汽車空調(diào)變排量壓縮機(jī)熱力過程特性建模

變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)采用試驗(yàn)方法進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)時，存在諸如系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象和蒸發(fā)器結(jié)霜等問題。因此，細(xì)致深入地研究斜板式變排量壓縮機(jī)行程變化規(guī)律，是當(dāng)前廣泛應(yīng)用并改善這種變排量汽車空調(diào)系統(tǒng)亟待解決的問題。本文利用斜板式變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用實(shí)驗(yàn)擬合的方法建立的斜板式變排量壓縮機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，進(jìn)行了斜板式變排量壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性的分析研究。

【關(guān)鍵詞】變排量壓縮機(jī) 系統(tǒng)特性

變排量壓縮機(jī)于上世紀(jì)80年代中期被正式生產(chǎn)出來，并應(yīng)用到汽車空調(diào)系統(tǒng)中替代定排量壓縮機(jī)。變排量壓縮機(jī)的工作容量，即排氣量可以隨著制冷環(huán)境熱負(fù)荷大小的變化，自動地調(diào)節(jié)改變，并以氣缸結(jié)構(gòu)的最大容量為上限，無級變動活塞行程以改變壓縮機(jī)氣缸容積。

變排量壓縮機(jī)的研制生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，是汽車空調(diào)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步，具有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，提高了汽車空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1 壓縮過程模型建立

1.1 變排量壓縮機(jī)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1是這種變排量壓縮機(jī)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主體部分包括斜板式變排量壓縮機(jī)、冷凝器、電子膨脹閥和量熱計(jì)等部件。由變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化控制；壓縮機(jī)排氣壓力變化由冷凝風(fēng)扇的變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)；運(yùn)用制冷劑量熱器法測量壓縮機(jī)的制冷量，空調(diào)負(fù)荷改變由量熱計(jì)中加熱器的功率變化實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)測量的參數(shù)主要包括，使用流量計(jì)測量制冷劑質(zhì)量流量；采用行程測量裝置測量活塞行程；采用電渦流傳感器測量壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；鉑熱電阻溫度計(jì)測量制冷劑在系統(tǒng)中各位置的溫度，其測量精度為±0.1℃；采用電壓輸出型壓力傳感器測量制冷劑壓力，測量精度為±0.1%。

1.2 壓縮過程模型

從壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及壓縮過程原理分析，為了得到制冷劑質(zhì)量流量Mr、排氣溫度Td與活塞行程Sp、吸氣壓力Ps、排氣壓力Pd、吸氣溫度Ts和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速Nc的關(guān)系。根據(jù)分析，質(zhì)量流量Mr由下式計(jì)算：

變排量壓縮機(jī)壓縮過程的模型由式（2）和（3）共同組成，因此在全行程和部分行程狀態(tài)下，變排量壓縮機(jī)指示效率和容積效率是計(jì)算壓縮機(jī)排氣量和排氣狀態(tài)焓值需要得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。對于定排量壓縮機(jī)而言，容積效率和指示效率可以通過明確解析式表達(dá)，但卻不能應(yīng)用于部分行程狀態(tài)的變排量壓縮機(jī)。本文運(yùn)用多項(xiàng)式擬合方法，通過實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，來得到變排量壓縮機(jī)的指示效率和容積效率經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

1.3 容積效率和指示效率的影響因素

壓縮機(jī)的容積效率是壓縮機(jī)實(shí)際容積流量和理論容積流量之比，在壓縮機(jī)實(shí)際工作過程中，壓縮機(jī)的容積效率等于四個系數(shù)的乘積：

以上系數(shù)分別對應(yīng)了四個影響容積效率的主要因素，即氣缸余隙容積的影響、吸排氣閥阻力的影響、吸氣過程中氣體被加熱程度的影響以及漏氣量的影響，可以根據(jù)公式（4），通過這四個系數(shù)的變化趨向來對各參數(shù)影響容積效率的規(guī)律加以分析。

變排量壓縮機(jī)的主要性能參數(shù)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮比和活塞行程變化會直接造成四個系數(shù)的改變，從而影響變排量壓縮機(jī)使之容積效率發(fā)生變化。當(dāng)變排量壓縮機(jī)的壓縮比ε，即排氣壓力Pd與吸氣壓力Ps之比增大，余隙系數(shù)和節(jié)流系數(shù)減小；同時，壓縮比增大，當(dāng)排氣壓力Pd不變時，則吸氣壓力Ps減小，對應(yīng)的吸氣溫度降低，壓縮機(jī)的泄漏量和吸氣加熱量將增大，即氣密系數(shù)和預(yù)熱系數(shù)將減小。

1.4 容積效率和指示效率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

先通過實(shí)驗(yàn)在較大范圍內(nèi)分別變化壓縮比、轉(zhuǎn)速和活塞行程，得到相應(yīng)的容積效率和指示效率的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)對容積效率和指示效率變化趨勢的影響參數(shù)的分析，可將變排量壓縮機(jī)的容積效率ηv擬合成壓縮比ε、轉(zhuǎn)速Nc和相對行程（活塞在部分排量時的行程和全排量時的行程之比）的函數(shù)：

2 斜板式變排量壓縮機(jī)特性分析

當(dāng)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)在實(shí)際工況下運(yùn)行時，斜板式變排量壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨汽車發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速改變而改變，活塞行程也會自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使壓縮機(jī)排氣量適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷變化。變排量壓縮機(jī)綜合不同運(yùn)行狀況來看，可以實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)速定行程、變轉(zhuǎn)速定行程、定轉(zhuǎn)速變行程和變轉(zhuǎn)速變行程四種不同運(yùn)行狀況。本文在斜板式變排量壓縮機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)上，對這四種運(yùn)行狀況下制冷劑質(zhì)量流量Mr和壓縮機(jī)指示功率Pi的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 定轉(zhuǎn)速定行程特性規(guī)律

當(dāng)轉(zhuǎn)速不發(fā)生改變，同時處于最大行程狀態(tài)時，斜板式變排量壓縮機(jī)就相當(dāng)于固定轉(zhuǎn)速下的普通壓縮機(jī)。當(dāng)吸氣壓力Ps增大時，壓縮比會減小，容積效率提高，所以使得制冷劑質(zhì)量流量Mr增大，同時壓縮機(jī)指示功率Pi也隨之增大。

2.2 變轉(zhuǎn)速定行程特性規(guī)律

當(dāng)活塞處于最大行程，變排量壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，隨著轉(zhuǎn)速Nc和吸氣壓力Ps的增加，制冷劑質(zhì)量流量Mr和壓縮機(jī)指示功率Pi增加，圖2和圖3表示活塞處于最大行程，假定Pd=1.5MPa，吸氣過熱10℃時，不同轉(zhuǎn)速下的Mr-Ps關(guān)系曲線和Pi-Ps關(guān)系曲線。壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下所能保持最大行程的最小吸氣壓力不同，因此每條曲線起點(diǎn)的壓力均不相同。

2.3 定轉(zhuǎn)速變行程特性規(guī)律

如果在汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，空調(diào)負(fù)荷發(fā)生變化，變排量壓縮機(jī)就會自動調(diào)節(jié)活塞行程來使排氣量適應(yīng)于空調(diào)負(fù)荷的變化，這就是定轉(zhuǎn)速變行程的運(yùn)行狀態(tài)。此狀態(tài)下，因?yàn)榛钊谐套兓秶南拗?，Mr-Ps的關(guān)系和Pi-Ps的關(guān)系會出現(xiàn)調(diào)節(jié)滯區(qū)。行程變化時的Mr-Ps關(guān)系曲線和Pi-Ps關(guān)系曲線如圖4和圖5所示，此時假定Nc=2000r/min，Pd=1.5MPa，吸氣過熱10℃。從圖中可以看出，Mr與Ps以及Pi與Ps在變行程范圍內(nèi)是一種多值對應(yīng)的關(guān)系。

2.4 變轉(zhuǎn)速變行程特性規(guī)律

在汽車空調(diào)實(shí)際運(yùn)行的情況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和活塞行程可能都會發(fā)生改變，這種變轉(zhuǎn)速變行程的運(yùn)行狀態(tài)是變排量壓縮機(jī)運(yùn)行過程中最復(fù)雜的情況。圖6和圖7分別是壓縮機(jī)變行程時，不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下的Mr-Ps關(guān)系曲線和Pi-Ps關(guān)系曲線，此時假定Pd=1.5MPa，吸氣過熱10℃。這種關(guān)系曲線圖表示出，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越大，Mr-Ps曲線和Pi-Ps曲線的調(diào)節(jié)滯區(qū)都越向Ps減小、Mr和Pi增加的方向移動。

3 結(jié)論

綜合以上對斜板式變排量壓縮機(jī)排量變化規(guī)律的分析，斜板式變排量壓縮機(jī)能夠以各種不同的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)工作目的，壓縮機(jī)的排量和指示功率表現(xiàn)出存在調(diào)節(jié)滯區(qū)的特性。因?yàn)榛钊谐陶{(diào)節(jié)滯區(qū)的影響，斜板式變排量壓縮機(jī)與定排量壓縮機(jī)性能參數(shù)曲線的對應(yīng)關(guān)系不同，各特性參數(shù)在變行程范圍內(nèi)為多值對應(yīng)關(guān)系；在車內(nèi)制冷負(fù)荷等系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化之時，斜板式變排量壓縮機(jī)會自動調(diào)節(jié)活塞行程，使制冷量和負(fù)荷相適應(yīng)。

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作者簡介

羅強(qiáng)（1976-），男，四川省遂寧市人。現(xiàn)四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系講師。研究方向?yàn)闊崮芄こ獭?/p>

作者單位

四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系 四川省遂寧市 629000