变排量压缩机汽车空调制冷系统特性

变排量压缩机汽车空调制冷系统特性分析摘要：为了解决变排量压缩机汽车空调系统振荡和蒸发器结霜问题，对该系统稳态特性进行分析。建立了变排量压缩机汽车空调制冷系统稳态模型，模拟结果与试验数据吻合较好。系统存在变排量压缩机定转速定行程、变转速定行程、定转速变行程和变转速变行程四种运行方式，本文对四种方式下汽车空调制冷系统的稳态特性进行了分析。研究首次发现，在变活塞行程情况下，与定行程方式下性能参数一一对应关系不同，蒸发压力、制冷量等系统参数表现为多值对应关系，系统存在“性能带”，可使蒸发压力保持在一个较小的范围内变化。变排量压缩机汽车空调制冷系统性能带的发现和提出，丰富和发展了制冷系统特性分析理论。关键字：性能带变排量压缩机汽车空调稳态特性1前言汽车空调系统的无级变排量摇板式压缩机(以下简称变排量压缩机)摒弃了传统的离合器启闭压缩机调节方式，可以根据车内负荷变化改变摇板角度和活塞行程，实现了汽车空调系统连续运行，不会引起汽车发动机周期性的负荷变化，车内环境热舒适性好，降低能耗，节约燃油[1,2]。但是在由变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统会出现系统振荡[3,4]和蒸发器结霜现象，为了解决这些问题，必须对系统的稳态特性进行分析。只有很少研究者对变排量压缩机汽车空调制冷系统特性进行过分析。Inoue等人[3]在对汽车空调制冷系统中七缸变排量压缩机和热力膨胀阀的匹配问题进行了试验研究，但是没有理论分析。Lee等人[5]对变排量压缩机汽车空调制冷系统的稳态特性进行了试验研究和理论分析，但是认为在变活塞行程情况下参数是一一对应关系。本文在变排量压缩机稳态模型基础上，建立变排量压缩机汽车空调制冷系统稳态模型并进行试验验证，然后对系统特性进行分析。2系统稳态模型变排量压缩机汽车空调系统由变排量压缩机、蒸发器、冷凝器和储液干燥器、热力膨胀阀以及连接管道组成，制冷剂采用R134a。为简化模型，忽略各连接管道的压力损失和热损失。与定排量压缩机汽车空调系统最大的不同是变排量压缩机，所以重点介绍变排量压缩机模型建立。2.1变排量压缩机模型本文研究的压缩机为五缸变排量摇板式压缩机，其排量可以在每转10cm3到156cm3范围内无级变化。根据变排量压缩机的控制机理和结构特点，图1给出了压缩机模型关系图。首先建立控制阀数学模型从而确定摇板箱压力Pw随排气压力Pd和吸气压力Ps的变化规律，然后建立压缩机运动部件动力学模型确定活塞行程Sp与排气压力、吸气压力、摇板箱压力和压缩机转速Nc的关系，再通过压缩过程模型由排气压力、吸气压力、吸气温度、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，这样以上三个模型就组成了变排量压缩机的稳态模型。图1压缩机模型关系图根据我们的研究发现，变排量压缩机由于活塞行程减小时运动部件（如轴套同主轴之间）的摩擦力矩与活塞行程增大时相反，活塞行程减小时摩擦力矩与吸气压力形成的力矩同向，行程增大时摩擦力矩与吸气压力形成的力矩反向，所以行程增大时临界吸气压力（活塞行程刚要增大时的吸气压力）Ps,cu大于行程减小时临界吸气压力Ps,cd。当Ps,cd≤Ps≤Ps,cu，压缩机出现了一个“调节滞区”，活塞行程Sp不会发生变化。根据控制阀的数学模型和运动部件动力学模型，可以计算出不同排气压力、压缩机转速和摇板角下行程增加和行程减小时临界吸气压力，并拟合出行程减小时和行程增加时的临界吸气压力与排气压力、压缩机转速和活塞行程的如下关系式：（1）（2）式中，Pd0为基准排气压力，Ad(α,Nc)，Bd(α,Nc)，Au(α,Nc)，Bu(α,Nc)是与压缩机转速Nc和摇板角а有关的系数。根据压缩机几何关系，可以导出活塞行程Sp与摇板角а的关系式，则公式（1）和（2）给出了活塞行程与排气压力、吸气压力和压缩机转速的关系。压缩机流量和出口焓值可用下式计算：（3）（4）绑最大例活塞行程姑情况下的咏容积效率扭和指示效检率计算公教式根据我碑们的试验笛数据拟合丸得到。在暮部分活塞罢行程情况倡下，我们哪提出相对树容积效率慰和相对指碧示效率的那概念。相档对容积效袜率是部分链行程的容静积效率同渴相同工况跌与转速下轧最大行程确容积效率访之比，而扎相对指示芒效率是相演同工况和嘴转速下部盼分行程指鸣示效率与亩最大行程榨指示效率躁之比。我碑们的试验衣研究发现废，压缩机狠工况对相独对容积效放率和相对拘指示效率垫的影响可俊以忽略不伏计。根据访试验数据胆可以拟合弄出相对容慌积效率和兔相对指示喂效率计算训公式如下劲：（5）（6）悟公式驻（洲1煎）～肠（买6貌）就组成屡了变排量殊压缩机稳怪态数学模乘型，可以眯由排气压史力、吸气沫压力、吸环气温度、问活塞行程崖和压缩机茧转速来确就定压缩机衰制冷剂流趟量和排气净温度。丧作壳2.2箭盈其它部件逮模型裤本文巷研究的蒸芳发器为四酬通道五列归管片式蒸讲发器。蒸粗发器场长游0.26洁25m,代乡高趁0.22割8角m改，闸厚抚0.08音4m,抄爷外表面传亩热面何积查5.5m制2撞。蒸发器偿稳态模型沾采用集总非参数法，威将蒸发器佳分为两相犁区和过热泰区两个区顺域。补考虑叹到汽车空卖调部件组厘成特点和劲求解方便陆，将冷凝减器和储液踢干燥器组词合在一起楚，储液干恐燥器作为解冷凝器过冻冷区的一羊部分。本惑文研究的银冷凝器为另平行流冷辰凝器，传吹热管为多路孔矩形通网道扁管侨，贤13/9贯/7/锐5芦通道分泉布雾,逆袖冷凝器声长舱0.35富m舰，语高猎0.56俗m,螺厚裳0.02络m,欧求外表面传挺热面位积何5.58症m筑2溉。冷凝器糖稳态模型共采用集总江参数法，末将冷凝器岁分为过热茄区、两相乖区和过冷寒区三个区傅域。乖热力岸膨胀阀为公交叉充注播吸附转式呢H熊型球型快逼开溜阀推,纷公称容量点为电2功冷吨。通璃过热力膨腔胀阀阀杆善受力方程桐得出阀开杯度，采用出热力膨胀紧阀流量计疤算公式计寒算流经热美力膨胀阀香的制冷剂渠流量。宿将变示排量压缩萍机、蒸发絮器、冷凝娘器和储液发干燥器和班热力膨胀剂阀四个部彩件稳态模贪型按照部沿件进出口目参数关系余有机结合仔，就组成奋了变排量颗压缩机汽阶车空调制达冷系统稳捏态模型。息覆伴2.3歇劳系统稳态醋模型验证莲牙图唯2雪为处于行禾程减小和怕增大临界酸状态不同串压缩机转愧速稳态点么试验数据曲和模拟结圾果的比较洋，试验条椅件：在君T驰eai愚＝桶2轨5注℃评，矮T浮cai急=3妥3剧℃柜，蒸发器汽高档风速格，冷凝器兄迎面风陶速穗2.8m部/凑s哪。按照试窄验条件对死蒸发压力蹄P厅e则和制冷量虹Q胃e祖随府N腐c劣的变化进怒行了模拟络计算。宴（窗a疯）异P雪e帜-裹N主c其关系广图甘妄（窄b断）该Q暗e矮-劫N松c河关系图齐图她2呈纳系统模型王试验验证骗可以扑看出，行壮程减小时肠临界蒸发彩压力和临串界空调负涉荷的计算勇值和试验稼点吻合较跑好，行程梦增大时临便界蒸发压塑力的试验务值稍小于卵计算值，阿临界空调徒负荷的试帽验值稍大盏于计算值桐。总体来颗说，模拟知计算和试板验数据吻呀合较好。眠3隐郑特性分析鱼变排对量压缩机肠可以实现窃定转速定劣行程、变卷转速定行厌程、定转河速变行程渣和变转速圣变行程四潮种运行方叠式，那么典变排量压母缩机汽车值空调制冷劲系统也就尿会呈现出阻四种额相应的系节统特性。膏采用系统恨稳态模型育对该四种裂压缩机运鲁行方式下嗓的系统特祥性进行分敬析。糊3.1鲁疤定转速定亭行程时系岔统稳态特节性快此时旷压缩机相竖当于常用贡定速定行泰程压缩机挽。定转速退定行程（牌最大行程萌）时系统牺蒸发压力誓P冻e字和制冷量代Q屡e携随蒸发器助进口空气垦温度氏T被eai抖的变化见雪图辞3覆。计算条弯件：蚊N路c点=150恰0r/m魄i源n锄，拒T暂cai杀=3基5萝℃迫，蒸发器揉进口空气漠相对湿度更j高eai司=5别0医％，蒸发巾器高档风其速，冷凝军器迎面风腰速为压缩泥机转速乘炕于阅0.00跪2倒5悦。柳P瘦e伤-烈T丧eai星和棵Q茫e蜓-楚T帆eai判关系均为疮一条曲线序，鹿P彻e料和设Q稳e弟均随锡T优eai集的增加而朱增加。此议时能够保察持最大行虏程的最小帐T鞭eai够为绳24.踢5贷℃纲，低于此甚值，压缩弦机的活塞踢行程将变云小。环肃鉴3.2星混定转速定节行程时系法统稳态特雷性俊此时棒压缩机相袋当于变频近压缩机。默变转速定通行程（最洽大行程）冶时系统不怠同压缩机钓转速蒸发觉压力贷P刃e滋和制冷量灭Q扔e奖随蒸发器蹄进口空气喂温度秒T滋eai嘴的变化。蹦计算条件项：绝N道c这=150泡0鞋、押175权0碧和激200植0r/m移i榴n搬，陷T卖cai辛=3狠5骡℃套，煮j绳eai蜻=5湿0烂％，蒸发轰器高档风幅速，冷凝雅器迎面风叫速为压缩阶机转速乘医于舅0.00扮2副5损。滴P担e踩-分T芽eai回和夹Q忌e诞-摄T制eai隶关系均为龄一族曲线忍，以P霸e猎和船Q农e萌均随门T泉eai帆和辰N枯c壮的增加而竖增加。谷N坏c券为桨1500叮r/mi枕n脚时保持最糕大排量时炊的最小这T呈eai祥为棚24.砖5期℃屈，避N趋c赌为雕1750伶r/mi贤n泳时保持最疾大排量时音的最小层T见eai尾为愿27.假3励℃沉，廉N旗c晃为帅2000裙r/mi渡n而时保持最劫大排量时编的最小匪T怕eai泻为物30.园2选℃脸。员漫填3.3削影定转速变沈行程时系告统稳态特汉性走在定介转速变行刃程方式下贸，压缩机励出现了一凑个削“坛调节滞停区词”携，吸气压罢力盟P祥s骑在此调节绸滞区变化刮时活塞行罚程绿S蛾p窝不会发生厦变化。变休行程情况牧下压缩机虽调节滞区叉映射到系礼统中会形倒成定转速葱变行程方拥式独特的咐系统特性土。蜓定转卖速变行程杰时系统蒸圆发压力毁P开e附和制冷量伟Q爱e晨随蒸发器柳进口空气妹温度类T计eai涉的变化见弟图杯5唇。计算条醉件：唇N源c叼=150炼0r/m织i倒n辨，针T拌cai羽=3嗓5恰℃挂，猜j可eai誓=5站0近％，蒸发进器高档风苦速，冷凝银器迎面风既速为压缩彻机转速乘江于厨0.00低2欣5能。当摧T忆eai叮小露于摊2摊7李℃吃后，系统铲开始存在戴变行程状恩态。在某筛一行程下攻，行程增庸大临界蒸摆发压力录P筛e,cu牲大于行程您减小临界链蒸发压力羽P糊e,cd啄，而当知P杯e,cd挥≤鹅P鲁e分≤践P急e,cu贝，织S异p辫不会发生产变化；这徒样菠P车e,cu伏和洽P条e,cd罪之间，每轮一个恒定狼S客p葛（如阁S侦p驴＝擦28m尾m词）的稍P睡e滔-束T悬eai菠曲线就相鼠当于一个己定排量压提缩机肃P逐e茄-束T易eai攀曲线，多体个恒定芳S廊p跑的紫P飞e笋-平T碌eai嫩曲线就形厉成了一条尤带（我们枝称之然为逐“战性能狐带疏”肠），这条暂性能带的安上边界为邮P泡e,cu典，下边界秒为番P冰e,cd岂。在性能转带中梁，宏眯原来定行捉程情况喜加爱软P毅e葵-佩T吊eai栽和晕Q书e吃-阅T示eai汗一一对应唱关系，变讽成了一个磁多值对应博关系。变卧行程情况舰下压缩慢机疑“让调节滞钻区导”弯映射到系名统中，形演成系统样的扮“列性能己带根”达。睬变行程情穿况系统稳牌态状态点左应该全部庸落在性能深带的闭区哭间中。从降图跃5渣（雾a咬）可以看封出，整个观性能带的洪蒸发压力骡在贤0.28典5毫～吊0.3M低P垄a雄范围内变类化。也正垫是由于性脆能带的存祥在，使得普蒸发温度郊在一个范蝇围内变化河，降低了走调节敏感角性和调节派精度，在叨整个蒸发禽压力性能判带数值偏污小或者性令能带较宽广情况下，乎性能带部杜分稳态状王态点的蒸今发温度可吧能小滑于辨0张℃扁，可能造搞成蒸发器糟结霜。另凝外，在系鄙统振荡情着况下，变颈排量压缩嘱机的行程钓调节会加市剧由于蒸估发器和热羡力膨胀阀婶控制回来梳造成的系悟统振荡，猜而性能带嗓的存在降吉低了行程拔调节的可视能性，有律利于系统卡稳定。捆（奋a殖）印P矮e牢-或T渣eai鹿性能带冷趣（额b娱）利Q悉e胁-肯T桨eai移性能带柳图巧5捉悄定转速变殃行程系统却稳态特性邮累侄3.4痰需变转速变芹行程时系薯统稳态特抄性丛不同失转速的定匪转速变行傲程方式的罚系统稳态沃特性组合棕就形成了龙变转速变描行程方式水的系统稳显态特性。腹端来N叙c开分别像为岗150抚0绵、爷175随0转和叛2000陶r/mi介n挖时，变转寿速变行程乘系统蒸发烫压力长P眠e原和制冷量谢Q鹊e踪随蒸发器佩进口空气乌温度便T李eai睡的变化见猜图诞6纲。计算条碌件：竟T尊cai码=3所5最℃连，助j福eai辉=5各0垮％，蒸发偶器高档风扔速，冷凝商器迎面风糖速为压缩押机转速乘换于毛0.00败2渐5技。颂P搭e桂-毁T傅eai朴和竿Q圣e怒-厕T阳eai扒关系均为烈一族性能沸带，随着五压缩机转塔速的提高森，保持最烛大排量时夫的最小棍T程eai坟就越大，氧所以政P谢e农-次T覆eai到性能带就姑向石T借eai迫增加的方歪向移动，吃而搞Q司e伙-拾T低eai太就向符Q亡e棵和锡T统eai伯增大的方榨向移动。颠从冤图寸6出还可以看燃出，在相托同陵T期eai臭情况下，萍压缩机转风速越高，伶P兔e闻-港T栽eai芝性能带越归向下移动脏，而塌Q拨e籍-春T惠eai续性能带越寸向上移动辟；这是因炭为爆T材eai而相同时，廉压缩机转荣速越高，起压缩机将饼调节行程妄减小，而壤压缩机在妈高转速和梅小行程时千的容积效责率较低，昨所以在相摆同祖T蕉eai驰时，制冷彻剂流量反腐而随着压她缩机转速川提高有较已小的降低己，这样就相使得压缩梨机转速高钢时，钟P瑞e霸变大，而纽制冷量减桑小。由于过性能带是辫按照行程吧增大和行胃程减小的歼临界状态露作出的，轻所以该规浸律只适用柄于行程增止大和行程恐减小的临当界状态。元（记a绒）窄P箱e卖-玉T棕eai数性能负带羊桂买（妙b好）若Q晋e绳-萄T培eai炭性能带另图晨6纱慧变转速变经行程系统矿稳态特性4结论螺本文骄建立了变呢排量压缩追机汽车空张调制冷系铜统稳态模罢型，模拟秀结果与试辅验数据吻缝合较好，倘证明该模茧型可以用旺于系统稳仰态特性分县析。踩对应奏于变排量巷压缩机定摇转速定行幻程、变转房速定行程址、定转速饭变行程和重变转速变面行程四种抽运行方式灵，分析了缠变排量压险缩机汽车驾空调制冷压系统也就利会呈现出鄙四种相应隆的系统特系性。通过动系统分析将首次发现塘，在变活那塞行程情幼况下，与误定行程方您式下性能贱参数一一货对应关系勉不同，蒸轧发压力、把制冷量等洽系统参数恳表现为多锡值对应关督系，系统党存氏在侮