节能型汽车空调压缩机综合试验台的研制

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 节能型汽车空调压缩机综合试验台 的研制 摘 要： 汽车空调压缩机是汽车 空调系统的核心，检测其质量性能的设 备大多性能单一，且结构和原理基本相 似，大多采用第二制冷剂量热器法。基 于压缩机排气管道量热器法和制冷剂气 体冷却法，结合某企业技术协议的要求 研制了性能和耐久性综合试验台。介绍 了试验台的总体设计方案和系统组成， 并对其工作原理和关键部件的选型设计 进行了阐述。该试验台最大特点是将部 分零件模块化。与传统的测试设备相比， 该试验台便于连续进行测试。该试验台 的测试误差均在标准规定的精度范围内， 满足了企业的测试要求。研究为其他相 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 似试验台的设计提供了借鉴。 中国论文网 /1/view-13027056.htm 关键词： 汽车空调； 压缩机试 验台； 节能； 模块化 中图分类号： TB 657； U 467 文献标志码： A Development of an Energysaving Compressor Test Bench for Automotive Airconditioner YANG Eryang， LI Zhengtao， YANG Shuling， RONG Yaopeng， HAN Cong （School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China） Abstract： Compressor is the core part of automotive airconditioner system.And its performance testing equipment was mostly simple with similar construction and principles by means of -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 the second refrigerant calorimeter method.A new set of performance and durability test bench was developed in this study based on the compressor exhaust pipe calorimeter method and refrigerant gas cooling method，in accordance with an enterprise technical agreement.The overall design scheme and system composition were introduced.Its working principles and selection design of key components were described in detail.The biggest characteristic of this test bench was the modularization of some components.Compared with traditional testing equipment，the new one was convenient for doing some continuous tests.The deviation from this test bench met well with the testing standards，which could satisfy the companys testing demands as well.It could provide some references for the -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 design of other similar test benches. Keywords ： automobile airconditioner； compressor test bench； energy conservation； modularization S 着汽车大量进入寻常百姓家， 人们对室内生活环境的各种需求就延续 到汽车中，汽车空调便成为满足人们对 车厢环境要求的装置。压缩机是空调器 的心脏，其寿命直接影响汽车空调的有 效使用时间1，其性能影响能量的使用 效率。压缩机综合性能试验台可用来评 价汽车空调压缩机的好坏。对于长时间 的耐久性试验，节能型试验设备就显得 尤为重要。 目前国外很多公司和科研机构都 有专门的压缩机耐久性试验台和性能试 验台，但对于综合性能的试验台很少有 研究2。国内试验台大都沿用传统的测 量方法（如第二制冷剂量热器法）将性 能和耐久性试验分开测试。王磊等3、 方大伟等4、王晓燕 5都利用第二制 冷剂量热器法研制了相应的压缩机性能 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 试验台；傅琦等6在考察了国内和国外 的耐久性试验台（主要包括上海易初公 司、奥迪汽车公司、日产汽车公司、天 津三电汽车空调公司等）的基础上，自 行设计了一套试验台。该试验台能够在 较大范围内满足压缩机耐久性测试的要 求，并且使用了当时比较先进的 X86 计 算机等控制仪器。张中秀等7、温彩霞 等1和林子良等 8都在前人的研究基 础上对耐久性试验台进行了设计和优化， 分别得出系统分块、工况的合理调节和 压力调节时的优化方案。 本试验台根据 GB/T 213602008汽车空调用制冷压缩机 9和 GB/T 57732004容积式制冷压 缩机性能试验方法10 ，并结合企业 要求，提出将压缩机排气管道量热器法 和制冷剂气体冷却法作为本试验台的试 验方法。对于压缩机耐久性试验，利用 被测压缩机旁通热气的热量消耗经过冷 凝器的制冷剂得到的冷量，无需其他热 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 量来消耗被测压缩机系统的制冷量，故 其能量消耗少于传统测量方法，实现节 能设计；压缩机性能试验中，制冷剂气 体冷却法为主要测量方法（主测） ，压 缩机排气管道量热器法为辅助测量方法 （辅测） 。 1 设计基本要求 1.1 技术要求 本试验台依据相关国家标准及企 业要求，应具有压缩机转速可调、吸排 气温度压力控制、环境箱温度控制、恒 温水控制、压差保护及自检报警控制系 统等功能。测试压缩机性能时应能准确 计算或测量空调压缩机的制冷量（最主 要参数） 、功率、容积效率、等熵效率 和制冷系数，并为汽车空调系统设计提 供可参考的制冷量和能量效率，最终为 产品开发、优化设计和计量检测提供实 际支持。 1.2 性能指标 试验性能指标分别为：压缩机最 大制冷量为 8 kW；被测压缩机排量范 围为 60240 cm3 r-1；试验台适用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 的制冷剂为 R134a。 能源研究与信息 2018 年 第 34 卷 第 1 期杨二阳，等：节能型汽车 空调压缩机综合试验台的研制 测试项目分别为耐久性试验和性 能试验，各试验工况分别如表 1、2 所 示。 表 1 耐久性试验工况 Tab.1 Conditions for the durability test 表 2 性能试验工况 Tab.2 Conditions for the performance test 试验台工况调节范围及精度分别 为：吸气压力为（00.6） MPa0.50%FS（%FS 指满量程的百分 比） ；排气压力为（1.03.0） MPa0.25%FS；被测压缩机环境温度为 （40150）1.0 ；被测压缩机转 速为（08 000）r min-120 r min-1；离合器通断时间为（0999） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 h0.5 s。 2 试验台的系统组成和工作特点 本试验台包括五大部分：被测压 缩机系统、制冷剂回收和抽真空系统、 恒温箱系统、恒温水系统和控制系统。 其中被测压缩机系统为该试验台的主要 部分，其余为实现测试功能和方便测试 的辅助部分。抽真空系统在被测压缩机 安装好后对试验台整个系统回路进行抽 真空，为系统充注制冷剂做准备；恒温 箱系统是为被测压缩机模拟实际运行环 境；恒温水系统为试验台的冷却提供充 足的冷源；制冷剂回收系统用于测试结 束后回收系统中的制冷剂，为下一次试 验做好准备。控制系统主要为数据的实 时采集和通讯、试验工况切换和调整、 自检和报警等。总体系统结构示意图如 图 1 所示。 图 1 总体系统结构示意图 Fig.1 Structural diagram of the overall system 本试验台设计时遵照实用可靠、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 节能合理、准确高效的原则，其最大的 工作特点是节能、功能多、部件模块化、 零部件利用率高。当进行汽车空调压缩 机耐久性试验时，试验台转换至耐久模 式，利用被测压缩机排出的部分高温制 冷剂加热剩余部分的经系统冷凝节流的 低温制冷剂，从而不需要额外的外部热 源来抵消系统制冷量，以实现节能目的。 本试验台还可以在不拆除被测压缩机的 情况下，完成性能试验后直接进行耐久 性试验，节省了研发工程量。系统部件 的模块化包括水泵模块、抽真空和回油 模块、环境箱模块、节流模块、测量头 模块等。当系统抽真空结束后，制冷剂 回收系统的压缩机即可用作恒温箱系统 的压缩机，一个部件多种用途，减少了 设备初始投资。 2.1 主要系统工作原理 为了设计多功能测试试验台，通 过对压缩机各性能测试方法进行研究， 选用一种压缩机性能测试方法，并和用 于耐久性试验台的测试方法融合在同一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 个系统中。耐久性试验时，试验台为被 测汽车空调压缩机提供运行条件，即吸 气压力和温度、排气压力和温度、制冷 剂质量流量、转速等参数即可。性能试 验时，则需要根据测量数据计算出被测 汽车空调压缩机的额定制冷量，并确保 用主测、辅测测得的数据偏差在 4%以 内。故又兼顾节能要求选择制冷剂气体 冷却法作为性能试验和耐久性试验的主 测；出于最大设备利用率和节约投资的 考虑，试验台选配压缩机排气管道量热 器法作为性能试验时的辅测。该试验台 的工作原理如图 2 所示，图中 07 均 为制冷剂的状态点。 图 2 工作原理图 Fig.2 Working principle diagram 对应测点的压焓图如图 3 所示， 图中：p 为压力；h 为焓；点 3为制冷 剂分两路引起压力降低后的状态点；fl 代表压缩机排气压力对应的制冷剂饱和 液体的状态点；下标 f 表示制冷剂为液 体状态；下标 g 表示制冷剂为气体状态； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 各数字分别对应图 2 中的各状态点。 图 3 压焓图 Fig.3 Pressureenthalpy figure 制冷剂气体冷却法主要利用由压 缩机排气口分出的部分热制冷剂气体加 热另一部分被冷凝器冷却节流后的低温 制冷剂，两者在混合器中混合后达到压 缩机吸气状态，重新回到压缩机完成循 环；压缩机排气管道量热器法是利用经 过排气管道上电加热器的加热量与被测 压缩机的制冷量成比例的原理，即系统 中制冷剂质量流量不变。 被测压缩机性能和耐久性试验中 需测量的参数有：被测压缩机吸气和排 气口制冷剂气体压力、温度；量热器进 口和出口制冷剂气体压力、温度；量热 器电加热功率；混合器进口和出口制冷 剂气体压力、温度；膨胀阀前制冷剂液 体压力、温度；环境箱温度 ta；电加热 量热器的表面平均温度 tc；混合器中制 冷剂的平均饱和温度 tr；被冷凝的制冷 剂质量流量 qml；电机输入功率 W。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 为保证试验台正常工作，需监控 的参数有：恒温箱中水温和液位高度； 混合器的漏热量 1；加热量热器的漏 热量 2；取样器测得的含油量（质量分 数） 。 测量及监控的参数所用的仪器有： 温度测量选用千野公司的 Pt100 系列铂 电阻，测试范围为-70500 ；压力测 量采用通用公司旗下的德鲁克 PTX5072 型压力传感器，精度等级为0.2%；转 速控制采用三垦 VM06 系列变频器；转 速传感器采用倍加福公司的 ML100 光 电传感器，并配合爱模集团的 M5PA 型 型号转换器；流量计采用 Micro Motion 生产的 DS025S113SB 质量流量计，其 量程为 0.18680 kg h-1，测量精度 为0.15%；PID 调节器采用 UT550，精 度等级为0.1%；数据采集器采用横河 （YAKOGAWA）DARWIN 系列的 DA100，支持 PC 机（带有 RS232 通讯 口） ，采集高速（300 信道/500 ms） ；电 参数测试仪采用日本横河功率计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 WT330，其基本精度为读数的 0.1%。 利用制冷剂气体冷却法和排气管道量热 器法得出的被测压缩机制冷量计算式如 表 3 所示，其中：F1 、F2 分别为混合 器和电加热量热器的漏热系数； ga、gl 分别为进入压缩机的制冷剂蒸 汽实际比容、与规定基本试验工况时相 对应的吸入工况时制冷剂蒸汽的比容。 表 3 制冷量计算式 Tab.3 Formula for calculating the refrigerating capacity 综上所述，由测量参数即可得出 被测汽车空调压缩机的制冷量及其他所 需参考量。制冷剂回路中被测压缩机排 出的高温高压气体进入电加热量热器被 加热，再从量热器出来分成两路：一部 分经冷凝器、流量计节流喷入混合器； 另一部分经旁通阀直接节流进入混合器， 冷量和热量达到中和成为低压气体，从 而重新被压缩机吸气口吸入。主、辅测 相结合便形成了本试验台的工作原理。 根据能量守恒，单位时间内冷却水从冷 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 凝器中带走的热量在数值上等于压缩机 的输入功率和电加热量热器的功率及单 位时间内各处漏热量之和。其中测试汽 车压缩机性能试验时主、辅测两种方法 同时使用，制冷剂气体冷却法为校核测 量；当进行耐久性试验时，关闭电加热 量热器，只利用制冷剂气体冷却法，以 实现节能目的。 2.2 辅助系统设计原理 整个系统的设计主要是为了实现 上述工作过程，故除被测系统外，还应 有满足主系统要求的辅助系统。被测压 缩机应便于安装，要满足运行前的条件， 试验台的控制精度以及必要的检修维护 等均需考虑。本试验台的设计要点为： （1） 被测压缩机的环境箱温度 由恒温箱系统提供。其主要组成部分为 一套制冷装置、电加热装置、风机和相 应的风箱。当系统进行排气阀泄漏率试 验和制冷剂泄漏量试验时，恒温箱中的 风机又可充当排风机。 （2） 将抽真空系统和制冷剂回 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 收系统做成一个模块，可方便设备安装 和系统调试。 （3） 对测量装置进行集成，如 温度计和压力计及相应的转换器集成为 测量头，使安装更为方便，减少了现场 工程安装量。 （4） 整个试验台的冷凝器以及 过冷器中的水都由一个恒温水系统提供 8。采用三通阀调节被冷却对象的温度。 恒温水系统还包括一套制冷装置、电加 热装置和循环水泵及二次泵。 （5） 试验的被测对象具有强耦 合、大惯性等特点5。为了削弱耦合并 提高试验台的测试精度，故增加过冷器 并结合电加热器来决定过冷度大小3-4。 另外，在被测压缩机吸气管道上的涡旋 流量计前、后均应加设脉动缓冲器，以 降低测量误差11 。 结合试验台的工作原理、设计原 则以及上述设计要点，节能型汽车空调 压缩机综合性能试验台系统流程如图 4 所示。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 图 4 综合试验台系统流程 Fig.4 Flowchart of the test bench 3 关键部件设计及选型 试验台设计过程中，根据被测汽 车空调压缩机的理论排气量初步选定试 验台的其他部件时，需要考虑压缩机的 容积效率 的影响。陈汝东 12指出： 影响容积效率的因素很多，即使对于结 构形式和使用制冷剂都已知的压缩机， 其值通常也很难用公式进行计算，只能 通过试验求得。傅烈虎等13通过试验 研究拟合出开启式压缩机在变转速情况 下的汽车空调压缩机容积效率 公式， 即 =1-c（1m-1 ）（1） =9.8610-1-2.91610-2+1.15 10-32-3.1910-8n2+1.42 10-9n2+5.1410-112n2（2） 式中：常数 c=2.5 10-2；常数 m=1.0；压比 =210； 为压缩机容积 系数；n 为压缩机转速。 结合各运行工况分别得出的容积 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 效率系数如表 4、5、6 所示，其中“-”表 示不适用此速度工况。 表 4 低速工况下容积效率系数 Tab.4 Volumetric efficiency at low speed 式中：Qh、 分别为被测压缩机 理论排量和吸气压力下的比容。 结合各状态点计算系统最大的制 冷剂质量流量 qmfmax 为 321.60 kg h-1，其所在的工况条件为：压缩机理 论排量为 240 cm3 r-1；吸气压力为 450 kPa；排气压力为 2 510 kPa；转速 为 1 500 r min-1。该工况下压比为 5.58，吸气容积效率 为 0.716，该工 况下的冷凝器负荷为 3.34 kW。 表 5 高速工况下容积效率系数 Tab.5 Volumetric efficiency at high speed 冷凝器最大负荷出现的工况为： 压缩机排量为 240 cm3 r-1；吸气压 力为 450 kPa；排气压力为 2 860 kPa； 转速为 1 500 r min-1。该工况下压比 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 为 6.36，吸气容积效率 为 0.693，冷 凝器负荷为 3.47 kW。根据满足本试验 台技术要求的崃 计算，冷凝支路套 管式冷凝器负荷最大为 3.47 kW，乘以 富余系数 1.15，即为 3.99 kW，取整即 为 4 kW。因此采用杭州某公司定制加 工的套管式冷凝器，其换热量为 4 kW，满足本试验台的要求。 为实现本试验台运行过程中制冷 剂质量流量的自动调节，从而实现混合 器中温度、压力的自动调节，同时为了 保证系统精度的要求，本试验台选择富 士金公司生产的 SR100 系列电子膨胀阀， 并结合压缩机类型、不同排量和节流压 力差，选择的具体型号为 S2TR115WDE15R3，流通能力值 Cv 为 0.025，安装过程中并联世伟洛克针阀， 以配合后期调试及调节使用。 混合器由一容器构成，在此用一 个特制的气液分离器代替。制冷剂液体 从侧面管口喷入，以便吸收旁通管路中 经节流阀过来的从底部进入混合器的制 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 冷剂的热量。选取原则为 Def=4G（ 4） 式中：Def 为气液分离器的直径； G 为经过气液分离器的供液量； 为制 冷剂气体的流速，一般取 =0.5 m s- 1。 混合器的高度约为直径的 34 倍。再对比各公司系列产品型号，选择 合适的产品并M 行试验验证。本试验 台选用艾默生生产的 AAS 3105，直径 为 76.2 mm，高度为 254.0 mm 的气液 分离器。 热气旁通支路承担着调节和控制 压缩机吸气压力的任务，其优良特性有： 防止系统吸气压力过低； 防止制 冷循环短路； 防止蒸发器结冰； 回油性能良好。在压缩机排出端管路上， 经过分流三通后，旁通阀将一部分温度 和压力均较高的气体直接旁通至蒸发器 的前部管路14 。热气旁通阀的制冷量 主要由所选用的旁通阀的流通能力 R 决 定，然而 R 的大小最终由该旁通阀在调 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 20 节状态下的开度 P0 和其初始状态下开 度 Z 的差值 P0 决定。本试验台使用 Parker 公司生产的 SDR 系列电子热气 旁通阀，具