变排量压缩机在汽车空调系统中的应用

论文题目：变排量压缩机在汽车空调系统中的应用学科（专业）：土木工程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TOC\o"1-3"\h\u22182第1章绪论 162201.1选题背景 1162521.2国内外研究文献综述 1141951.2.1国外文献综述 1125901.2.2国内研究综述 2247111.3研究内容以及研究方法 3308591.3.1研究内容 328841.3.2研究方法 371642汽车空调概述 4173082.1汽车空调工作原理 4251042.2汽车空调系统组成 578452.2.1制冷系统 5228532.2.2取暖系统 6285992.2.3通风系统 6212742.2.4空气净化系统 619792.2.5自动控制系统 652943变排量压缩机在汽车空调系统中的应用 7224623.1对于空调系统进行控制 7208683.2CFD优化及集成系统 7228473.3自动化空气质量调控 8269054汽车空调系统发展趋势 9291434.1空调压缩机的发展趋势 9262224.2热交换器发展方向 9299894.3自动智能化空调系统 9309104.4新能源汽车空调系统发展趋势 916170致谢 115869参考文献 1229307附件： 1319325网络学院毕业论文独创性声明 13232毕业论文知识产权权属声明 13第1章绪论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。与定排量压缩机不同，变排量压缩机的工作排量可以根据空调负载状况自动调节，从而更容易实现车内理想温度。变排量压缩机的最大特点在于可以通过控制压缩机的吸气压力、排气压力和斜盘腔压力来改变压缩机的排量。这种排量调节方式平稳连续，安全可靠，具备较高转速能力。变排量压缩机与汽车发动机之间一直保持连接状态，不会因为压缩机与发动机之间的周期性离合引起汽车发动机周期性的负荷变化。变排量压缩机的连续性排量调节方式，使得车内温度波动幅度较小，提高了车内温度的舒适性，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,SMuthu，SSivakumar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、KunihikoTakao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ShuJunWang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，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。KazuhikoTakai,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。NobuhiroHariu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,YAbe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。PetersonCavalcante,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2.2汽车空调系统组成2.2.1制冷系统汽车空调中的制冷系统，其功能就是给汽车内部提供冷空气，制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀以及蒸发器组成。制冷系统工作时，首先是压缩机对空气进行压缩，然后使其通过蒸发器，空气通过蒸发器时，制冷剂会挥发从而吸收大量的热，使得吹的为冷风，达到降低车内温度的作用。在制冷系统中，蒸发器的温度要低于空气露点温度，可以说在制冷系统中，蒸发器就是整个系统的冷源。当然制冷系统不仅仅是制冷的功能，同时还负责汽车内部的空气净化以及除湿，是整个汽车空调的重要组成部分。2.2.2取暖系统所谓取暖系统，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。另外像档风玻璃以及车窗上的雾气和霜都可以利用暖风系统除去。2.2.3通风系统通风系统就是为车内提供混合风的装置，由送风道和风门等部件构成。通风系统主要是将车内的空气和车外的空气进行调节，经过蒸发器冷却除湿后，再根据风速以及风力的大小要求将其送入车内。2.2.4空气净化系统空气净化系统的主要作用就是排除汽车内部的污染气体，净化车内环境。空气净化系统一般是由空气过滤器、电子集尘器以及阴离子发生器构成。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。自动控制系统是由传感器、控制中枢以及执行器三部分组成，而传感器又分为温度传感器、日照强度传感器以及风门位置传感器等。控制中枢有电子放大器、电桥比较计算器、ECU3种。电磁阀、真空转换器等都属于对中心控制系统的命令进行执行的元件。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EVDC在自动空调系统中的控制要求主要是为了满足EVDC的正常工作，即既要满足整车制冷性能的要求，也要起到保护压缩机的作用，同时在节能效力方面做到最优，而这些都是通过整车的标定工作来完成的。首先我们来看整车对EVDC的保护控制。环境温度，是自动空调系统重要的外部输入参数，环境温度的控制策略一般可以这样设定:如环境温度为-3摄氏度时，可以关闭控制阀电流，使得压缩机停止工作，而当环境温度回复到0摄氏度允许重新打开控制阀电流。这样可以帮助系统判断是否有必要开启压缩机，同时也能防止压缩机出现液击等失效模式，有效的保护压缩机。2)转速保护，依据不同厂家生产的EVDC特性有所不同，一般来说EVDC的转速要求在最小转速600r/min到最大连续转速要求9500r/min之间，且断续最大转速要求可达10500r/min。如果整车发动机在超过一定得转速情况下，EVDC可运行断开离合器或排量减为最小值的控制3)排量调节保护，正常工作情况下，EVDC名义吸气压力控制范围可设定为2.0barabs(0.75A)-4.45barabs(0.26A)括号内为控制电流电量，这是与压缩机电控阀特性相关的。当压缩机在开启状态下，控制阀有一定的电流保护策略，当压缩机转速提升，最大控制阀电流将被限制在一定的控制曲线中，来保护压缩机耐久性，例如在压缩机转速大于3000r/min时，会适当减小控制阀电流，来确保压缩机在高转速下不会大排量工作，减小压缩机高速工作负荷，这样可以有效的提升压缩机耐久性能。3.2CFD优化及集成系统设计人员为了了解风道内部结构对风量分配以及送风量的影响，一般都是采用CFD软件对风道内部的压力场进行模拟仿真试验，而且为了准确的获得人体在汽车内部空间各类信息，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，这样不仅可以缩小研究人员的研究范围，减少研发时间，而且可以有效提高汽车空调技术的更新速度。另外，汽车经过CFD软件优化后，还可以为HVAC和汽车仪表板的集成提供数据支持，不仅提高了性能，同时还节省了汽车内部空间。3.3自动化空气质量调控在新型的汽车空调智能调控系统中，主要是采用的内循环智能动态调控方式，通过空调系统中的空气质量污染传感器搜集外界空气样品，当传感器在运行时检测到外部环境中有CO、NO2等污染气体时，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。而且自动智能内循环系统中，还有香味传播器，驾驶人员可以选择自己喜欢的香味剂，不仅保证了汽车内部空气的清新，还使得驾驶人员身心愉悦。此外，在此空调系统中，设计人员还在蒸发器和暖风机箱的壳体内部添加了光催化剂（TiO2），使得空气经过光催化作用，有效的去除了车内空气中的有毒有害气体，同时还能起到消毒杀菌的功能。根据实验表明，该系统具有很强的空气净化作用，其运行6分钟后，就可以去除车内空气中70%以上的甲苯，自动化空气质量调控系统的进一步研究发展和应用，将使得汽车内部更加个性化和舒适化。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，尤其是高转速功耗控制、排量动态可变也将成为压缩机的重点研究方向。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之一，如何寻找出一种制冷系数高而且温室效