==轿车空调用斜盘式变排量压缩机性能研究与技术开发

文章编号：CAR175轿车空调用斜盘式变排量压缩机性能研究与技术开发田长青1李先庭2石文星2（1.中国科学院理化技术研究所，北京 100190； 2.清华大学建筑学院，北京 100084）摘 要轿车空调用斜盘式变排量压缩机正在经历由摇板式向斜板式、由内控式向外控式的转换。

本文在对斜盘式变排量压缩机发展回顾的基础上，介绍了我们在内控摇板式、内控斜板式和外控式变排量压缩机方面的研究工作，主要包括活塞行程测量方法与装置、特性实验研究、模拟分析和应用研究与开发。

关键词变排量压缩机摇板式斜板式内控式外控式轿车空调PERFORMANCE ANALYSIS AND DEVELOPMENT OF VARIABLE DISPLACEMENT COMPRESSOR FOR CAR AIR CONDITIONERTian Changqing1Li Xianting2 Shi Wenxing2（1 Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190；2 School of Architecture, Tsinghua University, Beijing, 100084）Abstract Variable displacement compressors for car air conditioning systems are being transformed from wobble plate type to swash plate type, and from internally controlled to externally controlled. On the basis of historical review of the variable displacement compressors, this paper presents our researches on the internally controlled wobble plate compressor, internally controlled swash plate compressor, and externally controlled compressor. The research results include mainly the measurement method and device of piston stroke length, experimental investigation, numerical modeling, and technical development and application.Keywords Variable displacement compressor Wobble plate type Swash plate type Internally controlled Externally controlled Car air conditioner0 前言轿车空调压缩机是由发动机直连驱动的，对于定排量压缩机轿车空调系统，用蒸发器出风温度来控制电磁离合器吸合或脱离，用间歇运行来控制系统制冷能力和车内空调负荷相适应。

这种控制方式除了车内空调温度波动大，系统频繁开停的不可逆损失使系统能耗增加等缺点外，最大一个问题是压缩机周期性离合对轿车发动机引起的干扰，这种情况在轿车发动机容量较小时显得更为突出。

为了解决这个问题，变排量压缩机应运而生。

轿车空调用变排量压缩机按照结构型式分斜盘式、滚动活塞式、螺杆式、旋片式、涡旋式等机型[1]，其中斜盘式变排量压缩机目前应用最多。

斜作者简介：田长青，（1965- ），男，博士，研究员，博士生导师盘式变排量压缩机按照排量控制方式，分内控式和外控式压缩机；按照斜盘结构不同分为摇摆斜盘式（wobble plate type，简称摇板式）和回转斜板式（swash plate type，简称斜板式）两种结构。

目前，斜盘式变排量压缩机应用正在经历由摇板式压缩机向斜板式压缩机、由内控式向外控式的转换。

本文在对轿车空调用斜盘式变排量压缩机发展回顾的基础上，介绍我们近年来在轿车空调用斜盘式变排量压缩机的研究工作。

1 内控摇板式变排量压缩机世界上首台变排量压缩机由美国GM公司Harrison散热器部（现在的Delphi Automotive systems公司）于二十世纪八十年代研制成功，为V5变排量摇板式压缩机。

随后日本Sanden公司、日本柴油机器公司也开始生产摇板式变排量压缩机。

我国最早于上一世纪九十年代引进国外技术开始批量生产。

V5变排量压缩机主要由摇板、轴颈、滑动轴套、活塞、活塞杆等部件组成。

活塞通过活塞杆连接到摇板上，摇板把轴颈和主轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动（图1）[2]。

安装在压缩机后盖中的内部控制阀根据排气压力和吸气压力调节摇板箱压力，三个气体力作用于摇板，当空调负荷增大时，活塞位移和压缩机排量就增加，反之活塞位移和压缩机排量就减小。

图1 V5变排量摇板式压缩机结构图1.1 活塞行程测量方法与装置由于变排量压缩机是通过改变活塞行程进行容量调节，所以其稳态和动态特性都与活塞行程有关。

但是该类压缩机变行程机构受力十分复杂，无法通过受力分析来准确计算出活塞行程变化，所以只能采用测量方式得出活塞行程。

而摇板和活塞是在压缩机铝制密闭壳体内部，无法采用象激光干涉等光学测试手段来测量活塞行程，而采用超声波测量方式系统复杂、设备昂贵。

我们根据变排量压缩机结构特点，提出了一种变排量压缩机活塞行程测量方法并研制出测量装置（图2）[3]。

该测量方法确定较易测量的轴颈插销位移作为测量参数，然后根据活塞部件几何关系推导出活塞行程与轴颈插销位移的函数关系，从而计算出活塞行程。

使用情况证明该测量方法可以很好地得出活塞行程的大小和变化情况，是一种简单、可靠、方便的活塞行程测量方式。

该测量方法的提出解决了变排量压缩机研究的技术瓶颈问题，为后续研究工作提供了有力的测试手段。

图2 活塞行程测量装置图1.2 压缩机特性实验研究采用研制的行程测量装置，建立了变排量压缩机特性实验系统。

根据大量实验结果，得出了部分排量时的相对容积效率vη与相对活塞行程p S的关系式[4]：pv1.00.545log Sη=+(1)以及相对指示效率iη和相对活塞行程的线性关系式[4]：p0.580.4iSη=+(2) 对恒定空调负荷情况下压缩机调节特性和渐变空调负荷渐变情况下活塞行程、制冷剂质量流量、压力等参数变化进行了实验研究[4]。

图3为空调负荷基本恒定时，压缩机转速N c从1050 r/min升高到3900 r/min，又降低到1200 r/min一共16个转速点下的压缩机参数状况。

在空调负荷恒定的情况下，随着压缩机转速提高，摇板箱压力p w和吸气压力p s之差增加，推动摇板倾斜角和活塞行程S p减少；但是压缩机出口制冷剂质量流量M r在可变活塞行程范围内变化很小，吸气压力p s在可变活塞行程范围内几乎保持恒定，表现出良好的容量调节特性。

图3 压缩机调节特性测试结果1.3 调节滞区实验中首次观测到变排量压缩机存在调节滞区（图4）[5]。

在某一行程下，行程增大时临界吸气压力p s,cu大于行程减小时临界吸气压力p s,cd。

且只有p s>p s,cu时，S p才会增大；只有p s<p s,cd时，S p 才会减小；而当p s,cd≤p s≤p s,cu，S p不会发生变化，即形成一个调节滞段。

则对于整个行程范围，就形成了一个调节滞区，变行程情况压缩机稳态状态点应该全部落在调节滞区闭区间中。

形成调节滞区的原因是运动部件（如轴套同主轴之间）存在摩擦力，该摩擦力在行程增大和减小时方向不同，则造成在相同的压缩机转速和摇板角情况下p s,cu大于p s,cd，从而形成调节滞区。

变排量压缩机调节滞区会影响到活塞行程调节精度和灵敏度，吸气压力乃至蒸发压力会在一个范围内变化，这将影响系统除湿性能，甚至会造成蒸发器结霜。

所以在设计、制造和使用变排量压缩机时，需要提高运动部件的加工精度和装配精度，并保证运动接触面良好润滑，以减少调节滞区对压缩机性能的影响。

图4 变排量压缩机“调节滞区”1.4 模拟分析内控摇板式变排量压缩机数学模型由控制阀模型、运动部件动力学模型和压缩过程模型组成。

1.4.1 控制阀模型从受力方程、质量守恒方程和能量守恒方程出发，建立控制阀数学模型；开发了控制阀测量装置，取得的实验数据对数学模型进行了验证。

控制阀数学模型详见文献[6]。

1.4.2 运动部件动力学模型[7]在变排量压缩机数学模型中，运动部件动力学模型是核心内容，需要对变排量压缩机各运动部件(活塞、活塞杆、摇板、轴颈和轴套)进行受力分析。

图5为运动部件受力分析简图，从图可以看出，压缩机活塞右侧有排气压力和吸气压力，总压力为PD和PS，方向是由右向左的，它们推动摇板/轴颈向增大摇板角方向变化；在活塞左侧是摇板箱压力，其总压力为PW，它推动摇板/轴颈向减小摇板角方向变化，此外还有运动部件（如主轴和轴套）之间的摩擦力矩M f和运动部件的惯性力矩M i。

上述几个主要的力和力矩推动摇板/轴颈绕在腰形槽内运动的滑动接头旋转，造成压缩机摇板角的变化。

图5 运动部件受力分析简图要减小摇板角，上述几个主要的力需要满足：d s w iPD L PS L PW L M M⋅+⋅−⋅++≤f(3)要增加摇板角，上述几个主要的力需要满足：d s w iPD L PS L PW L M M⋅+⋅−⋅−+≥f(4)由于增加和减小摇板角时，摩擦力反向，因此增加和减小摇板角度摩擦力矩的方向相反。

公式中取等号时的压力为摇板角变化的临界压力。

对轴套进行具体的受力分析（见图6），轴套力、力矩平衡方程为：图6 轴套受力分析当摇板角增加时：12vjy vjy F F θθ= (5)112121122212112210100101200sin sin 00cos cos sv x vjx sv y vjy sv x sv sv sv sv sv sv sv sv sv y sv sv sv sv sv sv sv sv F F F F F l l f r f r F l l f r f r θθθθθθθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⋅=⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⋅⋅+⋅⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−⋅⋅−⋅⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ (6) 1212z vjz vjz sv sv spvz F F F f f F θθ=+−−− (7)当摇板角减小时：12vjy vjy F F θθ= (8)112121122212112210100101200sin sin 00cos cos sv x vjx sv y vjy sv x sv sv sv sv sv sv sv sv sv y sv sv sv sv sv sv sv sv F F F F F l l f r f r F l l f r f r θθθθθθθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⋅=⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−⋅⋅−⋅⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⋅⋅+⋅⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ (9) 1212z vjz vjz sv sv spvz F F F f f F θθ=+++− (10)同样对活塞、活塞杆、摇板和轴颈也进行了受力分析。