变排量压缩机汽车空调系统特性研究 摘要 变排量压缩机汽车空调系统运行在变排量特性范围内具有运行平衡、车室内热舒适性好、节能等优点。本文通过改变压缩机转速、排气压力和空调负荷，对变排量压缩机的汽车空调系统的特性进行了试验研究，试验表明该系统具有定排量和变排量的双重特性，且作为该双重特性分界的临界状态，与空调负荷、压缩机转速及排气压力等有关。根据试验结果，在优化设计中，额定负荷下，排气压力在14bar左右时，临界压缩机转速应选在18002500r/min范围内。改变冷凝器风量实现排气压力变化，当变化到压缩机活塞行程的改变时，存在着相当大的时间滞后，这主要是冷凝器有较大的热惯性而致。关键词 变排量压缩机 汽车空调1 试验系统变排量压缩机汽车空调系统性能试验系统见图1。该试验系统建立在室内侧和室外侧两个环境小室中。压缩机和冷凝器放置在室外侧环境室内，蒸发器和热力膨胀阀放置在室内侧环境室内，这两个环境室的空气状态可调节控制，空气参数满足实验要求。图1 试验系统示意图1-压缩机；2-变频电机；3-行程测量装置；4-孔板流量计；5-冷凝器；6-冷凝风扇；7-储液器；8-热力膨胀阀；9-蒸发器风扇；11-排气调节阀；12-质量流量计；13-过冷却器试验系统可以控制压缩机转速、压缩机排气压力和空调负荷。压缩机由变频电机拖动，调节电机供电输入频率改变压缩机转速。冷凝器风扇也由一变频电机驱动，这样压缩机的排气压力可以通过调节流经冷凝器的风量来调节；空调负荷可以通过改变蒸发器进风干湿球温度（由室内侧环境室来保证）和流经蒸发器风量（由四档风扇来控制）来调节。制冷系统由变排量压缩机、冷凝器、热力膨胀阀及蒸发器组成，该变排量压缩机为五缸摇板式无级变排量压缩机，其排量可在10156cc/r/min之间变化。该压缩机是根据吸气平流式冷凝器，蒸发器芯体为管片式，热力膨胀阀为H型阀。该试验系统测量参数：压缩机转速Nc、活赛行程sp、制冷剂质量流量Mr、制冷剂压力和温度及蒸发器、冷凝器进出口空气干湿球温度和风量。全部传感器产生的电信号传送给数字巡检仪HP34970A，通过计算机进行数据采集和处理，采样周围为15s（根据需要和可能确定采样周期）。2 系统特性试验结果与分析在上述的试验系统中，采用改变压缩机转速、排气压力和空调负荷等方法对变排量压缩机汽车空调系统进行了试验研究。21 恒定负荷，改变压缩机转速的特性图2给出在恒定负荷时压缩机转速从1050r/min逐步递升至3900r/min，又递降至1200r/min时，16组试验数据反映了空调系统的特性。空调负荷恒定情况下，变排量压缩机在可变活塞行程范围内，随压缩机转速增加，压缩机行程减小，制冷剂流量在一个很小范围内波动，可以认为是系统制冷剂循环流量稳定；因而吸气压力Ps和蒸发器出口压力Peo都恒定不变，蒸发器出口空气温度Teao也保持不变。其次，排气压力Pd也比较稳定，而排气温度随压缩机转速提高而升高。转速由1050r/min上升到3900r/min，温度由73.5上升到91.4，压缩机转速的变化，排气温度变化并不激烈。如果试验完全模拟非独立式汽车空调系统，则会是车速增高，冷凝器迎面风速增大，而冷凝器换热性能增强，排气压力降低，预计排气温度的升高更加缓慢或没有升高。上述调节特性，充分体现了变排量压缩机汽车空调系统的优点，压缩机运行平稳连续，送风温度波动小，提高了车室内的热舒适性。图2 恒定负荷改变压缩机转速从实验数据，可以看到在恒定空调负荷下变排量压缩机的活塞行程变化与压缩机转速有很强的相关性，根据实验数据可整理成如下的经验公式： 这进一步说明变排量压缩机在空调负荷恒定的情况下，排气压力维持在某一压力值时，压缩机的活塞行程只是压缩机转速的函数，就变排量压缩机而言，在一定的空调负荷下，压缩机转速升高，压缩机行程减小，Pws（摇板箱压力Pw 与吸气压力Ps之差）逐渐增加，说明压缩机活塞行程变小的作用力要小。变排量压缩机空调系统中吸气压力相对恒定的特点显示了压缩机行程越向小变，摇板箱压力Pw升高得越高，Pws越大。而压缩机行程向增大方向移动时是吸气压力升高，Pws变小的结果。从试验数据我们可以看出，变排量压缩机的活塞行程变化无论是增加还是减小，在压缩机转速为20002500r/min范围内所需要的Pws都是较小的。22 突变压缩机转速图3给出恒定负荷时，压缩机转速突变时，从2000r/min升至2200r/min与2200 r/min升至2550 r/min得两组变化的特性。A组，压缩机转速从12000 r/min升至2200 r/min，Pd由13.8bar升到14.0 bar，Pw由2.05 bar升至2.45 bar，而Ps由1.72bar下降到1.55 bar，而，Pws 由0.33bar升至0.9bar制冷剂流量由129kg/h升至134kg/h，而压缩机的活塞行程sp产生了几个向下的尖波，但数值未发生变化，系统进入临界状态，压缩机的制冷剂循环量增加是压缩机转速增加的结果。B组，转速由2200 r/min上升至2300 r/min，制冷剂流量Mr、Pd、Pw、Ps、Pws都未发生显著变化，压缩机活塞选种由30.6mm 下降到30.2mm，压缩机活塞行程在变排量范围内，压缩机转速升高引起压缩机活塞行程变化时，总是Pw有一个向上的尖波，Ps有一个向下的尖波，制冷剂流量和活塞行程的改变是先上升后下降的过程。另外两组试验显示出相同的系统特性。图3 突变压缩机转速从图3的几组实验，我们看到变排量压缩机汽车空调系统具有定排量压缩机与变排量压缩机的双重特性。A组虽然处于临界状态，但其特性仍是定排量压缩机的特性，转速升高，Pd压力上升，Ps压力下降，Mr制冷剂质量流量增加。B组进入变排量压缩机调节范围内，制冷剂流量Mr、Pd、Pw、Ps、Pws都未发生显著变化，只是压缩机活塞行程逐渐减小，反映了变排量压缩机汽车空调系统的特性。进而我们认识到变排量压缩机组成的汽车空调系统，在某个空调负荷下，排气压力在某个值时，就有一个压缩机转速相适应，这个压缩机转速就是临界转速。从该试验中可以看出，Pd =14bar时，由定行程到变行程的临界转速在2200r/min左右，即在低于此压缩机转速下，该系统反映的是定排量压缩机的空调系统特性，而高于此压缩机转速，该空调系统则进入了变排量压缩机的空调系统特性，认识上述这些特性对于变排量压缩机的空调系统设计与运行都是十分有意义的。转贴于 23 恒定空调负荷，改变排气压力图4是恒定空调负荷时，排气压力突变的系统特性，排气压力突变采用突然改变通过冷凝器的风量的方法来实现，这与实际行车状况是非常相似的。图4 冷凝风量增加时的变化从图中看到随着冷凝器风量的增加，Pd压力逐渐降低，Pw逐步升高，Ps未发生显著变化，Pws逐步增加。当Pws =0.91bar时，压缩机活塞行程发生变化，存在20s的时间滞后。此滞后就是Pw逐渐上升的过程；压缩机活塞行程减小时，Pd压力渐变到一个新的稳定值，而Pw开始下降，逐步回到前一个稳定值，Ps逐步上升到稳定值。制冷剂流量Mr在冷凝器风量增加时，由于冷凝效果好，排气压力降低，制冷剂流量增加，而活塞行程减小，又降低，有一个先升后降的过程。冷凝风量突然变化，Pd却不突变是由于冷凝器有较大的热惯性，Pd的不能突变造成了时间滞后。24 变空调负荷（突然改变蒸发器风扇的风档）图5表示了压缩机转速在2000r/min时，蒸发器风扇从高档调到低档的特性变化。开始，Pd、Ps渐降，Pw渐升，Mr下降；当活塞行程变化时，Pd下降的梯度加大，Ps略上升，Pw停止上升，活塞行程、制冷剂循环量，Pd、Ps、P逐步稳定在适应车室环境的新稳态值上。蒸发风挡变化，空调负荷突降中，同样表现出变排量压缩机空调系统的双重特性，在临界状态以下（空调负荷以上或压缩机转速以下）时，表现出定排量的特性，而在以后则表现为变排量特性。图5 渐增负荷的变化3 结论31 变排量压缩机空调系统具有定排量和排量的双重特性，存在着一个临界状态作为两种特性的分界，该该临界状态时与车室内的空调负荷，压缩机转速及排气压力相关的。空调系统运行在变排量特性范围内具有运行平衡、舒适性好，节能等优点。32 根据实验数据分析，笔者建议在优化设计时，将额定空调负荷下，压缩机排气压力为14bar左右时，压缩机临界转速定为18002500r/min为宜，在此状态下，变排量压缩机改变活塞行程为最佳状态。33 利用改变通过冷凝器风量实现排气压力变化时，排气压力的变化到压缩机活塞行程的改变之间存在较长的时间滞后。由于冷凝器本身的热惯性，造成排气压力Pd不能突变，则摇板箱压力Pw需要逐渐升高，因而活塞行程变化存在着较长的滞后转贴于 15