汽車變排量壓縮機(jī)的匹配研究

吳 剛

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230009）

?

汽車變排量壓縮機(jī)的匹配研究

吳 剛

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230009）

摘 要：在汽車空調(diào)的設(shè)計匹配過程中，針對壓縮機(jī)工作不連續(xù)的問題進(jìn)行分析。從變排量壓縮機(jī)的工作特性著手，結(jié)合空調(diào)壓縮機(jī)的控制邏輯，找出問題的原因。對汽車變排量壓縮機(jī)的匹配提出針對性意見。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；內(nèi)控閥

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.019

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-55-03

引言

變排量汽車空調(diào)壓縮機(jī)的應(yīng)用漸漸成為主流，因為它相較于定排量壓縮機(jī)，有著運(yùn)行平穩(wěn)，減少噪音，降低油耗，室內(nèi)溫度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但是變排量壓縮的匹配比之定排量壓縮機(jī)存在著一定的復(fù)雜性，如果匹配不好的話，其變排量所擁有的優(yōu)點(diǎn)并不能體現(xiàn)出來。本文就從一個MPV匹配變排量壓縮機(jī)的過程中發(fā)生的問題來闡述變排量壓縮機(jī)的匹配。

在某MPV車型上，配備的壓縮機(jī)是最大排量180ml的內(nèi)控式變排量壓縮機(jī)，在匹配實驗時，發(fā)現(xiàn)怠速在最小風(fēng)量最大制冷的工況下，壓縮機(jī)離合器會頻繁切斷。在第一次切斷后，后面每1分鐘會切斷3次。

此款MPV的空調(diào)配置為前后三溫區(qū)自動空調(diào)，主副駕雙溫區(qū)由前HVAC提供，后排第三溫區(qū)由后HVAC提供。試驗在室外進(jìn)行，陽光強(qiáng)烈，氣溫36℃。

1、壓縮機(jī)切斷信號的來源

壓縮機(jī)離合器的吸合與斷開是由ECU給出信號，也就是說ECU是壓縮機(jī)的直接控制機(jī)構(gòu)。而ECU要控制壓縮機(jī)離合器吸合必須要有空調(diào)控制器的AC請求信號輸入。如圖1所示，ECU接收空調(diào)控制器的AC請求信號，發(fā)動機(jī)水溫信號，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號、冷媒壓力信號以及其他諸如急加速油門踏板信號等，ECU接收到這些信號后，根據(jù)內(nèi)部運(yùn)算邏輯，決定是否開啟壓縮機(jī)。在AC請求信號有效的情況下，水溫過高、急加速、冷媒壓力過高或過低等情況下，壓縮機(jī)離合器會被切斷，待這些信號恢復(fù)到設(shè)定值時，壓縮機(jī)恢復(fù)工作。在AC請求信號無效的情況下，壓縮機(jī)離合器不吸合。AC請求信號低電平有效。

在本次試驗中，壓縮機(jī)離合器頻繁斷開，首先需要確定是壓縮機(jī)離合器切斷信號的來源，是AC請求信號消失還是AC請求信號有效但ECU將壓縮機(jī)離合器切斷。

連接診斷接口，監(jiān)測ECU發(fā)出的壓縮機(jī)離合器吸合信號，以及ECU接收的壓力信號、水溫信號和控制器發(fā)出的AC請求信號等。在故障重現(xiàn)的時候，我們觀察到：ECU發(fā)出了切斷信號，水溫正常，冷媒壓力值正常，均未達(dá)到切斷壓縮機(jī)離合器的設(shè)定值。由此排除ECU自主切斷壓縮機(jī)離合器的可能。同時AC請求信號在壓縮機(jī)離合器斷開時為高電平，AC請求無效，可以確定壓縮機(jī)離合器的切斷請求是由空調(diào)控制面板發(fā)出的。

圖1　壓縮機(jī)控制邏輯

2、控制器的控制邏輯

空調(diào)控制器常用的控制策略是根據(jù)蒸發(fā)器表面溫度傳感器來決定是否切斷壓縮機(jī)離合器。如圖2所示，當(dāng)汽車空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)工作時，蒸發(fā)器表面溫度逐漸降低，空氣中的水分被析出，直至開始結(jié)冰。若結(jié)冰后蒸發(fā)器中的制冷劑繼續(xù)流動，則蒸發(fā)器表面會逐漸全部凝結(jié)成冰塊，以至氣流不能通過蒸發(fā)器，無法進(jìn)行熱交換，蒸發(fā)器無法工作。為控制蒸發(fā)器表面不結(jié)冰，系統(tǒng)靠切斷壓縮機(jī)離合器，終止壓縮機(jī)工作來控制蒸發(fā)器溫度。當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度過低時，控制器終止AC請求信號，壓縮機(jī)離合器切斷。蒸發(fā)器中制冷劑停止流動，溫度開始回升，當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度回升到設(shè)定值時，控制器發(fā)出AC請求信號，壓縮機(jī)離合器吸合開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2　控制器邏輯

按照試驗的外部環(huán)境，氣溫高，濕度低的情況下，蒸發(fā)器結(jié)霜的可能性不大，我們初步懷疑是否是控制器故障。在更換了控制器后，故障沒有消除。

排除了控制器的問題，我們把目光放在了蒸發(fā)器表面溫度傳感器上面。監(jiān)測蒸發(fā)器表面溫度傳感器的電壓后，數(shù)據(jù)顯示，在傳感器兩端電壓達(dá)到3.78V的時候壓縮機(jī)離合器切斷，根據(jù)圖3的溫度特性，此時溫度傳感器的溫度是1℃，這也正是蒸發(fā)器表面防結(jié)霜所預(yù)設(shè)的值。

從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來看，空調(diào)控制器、蒸發(fā)器表面溫度傳感器都沒有問題，壓縮機(jī)離合器切斷的原因是蒸發(fā)器表面溫度傳感器溫度達(dá)到了預(yù)設(shè)的壓縮機(jī)離合器切斷溫度。為了進(jìn)一步驗證這個原因，我們將蒸發(fā)器表面溫度傳感器放在HVAC殼體外，傳感器檢測到的就是室溫，不會下降到足以切斷壓縮機(jī)離合器的溫度。事實上，這樣做后，壓縮機(jī)離合器確實沒有切斷，進(jìn)一步印證了蒸發(fā)器表面溫度傳感器是導(dǎo)致壓縮機(jī)切斷的原因。

圖3　蒸發(fā)器表面溫度傳感器的溫度特性

在將蒸發(fā)器表面溫度傳感器外掛后，壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)行兩小時。期間持續(xù)監(jiān)測蒸發(fā)器表面溫度，出風(fēng)口溫度，用以確認(rèn)是否結(jié)霜。整個過程中，出風(fēng)口溫度平穩(wěn)，蒸發(fā)器表面溫度平穩(wěn)沒有波動，蒸發(fā)器一直沒有結(jié)霜。

3、變排量壓縮機(jī)的防結(jié)霜措施

雖然明確了蒸發(fā)器便面溫度傳感器在壓縮機(jī)切斷問題中所起的作用，但是仍然不能解決問題。此車型裝配斜盤式變排量壓縮機(jī)，并不同于一般的定排量壓縮機(jī)。定排量壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，通過膨脹閥的開度調(diào)節(jié)和壓縮機(jī)離合器的周期性吸合、斷開來調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的制冷量，這種方法平穩(wěn)性差，波動較大，壓縮機(jī)離合器的斷開和吸合還會造成抖動和噪音。變排量壓縮機(jī)通過制冷負(fù)荷的變化，連續(xù)平滑地改變活塞排量實現(xiàn)系統(tǒng)能量的調(diào)節(jié)。這種能量調(diào)節(jié)方法排量變化很平穩(wěn)，減小了排氣壓力波動及噪聲，并且在高速時節(jié)省能耗。

本車裝配的壓縮機(jī)工作特性如圖4所示，圖中兩條黑色曲線，左側(cè)曲線左方為最小排量區(qū)間，右側(cè)曲線右方為最大排量區(qū)間，兩條區(qū)間之間為中間排量區(qū)間。圖4的工作特性圖主要由壓縮機(jī)內(nèi)部的控制閥確定。將實測數(shù)據(jù)填入圖中，就可以知道各工況下壓縮機(jī)的工作狀態(tài)。

圖4　變排量壓縮機(jī)工作特性

根據(jù)變排量壓縮機(jī)的工作特性，在制冷負(fù)荷小的情況下，壓縮機(jī)應(yīng)該是減小排量，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而不是像定排量壓縮機(jī)一樣直接切斷。這也就是為什么前文中，蒸發(fā)器表面溫度傳感器外掛后，壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)行兩小時，蒸發(fā)器依然沒有結(jié)霜。我們把當(dāng)時采集到的壓力數(shù)據(jù)輸入圖4，數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在左側(cè)曲線的左邊（未在圖中體現(xiàn)），即最小排量狀態(tài)。

但是為什么蒸發(fā)器表面溫度傳感器正常工作時，壓縮機(jī)就會頻繁切斷呢，而不是減小排量繼續(xù)工作？我們將蒸發(fā)器表面溫度傳感器重新插在了蒸發(fā)器上，重現(xiàn)故障現(xiàn)象，記錄了壓縮機(jī)離合器切斷時的壓力數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)輸入圖4，得到橙色數(shù)據(jù)點(diǎn)（系列“風(fēng)量1檔”，數(shù)據(jù)有多組，均在該點(diǎn)附近分布，圖中未畫出），位于右側(cè)曲線附近，即最大排量與變排量的臨界點(diǎn)。說明壓縮機(jī)在即將進(jìn)入排量變化的時候就被切斷了。

理想的情況應(yīng)該是壓縮機(jī)在蒸發(fā)器表面溫度傳感器溫度到達(dá)結(jié)霜點(diǎn)前調(diào)節(jié)排量，保持制冷負(fù)荷和制冷量的平衡。

4、解決對策

4.1 改變傳感器預(yù)設(shè)的臨界溫度

吸氣壓力沒有降低到臨界壓力時，壓縮機(jī)一直是最大排量工作，這個臨界值是由壓縮機(jī)中的內(nèi)控閥控制的，是一個預(yù)先設(shè)置好的值。這個值是影響壓縮機(jī)什么時候變改排量的一個因素。然而什么時候切斷壓縮機(jī)，蒸發(fā)器表面溫度傳感器設(shè)的預(yù)設(shè)切斷溫度過高似乎是針對壓縮機(jī)離合器頻繁切斷問題的一個更直接的原因。因為這個預(yù)設(shè)溫度過高，導(dǎo)致壓縮機(jī)在工作時一直是最大排量，當(dāng)它轉(zhuǎn)入變排量工作時，蒸發(fā)器表面溫度已經(jīng)達(dá)到了切斷壓縮機(jī)離合器的預(yù)設(shè)值。這樣壓縮機(jī)相當(dāng)于一個定排量壓縮機(jī)，因為它對應(yīng)的變排量壓力區(qū)間都處于被切斷的狀態(tài)，完全沒有發(fā)揮出其作為變排量壓縮機(jī)的優(yōu)勢。

在前面的描述中，我們知道在將蒸發(fā)器表面溫度傳感器外掛之后，僅靠壓縮機(jī)自身的排量調(diào)節(jié)依然可以保持最低風(fēng)速最大制冷工況下不結(jié)霜。直接將蒸發(fā)器表面溫度傳感器的臨界溫度調(diào)低一點(diǎn)，拓寬壓縮機(jī)的工作壓力區(qū)間，發(fā)揮出它的變排量優(yōu)勢似乎是一個可行的方法。但是尤為重要的是，這個臨界溫度應(yīng)該下調(diào)多少。下調(diào)過少，無法解決壓縮機(jī)離合器頻繁切斷的問題，可能只是切斷的頻率降低。下調(diào)過多，蒸發(fā)器表面溫度傳感器防結(jié)霜的功能就有可能喪失。

這個臨界溫度值的確定通常要通過大量的試驗得到，這個值跟傳感器在蒸發(fā)器表面的位置以及安裝方式都有關(guān)系，常見的有插入式和非插入式。插入式的臨界溫度就要比非插入式的要低。此車是插入式傳感器，所以其預(yù)設(shè)切斷壓縮機(jī)溫度還可以降低一些，然后試驗驗證是否合適。

4.2 改變壓縮機(jī)預(yù)設(shè)的壓力值

變排量壓縮機(jī)的排量調(diào)節(jié)由其自身的內(nèi)控閥控制，它根據(jù)吸排氣壓力自動調(diào)節(jié)斜盤角度，進(jìn)而調(diào)氣缸節(jié)活塞行程，導(dǎo)致排量變化。圖4中有三個區(qū)間，分別是最大排量區(qū)間、變排量區(qū)間（介于最大排量和最小排量之間）、最小排量區(qū)間，這三個區(qū)間的分布跟壓縮機(jī)內(nèi)控閥的參數(shù)息息相關(guān)。

在為了達(dá)到更好的制冷效果時，設(shè)計人員會改變內(nèi)控閥的參數(shù)，將圖4中的兩條邊界曲線左移，以增大最大排量區(qū)間。這樣做的目的是讓壓縮機(jī)在更多的工況下保持最大排量工作，增大制冷量。但是這樣做的缺點(diǎn)是，增加功耗，進(jìn)入變排量工作的時刻延后，極端的情況就是本文中頻繁切斷壓縮機(jī)的現(xiàn)象。

將圖4中的兩條邊界曲線右移，增大最小排量區(qū)間。這樣做之后，壓縮機(jī)響應(yīng)更靈敏，在工作中很容易就能達(dá)到變換排量所需的壓力條件，會有比較長的時間工作在變排量狀態(tài)下。其優(yōu)點(diǎn)是功耗低，波動小，缺點(diǎn)是變排量時制冷量降低，極端情況就是制冷不足。

可見變排量壓縮機(jī)的三個工作區(qū)間并不是非左即右的關(guān)系，而是一個平衡的關(guān)系，既要在需要強(qiáng)大制冷時提供最大排量，也要在制冷壓力不大時換成小排量。所以壓縮機(jī)匹配空調(diào)系統(tǒng)時，需要對其進(jìn)行標(biāo)定，確定最合適的壓力參數(shù)。

5、總結(jié)

壓縮機(jī)離合器頻繁切斷，看似可能是硬件的故障，結(jié)果卻是硬件全部正常，其原因在于對空調(diào)系統(tǒng)的各個零部件的匹配不合適。不同車型不同的空調(diào)系統(tǒng)，支撐其正常工作的各個參數(shù)并不相同，需要仔細(xì)匹配。本文中所述的某MPV車型空調(diào)壓縮機(jī)離合器頻繁切斷的問題，正是因為壓縮機(jī)的內(nèi)控閥參數(shù)以及蒸發(fā)器表面溫度傳感器的預(yù)設(shè)切斷溫度匹配不合理造成的。最后經(jīng)過試驗，調(diào)低了蒸發(fā)器表面溫度傳感器的預(yù)設(shè)切斷溫度，并將壓縮機(jī)的工作區(qū)間邊界曲線左移，壓縮機(jī)頻繁切斷的問題徹底解決，兼顧了舒適性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳孟湘. 汽車空調(diào)[M]上海:上海交通大學(xué)大學(xué)出版社, 2001.

[2] 方貴銀，李輝. 汽車空調(diào)技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3] 竇春鵬，田長青等，變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)用熱力膨脹閥的實驗研究[J]. 制冷與空調(diào),2001.10：9-11.

[4] 邱雪，變排量汽車空調(diào)壓縮機(jī)的技術(shù)改進(jìn)研究[J]. 機(jī)械工程師,2013.9：59-60.

中圖分類號：U463.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-55-03

作者簡介：吳剛，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。

Study on Matching of Automotive Air Condition Compressor

Wu Gang
( The Center of Technology of Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230009 )

Abstrct: In the process of matching Automotive Air Condition Compressor, we analyse the problem of Compressor work break off. Base on the working character and control logic of Automotive Air Condition Compressor, we can find the cause of the problem, and give proposal to matching Automotive Air Condition Compressor.

Keywords:compressor; cintrol valve