汽车空调压缩机排量调节方法及主要变排量压缩机

1、汽车空调压缩机排量调节方法及主要变排量压缩机吴建华张利张海锋(西安交通大学压缩机研究所摘要本文介绍了几种主要的变排量调节方法,并分析了目前国内使用最为广泛的摇板式压缩机及迅速发展的单向斜盘式压缩机和涡旋式压缩机的性能特点及变排量原理。本文对近几年才发展起来的采用外部信号控制法或称即时冷量控制法的单向斜盘压缩机和涡旋压缩机也作了介绍。关键词压缩机变排量外部信号控制法METH ODS OF VARIAB L E DISPLACEMENT AN D MAIN2COMPRESSORSWU JianhuaZHAN G LiZHAN G HaifengABSTRACTThis paper introduc

2、e several main methods of variable dis placement and discuss the feature and mechanism of variable displacement of the wobble plate compressor which was used widely in our country at the present time and the swash plate compressor and scroll com2 pressor which were developed rapidly recent years.The

3、 swash plate compressor and the scroll compressor which control the displacement by the external signal also are discussed.KE Y WOR DSCompressorVariable displacementExternal signal control1前言轿车空调压缩机是通过皮带轮直接驱动。汽车高速行驶时,传统定排量压缩机的排气量随着转速的增加而增加,功耗也会随之增加。一方面影响汽车驾驶的性能和司乘人员的舒适性。另一方面,压缩机制冷量的增加使蒸发压力降低,蒸发器结霜,制

4、冷系统各部件不匹配,影响整个系统的性能,并且离合器启闭频繁。为此,对压缩机进行排量调节,实现压缩机排量与负荷相匹配,使其在低速时或需要较大制冷量时,具有高的制冷能力;高速时或制冷量富余时,控制制冷量,减少功耗。本文将着重介绍常见的变排量调节方法及几种主要的变排量压缩机。2车用空调压缩机常用变排量调节方法(1变行程容积法变行程容积法是通过改变压缩机的行程容积来调节其排量,这种方法主要用于活塞式压缩机中,其压力指示图如图1所示。当压缩机的转速较低或需要较大制冷量时,压缩机在最大行程下工作(图中曲线a。当转速较大,制冷剂循环质量流量过大时,压缩机内部的控制阀动作,压缩机的行程开始变小(图中曲线b,c

5、,使压缩机的行程容积变小,系统制冷量不致过大 。图1变行程容积法的压力指示图压缩机在高转速部分负荷状态下工作时,即冷第4卷第6期2004年12月制冷与空调REFRIGERA TION AND AIR-CONDITION IN GVol.4,No.6December2004量保持不变的情况下(即系统质量流量不变,指示功会减小,但压缩机循环周期也减小,且二者基本上成比例变化,所以在高速时压缩机的指示功率基本保持不变。同时高速时由于活塞的行程减小,压缩机的摩擦损失变化不大。所以总的来说压缩机的轴功率基本上变化很小。由此可见,该调节方法可使压缩机在高转速下保持较高的COP 。此外,该方法易于实现,能够

6、使排量连续变化。目前使用广泛的摇板式压缩机和单向斜盘式压缩机都采用这种排量调节方法。(2吸气节流法吸气节流法是在压缩机的进气口处安装节流装置,使进气受到节流、压力降低,进气比容升高,由此使排气量减小。图2 是吸气节流法的压力指图2吸气节流法的压力指示图示图,曲线a 是未节流时的压力曲线,曲线b 是节流后的压力曲线,可以看出节流后实际进入压缩机的制冷剂由Vh 减小到了V h 。由于汽车空调压缩机的压比一般都比较大,所以使用该方法调节时,随着进气压力的降低,指示功率在减小2,但单位流量的制冷剂所消耗的功率却增加了,即压缩机的COP 是下降的。因此该方法只应用于调节幅度较小的情况。目前,部分旋叶式压

7、缩机采用这种方法来调节排量。(3吸气旁通法该方法是利用延迟压缩过程的开始时间来实现的。一般是在压缩腔的位置设置旁通孔,孔的位置及形状与排量调节的范围有关。当压缩机的转速较低,需要在大排量下运行时,此旁通孔关闭,压缩机吸气结束后直接开始压缩过程。而当压缩机的转速较高,需要在小排量下运行时,旁通孔打开,孔的开度与此时所需排量的大小有关,当压缩机吸气过程结束开始压缩过程时,部分制冷剂会通过该旁通孔回流到吸气管道中,实际进入压缩机的制冷剂的量减小,即压缩机的排量减小。通过调节旁通孔的开度,该方法也可实现排量的连续调节。图 3图3吸气旁通法的压力指示图是该调节方法的压力指示图,图中的曲线a 是旁通孔关闭

8、,压缩机在大排量下运行时的压力曲线,曲线b 是旁通孔部分开启时理想情况下的压力曲线,但实际情况下吸入压缩机的部分制冷剂由旁通孔回流到吸气管道时会存在压力损失,所以压力曲线应为图中的曲线c ,图中阴影部分表示由于压力损失而多消耗的指示功。该方法的排量调节效果介于变行程容积法和吸气节流法之间,目前主要用于涡旋压缩机和部分旋叶式压缩机的排量调节。(4减少气缸工作数法该方法用于多缸压缩机中,是在当压缩机转速较高,需要小排量时,通过使部分气缸的吸气腔和排气腔相连通,使其不再起作用,从而减小了工作气缸的数目,实现了排量的减小。该方法实现起来较为复杂,而且一般的多缸压缩机都具有较好的动力平衡特性,减少气缸工

9、作数则破坏了多缸压缩机的这一优点。同时该法只能对排量进行分段调节,从而使得发动机的载荷波动较大。3主要车用变排量压缩机(1摇板式压缩机摇板式压缩机是一种轴向往复式活塞压缩机。其57个气缸轴向布置,与主轴一起旋转的斜盘通过推力轴承推动周向位移受到约束的摇板摇动,摇板上的球绞带动连杆及活塞做往复运动4。摇板式压缩机的综合性能好,即效率与可靠性高,使用性好,且价格低。但零件较多。它是过去三十年使用最为广泛的汽车空调压缩机之一。94第6期吴建华等:汽车空调压缩机排量调节方法及主要变排量压缩机摇板式是通过改变斜盘的倾角,来改变活塞的行程,从而改变压缩机的行程容积和排气量。图4是摇板式压缩机活塞行程容积控

10、制的原理示意图。为了简明起见,图中省略了斜盘与摇板的相对转动,只表明平面内斜盘倾角变化及其对活塞行程的影响。传动柄上的弧形槽型线的设计很关键,它要保证活塞的上止点位置在全负荷及部分负荷时都不变化,斜盘倾角变化时,只是变化下止点的位置。图5是摇板式变排量压缩机制冷量、功率和COP 随转速的变化关系。转速增加时,制冷量和输入功率基本保持不变,而COP 则会由于流动损图4 摇板式压缩机活塞行程控制的原理示意图图5摇板式压缩机制冷量、功率和COP 随转速的变化失以及相对余隙容积的增加而有所下降。(2单向斜盘压缩机1996年底,日本电装公司开发出单向斜盘变排量压缩机-7SB16。单向斜盘变排量压缩机是新

11、一代的可变排量压缩机。它零件少、结构紧凑、尺寸小、重量轻、效率高、耐久性好、NV H 特性好、高转速运行、排量调节范围大,并且既可用内气动阀控制又可用外电子阀控制。在用电子控制时可省却离合器,大大提高了系统的可靠性;可调节蒸发温度,大大节省油耗。单向斜盘压缩机的变排量调节机理类似于摇板式压缩机。它也是通过控制斜盘箱内的气体压力来控制斜盘的倾角,进一步控制活塞的行程及压缩机的排量。不过它的调节范围比摇板式压缩机更宽,调节机构更为简单。图6是单向斜盘压缩机斜盘的受力简图。斜盘作用于活塞的接触力为F N ,该力分解为水平方向的力F H 和垂直方向的力F V 。水平方向的力使活塞沿水平方向做往复运动,

12、而垂直方向的力作用于活塞,则会使活塞与气缸壁面之间产生接触力。当压缩机的转速较高时,压缩机的行程减小,斜盘的倾角变小,从而使得作用于活塞上的水平力增加,垂直力减小。则活塞与气缸壁之间接触力减小,即该处摩擦功耗减小。所以单向斜盘压缩机在高速时具有较好的动力特性 。图6斜盘作用于活塞上的力图7是德尔福(DEL PHI 公司生产的单向斜盘压缩机CVC125(Compact Variable compressor 的性能曲线,该压缩机可以实现排量从7cc 125cc 的连续变化。(3涡旋式压缩机涡旋压缩机是回转式压缩机。1978年日本三电公司开始了涡旋压缩机的研究和开发。1981年就开始小批量的生产。

13、05制冷与空调第4卷 图7CVC125的性能曲线涡旋压缩机的主要优点是效率高、重量轻、体积小、可高速运行、可靠性高、运行平稳、NV H 低。涡旋压缩机的变排量性能没有摇板式或斜盘式压缩机好,一是调节范围窄,一般为30%-100%,二是效率随排量下降快。涡旋压缩机采用旁通法调节排量。它是在涡旋盘的底板上开设一气孔。此气孔的位置与排量调节的范围有关。另外还要安装活塞控制阀。压缩腔内的气体可以通过涡旋盘底板上的气孔、舌簧单向阀、活塞控制的流量调节孔回流到吸气腔,从而减少压缩机的排量和指示功率。实测的这种变排量涡旋压缩机的P -V 图8类似于图3。在转速增加时,旁通孔开启时间缩短,P -V 图将向外扩

14、展,压缩机排量及指示功率都会增加。从实测的变排量涡旋压缩机的特性曲线1可以看出,在变排量调节范围内,制冷量基本保持不变,功耗则比同转速下定排量涡旋压缩机降低了大约20%左右。而且吸气压力和排气压力基本保持恒定,避免了定排量压缩机的吸气压力降低和排气压力升高,从而改善了压缩机的运行条件。4采用外部控制阀的变排量压缩机近年来,由于控制技术的不断发展,采用外部控制阀的变排量压缩机逐渐开始发展起来。该方法相对于前面所提到的采用内部控制阀的变排量压缩机具有变转速时排量变化的响应速度快以及节约能耗等优点。电装开发出了采用外部控制阀的单向斜盘压缩机6SE12。这个外控阀是气动阀与伺服步进电机的结合,后者可以

15、控制前者的弹簧力,也可以控制其吸气压力设定值。汽车的控制单元或计算机通过检测大气温度、发动机转速、太阳光强度、车厢内温度、风道出口空气温度与干度、空气流动情况以及司乘人员对空调模式的选择等确定出适当的压缩机排量或电磁阀阀芯的位移,外控阀由此得到一个信号,将压缩机吸气压力及蒸发温度控制在一个适当值下工作。这样非常浪费能量的再加热过程就不需要了(图8。电装的论文显示它全年可以节省70%的油耗。近年来,三菱重工将需用/即时冷量控制(De 2mand Capacity Control 引入变排量涡旋压缩机,它相当于上述单向斜盘压缩机的外部信号控制法。它的控制阀在普通控制阀的基础上又增加了一部分,该部分

16、的功能是通过改变步进电机轴的位移来改变控制阀的弹簧力,进而改变吸气压力的设定值。这种方法可以节能约40% 。图8内控与外控阀的比较15第6期吴建华等:汽车空调压缩机排量调节方法及主要变排量压缩机5结论变排量中的变行程容积法相对于其它变排量调节方法具有易于实现且高速时能够保持较高COP 等优点。单向斜盘压缩具有变排量摇板式压缩机的优点,同时它的零件少、结构简单、变排量性能更好;变排量涡旋压缩机在满负荷时,效率高,但部分负荷时效率下降快。采用外部信号控制法的变排量压缩机具有排量调节响应快,节约能耗等优点,是变排量压缩机的发展方向。参考文献1王宜义,王军,汽车空调.西安:西安交通大学出版社,1995

17、.2林梅,孙嗣莹,活塞式压缩机原理.西安:西安交通大学出版社,1996.3任金禄,轿车空调用变容量压缩机的发展.流体工程,1991,5.4Timothy J.Skinner and Robert L.Swadner ,V -5automotive variable dis placement air conditioning compressor ,SAE paper850040.7Akira K ishibuchi and Michiyasu Nosaka ,Development of continuous running ,externally controlled variable displacement com 2pressor ,SAE paper 1999-01-0