1、變排量壓縮機汽車空調(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.摘要對變排量壓縮機與定排量壓縮機加以比較，在分析變排量壓縮機和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)以及變排量壓縮機和節(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和電子膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，并對其系統(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 空調(diào) 控制閥1.前言為了提高汽車空調(diào)

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

5、變排量壓縮機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，變排量壓縮機在系統(tǒng)組成時就會考慮到與熱力膨脹閥的配置。圖1為變排量壓縮機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2.蒸發(fā)器3.熱力膨脹閥 4.儲液罐5.冷凝器 Atsuo Inoue等人對7缸變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)進行了試驗研究，測試結(jié)果表明系統(tǒng)發(fā)生了振蕩現(xiàn)象3。本文在試驗研究的基礎(chǔ)

6、上，對熱力膨脹閥進行了改進，使熱力膨脹閥即使在全關(guān)時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)荷時的振蕩問題，但未做此方法在高空調(diào)負(fù)荷時的試驗。我們對改進后的5缸變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題進行了試驗研究和理論分析。從測試結(jié)果可以看出蒸發(fā)器出風(fēng)溫度Tao、壓縮機排氣壓力Pd、壓縮機擺盤箱壓力Pc、蒸發(fā)壓力Pe和蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度SHb都隨時間發(fā)生等幅周期性變化。該系統(tǒng)中有兩個相對獨立的制冷劑流量調(diào)節(jié)裝置，即變排量壓縮機和熱力膨脹閥。兩流量調(diào)節(jié)裝置均為自力式調(diào)節(jié)機構(gòu)，各由不同的參數(shù)控制。變排量壓縮機是根據(jù)壓縮機吸氣壓力為控制信號來調(diào)節(jié)壓縮機活塞行程和壓縮機

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，對制冷劑流量進行比例調(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)機械動作等一系列的時間滯后，使流量調(diào)節(jié)對過熱度的響應(yīng)滯后。兩流量調(diào)節(jié)裝置之間的唯一聯(lián)系是均與壓縮機吸氣壓力有關(guān)，但是吸氣壓力又由壓縮機控制幾乎保持恒定。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)或空調(diào)負(fù)荷發(fā)生變化時，一旦變排量壓縮機和熱力膨脹閥流量調(diào)節(jié)不匹配就會產(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、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液罐，并在壓縮機和蒸發(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?，?jié)流短管作為固定阻尼節(jié)流元件無法保證蒸發(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，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)動機艙內(nèi)，它很快就會繼續(xù)蒸發(fā)成為氣態(tài)，從而保證了壓縮機的安全4。 圖2 變排量壓縮機和節(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)簡單，為無反饋開環(huán)流量控制裝置，保證了系統(tǒng)的可靠運行。所以在變排量壓縮機汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中，變排量壓縮機和節(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)流短管無法與變排量壓縮機在變?nèi)萘糠秶鷥?nèi)達(dá)到系統(tǒng)高效運行，氣液分離出來的液態(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.4 變排量壓縮機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、冷凝器、儲液罐、電子膨脹閥和蒸發(fā)器組成。通過輸入?yún)?shù)進入控制器，

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的驅(qū)動脈沖信號，從而實現(xiàn)了膨脹閥對流量的調(diào)節(jié)5。 圖3 變排量壓縮機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2.蒸發(fā)器3.電子膨脹閥 4.控制器5.儲液罐6.冷凝器變排量壓縮機制冷系統(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際應(yīng)用問題要解決。系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性深入了解控制對象的特性是尋求合理的控制方案和控制算法的基礎(chǔ)。對系統(tǒng)中各部件的靜態(tài)和動態(tài)特性進行理論分析和試驗研究，用理論建模和系統(tǒng)辨識相結(jié)合

11、的方法，得出各部件的靜態(tài)模型和動態(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)和動態(tài)模型。根據(jù)模擬計算和試驗研究的結(jié)果，分析系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性。a.系統(tǒng)穩(wěn)定性原則由于該系統(tǒng)有變排量壓縮機和電子膨脹閥兩個流量調(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)有變排量壓縮機和電子膨脹閥兩個流量調(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

12、過熱度的響應(yīng)滯后，電子膨脹閥對蒸發(fā)器出口端制冷劑過熱度的檢測可通過熱敏電阻或壓力信號。采用熱敏電阻來檢測時用2只熱敏電阻，一個測量蒸發(fā)溫度，另一個測量蒸發(fā)器出口溫度；采用壓力信號來測量是對蒸發(fā)器出口端壓力進行測量，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地對過熱度的變化作出反應(yīng)。電子膨脹閥流量調(diào)節(jié)對過熱度的響應(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。如將壓縮機轉(zhuǎn)速作為前饋信號，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)膨脹供液量，再結(jié)合反饋進行復(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；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，達(dá)到較好的控制效果。 5 結(jié)論a.變排量壓縮機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)簡單，為無反饋開環(huán)流量控制裝置，保證了它與變排量壓縮機組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的可靠性運行。但存在無法與變排量壓縮機在變?nèi)萘糠秶鷥?nèi)達(dá)到系統(tǒng)高效運行，氣液分離器分離出來的液態(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。c.變排量壓縮機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。需要對系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性進行深入了解，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)最佳運行。參考文獻 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