節(jié)能型汽車空調壓縮機綜合試驗臺的研制

楊二陽 李征濤 楊淑玲 戎耀鵬 韓聰

摘 要： 汽車空調壓縮機是汽車空調系統(tǒng)的核心，檢測其質量性能的設備大多性能單一，且結構和原理基本相似，大多采用第二制冷劑量熱器法?；趬嚎s機排氣管道量熱器法和制冷劑氣體冷卻法，結合某企業(yè)技術協(xié)議的要求研制了性能和耐久性綜合試驗臺。介紹了試驗臺的總體設計方案和系統(tǒng)組成，并對其工作原理和關鍵部件的選型設計進行了闡述。該試驗臺最大特點是將部分零件模塊化。與傳統(tǒng)的測試設備相比，該試驗臺便于連續(xù)進行測試。該試驗臺的測試誤差均在標準規(guī)定的精度范圍內，滿足了企業(yè)的測試要求。研究為其他相似試驗臺的設計提供了借鑒。

關鍵詞： 汽車空調； 壓縮機試驗臺； 節(jié)能； 模塊化

中圖分類號： TB 657； U 467 文獻標志碼： A

Development of an Energysaving Compressor Test

Bench for Automotive Airconditioner

YANG Eryang， LI Zhengtao， YANG Shuling， RONG Yaopeng， HAN Cong

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Compressor is the core part of automotive airconditioner system.And its performance testing equipment was mostly simple with similar construction and principles by means of the second refrigerant calorimeter method.A new set of performance and durability test bench was developed in this study based on the compressor exhaust pipe calorimeter method and refrigerant gas cooling method，in accordance with an enterprise technical agreement.The overall design scheme and system composition were introduced.Its working principles and selection design of key components were described in detail.The biggest characteristic of this test bench was the modularization of some components.Compared with traditional testing equipment，the new one was convenient for doing some continuous tests.The deviation from this test bench met well with the testing standards，which could satisfy the companys testing demands as well.It could provide some references for the design of other similar test benches.

Keywords： automobile airconditioner； compressor test bench； energy conservation； modularization

隨著汽車大量進入尋常百姓家，人們對室內生活環(huán)境的各種需求就延續(xù)到汽車中，汽車空調便成為滿足人們對車廂環(huán)境要求的裝置。壓縮機是空調器的心臟，其壽命直接影響汽車空調的有效使用時間[1]，其性能影響能量的使用效率。壓縮機綜合性能試驗臺可用來評價汽車空調壓縮機的好壞。對于長時間的耐久性試驗，節(jié)能型試驗設備就顯得尤為重要。

目前國外很多公司和科研機構都有專門的壓縮機耐久性試驗臺和性能試驗臺，但對于綜合性能的試驗臺很少有研究[2]。國內試驗臺大都沿用傳統(tǒng)的測量方法（如第二制冷劑量熱器法）將性能和耐久性試驗分開測試。王磊等[3]、方大偉等[4]、王曉燕[5]都利用第二制冷劑量熱器法研制了相應的壓縮機性能試驗臺；傅琦等[6]在考察了國內和國外的耐久性試驗臺（主要包括上海易初公司、奧迪汽車公司、日產汽車公司、天津三電汽車空調公司等）的基礎上，自行設計了一套試驗臺。該試驗臺能夠在較大范圍內滿足壓縮機耐久性測試的要求，并且使用了當時比較先進的X86計算機等控制儀器。張中秀等[7]、溫彩霞等[1]和林子良等[8]都在前人的研究基礎上對耐久性試驗臺進行了設計和優(yōu)化，分別得出系統(tǒng)分塊、工況的合理調節(jié)和壓力調節(jié)時的優(yōu)化方案。

本試驗臺根據(jù)GB/T 21360—2008《汽車空調用制冷壓縮機》[9]和GB/T 5773—2004《容積式制冷壓縮機性能試驗方法》[10]，并結合企業(yè)要求，提出將壓縮機排氣管道量熱器法和制冷劑氣體冷卻法作為本試驗臺的試驗方法。對于壓縮機耐久性試驗，利用被測壓縮機旁通熱氣的熱量消耗經過冷凝器的制冷劑得到的冷量，無需其他熱量來消耗被測壓縮機系統(tǒng)的制冷量，故其能量消耗少于傳統(tǒng)測量方法，實現(xiàn)節(jié)能設計；壓縮機性能試驗中，制冷劑氣體冷卻法為主要測量方法（主測），壓縮機排氣管道量熱器法為輔助測量方法（輔測）。

1 設計基本要求

1.1 技術要求

本試驗臺依據(jù)相關國家標準及企業(yè)要求，應具有壓縮機轉速可調、吸排氣溫度壓力控制、環(huán)境箱溫度控制、恒溫水控制、壓差保護及自檢報警控制系統(tǒng)等功能。測試壓縮機性能時應能準確計算或測量空調壓縮機的制冷量（最主要參數(shù)）、功率、容積效率、等熵效率和制冷系數(shù)，并為汽車空調系統(tǒng)設計提供可參考的制冷量和能量效率，最終為產品開發(fā)、優(yōu)化設計和計量檢測提供實際支持。

1.2 性能指標

試驗性能指標分別為：壓縮機最大制冷量為8 kW；被測壓縮機排量范圍為60～240 cm3·r-1；試驗臺適用的制冷劑為R134a。

能源研究與信息2018年 第34卷

第1期楊二陽，等：節(jié)能型汽車空調壓縮機綜合試驗臺的研制

測試項目分別為耐久性試驗和性能試驗，各試驗工況分別如表1、2所示。

表1 耐久性試驗工況

Tab.1 Conditions for the durability test

表2 性能試驗工況

Tab.2 Conditions for the performance test

試驗臺工況調節(jié)范圍及精度分別為：吸氣壓力為（0～0.6）MPa±0.50%FS（%FS指滿量程的百分比）；排氣壓力為（1.0～3.0）MPa±0.25%FS；被測壓縮機環(huán)境溫度為（40～150）℃±1.0 ℃；被測壓縮機轉速為（0～8 000）r·min-1±20 r·min-1；離合器通斷時間為（0～999）h±0.5 s。

2 試驗臺的系統(tǒng)組成和工作特點

本試驗臺包括五大部分：被測壓縮機系統(tǒng)、制冷劑回收和抽真空系統(tǒng)、恒溫箱系統(tǒng)、恒溫水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中被測壓縮機系統(tǒng)為該試驗臺的主要部分，其余為實現(xiàn)測試功能和方便測試的輔助部分。抽真空系統(tǒng)在被測壓縮機安裝好后對試驗臺整個系統(tǒng)回路進行抽真空，為系統(tǒng)充注制冷劑做準備；恒溫箱系統(tǒng)是為被測壓縮機模擬實際運行環(huán)境；恒溫水系統(tǒng)為試驗臺的冷卻提供充足的冷源；制冷劑回收系統(tǒng)用于測試結束后回收系統(tǒng)中的制冷劑，為下一次試驗做好準備。控制系統(tǒng)主要為數(shù)據(jù)的實時采集和通訊、試驗工況切換和調整、自檢和報警等。總體系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)結構示意圖

Fig.1 Structural diagram of the overall system

本試驗臺設計時遵照實用可靠、節(jié)能合理、準確高效的原則，其最大的工作特點是節(jié)能、功能多、部件模塊化、零部件利用率高。當進行汽車空調壓縮機耐久性試驗時，試驗臺轉換至耐久模式，利用被測壓縮機排出的部分高溫制冷劑加熱剩余部分的經系統(tǒng)冷凝節(jié)流的低溫制冷劑，從而不需要額外的外部熱源來抵消系統(tǒng)制冷量，以實現(xiàn)節(jié)能目的。本試驗臺還可以在不拆除被測壓縮機的情況下，完成性能試驗后直接進行耐久性試驗，節(jié)省了研發(fā)工程量。系統(tǒng)部件的模塊化包括水泵模塊、抽真空和回油模塊、環(huán)境箱模塊、節(jié)流模塊、測量頭模塊等。當系統(tǒng)抽真空結束后，制冷劑回收系統(tǒng)的壓縮機即可用作恒溫箱系統(tǒng)的壓縮機，一個部件多種用途，減少了設備初始投資。

2.1 主要系統(tǒng)工作原理

為了設計多功能測試試驗臺，通過對壓縮機各性能測試方法進行研究，選用一種壓縮機性能測試方法，并和用于耐久性試驗臺的測試方法融合在同一個系統(tǒng)中。耐久性試驗時，試驗臺為被測汽車空調壓縮機提供運行條件，即吸氣壓力和溫度、排氣壓力和溫度、制冷劑質量流量、轉速等參數(shù)即可。性能試驗時，則需要根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出被測汽車空調壓縮機的額定制冷量，并確保用主測、輔測測得的數(shù)據(jù)偏差在4%以內。故又兼顧節(jié)能要求選擇制冷劑氣體冷卻法作為性能試驗和耐久性試驗的主測；出于最大設備利用率和節(jié)約投資的考慮，試驗臺選配壓縮機排氣管道量熱器法作為性能試驗時的輔測。該試驗臺的工作原理如圖2所示，圖中0～7均為制冷劑的狀態(tài)點。

圖2 工作原理圖

Fig.2 Working principle diagram

對應測點的壓焓圖如圖3所示，圖中：p為壓力；h為焓；點3′為制冷劑分兩路引起壓力降低后的狀態(tài)點；fl代表壓縮機排氣壓力對應的制冷劑飽和液體的狀態(tài)點；下標f表示制冷劑為液體狀態(tài)；下標g表示制冷劑為氣體狀態(tài)；各數(shù)字分別對應圖2中的各狀態(tài)點。

圖3 壓焓圖

Fig.3 Pressureenthalpy figure

制冷劑氣體冷卻法主要利用由壓縮機排氣口分出的部分熱制冷劑氣體加熱另一部分被冷凝器冷卻節(jié)流后的低溫制冷劑，兩者在混合器中混合后達到壓縮機吸氣狀態(tài)，重新回到壓縮機完成循環(huán)；壓縮機排氣管道量熱器法是利用經過排氣管道上電加熱器的加熱量與被測壓縮機的制冷量成比例的原理，即系統(tǒng)中制冷劑質量流量不變。

被測壓縮機性能和耐久性試驗中需測量的參數(shù)有：被測壓縮機吸氣和排氣口制冷劑氣體壓力、溫度；量熱器進口和出口制冷劑氣體壓力、溫度；量熱器電加熱功率′；混合器進口和出口制冷劑氣體壓力、溫度；膨脹閥前制冷劑液體壓力、溫度；環(huán)境箱溫度ta；電加熱量熱器的表面平均溫度tc；混合器中制冷劑的平均飽和溫度tr；被冷凝的制冷劑質量流量qml；電機輸入功率W。

為保證試驗臺正常工作，需監(jiān)控的參數(shù)有：恒溫箱中水溫和液位高度；混合器的漏熱量1；電加熱量熱器的漏熱量2；取樣器測得的含油量（質量分數(shù)）。

測量及監(jiān)控的參數(shù)所用的儀器有：溫度測量選用千野公司的Pt100系列鉑電阻，測試范圍為-70～500 ℃；壓力測量采用通用公司旗下的德魯克PTX5072型壓力傳感器，精度等級為±0.2%；轉速控制采用三墾VM06系列變頻器；轉速傳感器采用倍加福公司的ML100光電傳感器，并配合愛模集團的M5PA型型號轉換器；流量計采用Micro Motion生產的DS025S113SB質量流量計，其量程為0.18～680 kg·h-1，測量精度為±0.15%；PID調節(jié)器采用UT550，精度等級為±0.1%；數(shù)據(jù)采集器采用橫河（YAKOGAWA）DARWIN系列的DA100，支持PC機（帶有RS232通訊口），采集高速（300信道/500 ms）；電參數(shù)測試儀采用日本橫河功率計WT330，其基本精度為讀數(shù)的0.1%。

利用制冷劑氣體冷卻法和排氣管道量熱器法得出的被測壓縮機制冷量計算式如表3所示，其中：F1、F2分別為混合器和電加熱量熱器的漏熱系數(shù)；νga、νgl分別為進入壓縮機的制冷劑蒸汽實際比容、與規(guī)定基本試驗工況時相對應的吸入工況時制冷劑蒸汽的比容。

表3 制冷量計算式

Tab.3 Formula for calculating the refrigerating capacity

綜上所述，由測量參數(shù)即可得出被測汽車空調壓縮機的制冷量及其他所需參考量。制冷劑回路中被測壓縮機排出的高溫高壓氣體進入電加熱量熱器被加熱，再從量熱器出來分成兩路：一部分經冷凝器、流量計節(jié)流噴入混合器；另一部分經旁通閥直接節(jié)流進入混合器，冷量和熱量達到中和成為低壓氣體，從而重新被壓縮機吸氣口吸入。主、輔測相結合便形成了本試驗臺的工作原理。根據(jù)能量守恒，單位時間內冷卻水從冷凝器中帶走的熱量在數(shù)值上等于壓縮機的輸入功率和電加熱量熱器的功率及單位時間內各處漏熱量之和。其中測試汽車壓縮機性能試驗時主、輔測兩種方法同時使用，制冷劑氣體冷卻法為校核測量；當進行耐久性試驗時，關閉電加熱量熱器，只利用制冷劑氣體冷卻法，以實現(xiàn)節(jié)能目的。

2.2 輔助系統(tǒng)設計原理

整個系統(tǒng)的設計主要是為了實現(xiàn)上述工作過程，故除被測系統(tǒng)外，還應有滿足主系統(tǒng)要求的輔助系統(tǒng)。被測壓縮機應便于安裝，要滿足運行前的條件，試驗臺的控制精度以及必要的檢修維護等均需考慮。本試驗臺的設計要點為：

（1） 被測壓縮機的環(huán)境箱溫度由恒溫箱系統(tǒng)提供。其主要組成部分為一套制冷裝置、電加熱裝置、風機和相應的風箱。當系統(tǒng)進行排氣閥泄漏率試驗和制冷劑泄漏量試驗時，恒溫箱中的風機又可充當排風機。

（2） 將抽真空系統(tǒng)和制冷劑回收系統(tǒng)做成一個模塊，可方便設備安裝和系統(tǒng)調試。

（3） 對測量裝置進行集成，如溫度計和壓力計及相應的轉換器集成為測量頭，使安裝更為方便，減少了現(xiàn)場工程安裝量。

（4） 整個試驗臺的冷凝器以及過冷器中的水都由一個恒溫水系統(tǒng)提供[8]。采用三通閥調節(jié)被冷卻對象的溫度。恒溫水系統(tǒng)還包括一套制冷裝置、電加熱裝置和循環(huán)水泵及二次泵。

（5） 試驗的被測對象具有強耦合、大慣性等特點[5]。為了削弱耦合并提高試驗臺的測試精度，故增加過冷器并結合電加熱器來決定過冷度大小[3-4]。另外，在被測壓縮機吸氣管道上的渦旋流量計前、后均應加設脈動緩沖器，以降低測量誤差[11]。

結合試驗臺的工作原理、設計原則以及上述設計要點，節(jié)能型汽車空調壓縮機綜合性能試驗臺系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 綜合試驗臺系統(tǒng)流程

Fig.4 Flowchart of the test bench

3 關鍵部件設計及選型

試驗臺設計過程中，根據(jù)被測汽車空調壓縮機的理論排氣量初步選定試驗臺的其他部件時，需要考慮壓縮機的容積效率ην的影響。陳汝東[12]指出：影響容積效率的因素很多，即使對于結構形式和使用制冷劑都已知的壓縮機，其值通常也很難用公式進行計算，只能通過試驗求得。傅烈虎等[13]通過試驗研究擬合出開啟式壓縮機在變轉速情況下的汽車空調壓縮機容積效率ην公式，即

ην=[1-c（ε1m-1）]λ（1）

λ=9.86×10-1-2.916×10-2ε+1.15×

10-3ε2-3.19×10-8n2+1.42×

10-9εn2+5.14×10-11ε2n2（2）

式中：常數(shù)c=2.5 × 10-2；常數(shù)m=1.0；壓比ε=2～10；λ為壓縮機容積系數(shù)；n為壓縮機轉速。

結合各運行工況分別得出的容積效率系數(shù)如表4、5、6所示，其中“-”表示不適用此速度工況。

表4 低速工況下容積效率系數(shù)

Tab.4 Volumetric efficiency at low speed

式中：Qh、ν分別為被測壓縮機理論排量和吸氣壓力下的比容。

結合各狀態(tài)點計算系統(tǒng)最大的制冷劑質量流量qmfmax為321.60 kg·h-1，其所在的工況條件為：壓縮機理論排量為240 cm3·r-1；吸氣壓力為450 kPa；排氣壓力為2 510 kPa；轉速為1 500 r·min-1。該工況下壓比為5.58，吸氣容積效率ην為0.716，該工況下的冷凝器負荷為3.34 kW。

表5 高速工況下容積效率系數(shù)

Tab.5 Volumetric efficiency at high speed

冷凝器最大負荷出現(xiàn)的工況為：壓縮機排量為240 cm3·r-1；吸氣壓力為450 kPa；排氣壓力為2 860 kPa；轉速為1 500 r·min-1。該工況下壓比為6.36，吸氣容積效率ην為0.693，冷凝器負荷為3.47 kW。根據(jù)滿足本試驗臺技術要求的熱力計算，冷凝支路套管式冷凝器負荷最大為3.47 kW，乘以富余系數(shù)1.15，即為3.99 kW，取整即為4 kW。因此采用杭州某公司定制加工的套管式冷凝器，其換熱量為4 kW，滿足本試驗臺的要求。

為實現(xiàn)本試驗臺運行過程中制冷劑質量流量的自動調節(jié)，從而實現(xiàn)混合器中溫度、壓力的自動調節(jié)，同時為了保證系統(tǒng)精度的要求，本試驗臺選擇富士金公司生產的SR100系列電子膨脹閥，并結合壓縮機類型、不同排量和節(jié)流壓力差，選擇的具體型號為S2TR115WDE15R3，流通能力值Cv為0.025，安裝過程中并聯(lián)世偉洛克針閥，以配合后期調試及調節(jié)使用。

混合器由一容器構成，在此用一個特制的氣液分離器代替。制冷劑液體從側面管口噴入，以便吸收旁通管路中經節(jié)流閥過來的從底部進入混合器的制冷劑的熱量。選取原則為

Def=4Gνπω（4）

式中：Def為氣液分離器的直徑；G為經過氣液分離器的供液量；ω為制冷劑氣體的流速，一般取ω=0.5 m·s-1。

混合器的高度約為直徑的3～4倍。再對比各公司系列產品型號，選擇合適的產品并進行試驗驗證。本試驗臺選用艾默生生產的AAS 3105，直徑為76.2 mm，高度為254.0 mm的氣液分離器。

熱氣旁通支路承擔著調節(jié)和控制壓縮機吸氣壓力的任務，其優(yōu)良特性有：① 防止系統(tǒng)吸氣壓力過低；② 防止制冷循環(huán)短路；③ 防止蒸發(fā)器結冰；④ 回油性能良好。在壓縮機排出端管路上，經過分流三通后，旁通閥將一部分溫度和壓力均較高的氣體直接旁通至蒸發(fā)器的前部管路[14]。熱氣旁通閥的制冷量主要由所選用的旁通閥的流通能力R決定，然而R的大小最終由該旁通閥在調節(jié)狀態(tài)下的開度P0和其初始狀態(tài)下開度Z的差值P0決定。本試驗臺使用Parker公司生產的SDR系列電子熱氣旁通閥，具體型號為SDR3，使用時并聯(lián)世偉洛克針閥，以配合后期調試及調節(jié)使用。

4 工況調節(jié)

（1） 被測壓縮機的排氣壓力可以通過冷凝器中冷卻水流量調節(jié)，即調節(jié)水系統(tǒng)中回水管路三通閥的開度。通過改變冷凝器的進水溫度進而改變冷凝換熱量，使得被測系統(tǒng)的冷凝壓力得到控制。

（2） 被測壓縮機的吸氣壓力是通過調節(jié)膨脹閥和熱氣旁通閥的開度來實現(xiàn)控制。過冷器的使用使得節(jié)流前的壓力得到控制，并結合膨脹閥的調節(jié)使得混合器中的壓力基本得到控制。當經旁通閥的制冷劑氣體進入混合器時，與節(jié)流后的低壓制冷劑混合達到壓縮機的吸氣壓力。

（3） 被測壓縮機的吸氣溫度主要由熱氣旁通閥的開度調節(jié)。被旁通的高溫制冷劑氣體與節(jié)流后的低溫制冷劑混合得到壓縮機吸氣溫度下的制冷劑氣體。

（4） 恒溫箱溫度是由空調柜中的蒸發(fā)器和電加熱器共同控制。其中蒸發(fā)器是由恒溫箱系統(tǒng)的制冷裝置提供。

（5） 被測壓縮機轉速的調節(jié)是通過光電開關測得脈沖信號并送入轉換器，并通過變頻器改變電動機的電壓頻率，從而達到調節(jié)被測壓縮機轉速的目的。當進行耐久性試驗時，被測壓縮機的啟停主要由電磁離合器控制，使得壓縮機輪跟隨或隔離外部帶輪。其通斷時間和次數(shù)主要由多功能計時計數(shù)器調節(jié)。

5 結 論

本文研制了一種基于制冷劑氣體冷卻法和排氣管道量熱器法的節(jié)能型汽車空調壓縮機綜合試驗臺。該試驗臺能夠進行汽車空調壓縮機的性能測試和耐久性測試。該試驗臺滿足國家標準要求和企業(yè)要求，并順利通過企業(yè)驗收。本試驗臺響應迅速、波動小、耗能低、控制精度高，溫度控制精度達±0.2 ℃。兩種方法的測量結果偏差小于4.0%。

基于制冷劑氣體冷卻法的試驗臺的設計為汽車空調壓縮機耐久性試驗節(jié)約了大量的能耗；初次嘗試一個部件兼顧多種用途，實現(xiàn)零部件的高效利用，節(jié)約了試驗臺的初始投資。同時也為工程設計人員提供了節(jié)能的新思路。

本試驗臺可以滿足汽車空調壓縮機的多種測試需要，測量精度滿足要求，為國內其他相關公司的相關研究提供了新的案例，并且能夠為國內關于汽車空調壓縮機類產品的研發(fā)提供借鑒。

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