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）最大活塞行程情况下的容积效率和指示效率计算公式根据我们的试验数据拟合得到。在部分活塞行程情况下，我们提出相对容积效率和相对指示效率的概念。相对容积效率是部分行程的容积效率同相同工况与转速下最大行程容积效率之比，而相对指示效率是相同工况和转速下部分行程指示效率与最大行程指示效率之比。我们的试验研究发现，压缩机工况对相对容积效率和相对指示效率的影响可以忽略不计。根据试验数据可以拟合出相对容积效率和相对指示效率计算公式如下：（5）（6）嚼公式宿（粘1倍）～硬（迎6汽）就组成了变检排量压缩机稳旷态数学模型，谦可以由排气压黑力、吸气压力廊、吸气温度、追活塞行程和压像缩机转速来确美定压缩机制冷机剂流量和排气亭温度。根例倚2.2迫浙其它部件模型附本文研究典的蒸发器为四辛通道五列管片盆式蒸发器。蒸拆发器长桶0.2625伏m泄,欲个高忙0.228m效，厚棵0.084m承,狮痰外表面传热面否积卡5.5m塞2美。蒸发器稳态秋模型采用集总挂参数法，将蒸过发器分为两相毕区和过热区两博个区域。变考虑到汽姐车空调部件组理成特点和求解肆方便，将冷凝闯器和储液干燥说器组合在一起摔，储液干燥器有作为冷凝器过援冷区的一部分蓄。本文研究的你冷凝器为平行佛流冷凝器，传桑热管为多孔矩柿形通道扁管，颠13/9/7管/繁5珠通道分饥布愧,罗款冷凝器长京0.35m查，高兆0.56m察,疗厚坚0.02m未,隐念外表面传热面咏积馒5.58m咏2矛。冷凝器稳态耍模型采用集总绕参数法，将冷报凝器分为过热偏区、两相区和膨过冷区三个区恶域。科热力膨胀桨阀为交叉充注励吸附乔式遣H渠型球型快开翠阀轿,傻公称容量勿为朱2弹冷吨。通过热罩力膨胀阀阀杆似受力方程得出家阀开度，采用别热力膨胀阀流铸量计算公式计床算流经热力膨塌胀阀的制冷剂示流量。毅将变排量敬压缩机、蒸发拔器、冷凝器和蛋储液干燥器和毫热力膨胀阀四拨个部件稳态模膏型按照部件进螺出口参数关系姜有机结合，就冬组成了变排量袍压缩机汽车空掏调制冷系统稳悄态模型。盗骑禽2.3藏即系统稳态模型侍验证鹅险图催2娇为处于行程减款小和增大临界帅状态不同压缩掘机转速稳态点物试验数据和模俊拟结果的比较店，试验条件：忆在颈T旅eai壳＝颗2龟5滋℃蠢，吊T愧cai猜=役3疗3次℃池，蒸发器高档彼风速，冷凝器章迎面风速端2.8m介/秩s不。按照试验条恳件对蒸发压力企P军e庆和制冷量餐Q拒e民随弊N荷c锅的变化进行了返模拟计算。留（笋a泥）垦P影e凤-嫩N系c嗽关系终图慰恒（竖b咱）部Q跌e需-准N互c廊关系图眼图馅2劝优系统模型试验断验证愈可以看出恒，行程减小时协临界蒸发压力邻和临界空调负另荷的计算值和球试验点吻合较辫好，行程增大栋时临界蒸发压脱力的试验值稍良小于计算值，留临界空调负荷笑的试验值稍大悟于计算值。总足体来说，模拟绣计算和试验数尼据吻合较好。3特性分析轿变排量压外缩机可以实现拼定转速定行程悼、变转速定行讽程、定转速变携行程和变转速信变行程四种运趣行方式，那么疗变排量压缩机谣汽车空调制冷料系统也就会呈偶现出四种道相应的系统特切性。采用系统聚稳态模型对该怖四种压缩机运篇行方式下的系盒统特性进行分哥析。到似3.1附凝定转速定行程惑时系统稳态特户性胳此时压缩姐机相当于常用对定速定行程压腥缩机。定转速锈定行程（最大孝行程）时系统晋蒸发压力铲P务e顽和制冷量巴Q给e划随蒸发器进口浩空气温度法T颈eai以的变化见蝇图铁3咱。计算条件：跃N呢c祸=1500r波/mi逆n亏，筑T洗cai遵=兵3违5奖℃爬，蒸发器进口县空气相对湿度迟j物eai钞=5枪0宪％，蒸发器高页档风速，冷凝军器迎面风速为层压缩机转速乘始于序0.002叉5伏。刊P遇e诞-缺T汁eai咱和津Q肌e离-疑T晶eai恩关系均为一条芹曲线，斩P尚e裁和夕Q总e絮均随帅T偷eai欢的增加而增加甚。此时能够保猴持最大行程的牧最小伙T炎eai吐为浩24.轰5完℃昼，低于此值，亡压缩机的活塞谜行程将变小。鼠竞疏3.2犹井定转速定行程敞时系统稳态特府性鞋此时压缩愿机相当于变频妙压缩机。变转你速定行程（最校大行程）时系枪统不同压缩机河转速蒸发压力慰P蓄e卸和制冷量搏Q岗e绝随蒸发器进口不空气温度垒T叫eai彻的变化。计算干条件：开N敬c眉=150抢0惨、肆175寒0桶和遍2000r死/mi熔n扶，况T核cai馅=首3王5开℃笛，叉j惨eai想=5叠0扎％，蒸发器高山档风速，冷凝滩器迎面风速为叮压缩机转速乘页于耳0.002恩5口。愈P厅e糕-括T造eai书和慰Q谱e乡-辛T析eai奸关系均为一族奉曲线，警P碌e狐和竭Q朋e职均随胳T泰eai器和究N激c耍的增加而增加服。秩N汤c菊为睡1500r/寺mi互n什时保持最大排带量时的最小疑T业eai冤为疫24.纠5走℃涛，根N黄c纸为减1750r/坡mi初n疾时保持最大排尽量时的最小顾T震eai我为伍27.旁3查℃奥，头N烦c躺为象2000r/状mi倡n首时保持最大排唯量时的最小套T功eai迷为铅30.狸2双℃鞠。督震集3.3常蓝定转速变行程锡时系统稳态特洋性祝在定转速挨变行程方式下民，压缩机出现很了一凑个潜“肯调节滞雄区痕”虾，吸气压力熟P攀s面在此调节滞区胶变化时活塞行谎程惧S窝p机不会发生变化冒。变行程情况暂下压缩机调节刚滞区映射到系苏统中会形成定初转速变行程方艰式独特的系统绳特性。怖定转速变贫行程时系统蒸固发压力仓P萄e员和制冷量稻Q鸣e笛随蒸发器进口送空气温度至T造eai刑的变化见劲图对5吨。计算条件：刑N植c朱=1500r玉/mi亩n旧，标T区cai窝=眠3偶5胞℃胡，阔j锡eai拖=5米0驴％，蒸发器高无档风速，冷凝垄器迎面风速为灭压缩机转速乘地于础0.002揪5绩。当碑T衰eai践小于舞2支7笋℃距后，系统开始丘存在变行程状救态。在某一行梦程下，行程增碌大临界蒸发压腹力江P油e,cu春大于行程减小馅临界蒸发压力绍P旨e,cd忘，而当叉P偷e,cd却≤非P拥e未≤座P庸e,cu门，级S骡p筛不会发生变化烧；这样仅P听e,cu掏和饶P州e,cd研之间，每一个门恒定锤S率p花（如堵S庆p欢＝肤28mm舒）的凶P见e费-飞T滴eai歼曲线就相当于筒一个定排量压亿缩机费P吃e缴-肢T长eai俩曲线，多个恒指定责S的p睡的古P饮e巾-胡T眨eai序曲线就形成了茶一条带（我们民称之音为湿“够性能散带修”妖），这条性能草带的上边界为预P杆e,cu柱，下边界为疤P抽e,cd掏。在性能带中悠，坦私原来定行程情夹况喜爱霞P殃e聚-扫T单eai盐和瞎Q标e通-胞T溉eai顺一一对应关系亩，变成了一个段多值对应关系节。变行程情况构下压缩射机蝶“厌调节滞返区著”有映射到系统中甚，形成系统即的自“源性能弓带肝”湖。矮变行程情况系逢统稳态状态点伴应该全部落在裁性能带的闭区伏间中。从闯图呆5承（闪a坦）可以看出，济整个性能带的寸蒸发压力财在喷0.28桐5劝～闭0.3MP袖a本范围内变化。谊也正是由于性敞能带的存在，缝使得蒸发温度竖在一个范围内退变化，降低了丛调节敏感性和奶调节精度，在味整个蒸发压力次性能带数值偏逝小或者性能带访较宽情况下，第性能带部分稳苏态状态点的蒸羡发温度可能小上于鹅0倚℃桶，可能造成蒸栗发器结霜。另勇外，在系统振卖荡情况下，变慈排量压缩机的污行程调节会加卫剧由于蒸发器赢和热力膨胀阀恶控制回来造成助的系统振荡，碰而性能带的存穗在降低了行程起调节的可能性士，有利于系统甩稳定。梳（馋a密）之P少e高-河T触eai狂性能带花京（记b疮）互Q吗e谎-留T兔eai姑性能带滩图桶5舌剃定转速变行程币系统稳态特性拥题杂3.4熄回变转速变行程仪时系统稳态特郊性这不同转速慰的定转速变行榨程方式的系统迈稳态特性组合惧就形成了变转艺速变行程方式愉的系统稳态特汪性。慰粉滨N拴c源分别灿为蛇150飘0续、厨175墨0巴和年2000r/搁mi科n昼时，变转速变届行程系统蒸发施压力把P尊e敞和制冷量咱Q碌e流随蒸发器进口戴空气温度桥T他eai涌的变化见库图羽6澡。计算条件：捧T祥cai伏=核3待5戏℃好，隆j潮eai讲=5辆0弦％，蒸发器高此档风速，冷凝咬器迎面风速为巨压缩机转速乘做于枣0.002啦5繁。康P讲e虹-玻T熊eai娇和屿Q兰e阅-涨T帐eai滤关系均为一族消性能带，随着米压缩机转速的貌提高，保持最挠大排量时的最付小龄T皮eai奸就越大，所以浓P乒e铲-堂T余eai庸性能带就向内T已eai蛋增加的方向移爱动，而步Q态e架-敲T肿eai静就向扛Q屠e区和袭T匙eai着增大的方向移明动。从竖图剥6查还可以看出，奏在相同要T乓eai步情况下，压缩悄机转速越高，蝶P探e伶-酿T扛eai处性能带越向下监移动，而讽Q薪e钉-摸T窗eai干性能带越向上场移动；这是因蝇为国T四eai羞相同时，压缩兄机转速越高，域压缩机将调节婆行程减小，而就压缩机在高转喝速和小行程时要的容积效率较药低，所以在相状同稀T即eai栏时，制冷剂流悬量反而随着压忧缩机转速提高零有较小的降低党，这样就脆使得压缩机转图速高时，坐P截e女变大，而制冷车量减小。由于翻性能带是按照喝行程增大和行俊程减小的临界搬状态作出的，俭所以该规律只仰适用于行程增设大和行程减小浆的临界状态。赵（那a得）铅P万e筛-勺T涉eai董性能两带淹呢璃（凳b岛）善Q公e有-员T氏eai累性能带洞图扶6跑揪变转速变行程棉系统稳态特性4结论办本文建立千了变排量压缩怨机汽车空调制坊冷系统稳态模谋型，模拟结果举与试验数据吻培合较好，证明短该模型可以用蔬于系统稳态特拨性分析。舰对应于变排排量压缩机定原转速定行程、监变转速定行程瞧、定转速变行快程和变转速变班行程四种运行程方式，分析了傻变排量压缩机舞汽车空调制冷规系统也就会呈局现出四种相应滚的系统特性。练通过系统分析六首次发现，在平变活塞行程情胞况下，与定行挥程方式下性能政参数一一对应包关系不同，蒸舍发压力、制冷们量等系统参数已表现为多值