電動(dòng)客車(chē)跨臨界CO2空調(diào)系統(tǒng)充注量?jī)?yōu)化及性能研究

魏香羽，宋昱龍，曹 鋒

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

1 引言

隨著石油資源逐漸短缺，溫室效應(yīng)日益加劇，國(guó)家節(jié)能減排的力度越來(lái)越大，傳統(tǒng)的汽車(chē)行業(yè)受到能源和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，新能源電動(dòng)汽車(chē)因其顯著的環(huán)保性得到國(guó)家的大力推廣，且隨著大電池容量的發(fā)展，能量密度高的鋰離子電池也開(kāi)始被應(yīng)用在貨車(chē)及客車(chē)上。電動(dòng)客車(chē)實(shí)際運(yùn)行存在電池容量衰減、里程焦慮等問(wèn)題。由于續(xù)航的限制，電動(dòng)客車(chē)對(duì)能耗的要求變得更加苛刻，據(jù)官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，開(kāi)啟空調(diào)會(huì)降低電動(dòng)客車(chē)25%～30%的里程[1]，因此空調(diào)節(jié)能成為電動(dòng)客車(chē)設(shè)計(jì)考慮的重要部分。目前，電動(dòng)車(chē)的空調(diào)主要分為兩種：一種是單純制冷與PTC(Positive Temperature Coefficient，意為正的溫度系數(shù)，泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件)加熱相結(jié)合的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)；另一種是冷熱雙制式熱泵空調(diào)系統(tǒng)。采用PTC電加熱需要消耗更多電能，導(dǎo)致冬季續(xù)航里程更低；熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要通過(guò)吸收環(huán)境熱量將低品位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺粺崮埽?jié)能環(huán)保而且制熱效率高，能夠彌補(bǔ)利用PTC電加熱導(dǎo)致車(chē)輛里程減小的缺點(diǎn)。因此，熱泵汽車(chē)空調(diào)成為電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。

對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)而言，制冷劑的選擇十分重要。傳統(tǒng)制冷劑工質(zhì)由于對(duì)環(huán)境不友好面臨淘汰，世界各國(guó)致力于合成高性能的工質(zhì)，由于制冷劑的用量在不斷增加，很難避免工質(zhì)泄露的問(wèn)題，這勢(shì)必會(huì)造成環(huán)境污染。高效、低毒、無(wú)害的自然工質(zhì)的研究與應(yīng)用已成為目前解決環(huán)境問(wèn)題最重要的方案[2]。CO2制冷劑作為一種無(wú)毒、無(wú)害的自然工質(zhì)，被認(rèn)為是最有前景的替代制冷劑之一[3]。由于CO2臨界溫度較低(31.1 ℃)，當(dāng)熱源溫度過(guò)高時(shí)，傳統(tǒng)的亞臨界蒸汽壓縮循環(huán)將變成跨臨界CO2循環(huán)[4]。

跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)在汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用最早由J.Petterson[5]等人提出，并在后續(xù)研究中取得巨大發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者[6-7]開(kāi)始研究跨臨界CO2系統(tǒng)。相關(guān)結(jié)論表明，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)具備良好的制熱性能和較高的制熱效率，在低溫環(huán)境下CO2系統(tǒng)具有更高的制熱能力和COP，但在環(huán)境溫度較高時(shí)CO2系統(tǒng)制冷能力和 COP 均偏低一些，制冷性能較差[8]。為了使CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)綜合性能更優(yōu)，必須提升系統(tǒng)制冷能力，深入研究制冷工況下空調(diào)系統(tǒng)的性能，而系統(tǒng)性能又與制冷劑充注量有密不可分的聯(lián)系。Choi[9]等人對(duì)CO2系統(tǒng)進(jìn)行充注量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，CO2系統(tǒng)性能受充注量影響更大； Kim[5，10，13]等人的研究成果表明：如果制冷劑充注量不足，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力都會(huì)下降，制冷劑的質(zhì)量流量減小，蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑液體未流完全程就蒸發(fā)為氣體，造成制冷量不足且出口過(guò)熱度過(guò)大，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣、排氣溫度過(guò)高，造成壓縮機(jī)過(guò)熱保護(hù)；如果充注量過(guò)多，會(huì)造成系統(tǒng)蒸發(fā)壓力、排氣壓力過(guò)高，易引起壓縮機(jī)高壓保護(hù)，同時(shí)可能會(huì)造成壓縮機(jī)液擊，影響壓縮機(jī)壽命；D.Y.Goswami[13]， Eric B.Ratts[14]等人對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的充注量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著工質(zhì)充注量減小，系統(tǒng)制冷量下降，當(dāng)充注量小于最佳充注量的90%時(shí)，系統(tǒng)制冷能力降低3.5%；劉洪勝[15]等人也研究了CO2充注量對(duì)汽車(chē)空調(diào)性能的影響，結(jié)果顯示CO2對(duì)跨臨界空調(diào)系統(tǒng)性能影響巨大，存在一個(gè)最佳充注量使系統(tǒng)性能最優(yōu)。關(guān)于跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)的充注量研究還有很多[16-18]，但大都局限于小型電動(dòng)汽車(chē)(轎車(chē))[19-20]，電動(dòng)客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑仍以R407C為主[21]，跨臨界CO2客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)仍在研究階段，相關(guān)結(jié)論較少。

本文在制冷工況下對(duì)純電動(dòng)客車(chē)跨臨界CO2空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了最優(yōu)充注量的研究，分析了不同充注量下系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)時(shí)系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)的變化。在最優(yōu)充注量基礎(chǔ)上研究環(huán)境溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速以及氣冷風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

2 循環(huán)介紹

圖1為客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)圖，主要包括制冷循環(huán)系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)以及邏輯控制系統(tǒng)。其中，制冷循環(huán)部分包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器、回?zé)崞?、?jié)流閥、蒸發(fā)器以及儲(chǔ)液器等，其中蒸發(fā)器和氣體冷卻器均為2片，采用并聯(lián)進(jìn)風(fēng)方式排布。制冷過(guò)程中，CO2先經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)被壓縮成高溫高壓的氣體，流經(jīng)氣體冷卻器后變?yōu)楦邏旱蜏貭顟B(tài)，經(jīng)過(guò)回?zé)崞鬟M(jìn)一步冷卻后，節(jié)流至低壓兩相狀態(tài)，繼續(xù)通過(guò)蒸發(fā)器與室內(nèi)空氣進(jìn)行換熱達(dá)到降低車(chē)廂溫度的目的，然后通過(guò)儲(chǔ)液器再次進(jìn)入壓縮機(jī)完成制冷劑的循環(huán)。送風(fēng)系統(tǒng)包括氣冷送風(fēng)和蒸發(fā)器送風(fēng)，主要調(diào)節(jié)氣冷器以及蒸發(fā)器的送風(fēng)量和送風(fēng)狀態(tài)。邏輯控制部分包括蒸發(fā)器氣側(cè)出風(fēng)溫度PID控制以及排氣壓力PID控制。其中，通過(guò)改變蒸發(fā)器送風(fēng)量調(diào)節(jié)出風(fēng)溫度，通過(guò)改變閥開(kāi)度控制排氣壓力。

圖1 客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)圖

CO2空調(diào)系統(tǒng)中絕大部分的制冷劑主要存在蒸發(fā)器、氣冷器以及儲(chǔ)液器中，相對(duì)而言，節(jié)流裝置、壓縮機(jī)和管路中的制冷劑非常少，可以忽略不計(jì)，采用額定工況法[22-21]可以初步得到系統(tǒng)所需要的CO2充注量。即當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在額定工況運(yùn)行時(shí)，通過(guò)refprop查詢得到系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑各個(gè)的狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算后獲得主要部件內(nèi)CO2量，相加得到系統(tǒng)總充注量。表1顯示了客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)參數(shù)，圖2為設(shè)計(jì)工況的循環(huán)圖。

表1 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)參數(shù)

對(duì)于設(shè)計(jì)工況而言，蒸發(fā)器中的制冷劑均處于兩相流狀態(tài)，制冷劑的狀態(tài)按照蒸發(fā)溫度下的飽和狀態(tài)確定，其充灌量可以按照式1獲得，對(duì)于氣冷器、回?zé)崞鞫裕涔嗔靠梢愿鶕?jù)式2得到。其中，為保證制冷劑存在一定富裕，儲(chǔ)液器內(nèi)部充灌量按照整體容積大小的40%計(jì)算。

(1)

(2)

其中，公式1中X1，X2分別為蒸發(fā)器進(jìn)出口干度，Ve為蒸發(fā)器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)容積，ρl，ρg分別為蒸發(fā)溫度所對(duì)應(yīng)的飽和液體密度和飽和氣體密度；公式2中ρ1，ρ2分別為部件進(jìn)出口的制冷劑密度，V為部件容積。

表2顯示了蒸發(fā)器、氣冷器以及回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，蒸發(fā)器、氣冷器的容積分別為2.4 L、4.72 L，回?zé)崞鞯拇笮∠鄬?duì)而言可以忽略不計(jì)，模型中儲(chǔ)液器容積為4 L。計(jì)算可得設(shè)計(jì)工況下蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑量為1.659 kg，氣冷內(nèi)部制冷劑量為3.742 kg，儲(chǔ)液器內(nèi)部制冷劑質(zhì)量為1.708 kg，相加后得到設(shè)計(jì)的總充灌量為7.11 kg。由于理論計(jì)算忽略了壓縮機(jī)、連接管路以及節(jié)流裝置的制冷劑量，計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差，實(shí)際中需要通過(guò)定量研究，分析系統(tǒng)性能，才能確定最佳充注量。本文在設(shè)計(jì)充注量的基礎(chǔ)上擴(kuò)大充注范圍，對(duì)系統(tǒng)充注量進(jìn)行定量研究。

表2 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)性能及狀態(tài)參數(shù)隨充注量的變化情況

如圖3(a)所示，為40 ℃環(huán)境溫度下，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)時(shí)的蒸發(fā)壓力、排氣壓力、壓縮機(jī)吸排氣溫度以及吸氣過(guò)熱度隨充注量的變化情況。圖中可以看出，隨著制冷劑充注量的增加，壓縮機(jī)入口壓力以及壓縮機(jī)排氣壓力先上升然后保持一定再繼續(xù)上升；排氣溫度和壓縮機(jī)進(jìn)口溫度則先降低然后保持穩(wěn)定再繼續(xù)下降；蒸發(fā)器出口過(guò)熱度迅速降低直至出口飽和，而后無(wú)過(guò)熱度存在。圖3(b)為系統(tǒng)性能、壓縮機(jī)耗功、制冷量隨充注量的變化情況?？梢钥闯觯S著制冷劑充注量的增加，系統(tǒng)制冷量先迅速增加后維持穩(wěn)定再有所降低；壓縮機(jī)耗功先增然后不變?cè)倮^續(xù)增加；系統(tǒng)COP在綜合作用下先增后不變?cè)贉p小。圖3(c)為系統(tǒng)內(nèi)部質(zhì)量流量、閥開(kāi)度以及儲(chǔ)液器液位隨充注量的變化情況，可以看出，不同充注量下系統(tǒng)獲得最優(yōu)性能時(shí)，節(jié)流閥的開(kāi)度幾乎不變，均保持在18%左右；質(zhì)量流量的變化趨勢(shì)和壓縮機(jī)耗功趨勢(shì)一致；系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)液器的液位最初為0，后逐漸增加至90%，然后保持在90%以上不變，由于此模型中儲(chǔ)液器的閾值設(shè)置為90%，因此當(dāng)液位達(dá)到90%時(shí)即可認(rèn)為儲(chǔ)液器溢滿。根據(jù)上述現(xiàn)象可以將整個(gè)充注量范圍可以分為三部分：充注量在6 kg以下，充注量在6～8 kg之間，充注量大于8 kg。

當(dāng)充注量小于6 kg時(shí)，系統(tǒng)處于欠充狀態(tài)。由于充注量較小，蒸發(fā)壓力和排氣壓力也較低，制冷劑在蒸發(fā)器出口已經(jīng)存在明顯過(guò)熱度，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣溫度較高，排氣也保持較高溫度。隨著制冷劑的進(jìn)一步增加，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度逐漸減小，蒸發(fā)器的換熱增強(qiáng)，系統(tǒng)COP呈上升趨勢(shì)。當(dāng)蒸發(fā)器出口過(guò)熱度為0時(shí)，整個(gè)蒸發(fā)段制冷劑保持兩相狀態(tài)，蒸發(fā)器換熱達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)充注量也達(dá)到了最優(yōu)。本試驗(yàn)系統(tǒng)中由于存在儲(chǔ)液器，可以保證充注量在6～8 kg之間時(shí)，系統(tǒng)均維持穩(wěn)定，各狀態(tài)參數(shù)幾乎不發(fā)生變化，性能保持最優(yōu)。當(dāng)充注量充滿整個(gè)儲(chǔ)液器后，繼續(xù)增加制冷劑充注量會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)入口帶液，吸氣壓力和排氣壓力均有所上升，吸氣溫度和排氣溫度則明顯降低，壓縮機(jī)耗功增大，系統(tǒng)COP減小。

實(shí)際運(yùn)行中，壓縮機(jī)帶液會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)壽命大幅降低，儲(chǔ)液器的存在使得過(guò)充的幾率大幅降低，因而制冷劑將主要處于欠充和適宜的狀態(tài)。圖4所示為系統(tǒng)制冷劑在欠充和正常境況下的T-s圖以及p-h圖。制冷劑充注量在1.5 kg時(shí)，制冷劑處于嚴(yán)重欠充狀態(tài)，系統(tǒng)排氣壓力低于臨界壓力，整個(gè)循環(huán)圖處于過(guò)熱狀態(tài)。

圖4 制冷劑欠充和適宜情況下系統(tǒng)p-h圖及T-s圖

幾乎沒(méi)有制冷量；隨著充注量的增加，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和排氣壓力逐漸上升，蒸發(fā)器入口狀態(tài)接近氣態(tài)飽和點(diǎn)，但此時(shí)蒸發(fā)器制冷量依舊很小；繼續(xù)增加制冷劑充注量，蒸發(fā)壓力和排氣壓力繼續(xù)增加，CO2節(jié)流至兩相區(qū)，蒸發(fā)器入口干度小于1，出口過(guò)熱，制冷量增加；隨著CO2充注量進(jìn)一步增加，系統(tǒng)循環(huán)圖繼續(xù)左移，蒸發(fā)壓力和排氣壓力繼續(xù)增加，但增加的幅度減小，制冷劑在蒸發(fā)器出口逐漸飽和，整個(gè)蒸發(fā)段均為兩相區(qū)狀態(tài)，系統(tǒng)制冷量達(dá)到最大值；再繼續(xù)增加制冷劑，蒸發(fā)器出口仍為飽和狀態(tài)，多余的制冷劑存儲(chǔ)在儲(chǔ)液罐中，系統(tǒng)各狀態(tài)參數(shù)點(diǎn)幾乎保持不變，循環(huán)曲線變得密集，這一階段系統(tǒng)制冷劑充注量達(dá)到最佳。通過(guò)循環(huán)曲線圖可以更加直觀的確定最佳充注量的范圍，曲線密集區(qū)對(duì)應(yīng)的充注量即為最佳充注量，當(dāng)小于最佳充注量時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)曲線變化比較明顯?？梢钥闯銮烦錉顟B(tài)下，壓縮機(jī)吸氣壓力、排氣壓力均隨充注量增加而增加，且吸氣壓力在初始階段增加幅度較大，而后增加幅度減小，排氣壓力的增加幾乎成線性，壓比先減小后增大；壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度則隨充注量增加緩慢減??；排氣溫度受吸氣溫度和壓比共同影響呈下降趨勢(shì)；蒸發(fā)溫度受過(guò)熱度和吸氣壓力影響先降低再增加；系統(tǒng)閥前溫度幾乎沒(méi)有變化，與環(huán)境溫度接近；此外，隨充注量增加，系統(tǒng)節(jié)流階段的熵增緩慢減小，節(jié)流損失降低。

根據(jù)上述研究，系統(tǒng)最優(yōu)充注量范圍為6～8 kg。接下來(lái)研究最佳充注量下的系統(tǒng)性能時(shí)，制冷劑充注量固定為7 kg。

3.2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)性能的影響

本小節(jié)主要內(nèi)容為系統(tǒng)在最優(yōu)充注量下的變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速范圍取1000 r/min到3500 r/min。通過(guò)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度可以得到不同排氣壓力、不同轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)的制冷量、壓縮機(jī)耗功以及系統(tǒng)COP的變化曲線，如圖5所示。可以看出不同轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)參數(shù)隨著排氣壓力的變化趨勢(shì)大體相同。隨著排氣壓力由8.5～12 MPa變化，壓縮機(jī)耗功以及制冷量均有所增加，系統(tǒng)COP呈現(xiàn)出先迅速增加后逐漸減小趨勢(shì)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，壓縮機(jī)耗功呈比例增大，排壓越高，增加越多；排壓較小時(shí)，轉(zhuǎn)速越高制冷量越小，排壓較高時(shí)，轉(zhuǎn)速越大制冷量越大，但制冷量隨轉(zhuǎn)速增大而增加的幅度逐漸減??；隨著轉(zhuǎn)速的增加，系統(tǒng)COP呈下降趨勢(shì)，且系統(tǒng)最優(yōu)COP對(duì)應(yīng)的排氣壓力隨轉(zhuǎn)速減小而降低。

圖6為不同轉(zhuǎn)速下最優(yōu)COP所對(duì)應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)各參數(shù)的變化情況。圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力下降，排氣壓力和排氣溫度上升，氣冷出口溫度在微小范圍內(nèi)增加；系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量流量隨轉(zhuǎn)速增加而增大，壓縮機(jī)耗功、制冷量也增加；系統(tǒng)COP隨轉(zhuǎn)速增加而降低，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致壓縮機(jī)的壓比增加，系統(tǒng)蒸發(fā)壓力下降而排氣壓力上升，壓縮機(jī)耗功的增加程度大于制冷量增加程度。

3.3 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在最優(yōu)充注量下，通過(guò)改變閥開(kāi)度，研究不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)最優(yōu)性能的變化趨勢(shì)。如圖7所示，分別為不同排氣壓力下，系統(tǒng)COP、制冷量、壓縮機(jī)耗功、儲(chǔ)液器液位以及質(zhì)量流量隨環(huán)境溫度的變化情況?？梢钥闯觯煌h(huán)境溫度下的各參數(shù)隨排氣壓力的變化趨勢(shì)一致。隨著環(huán)境溫度的上升，不同排氣壓力下系統(tǒng)COP均呈下降趨勢(shì)，當(dāng)排氣壓力為9 MPa時(shí)，COP衰減十分劇烈，42 ℃時(shí)COP只有1.2左右；當(dāng)排氣壓力為10 MPa以上時(shí)，不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)COP均保持在1.8以上，排氣壓力越高，系統(tǒng)性能隨環(huán)境溫度的下降上升趨勢(shì)減??；隨著環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)時(shí)的排氣壓力也減小。系統(tǒng)制冷量及壓縮機(jī)耗功隨著排氣壓力的增加而增大；在不同排氣壓力下，系統(tǒng)制冷量隨著環(huán)境溫度的下降有明顯增加，且排氣壓力越低，增加程度越大；壓縮機(jī)耗功隨環(huán)境溫度的變化不十分明顯，在低排壓時(shí)，耗功隨環(huán)境溫度降低而增大，隨著排氣壓力的增加，壓縮機(jī)耗功在不同環(huán)境溫度下幾乎保持不變。從圖7(c)可以看到不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)質(zhì)量流量和儲(chǔ)液器液位隨排氣壓力變化趨勢(shì)幾乎相同，隨著排氣壓力升高，系統(tǒng)質(zhì)量流量逐漸減小，變化速率先迅速后緩慢，儲(chǔ)液器液位隨著排氣壓力升高線性減少；在不同排氣壓力下，質(zhì)量流量隨著環(huán)境溫度的降低而減小，下降幅度隨著排氣壓力增大而減??；儲(chǔ)液器液位在不同排壓下隨著環(huán)境溫度的上升而增加，不同排壓下增加幅度幾乎一致。

圖8為系統(tǒng)最優(yōu)排壓下的狀態(tài)參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化情況?？梢钥闯?，隨著環(huán)境溫度的上升，蒸發(fā)壓力及壓縮機(jī)進(jìn)口溫度幾乎保持一定，排氣壓力和排氣溫度有明顯上升，氣體冷卻器出口溫度也緩慢增加；系統(tǒng)質(zhì)量流量幾乎不隨環(huán)境溫度發(fā)生變化，環(huán)境溫度的增高，使得閥前溫度升高，蒸發(fā)器前后焓差減小，系統(tǒng)制冷量下降；而壓縮機(jī)由于壓比的增加耗功也隨之增大，系統(tǒng)COP在2個(gè)因素作用下隨著溫度升高直線下降。

3.4 氣冷風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在充注量、閥開(kāi)度給定，同時(shí)保證蒸發(fā)側(cè)送風(fēng)溫度10℃情況下，研究了定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下氣體冷卻器的送風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果如圖9所示。圖9(a)顯示了制冷量、壓縮機(jī)耗功、壓比以及COP隨氣冷風(fēng)量的變化曲線；9(b)圖顯示了系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器以及氣冷中的制冷劑質(zhì)量和儲(chǔ)液器液位情況；9(c)小圖展示了系統(tǒng)內(nèi)部蒸發(fā)溫度、排氣溫度、氣冷制冷劑出口溫度、氣冷風(fēng)側(cè)出風(fēng)溫度以及保證蒸發(fā)側(cè)出風(fēng)溫度10 ℃下的送風(fēng)量?？梢钥闯觯S著氣冷送風(fēng)量的增加，壓縮機(jī)壓比降低，耗功減小，制冷量增加，COP在綜合效果下近線性增加；同時(shí)，氣冷風(fēng)量的增加導(dǎo)致氣體冷卻器中集聚的制冷劑量增多，儲(chǔ)液器中制冷劑量減小，而蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑量增加的幅度可忽略不計(jì)；氣冷制冷劑和風(fēng)量的增加會(huì)使得氣冷換熱效果增加，雖然氣冷空氣側(cè)出風(fēng)溫度增加幅度減小，但整體換熱量增加，制冷劑的出口溫度會(huì)降低，在相同節(jié)流閥開(kāi)度情況下，蒸發(fā)段的焓差增大，制冷量增加，可以獲得的低溫風(fēng)量變多；除此之外，隨氣冷風(fēng)量的增加，蒸發(fā)溫度的減小幅度可忽略不計(jì)，由于循環(huán)中的制冷劑流量幾乎不變，排氣溫度受壓縮機(jī)壓比變化也隨之減小。

4 結(jié)論

對(duì)跨臨界CO2客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了充注量的模擬研究，并在最優(yōu)充注量下研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度以及氣冷風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

(1)系統(tǒng)欠充時(shí)，制冷劑充注量的多少對(duì)系統(tǒng)排氣壓力、蒸發(fā)壓力、排氣溫度及蒸發(fā)溫度有明顯影響；儲(chǔ)液器的存在使系統(tǒng)最優(yōu)充注量存在一個(gè)范圍，在該范圍內(nèi)系統(tǒng)各轉(zhuǎn)態(tài)參數(shù)隨充注量的變化不明顯；系統(tǒng)過(guò)充會(huì)導(dǎo)致吸排氣壓力繼續(xù)上升，同時(shí)會(huì)造成壓縮機(jī)帶液，實(shí)際中應(yīng)該避免壓縮機(jī)帶液。

(2)制冷劑在最佳充注量下，通過(guò)改變節(jié)流閥開(kāi)度獲得不同轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)性能，得到系統(tǒng)性能隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增加到4000 r/min時(shí)，壓縮機(jī)耗功和制冷量均增加；系統(tǒng)COP降低。

(3)充注量一定時(shí)，隨著環(huán)境溫度的增加，最優(yōu)排氣壓力增加，蒸發(fā)壓力幾乎恒定，制冷量下降，壓縮機(jī)耗功增加，系統(tǒng)COP降低。

(4)給定閥開(kāi)度時(shí)，隨著氣冷風(fēng)量的增加，系統(tǒng)蒸發(fā)壓力、排氣壓力均降低，壓比減小，壓縮機(jī)耗功減小，制冷量增加，系統(tǒng)COP增加。