汽車空調(diào)壓縮機(jī)排量調(diào)節(jié)方法及主要變排量壓縮機(jī)

1、汽車空調(diào)壓縮機(jī)排量調(diào)節(jié)方法及主要變排量壓縮機(jī)吳建華張利張海鋒(西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所摘要本文介紹了幾種主要的變排量調(diào)節(jié)方法,并分析了目前國(guó)內(nèi)使用最為廣泛的搖板式壓縮機(jī)及迅速發(fā)展的單向斜盤式壓縮機(jī)和渦旋式壓縮機(jī)的性能特點(diǎn)及變排量原理。本文對(duì)近幾年才發(fā)展起來(lái)的采用外部信號(hào)控制法或稱即時(shí)冷量控制法的單向斜盤壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)也作了介紹。關(guān)鍵詞壓縮機(jī)變排量外部信號(hào)控制法METH ODS OF VARIAB L E DISPLACEMENT AN D MAIN2COMPRESSORSWU JianhuaZHAN G LiZHAN G HaifengABSTRACTThis paper introduc

2、e several main methods of variable dis placement and discuss the feature and mechanism of variable displacement of the wobble plate compressor which was used widely in our country at the present time and the swash plate compressor and scroll com2 pressor which were developed rapidly recent years.The

3、 swash plate compressor and the scroll compressor which control the displacement by the external signal also are discussed.KE Y WOR DSCompressorVariable displacementExternal signal control1前言轎車空調(diào)壓縮機(jī)是通過(guò)皮帶輪直接驅(qū)動(dòng)。汽車高速行駛時(shí),傳統(tǒng)定排量壓縮機(jī)的排氣量隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加,功耗也會(huì)隨之增加。一方面影響汽車駕駛的性能和司乘人員的舒適性。另一方面,壓縮機(jī)制冷量的增加使蒸發(fā)壓力降低,蒸發(fā)器結(jié)霜,制

4、冷系統(tǒng)各部件不匹配,影響整個(gè)系統(tǒng)的性能,并且離合器啟閉頻繁。為此,對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行排量調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排量與負(fù)荷相匹配,使其在低速時(shí)或需要較大制冷量時(shí),具有高的制冷能力;高速時(shí)或制冷量富余時(shí),控制制冷量,減少功耗。本文將著重介紹常見(jiàn)的變排量調(diào)節(jié)方法及幾種主要的變排量壓縮機(jī)。2車用空調(diào)壓縮機(jī)常用變排量調(diào)節(jié)方法(1變行程容積法變行程容積法是通過(guò)改變壓縮機(jī)的行程容積來(lái)調(diào)節(jié)其排量,這種方法主要用于活塞式壓縮機(jī)中,其壓力指示圖如圖1所示。當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速較低或需要較大制冷量時(shí),壓縮機(jī)在最大行程下工作(圖中曲線a。當(dāng)轉(zhuǎn)速較大,制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量過(guò)大時(shí),壓縮機(jī)內(nèi)部的控制閥動(dòng)作,壓縮機(jī)的行程開(kāi)始變小(圖中曲線b,c

5、,使壓縮機(jī)的行程容積變小,系統(tǒng)制冷量不致過(guò)大 。圖1變行程容積法的壓力指示圖壓縮機(jī)在高轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷狀態(tài)下工作時(shí),即冷第4卷第6期2004年12月制冷與空調(diào)REFRIGERA TION AND AIR-CONDITION IN GDecember2004量保持不變的情況下(即系統(tǒng)質(zhì)量流量不變,指示功會(huì)減小,但壓縮機(jī)循環(huán)周期也減小,且二者基本上成比例變化,所以在高速時(shí)壓縮機(jī)的指示功率基本保持不變。同時(shí)高速時(shí)由于活塞的行程減小,壓縮機(jī)的摩擦損失變化不大。所以總的來(lái)說(shuō)壓縮機(jī)的軸功率基本上變化很小。由此可見(jiàn),該調(diào)節(jié)方法可使壓縮機(jī)在高轉(zhuǎn)速下保持較高的COP 。此外,該方法易于實(shí)現(xiàn),能夠使排量連續(xù)變化。目前

6、使用廣泛的搖板式壓縮機(jī)和單向斜盤式壓縮機(jī)都采用這種排量調(diào)節(jié)方法。(2吸氣節(jié)流法吸氣節(jié)流法是在壓縮機(jī)的進(jìn)氣口處安裝節(jié)流裝置,使進(jìn)氣受到節(jié)流、壓力降低,進(jìn)氣比容升高,由此使排氣量減小。圖2 是吸氣節(jié)流法的壓力指圖2吸氣節(jié)流法的壓力指示圖示圖,曲線a 是未節(jié)流時(shí)的壓力曲線,曲線b 是節(jié)流后的壓力曲線,可以看出節(jié)流后實(shí)際進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑由Vh 減小到了V h 。由于汽車空調(diào)壓縮機(jī)的壓比一般都比較大,所以使用該方法調(diào)節(jié)時(shí),隨著進(jìn)氣壓力的降低,指示功率在減小2,但單位流量的制冷劑所消耗的功率卻增加了,即壓縮機(jī)的COP 是下降的。因此該方法只應(yīng)用于調(diào)節(jié)幅度較小的情況。目前,部分旋葉式壓縮機(jī)采用這種方法來(lái)調(diào)

7、節(jié)排量。(3吸氣旁通法該方法是利用延遲壓縮過(guò)程的開(kāi)始時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般是在壓縮腔的位置設(shè)置旁通孔,孔的位置及形狀與排量調(diào)節(jié)的范圍有關(guān)。當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速較低,需要在大排量下運(yùn)行時(shí),此旁通孔關(guān)閉,壓縮機(jī)吸氣結(jié)束后直接開(kāi)始?jí)嚎s過(guò)程。而當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,需要在小排量下運(yùn)行時(shí),旁通孔打開(kāi),孔的開(kāi)度與此時(shí)所需排量的大小有關(guān),當(dāng)壓縮機(jī)吸氣過(guò)程結(jié)束開(kāi)始?jí)嚎s過(guò)程時(shí),部分制冷劑會(huì)通過(guò)該旁通孔回流到吸氣管道中,實(shí)際進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑的量減小,即壓縮機(jī)的排量減小。通過(guò)調(diào)節(jié)旁通孔的開(kāi)度,該方法也可實(shí)現(xiàn)排量的連續(xù)調(diào)節(jié)。圖 3圖3吸氣旁通法的壓力指示圖是該調(diào)節(jié)方法的壓力指示圖,圖中的曲線a 是旁通孔關(guān)閉,壓縮機(jī)在大排量下運(yùn)

8、行時(shí)的壓力曲線,曲線b 是旁通孔部分開(kāi)啟時(shí)理想情況下的壓力曲線,但實(shí)際情況下吸入壓縮機(jī)的部分制冷劑由旁通孔回流到吸氣管道時(shí)會(huì)存在壓力損失,所以壓力曲線應(yīng)為圖中的曲線c ,圖中陰影部分表示由于壓力損失而多消耗的指示功。該方法的排量調(diào)節(jié)效果介于變行程容積法和吸氣節(jié)流法之間,目前主要用于渦旋壓縮機(jī)和部分旋葉式壓縮機(jī)的排量調(diào)節(jié)。(4減少氣缸工作數(shù)法該方法用于多缸壓縮機(jī)中,是在當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高,需要小排量時(shí),通過(guò)使部分氣缸的吸氣腔和排氣腔相連通,使其不再起作用,從而減小了工作氣缸的數(shù)目,實(shí)現(xiàn)了排量的減小。該方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜,而且一般的多缸壓縮機(jī)都具有較好的動(dòng)力平衡特性,減少氣缸工作數(shù)則破壞了多缸壓縮

9、機(jī)的這一優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該法只能對(duì)排量進(jìn)行分段調(diào)節(jié),從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷波動(dòng)較大。3主要車用變排量壓縮機(jī)(1搖板式壓縮機(jī)搖板式壓縮機(jī)是一種軸向往復(fù)式活塞壓縮機(jī)。其57個(gè)氣缸軸向布置,與主軸一起旋轉(zhuǎn)的斜盤通過(guò)推力軸承推動(dòng)周向位移受到約束的搖板搖動(dòng),搖板上的球絞帶動(dòng)連桿及活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)4。搖板式壓縮機(jī)的綜合性能好,即效率與可靠性高,使用性好,且價(jià)格低。但零件較多。它是過(guò)去三十年使用最為廣泛的汽車空調(diào)壓縮機(jī)之一。94第6期吳建華等:汽車空調(diào)壓縮機(jī)排量調(diào)節(jié)方法及主要變排量壓縮機(jī)搖板式是通過(guò)改變斜盤的傾角,來(lái)改變活塞的行程,從而改變壓縮機(jī)的行程容積和排氣量。圖4是搖板式壓縮機(jī)活塞行程容積控制的原理示意圖。為了

10、簡(jiǎn)明起見(jiàn),圖中省略了斜盤與搖板的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),只表明平面內(nèi)斜盤傾角變化及其對(duì)活塞行程的影響。傳動(dòng)柄上的弧形槽型線的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵,它要保證活塞的上止點(diǎn)位置在全負(fù)荷及部分負(fù)荷時(shí)都不變化,斜盤傾角變化時(shí),只是變化下止點(diǎn)的位置。圖5是搖板式變排量壓縮機(jī)制冷量、功率和COP 隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。轉(zhuǎn)速增加時(shí),制冷量和輸入功率基本保持不變,而COP 則會(huì)由于流動(dòng)損圖4 搖板式壓縮機(jī)活塞行程控制的原理示意圖圖5搖板式壓縮機(jī)制冷量、功率和COP 隨轉(zhuǎn)速的變化失以及相對(duì)余隙容積的增加而有所下降。(2單向斜盤壓縮機(jī)1996年底,日本電裝公司開(kāi)發(fā)出單向斜盤變排量壓縮機(jī)-7SB16。單向斜盤變排量壓縮機(jī)是新一代的可變排量壓縮機(jī)

11、。它零件少、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、效率高、耐久性好、NV H 特性好、高轉(zhuǎn)速運(yùn)行、排量調(diào)節(jié)范圍大,并且既可用內(nèi)氣動(dòng)閥控制又可用外電子閥控制。在用電子控制時(shí)可省卻離合器,大大提高了系統(tǒng)的可靠性;可調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度,大大節(jié)省油耗。單向斜盤壓縮機(jī)的變排量調(diào)節(jié)機(jī)理類似于搖板式壓縮機(jī)。它也是通過(guò)控制斜盤箱內(nèi)的氣體壓力來(lái)控制斜盤的傾角,進(jìn)一步控制活塞的行程及壓縮機(jī)的排量。不過(guò)它的調(diào)節(jié)范圍比搖板式壓縮機(jī)更寬,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。圖6是單向斜盤壓縮機(jī)斜盤的受力簡(jiǎn)圖。斜盤作用于活塞的接觸力為F N ,該力分解為水平方向的力F H 和垂直方向的力F V 。水平方向的力使活塞沿水平方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng),而垂直方向的力作用于

12、活塞,則會(huì)使活塞與氣缸壁面之間產(chǎn)生接觸力。當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速較高時(shí),壓縮機(jī)的行程減小,斜盤的傾角變小,從而使得作用于活塞上的水平力增加,垂直力減小。則活塞與氣缸壁之間接觸力減小,即該處摩擦功耗減小。所以單向斜盤壓縮機(jī)在高速時(shí)具有較好的動(dòng)力特性 。圖6斜盤作用于活塞上的力圖7是德?tīng)柛?DEL PHI 公司生產(chǎn)的單向斜盤壓縮機(jī)CVC125(Compact Variable compressor 的性能曲線,該壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)排量從7cc 125cc 的連續(xù)變化。(3渦旋式壓縮機(jī)渦旋壓縮機(jī)是回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。1978年日本三電公司開(kāi)始了渦旋壓縮機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)。1981年就開(kāi)始小批量的生產(chǎn)。05制冷與空調(diào)第4卷

13、 圖7CVC125的性能曲線渦旋壓縮機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高、重量輕、體積小、可高速運(yùn)行、可靠性高、運(yùn)行平穩(wěn)、NV H 低。渦旋壓縮機(jī)的變排量性能沒(méi)有搖板式或斜盤式壓縮機(jī)好,一是調(diào)節(jié)范圍窄,一般為30%-100%,二是效率隨排量下降快。渦旋壓縮機(jī)采用旁通法調(diào)節(jié)排量。它是在渦旋盤的底板上開(kāi)設(shè)一氣孔。此氣孔的位置與排量調(diào)節(jié)的范圍有關(guān)。另外還要安裝活塞控制閥。壓縮腔內(nèi)的氣體可以通過(guò)渦旋盤底板上的氣孔、舌簧單向閥、活塞控制的流量調(diào)節(jié)孔回流到吸氣腔,從而減少壓縮機(jī)的排量和指示功率。實(shí)測(cè)的這種變排量渦旋壓縮機(jī)的P -V 圖8類似于圖3。在轉(zhuǎn)速增加時(shí),旁通孔開(kāi)啟時(shí)間縮短,P -V 圖將向外擴(kuò)展,壓縮機(jī)排量及指示

14、功率都會(huì)增加。從實(shí)測(cè)的變排量渦旋壓縮機(jī)的特性曲線1可以看出,在變排量調(diào)節(jié)范圍內(nèi),制冷量基本保持不變,功耗則比同轉(zhuǎn)速下定排量渦旋壓縮機(jī)降低了大約20%左右。而且吸氣壓力和排氣壓力基本保持恒定,避免了定排量壓縮機(jī)的吸氣壓力降低和排氣壓力升高,從而改善了壓縮機(jī)的運(yùn)行條件。4采用外部控制閥的變排量壓縮機(jī)近年來(lái),由于控制技術(shù)的不斷發(fā)展,采用外部控制閥的變排量壓縮機(jī)逐漸開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。該方法相對(duì)于前面所提到的采用內(nèi)部控制閥的變排量壓縮機(jī)具有變轉(zhuǎn)速時(shí)排量變化的響應(yīng)速度快以及節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)。電裝開(kāi)發(fā)出了采用外部控制閥的單向斜盤壓縮機(jī)6SE12。這個(gè)外控閥是氣動(dòng)閥與伺服步進(jìn)電機(jī)的結(jié)合,后者可以控制前者的彈簧力,也

15、可以控制其吸氣壓力設(shè)定值。汽車的控制單元或計(jì)算機(jī)通過(guò)檢測(cè)大氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、太陽(yáng)光強(qiáng)度、車廂內(nèi)溫度、風(fēng)道出口空氣溫度與干度、空氣流動(dòng)情況以及司乘人員對(duì)空調(diào)模式的選擇等確定出適當(dāng)?shù)膲嚎s機(jī)排量或電磁閥閥芯的位移,外控閥由此得到一個(gè)信號(hào),將壓縮機(jī)吸氣壓力及蒸發(fā)溫度控制在一個(gè)適當(dāng)值下工作。這樣非常浪費(fèi)能量的再加熱過(guò)程就不需要了(圖8。電裝的論文顯示它全年可以節(jié)省70%的油耗。近年來(lái),三菱重工將需用/即時(shí)冷量控制(De 2mand Capacity Control 引入變排量渦旋壓縮機(jī),它相當(dāng)于上述單向斜盤壓縮機(jī)的外部信號(hào)控制法。它的控制閥在普通控制閥的基礎(chǔ)上又增加了一部分,該部分的功能是通過(guò)改變步進(jìn)

16、電機(jī)軸的位移來(lái)改變控制閥的彈簧力,進(jìn)而改變吸氣壓力的設(shè)定值。這種方法可以節(jié)能約40% 。圖8內(nèi)控與外控閥的比較15第6期吳建華等:汽車空調(diào)壓縮機(jī)排量調(diào)節(jié)方法及主要變排量壓縮機(jī)5結(jié)論變排量中的變行程容積法相對(duì)于其它變排量調(diào)節(jié)方法具有易于實(shí)現(xiàn)且高速時(shí)能夠保持較高COP 等優(yōu)點(diǎn)。單向斜盤壓縮具有變排量搖板式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)它的零件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變排量性能更好;變排量渦旋壓縮機(jī)在滿負(fù)荷時(shí),效率高,但部分負(fù)荷時(shí)效率下降快。采用外部信號(hào)控制法的變排量壓縮機(jī)具有排量調(diào)節(jié)響應(yīng)快,節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn),是變排量壓縮機(jī)的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)1王宜義,王軍,汽車空調(diào).西安:西安交通大學(xué)出版社,1995.2林梅,孫嗣瑩,活

17、塞式壓縮機(jī)原理.西安:西安交通大學(xué)出版社,1996.3任金祿,轎車空調(diào)用變?nèi)萘繅嚎s機(jī)的發(fā)展.流體工程,1991,5.4Timothy J.Skinner and Robert L.Swadner ,V -5automotive variable dis placement air conditioning compressor ,SAE paper850040.5K enji Tojo ,Dynamic behaviour of variable displacement compressor for automotive air conditioners ,SAE paper 900084.

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