目前汽车空调系统中普遍采用的R134a制冷剂具有很高的温室效应指数(GWP),会对环境带来不利影响。汽车空调系统中制冷剂替代问题已经迫在眉睫,成为了工业界及学术界共同关注的焦点,然而作为R134a的世界范围内的替代物目前仍未完全明确。除了不破坏臭氧层及使用安全以外,下一代汽车空调制冷剂的最大要求为低GWP值。基于这种要求,目前世界范围内可供选择的制冷剂主要有R1234yf, C02以及R32等,这其中又以R1234yf制冷剂的替代可行性最高。本文对R1234yf制冷剂在汽车空调典型工况下的理论循环进行热力学分析,并进行了该制冷剂汽车空调系统的直接替代性能测试,将理论分析与实验测试的结果与C02及R32的结果进行对比,论证了R1234yf是目前替代性最好的汽车空调制冷剂。在此基础上建立R1234yf制冷剂的系统及部件仿真模型,进行系统性能优化实验研究及生命周期环境影响(LCCP)分析。研究结果表明,R1234yf制冷剂作为最有希望的下一代汽车空调制冷剂,其系统性能可以经过优化达到与现有R134a系统相当的水平,采用优化的R1234yf系统,可以大幅度降低汽车空调系统的LCCP指数,符合人们对汽车工业发展的要求。本文的研究内容及主要成果如下：一、从热力学性质及安全性等方面比较了R1234yf与CO2以及R32等低GWP值制冷剂在汽车空调系统中使用的可行性,并在汽车空调典型工况下建立上述几种制冷剂的理论循环,对其各自性能进行定性的分析及比较,并讨论了运行参数变化对各种制冷剂理论循环性能的影响。二、对R1234yf在汽车空调系统中直接替代的情况进行实验研究,并与R32及C02汽车空调系统的性能进行对比。结果表明,R1234yf在现有汽车空调系统中可以直接替代,性能与原有R134a系统相比略有不足。R32制冷剂系统需要采用小排量的压缩机,各部件的耐压特性也需重新设计。R32本身的单位容积制冷量很大,系统性能与R134a系统相当。CO：系统压力非常高,需要对现有汽车空调系统完全重新设计,在环境温度不高时,可以得到与原有R134a系统相当的性能。从系统性能及运行状态等方面综合考虑,结果表明R1234yf具有最好的替代可行性,并且直接替代系统存在优化空间。三、在上述研究的基础上,选取R1234yf系统做重点研究,建立了R1234yf制冷剂的蒸发器及冷凝器的仿真模型,比较研究现有的管内两相传热关联式对R1234yf制冷剂的适用性。结果表明Kandlikar的沸腾传热关联式及Cavallini的冷凝传热关联式对于R1234yf制冷剂具有最好的适用性。在部件模型研究的基础上,开发了精度优良的R1234yf系统仿真模型,并借助模型研究了R1234yf系统性能优化方向。四、R1234yf系统性能优化的实验研究。采用调节弹簧预紧力及充注介质的方法对R1234yf系统中的热力膨胀阀进行优化设计,更好的控制R1234yf系统中蒸发器出口过热度,使系统性能得到明显改善。在R1234yf系统中引入中间换热器,使系统制冷量得到明显提高,达到与R134a系统基本相当的水平。讨论了R1234yf制冷剂应用于变排量压缩机的情况,并对采用变排量压缩机的R1234yf系统进行了实车性能环模测试。五、研究了汽车空调环境影响的不同评判标准,认为汽车空调生命周期环境影响指数(LCCP)是目前最完善的评价指标。结合GREEN-MAC-LCCP模型对R1234yf汽车空调系统的LCCP指数进行计算,结果表明在不同城市气象条件下,汽车空调系统中应用R1234yf制冷剂都可以显著降低对环境的不利影响。