变排量压缩机在汽车空调系统中的应用

1、摘要变排量压缩机在汽车空调系统中的应用摘 要 随着人们生活水平的不断提高，对车载空调控制系统的智能性、运行情况的稳定性、控制系统的合理性都有较高要求。因此，如何对系统进行更加细致的分析，如何对复杂工况进行更加合理的调控，就成了各大汽车制造企业和科研机构所关注的问题。本课题通过对基于变排量压缩机的车载空调控制系统进行分析，提出了一种从硬件选型到台架模拟的整套开发过程，并且通过实验验证了控制系统的快速性、准确性和稳定性，使得此控制系统及其研发流程能得到广泛的应用。通过对于变排量压缩机在汽车空调系统中的应用，能够更好的将变排量压缩机在汽车空调系统中的应用。本文首先对于该课题的研究背景和研究意义进行分

2、析，为本文的研究指明了研究的方向。然后对于汽车空调系统进行概述分析。最后对于变排量压缩机在汽车空调系统中的应用进行分析，最后分析了汽车空调系统发展趋势进行分析。关 键 词：变排量；压缩机；汽车空调论文类型：应用研究目录目 录1绪论11.1选题背景11.2国内外研究文献综述11.2.1国外文献综述11.2.2国内研究综述21.3研究内容以及研究方法31.3.1研究内容31.3.2研究方法32汽车空调概述42.1汽车空调工作原理42.2汽车空调系统组成52.2.1制冷系统52.2.2取暖系统62.2.3通风系统62.2.4空气净化系统62.2.5自动控制系统63变排量压缩机在汽车空调系统中的应用7

3、3.1对于空调系统进行控制73.2CFD优化及集成系统73.3自动化空气质量调控84汽车空调系统发展趋势94.1空调压缩机的发展趋势94.2热交换器发展方向94.3自动智能化空调系统94.4新能源汽车空调系统发展趋势9致 谢11参考文献12附件：13网络学院毕业论文独创性声明13毕业论文知识产权权属声明131绪论1.1选题背景汽车空调系统是汽车众多系统中的一个重要部分，随着人们对乘车舒适度要求的增加，汽车空调系统性能的提高也逐渐成为科研人员关注的问题。一般汽车空调制冷系统包含有压缩机、冷凝器、储液干燥过滤器、膨胀阀及蒸发器等部件，其中压缩机又是最核心的部件，压缩机的性能直接关系到汽车空调系统的

4、优劣。空调制冷压缩机经历了从定排量到变排量的发展过程，压缩机的工作方式发生了变化，压缩机的性能也得到了巨大的提升。定排量压缩机的工作排量不变，需要通过离合器来控制压缩机的启动和关闭。定排量压缩机在使用中发现，由于离合器的间歇性吸合运动造成车内温度波动幅度较大以及发动机转速较高时造成车内蒸发器结霜等现象，同时因为压缩机的频繁启闭造成空调系统能耗损失过大。变排量压缩机的性能远远高于定排量压缩机的性能，能够有效的对于空调负载状况进行调节，这样不但能够减少了能源的消耗，还可以对于汽车内的温度进行有效的控制，使其达到理想的温度。变排量压缩机在工作的过程中能够连续稳定的进行运行，安全可靠性较高，同时具有较

5、高的转速能力，使其能够更好的维持汽车内的温度，使得汽车内的温度具有一定的舒适性。降低了空调系统的能耗，提高了汽车的燃油经济性。所以对于该课题进行相关的研究，希望本文的研究能够将变排量压缩机在汽车空调系统中的应用1.2国内外研究文献综述1.2.1国外文献综述JF.Below,DA.Miloslavich（2016）研究了摇板斜盘式压缩机的斜盘动力学，分析了压缩机内部零件的受力以及轴承载荷等，并且推导了压缩机动平衡与配重尺寸和配重位置的数学关系式。RKJha,S Muthu，S Sivakumar介绍了定排量斜盘式双向活塞压缩机的设计方法，通过动力学仿真，计算了压缩机轴承的轴向和径向载荷以及它们的

6、变化趋势。文中还通过仿真研究了阀片的压力损失、摩擦力和阻力矩随主轴转角的变化规律，根据这些因素对总能量的贡献比例，预测了曲轴的反抗力矩波动及压缩机在不同转速下的能量消耗，并且通过测试数据得到了验证。Kenj、Kunihiko Takao等通过对一种新型摆动斜盘式压缩机的结构和转子运动学进行分析，研究了压缩机的动平衡水平，并与己有压缩机不同斜盘倾角下的动平衡水平进行对比，发现新型压缩机的转子离心惯性力明显小于己有压缩机。NicholaosG.Demas和ShuJun Wang研究了压缩机的润滑方法，通过在压缩机活塞外表面使用聚合物，发现PTFE高分子涂层的油膜不会因为活塞腔内的高压环境而遭到破坏

7、，从而起到减小活塞、缸壁之间摩擦力的作用，研究结果为压缩机的磨损和振动噪声优化提供了参考。Kazuhiko Takai, ShigemiShimizu等人研究了一种新型7缸摆盘式无极变速压缩机，有效的解决了传统压缩机造成发动机载荷变化、蒸发器结霜、车内温度波动幅度大等问题，文中还对压缩机的关键零部件进行了受力分析。J.A.Becerra, F.J.Jimenez等通过往复式压缩机曲轴化学成分和系统动力学分析，研究了压缩机曲轴的失效形式。文中通过建立曲轴的仿真模型，分析计算了曲轴的扭转动态引起的应力。Nobuhiro Hariu等使用有限元软件计算了压缩机的固有频率和模态振型，并通过仿真分析了非

8、稳态轴承力作用下的压缩机动态特性，研究结果为压缩机的结构优化和减振降噪提供了参考。N.Ishii, Y Abe等通过变排量压缩机的运动学分析，研究了压缩机内部零件之间的惯性力和摩擦力，并指出惯性力和摩擦力对压缩机运行平稳性和耐久性有着显著的影响。Peterson Cavalcante, SvenFarsterlin梦通过建立压缩机的瞬态模型，研究了压缩机的活塞腔、吸气腔、排气腔和曲轴箱的压力变化，并通过模型分析了压缩机斜盘和活塞的动力学以及零部件之间的摩擦力情况。1.2.2国内研究综述缪道平、刘才清、丁一鸣等编著了活塞式制冷压缩机，书中以小型活塞式空调压缩机为例，介绍了压缩机的工作原理、性能指

9、标计算、结构设计以及零件受力分析等，为活塞式压缩机的结构设计和动力学计算提供了参考。上海交通大学王屹理论分析了斜盘式压缩机的运动学和动力学，通过在Adams仿真软件中建立包含有气体力的压缩机仿真模型，研究了空调压缩机的运动学、动力学、动平衡特性、磨损预测等。袁晓梅、陈芝久以变排量斜盘式压缩机的结构和运动学分析为基础，建立了压缩机的数学模型，通过控制阀研究了压缩机的排量控制机理，并指出电动型控制阀相较于气动控制阀的优点。清华大学田长青、廖云飞等通过建立压缩机斜盘和控制阀的数学模型，研究了变排量压缩机的排量控制原理，并分析了不同转速下活塞行程、制冷剂质量流量等参数随压缩机负荷改变的变化规律。文中还

10、分析了压缩机摇板腔与吸气腔压力差值对活塞行程变化的影响，计算了压缩机不同转速下的零部件惯性力。在考虑摩擦力的情况下，通过主轴、轴套的动力学分析，更加准确的计算了斜盘倾角与气体力之间的变化关系。同济大学黄锁成、靳晓雄等以SE508摆盘式压缩机为例，在压缩机的动力学研究中利用频谱分析、有限元模态分析和台架实验分析相结合的方式，讨论分析了压缩机的振动噪声问题。通过对SE508摆盘式压缩机的动力学分析结果进行编程，计算了活塞、连杆及摆盘等零件的受力情况。合肥工业大学郭来红研究了摇板式变排量压缩机摆盘倾角变化的力学原理，并对控制阀内部结构进行了力学分析。文中还介绍了压缩机制冷量的计算方法，通过实验对压缩

11、机的关键性能进行了测试。谢金花建立了斜盘式压缩机的工作数学模型，分析了压缩机内油循环量、转速、气腔脉动压力对压缩机性能的影响，并设计实验验证了模型的准确性。谢飞、王硕渊建立旋转式压缩机气阀的有限元模型，通过编写热力学模拟程序和有限元计算程序，研究气阀的振动特性和应力分布，研究结果为阀片的可靠性设计提供了理论指导。吴建华、侯杰等分析了双向斜盘式压缩机的活塞受力随主轴转角的变化情况，通过有限元软件对活塞进行应力分析，发现活塞的往复直线运动会使活塞中部承受交变载荷并且出现应力集中的状况，指出增大活塞中部的过渡圆角可以有效改善活塞该部的应力集中。1.3研究内容以及研究方法1.3.1研究内容本文的研究内

12、容主要分为以下几部分：第一章：对于本文的研究背景和研究意义进行分析，为本文的研究指明了研究的方向。第二章：对于汽车空调系统进行分析概述。第三章：变排量压缩机在汽车空调系统中的应用。第四章：最后分析了汽车空调系统发展趋势。1.3.2研究方法本文研究采用文献分析法：通过对既有的文献的汇总梳理，明晰了相关文献的研究框架、思路和研究的主要方法、内容，理清了本文的研究思路、研究方向和要创新的地方。2汽车空调概述 2.1汽车空调工作原理新能源汽车空调系统组成及工作原理新能源汽车空调系统由空调压缩机、空调驱动电机、空调风管总成、空调管路总成、冷凝器、空调控制面板及相关传感器等组成。新能源汽车空调采取电力驱动

13、空调压缩机，空调压缩机由高压电动机驱动，不再由发动机皮带带动压缩机工作。在暖风形式上，新能源汽车没有由内燃机产生70以上的冷却液的热量来源，而要采用电加热方式产生暖风。电加热有两种方式：一种是通过高压加热类似传统空调与暖风系统中的冷却液，再经过循环为暖风水箱提供热量，如图1所示。另一种是直接通过高压电驱动PTC加热器来加热经过蒸发箱的空气实现暖风。PTC加热器是正温度系数热敏电阻，是制造热源的主要来源，PTC最大的优势就是发热速度快，温度高且可控，使用方便，安装在暖风蒸发箱总成内部。空调压缩机是三相永磁同步直流电动机，由变频器将电池提供的直流电转换成交流电，向三相永磁同步电机供电，驱动汽车空调

14、压缩机工作，如图2所示。 图1高压加热冷却再制暖方式 图2电驱动空调压缩机新能源汽车空调通过空调控制器接收到各传感器的信号，如温度传感器、面板控制开关信号等，通过主控ECU计算，控制空调驱动电机，从而控制空调压缩机、PTC加热器是否工作从而控制出风模式，新能源汽车空调控制原理如图3所示。 图3汽车空调控制原理新能源汽车空调制热系统与传统汽车制热方式不一样，新能源汽车空调制热系统包括空调ECU、阳光传感器、车内外温度传感器、速度传感器、控制开关信号、空调电源，DCDC转换器、驱动电动机、PTC加热元件等，其空调控制系统结构如图4所示。PTC加热器受空调ECU的控制，直接由高压电源供电，ECU根据

15、阳光传感器、车内外温度传感器、速度传感器、控制开关信号等计算，根据不同要求，实现对PTC加热器控制，从而控制空调暖风系统。 图4空调控制系统结构图变排量压缩机的排量控制方式主要有两种:通过内部调节阀，使管路压力适应于排量改变的内控式机械变排量压缩机;另一种是通过电磁调节阀，将控制器传来的PWM电流信号转化为电磁阀的开度，从而控制斜盘倾角，改变压缩机排量，对压缩机输出功率进行无极调节的外控式变排量压缩机。变排量压缩机基本参数如表1所示：表1变排量压缩机基本参数表气缸数7镗孔直径31.6mm 尺寸231mm最大工作转速9200rpm(10m)转动方向锁定单向安装角度水平试用制冷剂R134a制冷剂润

16、滑油SP10无填充物质量5.5kg欧洲2003环保标准 是2.2汽车空调系统组成2.2.1制冷系统 图5为汽车空调的制冷系统，该系统的主要的功能就是制冷，由压缩机和冷凝器共同进行配合产出冷风，这样能够使得汽车内更加的凉爽。在汽车制冷系统工作的过程中，需要压缩机进行，对于空气进行相关的压缩，再将压缩好的空气送入到制冷剂中，这样就会吸收空气中大量的热量，从而使它吹出来的风更加的凉爽，从而使得汽车内的温度不断的下降。制冷系统主要的功能就是降低汽车内的温度，同时还可以利用蒸发器对于汽车内的空气进行净化以及降低汽车内的空气的湿度，使得汽车的环境更加的舒适。 图5汽车空调制冷系统2.2.2取暖系统 所谓取

17、暖系统，其主要作用就是负责向车内提供暖风。其工作原理就是将空气通入到暖风水箱中，然后再由鼓风机将水箱中的热空气吹进车内，达到取暖的目的。同时取暖系统还可以应用在下雾的天气中，通过采用取暖系统可以更好的应用在汽车的挡风玻璃上，使汽车驾驶员更加安全的进行驾驶。2.2.3通风系统图6为汽车空调的通风系统。通风系统的主要功能是将汽车内和汽车外的空气进行有效的流通，能够有效的改善汽车内的空气的质量，从而达到对于车内空气净化的目的。然而通过蒸发器冷却的功能能够更好的对于汽车内的空气进行净化同时去除空气内的湿度。使得汽车内的空气更加的舒适。 图6汽车空调通风系统2.2.4空气净化系统空气净化系统的主要作用就

18、是排除汽车内部的污染气体，净化车内环境。通过空气净化系统内的空气过滤器能够有效的对于空气进行过滤，出去空气内一些对于人体健康危害的有害物质，从而达到对于空气进行净化的目的。2.2.5自动控制系统自动控制系统主要作用是控制空调，其具体作用就是可以调节制冷或者制热的温度，此外该系统还能够测量以及控制汽车内部的温度、风量等参数。嗯通过自动控制系统能够更好的对于汽车空调进行自动控制，有助于对于汽车内的温度以及风速进行调节，这些工程都是由中心控制系统的命令进行执行的，具有一定的精确性，能够更好的对于空调系统进行自由的控制。2.3变排量压缩机运动学分析2.3.1斜盘毂运动学分析压缩机转子剖面图如图7所示，

19、全局坐标系 XOY 为固定在主轴端点附近的相对坐标系。斜盘毂、斜盘相对主轴做沿轴线的平移运动和 XOY 平面的旋转运动。A 点为斜盘、斜盘毂在主轴轴线上的移动点，B 点为驱动盘连杆的旋转中心，C 点为销轴的质心。为斜盘毂连杆与斜盘之间的夹角，为斜盘毂质心到点 A 的连线与斜盘之间的夹角，a为斜盘的倾角。为斜盘毂质心与 A 点之间的距离，为斜盘毂连杆的长度，为驱动盘连杆的长度。为了方便于后面不平衡量的计算，将销轴看做斜盘毂的一部分。斜盘、斜盘毂的运动简化图如图8所示。 图7压缩机转子剖面图图8斜盘、斜盘毂运动简化图驱动盘连杆长度、斜盘毂连杆的长度 、斜盘毂连杆和斜盘之间的夹角 、斜盘毂质心到点

20、A 的连线与斜盘之间的夹角 都是固定值，任意斜盘倾角下的斜盘毂质心坐标计算如下： 其中，(，)为 C 点的坐标；(，)为 B 点的坐标；(，)为斜盘毂质心坐标；为 A 点的 x 坐标。由于斜盘与斜盘毂连在一起，通过斜盘毂的运动就可以确定斜盘的运动。斜盘结构关于 XOY 平面对称，在相对坐标系 XOY 中，斜盘的质心始终在轴线 X 上。2.3.2活塞运动学分析活塞的运动学分析是计算活塞惯性力和惯性力矩的基础。活塞的往复直线运动与斜盘的倾角和斜盘的转角有关。活塞运动示意图如图9所示，设图中的位置为斜盘 0转角起始点，且局部坐标系 OX1Y1Z1 和 OX2Y2Z2 均为相对坐标系，以活塞1为研究对

21、象，则活塞1的位移与斜盘转角之间有如下关系式： 图9活塞运动示意图3变排量压缩机在汽车空调系统中的应用3.1对于空调系统进行控制变排量压缩机能够有效的对于汽车空调系统进行有效的控制，满足了汽车智能性能的要求，同时更好的对于压缩机进行有效的保护。由于我国节能减排的要求，通过采用变排量压缩机能够更好的完成节能的效应。以下是变排量压缩机对于空调系统进行控制的过程。首先我们来看整车对EVDC的保护控制。1） 能够有效的对于汽车内环境温度进行有效的调节。能够及时的对于压缩机进行关闭，如果汽车内的温度已经达到了预设定的-3摄氏度，这个时候就自动的关闭压缩机，压缩机就停止了工作。如果汽车内的温度达到了0摄氏

22、，这个时候压缩机就重新进行启动，开始进行工作。通过采用自动控制的方式，能够有效的保护压缩机不受到损坏。2)变排量压缩机能够有效的对于转速进行保护。通常来说变排量压缩机最小转速能够达到600r/min，最高转速可以达到9500r/min，所以在变排量压缩机工作的过程中变排量压缩机的转速应该保持到600r/min-9500r/min，这样才能够使得变排量压缩机进行正常的工作。3)排量调节保护，如果变排量压缩机在工作的过程中，如果压缩机的转速超过了3000r/min的时候，就应该适当的进行减少控制阀电流，这样能够更好的保护便排量压缩机能够正常的进行工作。使得编排量压缩机工作的时间更加的长久。3.2C

23、FD优化及集成系统为了更好的对于变排量压缩机进行设计，所以采用CFD优化软件对于变排量压缩机工作的环境进行模拟，这样能够更好的了解人体在汽车内部空间的具体信息，有助于对于变排量压缩机进行优化设计。在仿真试验时还会在车内加入等比例的人体仿真模型，通过采集人体仿真模型中的各项参数来获得汽车内部环境中的通风性能，进而进一步修正汽车空调系统中的某些特定的参数，这样能够更好的对于变排量压缩机进行设计优化，大大的降低了变排量压缩机设计研发的时间，加快了变排量压缩机生产的周期。同时也大大的提高了变排量压缩机的性能，降低了汽车燃料消耗，使变排量压缩机更好的应用在汽车空调系统中。3.3自动化空气质量调控随着时代

24、不断的发展，人们对于汽车空调系统提出了更高的要求，要求汽车空调系统能够自动对于空气质量进行净化，从而使得汽车内的空气更加的清新，能够有效的排除空气内的一些危害的气体。汽车的空调系统会自动的切换到内循环模式，不与外界空气进行对流，从而实现了隔离有毒气体的目的，以保证驾驶员和乘车人员的安全。所以汽车空调器总能够自动的对于空气质量进行调控，在汽车空调自动智能内循环系统中，还可以添加相关的香味香料，这样能够使得驾驶人员身心愉悦，减少了汽车事故发生的概率。同时还可以对于汽车内的有毒害气体进行灭杀，达到杀菌灭菌的效果。更好的对于汽车内的空气进行有效的调节，使得汽车内部的功能更加的具体，所以变排量压缩机应该

25、能够自动的对于汽车内的空气环境进行调节。4汽车空调系统发展趋势4.1空调压缩机的发展趋势随着人们对于环境要求的提高，汽车空气压缩机要逐渐向着节能降耗方向发展，而涡旋式压缩机的气流脉动较小、压力损失也相对较低，且具有气动性能好，运转平稳等特点，因此是很好的选择。另外随着汽车行业的发展，对于汽车空调系统的要求越来越高，要求汽车空调系统能够有效的控制能源的消耗，这也是未来压缩机研究的重要方向。4.2热交换器发展方向在未来热交换器发展过程中，主要是向着提高换热比、降低热阻以及减少体积和重量等方向发展，当然提高单位体积传热面积也是重点研究内容之一。除此之外，提高冷凝器和蒸发器的热换效率也是未来的发展方向

26、之一，如何寻找出一种制冷系数高而且温室效应影响小、对臭氧层无害的新型制冷剂也将是汽车空调系统的主要研究内容。4.3自动智能化空调系统随着科学技术的不断进步，汽车工业也有了长足的进步，因此汽车空调中常用的像传感器技术、综合布线技术以及自动化技术等到也获得了飞跃式的发展，而这些技术也带动汽车空调系统逐步走向个性化、舒适化以及多功能化方向。随着人们对于乘车舒适性要求的提高，汽车空调的重要性也在不断提高，为了不断提高汽车内空气质量，就需要为汽车空调系统增配，例如增加辅助加热系统、负离子发生器甚至车载冷藏箱等功能。而且为了解决汽车内部仪表布置不足等问题，可以利用集约化技术将汽车的多项功能集约在一起，例如

27、可以将汽车的空调系统、音响以及倒车雷达等功能集中在一个屏幕上，大大节约了汽车的内部空间。4.4新能源汽车空调系统发展趋势一般来说，传统汽车空调系统都是采用的ECU电控系统同时搭配“变排量控制”。随着时代的不断发展，为了更好的保护我国的环境不受到汽车尾气的污染，所以我国大力的研发新能源电动汽车，由于这种电动汽车没有燃油发动机，所以新能源电动汽车采用电动压缩机，这样能够更好的对于能源进行节约，在电动汽车上的空调系统可以借鉴家用空调中的“变频控制”来达到节能的目的。变频技术相对成熟，因此很多汽车空调厂家已经逐步研究交流变频电动压缩机。当然除了变频技术还可以利用热泵技术，汽车空调在制冷时，会出现大量的

28、热能损失，而如果可以利用热交换技术将这部分热能利用起来，不仅可以提高空调的工作效率，还可以有效的降低电动车的续航压力。虽然电动汽车的空调系统比传统汽车空调系统要有优势，但是需要注意的是在电动车上安装的空调要和整个汽车的性能相匹配，空调功率既不能过大也不能过小，而且由于电动汽车上采用的是电动压缩机，为了更加节能，可以从以下几点考虑：（1）研究出更加高效的直流涡旋压缩机；（2）研究控制更加精准，也更加节能的电子膨胀阀；（3）利用更加高效的过冷式平行流冷凝器；（4）改善微通道蒸发器结构，使制冷剂蒸发更均匀。17致谢致 谢时光飞逝，转眼之间就到了毕业的时间。在学校的生活马上就要接近尾声了，两年半的求学

29、经历过得如此之快，刚入学时的惜懂无知仿佛还在眼前，回首过往，自己也曾体验了包含酸甜苦辣的青春岁月。初写论文时的无助与茫然，这些都一遍遍地呈现在了我的脑海里，两年半来的每一次经历与成长，都将成为我人生的宝贵财富。通过自己一步一个脚印地走来，确实看到了自己地进步成长，这还要归功于很多人的帮助，要感谢的人有很多很多。首先，特别感谢我的导师。三年来，是在老师的谆谆教导之下，我才取得了一步步成长。刚开始迈入学校生活时，我是那样的迷茫和束手无策，是在老师不辞劳苦地悉心指导下，我才拨开了迷雾，找到了前进地目标和方向。两年半年间，您的满腹才华和一丝不苟地科研精神一直引导着我，在您的指导下，我不仅学到了扎实的学

30、科知识，掌握了科研的基本恩路与方法，更是树立了良好的人生观和价值观。感谢老师的无私奉献及谆谆教导，感谢您对我学业及生活的密切关怀和严格的要求，您永远是我前进道路上的灯塔。最后，我要郑重地感谢一直以来给与我鼓励和支持地我的家人，你们的关爱和支持是我强大的后盾，你们的辛勤付出让我得以走到今天，今后我一定更加努力地学习工作。青春无悔，未来待续，这意味着一个结束，但也是一个崭新的开始。再次感谢所有在我成长道路上给与帮助的人们，谢谢你们!参考文献参考文献1王翠艳,胡建成,湛先好,祝全喜.装配定排量压缩机的汽车空调异味问题解决J.汽车实用技术,2018(13):198-199+214.2霍维斌,经明.压缩机的原理及