对交通状况的判断反应速度变慢。而反应能力的变差必然导致事故率的上升。
汽车在太阳照射下，车内温度会迅速上升。国外的一项研究成果表明，当环境温度达到35℃以上时，封闭的轿车内部温度可以在15分钟内达到65℃！即使是环境温度在较为宜人的25℃左右时，暴露在阳光下的汽车其内部温度在一个小时以内也可以上升到50℃左右。这样，车主在阳光下停车一段时间后都将不可避免地面对车内的高温。
这时，多数人的做法是启动车辆后直接打开空调进行降温，由于车内温度过高，而汽车空调的功率有限，这样做的缺点是降温速度很慢，车内人员要忍受长达数分钟的高温，此时早已是大汗淋漓；即便是在车外等候，这样的做法也会对发动机和三元催化器有不同程度的损伤，
还会造成空调系统的热负荷很大，且耽误时间、浪费燃油。
另一种流行的做法是启动后打开车窗不开空调行驶一两分钟，再关窗开空调。这种做法较上一种降温较为快捷，但由于在起步阶段频繁操作电动玻璃及空调开关，较为繁琐，且改善效果有限。
其他方法如酒精兑水喷雾的方法虽然降温效果明显，但酒精对轿车内饰有害，且车内残留的酒精会造成酒后驾车的误会。
基于此，本文提出一种新概念的基于压缩空气储能技术的汽车快速制冷空调系统。本系统通过对传统汽车空调系统加以改造实现，在汽车空调低负荷时段通过空气压缩机及保温气罐等设备储存一定量的低温高压空气，在需要快速制冷的时候迅速释放出来，达到快速降温的目的。由于该系统快速制冷无须启动汽车发动机，因此可以实现遥控操作，在人员进入车辆以前即可对车内进行快速制冷，具有环保、安全、实用等优点。 二、方案概述
汽车快速制冷空调系统主要由以下溶洞处理5个部分构成（如图一所示）：制冷系统，压缩空气系统，
冷气供给系统，快速排气系统以及空调控制系统，其中制冷系统中的蒸发器部分集成在压缩空气系统内部，而冷气供给系统中的冷气即储存在压缩空气系统内的保温气罐中。
图一、汽车快速制冷空调系统构成图
空调控制系统在车辆行驶过程中监测汽车空调压缩机的负荷，当其负荷较低时控制电磁阀使低压液态制冷剂进入制冷系统。制冷剂流经内置在压缩气罐中的蒸发器，对其中的压缩空气进行冷却，蒸发后的气态制冷剂重新进入空调压缩机循环回路。同时，系统实时检测储气罐的压力，通过开启空气压缩机对来自车外的新鲜空气进行压缩直至气罐压力到达设 定储气压力。而在需要对车内进行快速降温的时候，冷气供给系统打开气罐放气端的电磁阀，低温高压气体经减压阀降至合适压力后进入空调的送风气路，与此同时，快速排气系统将车内的高温空气排出车外，防止短时间内大量气体进入车内造成过高气压。各子系统的原理及构成如下： 1、 制冷系统：
制冷系统通过对汽车主空调系统中制冷剂的分流控制而实现。制冷剂循环示意如图二所示，其中左边部分为汽车空调的主循环系统。制冷系统工作时，打开电磁阀分流部分液态制冷剂进入高压气罐中的蒸发器对其中的气体降温冷却，气化后的制冷剂通过低压气体回路进入压缩机进行循环。当气罐中的气体达到设定温度以后，控制系统关闭电磁阀，制冷系统停止工作。
图二、制冷剂循环示意图
竞赛抢答器2、 压缩空气系统：
压缩空气系统主要由空气压缩机、储气罐以及必要的辅助设备构成，结构示意如图三所示。控制系统通过检测储气罐中的压力控制空气压缩机的开关，空气压缩机的气源为车外的新鲜空气，压缩后的高压空气经干燥过滤后经由止回阀进入高压储气罐。其中储气罐上安装必要的温度压力传感器，供系统检测控制之用，另外还须设置必要的安全设备，以防系统失控造成压力过高等意外。
图三、压缩空气系统示意图
3、 冷气供给系统：
同样，储存在气罐中的低温高压气体通过电磁阀控制进行释放以进入供气气路。由于低温气体储存压力较高，直接排入空调的气路可能会毁损空调设备，且高压气流可能会对车内人员造成伤害，因此须将其减压至安全压力以后才能进行供气。
图四、冷气供给系统示意图
4、 快速排气系统：
常规汽车空调一般不设置专门的排气系统，由于快速制冷系统会在短时间内将大量冷空气送入车内，如果不排除部分空气的话会造成车内气压过高。此外快速排气系统还可以排除大量热气，与冷气的送入一样对于迅速降温有较大的作用。因冷气一般从车的前部进入车内，故将排气系统的抽风口设置在车厢内部靠后的位置，既避免将送入的冷空气抽出，抽气区的负压还可以与送入的冷空气在车厢内形成空气流动，提高降温速度。排气系统的排量应与送入车内的冷气量相当，以保证车内压力的平衡。
5、 空调控制系统：
空调控制系统是整个前述四个系统分别实现独立的功能，而各子系统的监测以及整体的协调控制则须均由空调控制系统实现，控制系统是整个快速制冷系统的灵魂。控制系统监测的对象主要有车内或遥控器的控制信号，汽车主空调与发动机的运行状态，上述各子系统中的压力及温度传感器等；控制对象主要有空气压缩机，排气系统的抽气机以及各电磁阀。系统的协调安全动作通过合理编制软件实现。
三、系统设计
1、 储气容积、温度及压力：
以车辆长时间停车后需快速降温为例，假设此时车内温度为T0=50℃，一般轿车的车内空间V0无线演示控制器根据车体尺寸估算应在数码理疗仪2~3m3（不计人的体积），取V0=3m3，而车内的气体压力以一个大气压计算，即P0=0.1MPa。人体感觉较为舒适的气温为20~25℃，设完全释放低温气体后车内气温可降至T’= 25℃。
储气温度综合考虑保温性能以及制冷剂HFC-134a的沸点（-26.5℃），初步设定为0℃，即
T1=0℃。储气罐的储气压力以及容积则须依据实际需要的低温气体量来确定。由于低温气体(P1,V1,T1)从储气罐中释放的过程十分短暂，且中间环节很少，在对计算结果影响不大的前提下做如下假设：
1） 计算气体为理想气体；
2） 低温气体减压膨胀时间短暂，视为绝热过程；
3） 低温气体进入车厢后即与内部气体混合均匀，即具有同一温度；
4） 忽略整个过程中的能量损失。
根据理想气体状态方程，有，对应t时刻车内气体状态（网络流量统计P0,V0,Tt），单位时间内进入车内的常压低温气体为（P0,dv,T1），经与车内气体混合均匀后有：
经化简可得 dTt/(T1-Tt)=dn/n0
求解可得 2.1
当n=0，即不进行降温时应有Tt=T0煅烧石油焦，可得
2.2
由于从开始到最终总计进入车内的常压低温气体为
2.3
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