（制冷及低温工程专业论文）汽车空调用变排量压缩机外部控制阀的研制及其应用研究.pdf

中文摘要 中文摘要 目 前， 内部控制变排量压缩机在汽车空调系统中得到广泛应用， 但在实际使 用中仍存在有蒸发器结霜、 系统振荡、 油耗较大等问题。 本文以研制外部容量控 制阀为切入点， 采用理论分析和试验研究相结合的方法， 研究外部控制阀以及外 部控制变排量压缩机及其汽车空调制冷系统的调控特性， 提出解决变排量压缩机 存在问题的控制策略，具有一定的理论意义和实用价值。 本文从内部控制变排量压缩机的控制机理和结构特点出发， 用步进电 机替代 内部控制阀的真空波纹管， 研制出 适用于摇板式变排量压缩机的电 动式外部控制 阀; 建立该控制阀的数学模型并进行试验验证，以此研究其调控特性， 得出摇板 箱压力p w 随外部控制阀开度y 、 排气压力p a 、吸气压力p ， 的变化规律; 将电 动 式外部控制阀模型、 运动部件动力学模型和压缩过程模型有机结合， 建立外部控 制变排量压缩机的稳态模型; 通过对压缩机动态特性进行试验考察， 证明可以 用 变排量压缩机的稳态模型模拟汽车空调系统的调控特性。 通过对汽车空调用球型快开热力膨胀阀进行大量的试验研究， 获得了阀前为 液相时的 流量系 数 c d 公 式以 及阀 前为 两 相时的 修正系数沙 式，以 此建 立热 力 膨胀阀的数学模型; 结合换热器模型和外部控制变排量压缩机模型建立出 外部控 制变排量压缩机汽车空调制冷系统的稳态模型， 试验验证表明， 所建数学模型具 有良 好的精度; 以此模型为工具研究汽车空调系统的调控特性， 提出解决变排量 汽车空调制冷系统的稳定性、 车内 舒适性以 及节能问题的外部容量控制阀的控制 策略，为变排量压缩机汽车空调制冷系统的外部容量控制器的开发提供理论指 导，为避免系统出现振荡和蒸发器结霜，提高系统的能效开辟了新的思路。 关键词:汽车空调，变排量压缩机，外部容量控制阀，调控特性 abs t ract abs tract v a r i a b l e d i s p l a c e m e n t c o m p r e s s o r s ( v d c ) w i t h i n t e r n a l c o n tr o l v a l v e a r e w i d e l y u s e d i n a u t o m o b i l e a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m s . h o w e v e r , t h e s y s t e m h a s p r o b l e m s o f e v a p o r a t o r fr o s t i n g , h i g h o i l c o n s u m p t i o n a n d s y s t e m h u n t i n g . a n e x t e rn a l c o n t r o l v a l v e i s d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r . a n d t h e i n t e g r a t i o n o f t h e o r e t ic a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n a r e u s e d t o i n v e s t i g a t e c o n tr o l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e v a l v e , v a r i a b l e d i s p l a c e m e n t c o m p r e s s o r a n d i t s r e fr i g e r a t i o n s y s t e m a r e a l s o s t u d i e d . t o o p t i m i z e v d c s y s t e m , t h e c o n tr o l s tr a t e g y i s p r e s e n t e d , t h e p a p e r h a s s o u n d t h e o re t i c a l m e a n i n g a n d a p p l i c a t i o n v a l u e b a s e d o n c o n tr o l m e c h a n i s m , t o g e t h e r w i t h s t r u c t u re o f i n t e r n a l c o n tr o l v a l v e i n v d c , t h i s p a p e r h a s d e v e l o p e d m o t o r d r i v e n e x t e rn a l c o n tr o l v a l v e t o r e p l a c e t h e e v a c u a t e d b e l l o w s w i t h t h e p u l s e d r i v e n m o t o r . t h e m a t h e m a t i c m o d e l o f e x t e rn a l c o n tr o l v a l v e i s b u i lt a n d v a l i d a t e d b y a s e r i e s o f e x p e r i m e n t s . t h e m a t h e m a ti c m o d e l i s u s e d t o a n a l y z e t h e c o n tr o l c h a r a c t e r i s t i c s , i n c l u d i n g c r a n k c a s e p re s s u r e c h a n g e s w i t h o p e n r a ti o o f e x t e rn a l c o n tr o l v a l v e , d i s c h a r g e p r e s s u r e a n d s u c t i o n p r e s s u r e r e s p e c t i v e l y . s t e a d y s t a t e s i m u l a t i o n m o d e l o f v d c i s b u i l t b y c o m b i n a ti o n o f t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f e x t e rn a l c o n tr o l v a l v e , t h e d y n a m i c s m o d e l o f m o v a b l e c o m p o n e n t s a n d t h e m o d e l o f c o m p r e s s p r o c e s s . t h e e x p e r i m e n t a l s y s t e m i s b u i l t t o o b s e r v e t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s ti c s o f v d c . t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t e a d y s ta t e s i m u l a t i o n m o d e l o f v d c c a n s i m u l a t e t h e c o n tr o l c h a r a c t e r i s t i c s o f a u t o m o b i l e a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m. b a s e d o n a g r e a t d e a l o f e x p e r i m e n t s o f q u i c k - o p e n b a l l t e v ( t h e r m a l e x p a n s i o n v a l v e ) , t h e fl o w c o r r e l a t i o n c o e ff i c i e n t ( c d ) a n d t h e a d j u s t e d c o e ff i c i e n t ( 劝o f t h e r e f r i g e r a n t i n b o t h l i q u i d a n d t w o - p h a s e s t a t e a t t h e i n l e t o f t e v a r e o b t a i n e d r e s p e c t i v e l y . t h e c o e ff i c i e n t s , t o g e t h e r w i t h t h e m o d e l s o f e v a p o r a t o r a n d c o n d e n s e r , a r e a d o p t e d t o b u i ld t h e s t e a d y s t a t e s im u l a ti o n m o d e l o f a u t o m o b i l e a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m w i t h e x t e r n a l v d c . t h e s y s t e m m o d e l i s p r o v e d p e r f e c t l y b y s u b s t a n t i v e e x p e r im e n t s . t h e c o n tr o l s t r a t e g y i s a l s o p u t f o r w a r d t o s o l v e p r o b l e m s s u c h a s s y s t e m s ta b i l i t y , i n n e r c o z i n e s s a n d e n e r g y - s a v i n g . i t i s a v a l u a b l e d ir e c t i o n f o r a u t o m o b i l e a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m w it h e x t e r n a l v d c t o d e v e l o p a n e x t e r n a l c o n tr o l l e r , a s w e ll a s a n e w w a y t o p r e v e n t s y s t e m - h u n t i n g , fr o s t i n g i n e v a p o r a t o r a n d e n e r g y - s a v ing . k e y w o r d s . a u t o m o b i l e a i r c o n d i ti o n i n g , v a r i a b l e d i s p l a c e m e n t c o m p r e s s o r , e x t e rn a l c o n tr o l v a l v e , c o n tr o l c h a r a c t e r i s ti c s 第一章引言 1 1 研究背景和意义 第一章 引言 从第一辆汽车诞生至今，汽车工业已经历百余年。发达国家汽车工业产值一 般可以占到国民经济总产值的l o 1 5 ，在国民经济中发挥着支柱产业的作 用。我国汽车工业从1 9 5 3 年起步，经过5 0 年的发展，已经形成了门类比较齐全 的汽车工业体系，奠定了现代汽车工业的基础。图1 1 是我国改革开放以来历年 的汽车和轿车产量图，可以看出，随着我们经济的发展和人民生活水平的提高， 尤其是自2 0 0 2 年放开私人轿车市场后，轿车产量带动汽车产量得到迅猛的发展。 2 0 0 3 年，全国累计生产汽车4 4 4 3 7 万辆，销售汽车4 3 9 0 8 万辆，其中轿车产量 2 0 1 ，8 9 万辆，销量1 9 7 + 1 6 万辆，同比分别增长8 3 2 5 和7 5 ，2 8 ，轿车产量已经 接近我国汽车总产量的二分之一。在多项政策法规推出的背景下，2 0 0 4 年我国 汽车工业结束了2 0 0 2 年和2 0 0 3 年“井喷”式的增长，经过市场调整已步入平稳 发展阶段。全年汽车产销双双突破5 0 0 万辆，分别达到5 0 7 0 5 万辆和5 0 7 1 1 万 辆，继2 0 0 3 年汽车产销突破4 0 0 万辆后，再次跨上了一个新的台阶，其中轿车 产销双双突破2 3 0 万辆，分别达到2 3 1 6 3 万辆和2 3 2 6 5 万辆，同比增长1 1 9 9 和1 5 1 7 。我国已经超过法国成为世界第四大汽车生产国，超过德国成为世界 第三大汽车销量国，并预期在未来1 0 年内成为世界最大的汽车生产国。 产 _ 赢 一 万 辆 一 年份 图】一】我国汽车产量变化图 轿车是电子技术集成度较高的一种汽车产品。其技术成分主要由各种电子控 制系统来体现，具体包括自动变速控制系统、防拖死系统、电子喷油系统以及悬 架控制系统等，目前这些均已实现全自动控制。然而，作为轿车车内环境舒适性 调节装置的汽车空调系统，其自动化程度的高低在一定程度上影响了轿车整体的 一1 第一章引言 均衡发展。随着科学技术的发展和生活水平的不断提高，人们对汽车空调系统的 要求也越来越高，汽车空调的自动化控制程度正逐渐成为衡量汽车生产技术水平 的一个重要标志。 汽车空调是直接蒸发式空调系统( 即制冷系统) 。近年来，房间空调器、多 联式空调机组等直接蒸发式空调系统的容量控制技术得到快速发展，相对而言， 汽车空调系统的容量控制水平还相对较低，仍停留在定排量压缩机的启停控制、 气动式变排量压缩机的变容量调节、热力膨胀阀开度的机械式调节水平上。 目前，变频压缩机和电子膨胀阀作为容量调节的手段已经在商用与家用空调 制冷设备中得至l j j ：泛应用，并取得良好的控制效果。但是，对于采用汽车发动机 驱动的汽车空调系统而言，由于压缩机的转速随车速的改变而改变，转速变化是 汽车空调系统的扰量，因此必须采用其它的容量调节方法，对于变频调节系统的 研究结论也就难以在汽车空调上得到推广和应用；但对于作为节流装置的电子膨 胀阀而言，其相关的研究成果可以得到借鉴，并己在汽车空调系统中开始了应用 研究【l ：】。 变容量汽车空调制冷系统，目前主要是采用变排量压缩机，它是利用容量调 节阀( 广泛采用依靠压缩机曲轴箱和吸气压力差驱动的内部控制阎) 调节压缩机 的活塞行程，进而改变压缩机的活塞排量来实现制冷系统容量调节的。研究表明 2 - 9 ，采用变排量压缩机的汽车空调系统具有运行连续平稳、容量调节迅速、空 调送风温度波动小等突出特点，但由于压缩机采用气动控制的内部容量控制阀， 使得系统还存在三个方面的缺陷： ( 1 ) 吸气压力控制受排气压力的影响，当系 统配置不当或排气压力过高时会造成蒸发器结霜： ( 2 ) 变排量压缩机汽车空调 系统存在振荡现象：( 3 ) 吸气压力保持在一个较低的恒定温度( 一般保持蒸发 温度为o c ) ，往往需要用再热方式提高送风温度以保证车内的舒适性，从而降 低了系统经济性。 为解决变排量汽车空调系统存在的上述问题，开发由外部动力驱动的容量控 制阀是当务之急。通过外部容量控制阀，调节蒸发温度，减少空调系统的耗油量， 避免蒸发器结霜；根据汽车的运行情况，有效控制制冷循环避免进入“振荡区”。 因此，研制变排量压缩机的外部容量控制阀、研究外部控制阀的调控特性以及在 压缩机及其系统中的应用特性是实现汽车空调系统节能运行、避免振荡、提高车 内舒适性的根本途径，对于提高汽车产品集成化技术水平、推进汽车工业的可持 续发展具有重要的理论意义和实用价值。这也是本课题研究的出发点。 2 一 第一章引言 1 . 2文献综述 下面从变排量压缩机汽车空调系统和压缩机容量控制阀两个方面分析其研 究现状。 1 . 2 . 1变排量压缩机汽车空调系统的应用与研究现状 变排量压缩机作为一种容量调节机构， 在汽车空调系统中己经得到了 广泛应 用。变排量压缩机汽车空调系统由换热器 ( 蒸发器、冷凝器)、变排量压缩机、 节流元件与制冷剂储存装置 ( 储液器、 气液分离器) 等构成。 其中， 节流元件通 常采用热力膨胀阀和节流短管。 节流短管在系统中只起节流降压的作用， 故存在 有: 在变排量压缩机的变容量范围内无法实现系统的高效运行， 容易出 现蒸发器 回液， 要求系统中必须设置气液分离器， 导致气液分离器在车内布置困难等缺点。 当 车速变化范围很大时， 采用节流短管的汽车空调系统难以 适应车室负荷的剧烈 变化。 在美国， 由于路况较好， 汽车空调系统运行工况变化幅度较小， 故象通用、 福特公司等多采用节流短管作为节流元件。 而在日本，由于路况不好， 经常有塞 车现象， 故在变排量汽车空调系统中， 多采用热力膨胀阀作为节流元件。 我国与 日 本路况相似， 所以国内企业在为变排量压缩机配置系统时， 除一汽奥迪轿车采 用节流短管外， 其它车型如捷达王、 长城皮卡、 沈阳金杯等均选择了热力膨胀阀 作为节流元件。 变排量压缩机与热力膨胀阀组成的汽车空调系统在实际运行和实验中存在 有振荡现象。s a n d e n 公司的a t s u o m o u e 等人对采用s d v 7 1 0 七缸摇板式变排量 压缩机和热力膨胀阀的汽车空调系统进行了实验研究3 1 ， 在实验中 用电 磁阀 代替 压缩机控制阀， 通过检测蒸发器肋片温度来控制摇板箱和吸气腔的压力。 在中 低 负荷范围内发现， 压缩机和膨胀阀对排量的控制存在矛盾， 膨胀阀在全开和全闭 间 来回 振荡。 文 献 3 认为 热力 膨胀阀 产生的 振荡 会引 起压缩机摇板角 度的 变 化。 蒸发器负荷下降时， 热力膨胀阀通过关小阀开度减少制冷剂流量， 同时压缩机也 通过改变摇板角度来减少制冷剂流量而与负荷减小相适应， 这种过度调节就会引 起运行的不稳定。 该文在试验研究的基础上， 对热力膨胀阀进行了改进， 使热力 膨胀阀即使在全关时也一直保持一恒定微量的旁通， 这样可解决系统在低空调负 荷时的振荡问 题， 但尚未谈及此方法在高负荷时的应用效果。 上述研究只对试验 结果进行了 初步分析，仍未涉及更多的理论分析。 1 9 9 8 年，清华大学与通用公司合作对v -5 压缩机、 热力膨胀阀系统的稳定 性进行了 研究9 1 ， 研究表明，由 于变排量压缩机通过气动阀 来控制排量， 而热力 3一 第一章引言 1 . 2文献综述 下面从变排量压缩机汽车空调系统和压缩机容量控制阀两个方面分析其研 究现状。 1 . 2 . 1变排量压缩机汽车空调系统的应用与研究现状 变排量压缩机作为一种容量调节机构， 在汽车空调系统中己经得到了 广泛应 用。变排量压缩机汽车空调系统由换热器 ( 蒸发器、冷凝器)、变排量压缩机、 节流元件与制冷剂储存装置 ( 储液器、 气液分离器) 等构成。 其中， 节流元件通 常采用热力膨胀阀和节流短管。 节流短管在系统中只起节流降压的作用， 故存在 有: 在变排量压缩机的变容量范围内无法实现系统的高效运行， 容易出 现蒸发器 回液， 要求系统中必须设置气液分离器， 导致气液分离器在车内布置困难等缺点。 当 车速变化范围很大时， 采用节流短管的汽车空调系统难以 适应车室负荷的剧烈 变化。 在美国， 由于路况较好， 汽车空调系统运行工况变化幅度较小， 故象通用、 福特公司等多采用节流短管作为节流元件。 而在日本，由于路况不好， 经常有塞 车现象， 故在变排量汽车空调系统中， 多采用热力膨胀阀作为节流元件。 我国与 日 本路况相似， 所以国内企业在为变排量压缩机配置系统时， 除一汽奥迪轿车采 用节流短管外， 其它车型如捷达王、 长城皮卡、 沈阳金杯等均选择了热力膨胀阀 作为节流元件。 变排量压缩机与热力膨胀阀组成的汽车空调系统在实际运行和实验中存在 有振荡现象。s a n d e n 公司的a t s u o m o u e 等人对采用s d v 7 1 0 七缸摇板式变排量 压缩机和热力膨胀阀的汽车空调系统进行了实验研究3 1 ， 在实验中 用电 磁阀 代替 压缩机控制阀， 通过检测蒸发器肋片温度来控制摇板箱和吸气腔的压力。 在中 低 负荷范围内发现， 压缩机和膨胀阀对排量的控制存在矛盾， 膨胀阀在全开和全闭 间 来回 振荡。 文 献 3 认为 热力 膨胀阀 产生的 振荡 会引 起压缩机摇板角 度的 变 化。 蒸发器负荷下降时， 热力膨胀阀通过关小阀开度减少制冷剂流量， 同时压缩机也 通过改变摇板角度来减少制冷剂流量而与负荷减小相适应， 这种过度调节就会引 起运行的不稳定。 该文在试验研究的基础上， 对热力膨胀阀进行了改进， 使热力 膨胀阀即使在全关时也一直保持一恒定微量的旁通， 这样可解决系统在低空调负 荷时的振荡问 题， 但尚未谈及此方法在高负荷时的应用效果。 上述研究只对试验 结果进行了 初步分析，仍未涉及更多的理论分析。 1 9 9 8 年，清华大学与通用公司合作对v -5 压缩机、 热力膨胀阀系统的稳定 性进行了 研究9 1 ， 研究表明，由 于变排量压缩机通过气动阀 来控制排量， 而热力 3一 第一章引言 膨胀阀也是机械调节， 一旦系统参数或空调负荷发生变化时， 两个流量调节机构 动作不匹配，系统就会发生振荡现象p o l 清华大学的田长青对由摇板式变排量压缩机组成的汽车空调系统进行了深 入细致的实验研究 i t ， 并建立了由 摇板式变排量压缩机、 h型热力膨胀阀、 管片 式蒸发器、 平行流冷凝器、 储液干燥器组成的汽车空调系统动态仿真模型， 运用 该模型分析了变排量压缩机汽车空调系统的稳态特性、 动态特性和稳定性。 试验 研究发现， 节流装置进口或蒸发器出口 制冷剂为气液两相状态是汽车空调制冷系 统出 现振荡现象的必要条件; 提出了“ 保守 稳定域” 概念1 12 1 ， 对变排量压缩机和 热力膨胀阀 汽车空调制冷系统在车速和蒸发器风档变化情况下的保守 稳定域进 行分析， 为变排量压缩机汽车空调系统的稳定性控制提供了重要的 技术 基础， 对 变容量制冷系统稳定性研究进行了有益的探索。 造成制冷系统振荡的一个根本症结在于汽车空调控制手段的落后。 由于汽车 空调系统的特殊性， 一些己 经在其它制冷装置中应用的自 控元件如电 子膨胀阀和 变频压缩机都无法直接引入到汽车空调制冷系统中。 目 前在汽车空调中 广泛使用 的斜盘式和摇板式变排量压缩机的控制机构均是机械式调节元件， 只有将外部容 量控制阀引入到变排量压缩机中， 通过一定的控制策略控制汽车空调制冷系统的 容量， 不仅能满足汽车空调多变的复杂负荷要求， 而且可从根本上解决系统运行 中出现的诸多问题。 1 . 2 . 2变排a压缩机容f控制门的研究现状 斜盘式变排量压缩机排量的改变是通过安装在压缩机后腔内的 控制阀来实 现的， 作为实现斜盘式变排量压缩机排量的执行部件， 控制阀在压缩机排量控制 中的作用是至关重要的。 从控制阀对排量的调节方式、 阀体的结构组成及其驱动 方式等方面阐述斜盘式变排量压缩机控制阀的研究现状。 ( i )控制阀对排量的调节方式 通过对变排量压缩机的机理及其动力学分析可知， 斜盘倾角的改变主要是通 过改变其力平衡关系来实现的。 除了由于随主轴旋转带来的离心惯性矩以外， 斜 盘倾角主要受两大合力的影响: 一个是作用在每个活塞头部的汽缸内的气体压力 的合力， 该合力有使斜盘倾角增大的趋势: 另一个是作用在每个活塞背部的曲 轴 箱内的气体压力的合力， 该合力有使斜盘倾角减小的趋势。 变排量压缩机就是通 过调节这两个合力的大小从而实现排量控制的。 因此， 可以分为两类排量控制方 式: 汽缸 进气压力 控制和曲 轴 箱压力 控制 1 1 3 ,1 4 1 汽缸进气压力控制:通过控制阀改变汽缸的进气压力来控制压缩机的排量。 第一章引言 膨胀阀也是机械调节， 一旦系统参数或空调负荷发生变化时， 两个流量调节机构 动作不匹配，系统就会发生振荡现象p o l 清华大学的田长青对由摇板式变排量压缩机组成的汽车空调系统进行了深 入细致的实验研究 i t ， 并建立了由 摇板式变排量压缩机、 h型热力膨胀阀、 管片 式蒸发器、 平行流冷凝器、 储液干燥器组成的汽车空调系统动态仿真模型， 运用 该模型分析了变排量压缩机汽车空调系统的稳态特性、 动态特性和稳定性。 试验 研究发现， 节流装置进口或蒸发器出口 制冷剂为气液两相状态是汽车空调制冷系 统出 现振荡现象的必要条件; 提出了“ 保守 稳定域” 概念1 12 1 ， 对变排量压缩机和 热力膨胀阀 汽车空调制冷系统在车速和蒸发器风档变化情况下的保守 稳定域进 行分析， 为变排量压缩机汽车空调系统的稳定性控制提供了重要的 技术 基础， 对 变容量制冷系统稳定性研究进行了有益的探索。 造成制冷系统振荡的一个根本症结在于汽车空调控制手段的落后。 由于汽车 空调系统的特殊性， 一些己 经在其它制冷装置中应用的自 控元件如电 子膨胀阀和 变频压缩机都无法直接引入到汽车空调制冷系统中。 目 前在汽车空调中 广泛使用 的斜盘式和摇板式变排量压缩机的控制机构均是机械式调节元件， 只有将外部容 量控制阀引入到变排量压缩机中， 通过一定的控制策略控制汽车空调制冷系统的 容量， 不仅能满足汽车空调多变的复杂负荷要求， 而且可从根本上解决系统运行 中出现的诸多问题。 1 . 2 . 2变排a压缩机容f控制门的研究现状 斜盘式变排量压缩机排量的改变是通过安装在压缩机后腔内的 控制阀来实 现的， 作为实现斜盘式变排量压缩机排量的执行部件， 控制阀在压缩机排量控制 中的作用是至关重要的。 从控制阀对排量的调节方式、 阀体的结构组成及其驱动 方式等方面阐述斜盘式变排量压缩机控制阀的研究现状。 ( i )控制阀对排量的调节方式 通过对变排量压缩机的机理及其动力学分析可知， 斜盘倾角的改变主要是通 过改变其力平衡关系来实现的。 除了由于随主轴旋转带来的离心惯性矩以外， 斜 盘倾角主要受两大合力的影响: 一个是作用在每个活塞头部的汽缸内的气体压力 的合力， 该合力有使斜盘倾角增大的趋势: 另一个是作用在每个活塞背部的曲 轴 箱内的气体压力的合力， 该合力有使斜盘倾角减小的趋势。 变排量压缩机就是通 过调节这两个合力的大小从而实现排量控制的。 因此， 可以分为两类排量控制方 式: 汽缸 进气压力 控制和曲 轴 箱压力 控制 1 1 3 ,1 4 1 汽缸进气压力控制:通过控制阀改变汽缸的进气压力来控制压缩机的排量。 第一章引 言 如图1 - 2 所示， 控制阀安装在连接吸气腔与汽缸吸气口的通道内。 曲 轴箱与吸气 腔之间始终相通。当吸气压力p s 低于控制阀的控制点时， 球阀 打开， 排气腔内 气体进入 主阀的背部形 成背压p v ， 使主阀向 上运动， 从 而减小 吸 气腔与 汽缸吸 气 口的 通道面积a ， 减小汽缸进气压力p ; 。 该控制阀共感受3 个不同的压力: 吸 气 压 力p s 、 排 气 压 力p a 和 背 压n 14 1 o yp t .-p 、 下 di )一 、 !_ 毽 辱 球阀 真空 波纹管 _。 主阀 图1 - 2 汽缸进气压力控制阀 曲轴箱压力控制: 利用控制阀 压缩机吸气腔与曲 轴箱、 排气腔与曲 轴箱的通 道开度， 可以改变曲轴箱压力的大小， 从而达到改变斜盘倾角的目的。 控制阀阀 口的开合对阀头前后腔压力会产生一定的波动， 为了保证压缩机汽缸内的气体不 受控制阀运动的干扰，目 前多以曲轴箱压力控制方式为主。 以 下的讨论也只针对 曲轴箱控制来进行。 ( 2 )控制阀的结构组成及其发展现状 不同， 前采用的控制阀结构主要有单通道型和双通道型两种。 结合所控制的通道 控制阀 结构可以 分为以 下5 种 类型 i s ( 1 ) 在曲轴箱和吸气腔之间通道内安装单通道型控制阀，通过曲轴箱及 吸气腔之间的压力差来控制阀门的开合。 在系统变工况运行过程中， 尤其在压缩 机有很好的密封性能的情况下， 曲轴箱难以获得这种控制方式要求的充足制冷剂 气体，来实现曲轴箱和吸气腔之间的气体旁通，因此控制性能不是很好。 ( 2 ) 在曲轴箱和排气腔之间通道内安装单通道型控制阀，通过曲轴箱及 排气压力的差值来控制阀门的开合。 控制阀在减负荷情况下反应很灵敏， 控制效 果较好。 但是要求压缩机排量增加时， 由于无法快速减小曲 轴箱压力， 控制效果 不理想。 5一 第一章引 言 ( 3 ) 在曲 轴箱和排气腔之间设置一节流管，为曲 轴箱提供充足的气体旁 通量; 另外， 再安装一个通过感受吸、 排气及曲 轴箱压力来调节曲轴箱与吸气腔 之间压力差的控制阀，该阀也称为质量流量补偿阀， 其结构如图1 - 3 所示。目前 日 本s d公司生产的7 缸系列的斜盘式变排量压缩机就使用这种控制阀， 它不仅 可以通过控制吸气压力来防止蒸发器结霜， 满足系统对压缩机大排量的要求， 而 且 该阀结 构比 较简单 1 6 ,1 7 1 。 从而 成为目 前结 构比 较成熟的 控制阀 类型。 阀头 图1 一 质量流量补偿阀 ( 4 ) 控制阀有两个流通通道，分别连接曲 轴箱与吸气腔、曲 轴箱与排气 腔。目 前v - 5 型压缩机就是 通过这 种类型的 控制阀 来 控制压缩 机排 量t 1 8 1 ， 其结 构如图1 - 4 所示。 这种方法由于综合考虑了3 个压力值， 有两个通道， 逐渐成为 人们首选的控制方式。 但由于需要使蒸发器出口 温度始终保持在结霜点以上， 控 制阀的控制点设定得较高。而且系统开机后会立刻进入压缩机的 排量控制阶段， 系统的启动负载较大，降温性能不够理想。 王吸气艘嘴亩孔 器器 至 摇 提籍 理路住 创 闷 进 图1 一真空波纹管型控制阀 ( 5 ) 在 ( 4 ) 的基础上， 添加电 磁阀。 电 磁阀安装在吸气腔与曲 轴箱通道 上， 可以旁通真空波纹管，以保证系统在高负荷情况下获得最大压缩机排量， 真 空波纹管型控制阀用于维持吸气压力的稳定 ( 在蒸发器结霜点以上)。 但这种两 阀方式复杂， 而且当电磁阀关闭时， 会使吸气压力突然上升， 造成车内温度上升。 一 6一 第一章引言 ( 3 )控制阀的驱动方式 按照驱动方式区分，控制阀可以分为气动式、电磁式两类。 ( 1 ) 气动式控制阀:以上所列的各种控制阀均为气动型控制阀，是目 前 主要的控制阀形式。 具有两个共同点: 一是发信器和执行器都是通过压缩机自 身 的运行特性 ( 包括吸排气压力或曲轴箱压力) 来操作， 无法兼顾影响汽车空调系 统的外在因素， 容易造成控制滞后， 不稳定， 无法实现最优控制。 在变排量压缩 机汽车空调制冷系统的实际使用过程中 ( 特别是在压缩机处于高速运转情况下) 出现了 蒸发器结霜问 题， 控制阀很难实现冷量与负荷匹配的问题。 二是控制阀的 开关点在控制阀生产制造时就事先已 经设定好了， 但由 于压缩机结构及控制阀本 身结构不尽相同， 兼之汽车空调系统的多变的运行状况， 气动控制阀设定的控制 点常常无法满足预期的 控制要求， 更不能与系统其他自 控元件接口， 为汽车空调 系统的自 动化控制带来了困难。 ( 2 ) 电 磁式控制阀:简称电 控阀，是针对气动阀 存在的 不可避免的缺点 而提出的， 它的主要思路是在气动控制的基础上加上电磁驱动机构， 使控制阀的 运动不再单纯依靠压缩机各腔的气体力来驱动。 其基本结构如图1 - 5 所示。 通过 改变施加到电 磁线圈上的电流大小， 能够改变铁芯推杆的推力以 及作用在阀杆上 的弹簧力的大小， 从而达到改变控制阀开度的目 的， 以 满足不同 制冷剂流量的要 求。 电 控阀的控制点是可变的， 即压缩机吸气腔的压力被设定在与所施加电 流大 小相对应的压力值。 电 磁式控制阀除上述优点外， 还具有调节相应快的 特点， 但 是其调节作用受控制电源的稳定性限制， 一旦出 现电 源波动或掉电现象， 将造成 调节失调甚至阀门关闭，致使汽车空调系统出现故障。 图1 一 5 电动控制阀 通过检索发现:国际上，1 9 9 9 年d e n s o公司首次开发了外部控制变排量压 缩机11 9 1 ， 可根据环境温度、 发动机转速、 太阳 辐射强度、 车内 温度、 送风温度、 送风速度以及空调模式设定等参数由汽车的控制板来确定控制信号，再由外部 一 7一 第一章引言 ( 电 磁) 控 制阀 来 控 制 压 缩 机 处 于 合 适的 排 量。 1 9 9 9 年， h i r o y a s u n a d a m o t o 2 0 1 提出用外部控制阀代替变排量压缩机原有的内部控制阀， 对变排量压缩机进行优 化控制， 比较了变排量压缩机同定排量压缩机在相同工况条件下的节能效果， 变 排量压缩机比 定 排量压 缩机 节能3 0 。 美国d e l p h i 公 司为r e n a u l t 公司的 新一代 汽车l a g u n a 配备了电 控型变排量压缩机， 于2 0 0 1 年上半年 ( 6 月 份) 在欧洲市 场上市， 主要的消费 对象是欧 洲中 上阶层开 车族。 d e l p h i 公 司 在法国的d o u a i 生产这种电控型变排量压缩机。 这是到目 前为止该公司电控型变排量压缩机首次 批量生产并与汽车空调系统进行配套。 在国内， 上海大众汽车有限公司为家庭轿 车p o l o配备了日 本d e n s o公司生产的6 s e u 1 2 c型电控型变排量压缩机， 2 0 0 2 年批量生产3 万辆， 2 0 0 3 年6 万辆，直至2 0 0 7 年1 5 万辆，批量极大，有着广 阔和市场前景。 作为电 控型变排量压缩机的核心控制环节一电 控阀性能的好坏是 至关重要的。 在国内， 2 0 0 2 年1 0 月， 上海交大的袁晓梅等首次对变排量压缩机 电动控制阀及容量控制进行了研究， 该电控阀可以在吸气压力和电流的共同作用 下打开或关闭排气腔和压缩机腔的通道，从而调节进入压缩机腔内的制冷剂流 量， 改变腔内 压力， 达到 控制压缩机排量的目 的 2 1 1 1 . 2 . 3综述小结 通过以上对变排量压缩机汽车空调系统研究文献综述和变排量压缩机控制 阀的研究现状两部分文献的综合分析，可以看出: ( 1 )采用内部容量控制阀的变排量压缩机汽车空调系统有稳定性问题，对 于变排量汽车空调系统的稳定性机理的研究己进行得较为充分， 为采用行程调节 方式的这类变排量压缩机及其汽车空调制冷系统的设计匹配、 性能分析和改进提 高奠定了理论基础。 ( 2 ) 控制阀作为压缩机容量调节的关键部件， 其工作特性将直接影响压缩 机性能， 进而影响整个汽车空调系统的性能， 但从现有公开发表的 变排量压缩机 文献看，目 前主要采用的是内部容量控制阀。 虽有少数压缩机也开始使用外部容 量控制阀， 但均电磁式， 对其研究工作还开展得不够充分， 也尚未提出 控制阀特 性的定量分析数学模型; 对采用外部容量控制阀的变排量压缩机以及汽车空调系 统的变容量控制研究则进行得更少; 对于电动式外部容量控制阀的开发与研究工 作尚无相关文献进行报道，有待于进行研究。 与气动阀相比，电控阀 ( 电 磁式与电动式控制阀)的响应速度快， 精度高， 不但可以设计出自 动化程度较高的汽车空调制冷系统容量控制器， 采用多种控制 算法对系统进行控制， 容易实现与汽车的其它控制系统的有机融合， 从而提高汽 车的整体控制自 动化程度， 而且为解决系统振荡问题、 蒸发器结霜问题提供了新 一 8 一 第一章引言 ( 电 磁) 控 制阀 来 控 制 压 缩 机 处 于 合 适的 排 量。 1 9 9 9 年， h i r o y a s u n a d a m o t o 2 0 1 提出用外部控制阀代替变排量压缩机原有的内部控制阀， 对变排量压缩机进行优 化控制， 比较了变排量压缩机同定排量压缩机在相同工况条件下的节能效果， 变 排量压缩机比 定 排量压 缩机 节能3 0 。 美国d e l p h i 公 司为r e n a u l t 公司的 新一代 汽车l a g u n a 配备了电 控型变排量压缩机， 于2 0 0 1 年上半年 ( 6 月 份) 在欧洲市 场上市， 主要的消费 对象是欧 洲中 上阶层开 车族。 d e l p h i 公 司 在法国的d o u a i 生产这种电控型变排量压缩机。 这是到目 前为止该公司电控型变排量压缩机首次 批量生产并与汽车空调系统进行配套。 在国内， 上海大众汽车有限公司为家庭轿 车p o l o配备了日 本d e n s o公司生产的6 s e u 1 2 c型电控型变排量压缩机， 2 0 0 2 年批量生产3 万辆， 2 0 0 3 年6 万辆，直至2 0 0 7 年1 5 万辆，批量极大，有着广 阔和市场前景。 作为电 控型变排量压缩机的核心控制环节一电 控阀性能的好坏是 至关重要的。 在国内， 2 0 0 2 年1 0 月， 上海交大的袁晓梅等首次对变排量压缩机 电动控制阀及容量控制进行了研究， 该电控阀可以在吸气压力和电流的共同作用 下打开或关闭排气腔和压缩机腔的通道，从而调节进入压缩机腔内的制冷剂流 量， 改变腔内 压力， 达到 控制压缩机排量的目 的 2 1 1 1 . 2 . 3综述小结 通过以上对变排量压缩机汽车空调系统研究文献综述和变排量压缩机控制 阀的研究现状两部分文献的综合分析，可以看出: ( 1 )采用内部容量控制阀的变排量压缩机汽车空调系统有稳定性问题，对 于变排量汽车空调系统的稳定性机理的研究己进行得较为充分， 为采用行程调节 方式的这类变排量压缩机及其汽车空调制冷系统的设计匹配、 性能分析和改进提 高奠定了理论基础。 ( 2 ) 控制阀作为压缩机容量调节的关键部件， 其工作特性将直接影响压缩 机性能， 进而影响整个汽车空调系统的性能， 但从现有公开发表的 变排量压缩机 文献看，目 前主要采用的是内部容量控制阀。 虽有少数压缩机也开始使用外部容 量控制阀， 但均电磁式， 对其研究工作还开展得不够充分， 也尚未提出 控制阀特 性的定量分析数学模型; 对采用外部容量控制阀的变排量压缩机以及汽车空调系 统的变容量控制研究则进行得更少; 对于电动式外部容量控制阀的开发与研究工 作尚无相关文献进行报道，有待于进行研究。 与气动阀相比，电控阀 ( 电 磁式与电动式控制阀)的响应速度快， 精度高， 不但可以设计出自 动化程度较高的汽车空调制冷系统容量控制器， 采用多种控制 算法对系统进行控制， 容易实现与汽车的其它控制系统的有机融合， 从而提高汽 车的整体控制自 动化程度， 而且为解决系统振荡问题、 蒸发器结霜问题提供了新 一 8 一 第一章引言 的思路，顺应了当今汽车空调自 动控制的发展要求，具有广泛的应用前景。 1 . 3论文的主要工作 本文以具有代表性的无级变排量摇板式压缩机及其组成的汽车空调制冷系 统为研究对象， 研制变排量汽车空调压缩机电动式外部容量控制阀， 并对其特性 进行理论与试验研究， 将其应用于无级变排量摇板式压缩机及其汽车空调制冷系 统中， 研究压缩机以及制冷系统的运行特性， 在此基础上提出降低油耗、 提高车 内舒适性的控制策略。论文的主要工作包括以下几个方面; ( 1 )电动式外部控制阀的研制及其调控特性研究。 在变排量压缩机内部控 制阀的调控机理和结构特点基础上， 研制出适用于v 5 变排量摇板式压缩机的电 动式外部容量控制阀 及其驱动装置;建立并 试验验证外部容量控制阀的 数学模 型，并利用所建数学模型研究其调节特性。 ( 2 ) 将电动式外部控制阀应用于 v 5压缩机中，建立采用外部控制阀 的变排量压缩机的数学模型，并应用数学模型分析压缩机的变容量特性。 ( 3 ) 建立变排量汽车空调制冷系统 ( 包括变排量压缩机、冷凝器、 蒸 发 器、 热力 膨肚r 等部 件模型) 的 数学 模型， 并 进行试 验验证，以 此为 工 具分析汽车空调系统的调控特性。 ( 4 ) 提出采用外部控制阀的变排量汽车空调制冷系统的控制策略。在整个 变排量汽车空调制冷系统运行特性的基础上， 提出解决变排量汽车空调制冷系统 车内舒适性问题、 节能问题的外部容量控制阀的控制策略， 为系统容量控制器的 设计与实现提供了依据。 第一章引言 的思路，顺应了当今汽车空调自 动控制的发展要求，具有广泛的应用前景。 1 . 3论文的主要工作 本文以具有代表性的无级变排量摇板式压缩机及其组成的汽车空调制冷系 统为研究对象， 研制变排量汽车空调压缩机电动式外部容量控制阀， 并对其特性 进行理论与试验研究， 将其应用于无级变排量摇板式压缩机及其汽车空调制冷系 统中， 研究压缩机以及制冷系统的运行特性， 在此基础上提出降低油耗、 提高车 内舒适性的控制策略。论文的主要工作包括以下几个方面; ( 1 )电动式外部控制阀的研制及其调控特性研究。 在变排量压缩机内部控 制阀的调控机理和结构特点基础上， 研制出适用于v 5 变排量摇板式压缩机的电 动式外部容量控制阀 及其驱动装置;建立并 试验验证外部容量控制阀的 数学模 型，并利用所建数学模型研究其调节特性。 ( 2 ) 将电动式外部控制阀应用于 v 5压缩机中，建立采用外部控制阀 的变排量压缩机的数学模型，并应用数学模型分析压缩机的变容量特性。 ( 3 ) 建立变排量汽车空调制冷系统 ( 包括变排量压缩机、冷凝器、 蒸 发 器、 热力 膨肚r 等部 件模型) 的 数学 模型， 并 进行试 验验证，以 此为 工 具分析汽车空调系统的调控特性。 ( 4 ) 提出采用外部控制阀的变排量汽车空调制冷系统的控制策略。在整个 变排量汽车空调制冷系统运行特性的基础上，