随着社会的发展、人们生活水平的不断提高,汽车作为现代化交通工具也正走进千家万户。车辆行驶的安全性、经济性及乘员舒适性则成为评价汽车性能优劣的重要指标。汽车空调在满足乘员舒适性的基本要求前提下,通过其消霜除雾功能可提升车辆行驶的安全性,通过空调系统的合理匹配与优化则有助于实现车辆行驶经济性,为此,汽车空调系统越来越受到广大科研工作者、生产厂家及消费者的重视。随着氟利昂产品的限期使用,越来越多的注意力转移到了环保制冷系统的研发中,以二氧化碳为制冷剂的汽车空调系统也成为当今一个研究热点。本文所研究的跨临界CO₂汽车空调系统也正是应形势所需,对今后研发经济环保、性能优良的汽车空调系统具有参考价值,对其他制冷系统的研发也具有借鉴作用。本文从热力学角度对跨临界二氧化碳制冷循环进行了能量分析、火用分析及熵分析,推导了每个部件的火用损失并获得火用损失分布。研究发现,在某些情况下气体冷却器火用损失最大,具有更大的节能空间。在上述理论指导下,借助AMESim软件建立跨临界CO₂汽车空调系统的物理模型和半理论模型,并对系统进行仿真研究,同时对影响系统制冷性能的因素进行深入剖析。借助AMESim软件可直接观察部件结构参数变化、能够直接反映工况条件对系统性能的影响,实现模型验证与系统性能分析的目的。本文模型仿真结果与文献实验数据的对比分析表明,所建跨临界CO₂汽车空调系统模型合理,不但可以用于各种稳态工况下的参数预测和性能分析,还能够较为准确地反应系统的动态特性,这就为设计控制器跟踪控制目标提供保障。模型分析过程是在多种工况下进行的,详尽考察了气体冷却器空气侧进口温度、蒸发器空气侧进口温度以及压缩机转速这三个主要参数对系统特性的影响。在上述模型分析基础上,根据制冷剂最优高压侧压力特性与最大制冷性能的因变关系、最优高压侧压力特性与环境温度的因变特性,并结合文献中各工况下高压侧压力特性对制冷系数影响的实验结果,得出优化设计的控制器工况条件及控制目标等内容。研究中将特定压缩机转速条件下制冷剂最优高压侧压力受环境温度的影响特性看作对系统性能的干扰,通过控制器控制高压侧压力特性及跟踪其最优值以保证整个系统性能最佳。本文所设计的传统PID控制器和模糊PID控制器都能在系统受到干扰下迅速控制制冷剂高压侧压力、并跟踪最优压力值以达到控制系统的目的。根据传统控制器所标定的参数值,对所设计的模糊控制器的比例、积分和微分三个增益参数范围进行选择。两种控制器的性能和效果对比结果表明,以传统控制器设计为基础进行模糊控制可提高模糊控制器的参数标定效率;与传统控制器相比,模糊控制器不但在超调量、调节时间等一些控制性能指标方面有很大优势,而且可以自动在线调节参数,适应系统的各种工况。