變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)流元件的配置

1、變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)流元件的配置    AbstractThe comparison between variable displacement compressor and fixed displacement compressor is made in this paper. On the basis of analyzing the variable displacement compressor and automotive air conditioning refrigerating system with thermodynamic

2、 expansion valve as well as the variable displacement compressor and automotive air conditioning refrigerating system with throttling tube. The automotive air conditioning refrigerating system composed of variable displacement compressor and electronic expansion valve is introduced in this paper, an

3、alysis of this system characteristic, its control method and control algorithm are described also.摘要對(duì)變排量壓縮機(jī)與定排量壓縮機(jī)加以比較，在分析變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)以及變排量壓縮機(jī)和節(jié)流管汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出了變排量壓縮機(jī)和電子膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，并對(duì)其系統(tǒng)特性加以分析，提出其控制方案和控制算法。Topic words: Compressor, Air conditioning, Control valve主題詞：壓縮機(jī) 空調(diào) 控制閥1.前言為了提高汽車空調(diào)

4、系統(tǒng)的運(yùn)行特性和節(jié)能效果，1983年美國(guó)GM公司哈里森散熱器部在原來(lái)定排量搖板式壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了V-5型無(wú)級(jí)變排量搖板式壓縮機(jī)1；1988年日本三電公司開發(fā)生產(chǎn)出7缸無(wú)級(jí)變排量搖板式壓縮機(jī)2。該類用于非獨(dú)立式汽車空調(diào)系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變排量搖板式壓縮機(jī)是根據(jù)壓縮機(jī)吸氣壓力與設(shè)定值之差，調(diào)節(jié)擺盤箱壓力與吸氣壓力的差值，推動(dòng)搖板改變傾斜角，從而改變活塞的行程和壓縮機(jī)主軸每轉(zhuǎn)一周的排量，所以壓縮機(jī)的排量調(diào)節(jié)使系統(tǒng)獲得幾乎恒定的蒸發(fā)工況。該類壓縮機(jī)與定排量壓縮機(jī)相比，具有壓縮機(jī)運(yùn)行連續(xù)平穩(wěn)、空調(diào)送風(fēng)溫度波動(dòng)小及節(jié)約燃油等優(yōu)點(diǎn)。但由于其變排量特性，在配置節(jié)流元件的同時(shí)也出現(xiàn)了一些特殊的問題。本文在分析

5、變排量壓縮機(jī)分別與熱力膨脹閥及節(jié)流短管組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了變排量壓縮機(jī)和電子膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)。2.變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)熱力膨脹閥是制冷系統(tǒng)最常使用的節(jié)流元件，變排量壓縮機(jī)在系統(tǒng)組成時(shí)就會(huì)考慮到與熱力膨脹閥的配置。圖1為變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)示意圖。圖1 變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)示意圖 1.變排量壓縮機(jī)2.蒸發(fā)器3.熱力膨脹閥 4.儲(chǔ)液罐5.冷凝器 Atsuo Inoue等人對(duì)7缸變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)發(fā)生了振蕩現(xiàn)象3。本文在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)

6、上，對(duì)熱力膨脹閥進(jìn)行了改進(jìn)，使熱力膨脹閥即使在全關(guān)時(shí)也一直保持一微量恒定旁通，這樣解決了系統(tǒng)低空調(diào)負(fù)荷時(shí)的振蕩問題，但未做此方法在高空調(diào)負(fù)荷時(shí)的試驗(yàn)。我們對(duì)改進(jìn)后的5缸變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。從測(cè)試結(jié)果可以看出蒸發(fā)器出風(fēng)溫度Tao、壓縮機(jī)排氣壓力Pd、壓縮機(jī)擺盤箱壓力Pc、蒸發(fā)壓力Pe和蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度SHb都隨時(shí)間發(fā)生等幅周期性變化。該系統(tǒng)中有兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的制冷劑流量調(diào)節(jié)裝置，即變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥。兩流量調(diào)節(jié)裝置均為自力式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，各由不同的參數(shù)控制。變排量壓縮機(jī)是根據(jù)壓縮機(jī)吸氣壓力為控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)活塞行程和壓縮機(jī)

7、主軸每轉(zhuǎn)一周的排量。熱力膨脹閥是以蒸發(fā)器出口制冷劑的過熱度為控制信號(hào)，對(duì)制冷劑流量進(jìn)行比例調(diào)節(jié)的。由于蒸發(fā)器的熱容量、制冷劑從蒸發(fā)器入口到出口的流動(dòng)和狀態(tài)變化、感溫包的熱容量、感溫包毛細(xì)管的壓力傳遞以及閥內(nèi)機(jī)械動(dòng)作等一系列的時(shí)間滯后，使流量調(diào)節(jié)對(duì)過熱度的響應(yīng)滯后。兩流量調(diào)節(jié)裝置之間的唯一聯(lián)系是均與壓縮機(jī)吸氣壓力有關(guān)，但是吸氣壓力又由壓縮機(jī)控制幾乎保持恒定。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)或空調(diào)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，一旦變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥流量調(diào)節(jié)不匹配就會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩。由于系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題沒有得以解決，限制了變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的應(yīng)用。3 變排量壓縮機(jī)和節(jié)流短管組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)變排量壓縮機(jī)和

8、節(jié)流短管組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)是由變排量壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流短管、蒸發(fā)器和氣流分離器組成（見圖2）。與圖1表示的變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)相比除了節(jié)流元件由熱力膨脹閥改為節(jié)流短管外，還取消了冷凝器后的儲(chǔ)液罐，并在壓縮機(jī)和蒸發(fā)器之間設(shè)置了氣液分離器。由于該汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的變?nèi)萘刻匦裕?jié)流短管作為固定阻尼節(jié)流元件無(wú)法保證蒸發(fā)器出口的制冷劑在低空調(diào)負(fù)荷下的完全蒸發(fā)。因此，在壓縮機(jī)和蒸發(fā)器之間設(shè)置了氣液分離器，使未蒸發(fā)完的液態(tài)制冷劑分離出來(lái)，暫存于氣液分離器的下部。由于該氣液分離器置于高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，它很快就會(huì)繼續(xù)蒸發(fā)成為氣態(tài)，從而保證了壓縮機(jī)的安全4。 圖2 變排量壓縮機(jī)和節(jié)

9、流短管組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)示意圖 1.變排量壓縮機(jī)2.冷凝器3.節(jié)流短管 4.蒸發(fā)器5.氣液分離器 由于節(jié)流短管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為無(wú)反饋開環(huán)流量控制裝置，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。所以在變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中，變排量壓縮機(jī)和節(jié)流短管組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)目前應(yīng)用最廣。但存在節(jié)流短管無(wú)法與變排量壓縮機(jī)在變?nèi)萘糠秶鷥?nèi)達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行，氣液分離出來(lái)的液態(tài)制冷劑不能再去有效地利用以及氣液分離器布置困難等缺點(diǎn).4 變排量壓縮機(jī)和電子膨脹閃組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)圖3為變排量壓縮機(jī)和電子膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由變排量壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液罐、電子膨脹閥和蒸發(fā)器組成。通過輸入?yún)?shù)進(jìn)入控制器，

10、利用控制器的控制算法得出控制電子膨脹閥的電磁線圈的電壓或脈沖電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了膨脹閥對(duì)流量的調(diào)節(jié)5。 圖3 變排量壓縮機(jī)和電子膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)示意圖 1.變排量壓縮機(jī)2.蒸發(fā)器3.電子膨脹閥 4.控制器5.儲(chǔ)液罐6.冷凝器變排量壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)中配置電子膨脹閥的關(guān)鍵問題是以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和變?nèi)萘糠秶鷥?nèi)系統(tǒng)最佳運(yùn)行工況為目標(biāo)，確定合理的控制方案和控制算法。在該系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中，還有許多理論問題和實(shí)際應(yīng)用問題要解決。系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性深入了解控制對(duì)象的特性是尋求合理的控制方案和控制算法的基礎(chǔ)。對(duì)系統(tǒng)中各部件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究，用理論建模和系統(tǒng)辨識(shí)相結(jié)合

11、的方法，得出各部件的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。然后根據(jù)各部件參數(shù)之間關(guān)系，建立系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型。根據(jù)模擬計(jì)算和試驗(yàn)研究的結(jié)果，分析系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。a.系統(tǒng)穩(wěn)定性原則由于該系統(tǒng)有變排量壓縮機(jī)和電子膨脹閥兩個(gè)流量調(diào)節(jié)裝置，所以同樣存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。在以上系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)研究的基礎(chǔ)上，分析滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性條件下的電子膨脹閥特性要求，得出系統(tǒng)穩(wěn)定性區(qū)域。b.控制方案和控制算法由于該系統(tǒng)有變排量壓縮機(jī)和電子膨脹閥兩個(gè)流量調(diào)節(jié)裝置，所以同樣存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。在以上系統(tǒng)表態(tài)和動(dòng)態(tài)研究的基礎(chǔ)上，分析滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性條件下的電子膨脹閥特性要求，得出系統(tǒng)穩(wěn)定性區(qū)域。c.控制方案和控制算法 為減少電子膨脹閥流量調(diào)節(jié)對(duì)

12、過熱度的響應(yīng)滯后，電子膨脹閥對(duì)蒸發(fā)器出口端制冷劑過熱度的檢測(cè)可通過熱敏電阻或壓力信號(hào)。采用熱敏電阻來(lái)檢測(cè)時(shí)用2只熱敏電阻，一個(gè)測(cè)量蒸發(fā)溫度，另一個(gè)測(cè)量蒸發(fā)器出口溫度；采用壓力信號(hào)來(lái)測(cè)量是對(duì)蒸發(fā)器出口端壓力進(jìn)行測(cè)量，并經(jīng)物性程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為蒸發(fā)溫度。由于蒸發(fā)器內(nèi)壓力的變化比溫度的變化迅速，因此使控制器能及時(shí)地對(duì)過熱度的變化作出反應(yīng)。電子膨脹閥流量調(diào)節(jié)對(duì)過熱度的響應(yīng)滯后問題，也可以采用前饋加反饋的復(fù)合調(diào)節(jié)方法解決。如將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速作為前饋信號(hào)，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)膨脹供液量，再結(jié)合反饋進(jìn)行復(fù)合調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)的非線性特性，采用模糊算法有一定優(yōu)勢(shì)；也可考慮PID控制算法和模糊控制算法結(jié)合使用，發(fā)揮各自算法的優(yōu)

13、點(diǎn)，達(dá)到較好的控制效果。 5 結(jié)論a.變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)存在系統(tǒng)振蕩問題。b.節(jié)流短管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為無(wú)反饋開環(huán)流量控制裝置，保證了它與變排量壓縮機(jī)組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行。但存在無(wú)法與變排量壓縮機(jī)在變?nèi)萘糠秶鷥?nèi)達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行，氣液分離器分離出來(lái)的液態(tài)制冷劑不能再去有效地利用以及氣液分離器布置困難等缺點(diǎn)。c.變排量壓縮機(jī)和電子膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)是一種最有發(fā)展前途的系統(tǒng)配置，代表汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的發(fā)展方向。需要對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入了解，確定合理的控制方案和控制算法，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和變?nèi)萘糠秶鷥?nèi)系統(tǒng)最佳運(yùn)行。參考文獻(xiàn) 1. Skinner T J et al. V-5 Automotive Variable Displacement Air Conditioning Compressor. SAE Congress Paper 850040.2. Toyoda H et al. Historical Review of the Wobbleplate and Scroll Type Compressors. SAE Congress Paper 901737.3. Inoue A et al. Evaluation of Infinitely Variable