汽车空调用外控式变排量压缩机

关键词外部控制阀变排量压缩机 汽车空调研制
1前言
变排量压缩机由于具有空调系统连续平稳调节、空调送风温度波动小和能耗低等优点[1,2]，已在国内外汽车空调系统中得到了越来越多的应用。但是目前广泛采用的内控式变排量压缩机存在节能效果不显著、系统振荡[3,4]和蒸发器结霜[5]等问题，为了解决这些问题，最近几年外控式变排量压缩机在国外问世[6]。
8.导向杆9.轴颈轴销10.导球11.导片12.轴颈13.复位弹簧
14.止推轴承15.吸气腔16.排气腔
图3外控式五缸摇板式变排量压缩机
3.2.1模拟分析
建立外控式变排量压缩机数学模型，对开发的外控式变排量压缩机进行稳态特性分析。
(1)数学模型
传统定活塞行程压缩机数学模型，由于其活塞行程不变，所以模型建立主要侧重于压缩过程的变化规律；对于定活塞行程变频压缩机模型仅需增加频率对压缩机性能的影响。而汽车空调用摇板式变排量压缩机，由于压缩机转速作为外扰量不可控而采用活塞行程调节来实现压缩机无级变容，所以摇板式变排量压缩机模型比传统定活塞行程压缩机模型复杂。
2.2.2实验系统
为了研究外部控制阀特性及验证其数学模型，建立了外部控制阀实验装置（图2）。采用与实际压缩机吸气腔、摇板箱和排气腔相同容积的三个容器来模拟控制阀实际工况，排气压力和吸气压力由各自
图2外部控制阀实验装置流程图
单独的气源加上恒压阀分别进行调节。通过控制器改变步进电机脉冲数来控制外部控制阀开度。排气腔压力Pd、吸气腔压力Ps和摇板箱压力Pw分别采用电压输出型压力传感器测量，其测压精度为±0.1%。
2外部控制阀
2.1外部控制阀设计
外部控制阀研制思路为保持五缸摇板式变排量压缩机主体结构，在原有内部控制阀基础上进行开发。保留原内部控制阀阀体流道、阀杆、球阀、锥阀及密封组件，将原有内部控制阀的真空波纹管改用外部动力驱动装置，通过传动杆将外部驱动力传递给阀杆。
根据驱动方式不同，外部控制阀可选用电磁式和电动式两种方式。电磁式外部控制阀是通过控制电磁线圈上的电流大小，改变铁芯传动杆的推力及作用在传动杆上的弹簧力，从而改变控制阀的开度；电动式外部控制阀则是通过改变步进电机的脉冲数，使传动杆向上或向下运动，从而改变控制阀的开度。电动式外部控制阀的驱动元件是步进电机，它具有足够驱动力，可控制范围宽，且脉冲信号与开度之间的线性关系良好，反应速度快，可实现细微控制，工质回路呈密闭结构且与电气回路分离，安全可靠，因此本文采用电动式外部控制阀方案（图1）。
(2)性能模拟分析
利用建立的数学模型，对外控式五缸摇板式变排量压缩机在定转速变行程和变转速变行程两种情况下的活塞行程和制冷剂流量变化规律进行模拟分析。
图4外控式变排量压缩机模型关系图
图5表示了外控式五缸摇板式变排量压缩机活塞行程Sp和Mr与脉冲数N的关系，计算条件：Nc＝2000r/min，Pd=1.5 MPa，Ps=0.29 MPa，吸气过热10℃。对于采用脉冲数调节外部控制阀开度的外控式变排量压缩机，存在行程增大时临界脉冲数Ncu和行程减小时临界脉冲数Ncd（图5(a)）。在某一行程下，行程增大时临界脉冲数Ncu小于行程减小时临界脉冲数Ncd。且只有N<Ncu时，Sp才会增大；只有N>Ncd时，Sp才会减小；而当Ncu≤N≤Ncd，Sp不会发生变化，就形成了一个“调节滞区”。
国外开发的变排量压缩机外控驱动方式均采用电磁式，且需要根据汽车空调配气系统、汽车运行、车室环境、外部环境等状况确定控制阀控制信号，系统控制复杂，成本高，且多输入参数及多种传感器降低了系统可靠性。
为进一步改善外控式变排量压缩机技术，本文以五缸摇板式变排量压缩机本体为基础，研制开发外部控制阀及外控式变排量压缩机，并对其特性进行实验研究和模拟分析。
通过分析外控式摇板式变排量压缩机的控制机理，本文提出其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三部分有机组成，并给出其模型关系图（图4）。控制阀数学模型用于根据脉冲数N、排气压力Pd和吸气压力Ps确定摇板箱压力Pw；压缩机运动部件动力学模型根据排气压力、吸气压力、摇板箱压力和压缩机转速Nc确定活塞行程Sp；压缩过程模型则是根据排气压力、吸气压力、吸气温度Ts、活塞行程和压缩机转速来确定压缩机制冷剂流量Mr和排气温度Td。在建模过程中侧重于活塞行程变化这个关键问题，对与活塞行程变化有关的控制阀模型和压缩机运动部件数学模型及其实验验证见文献[9]。
利用建立的数学模型和实验装置，对外部控制阀特性进行了模拟分析和实验研究，详细内容见文献[8]。
3外控式变排量压缩机
将开发的外部控制阀及其驱动装置安装于五缸摇板式变排量压缩机本体中，就组成了外控式五缸摇板式变排量压缩机（图3）。
1.摇板2.外部控制阀3.活塞4.活塞杆5.滑动接头6.腰形槽7.轴驱动耳
对于外部控制阀的驱动装置，利用微电脑产生脉冲，将脉冲送入驱动电路中，分别给各相线圈施加驱动电压。利用研制的驱动电路，可根据汽车空调外部参数变化通过微电脑模拟计算出需要脉冲数或手动调节脉冲数，驱动步进电机改变控制阀开度。
2.2外部控制阀特性研究
图1电动式外部控制阀
2.2.1数学模型
为了对研制的外部控制阀进行性能分析，建立了如下数学模型：
汽车空调用外控式变排量压缩机
的研制开发与特性研究
中国科学院理化技术研究所田长青
清华大学石文星李先庭彦启森
摘 要本文以五缸摇板式变排量压缩机本体为基础，采用电动式外控驱动技术方案，开发出外部控制阀与外控式变排量压缩机，并对其特性进行了实验研究和模拟分析。文中首先介绍了外部控制阀设计、外部控制阀数学模型建立和实验装置。然后提出外控式摇板式变排量压缩机数学模型的建立方法，并利用数学模型对其在变转速变行程情况下的活塞行程和制冷剂流量变化规律进行了模拟分析；模拟结果发现外控式变排量压缩机存在由于运动部件摩擦力引起的行程调节滞区。最后给出了压缩机活塞行程和制冷剂流量等参数随外部控制阀开度、压缩机转速、排气压力和吸气压力动态变化的实验结果。
(1)外部控制阀开度y与步进电机脉冲数N关系式:
(1)
(2)质量守恒方程:
(2)
式(2)中，Md和Mc分别为通过球阀和锥阀的质量流量，由下式计算：
(3)
(4)
式(3)和(4)中，αd和αc分别是通过球阀和锥阀的流量系数，其计算公式见文献[7]。
(3)能量守恒方程:
(5)
公式(1)～(5)，加上工质状态方程，构成了外部控制阀的数学模型。