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摘要：為了解決變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)系統(tǒng)振蕩和蒸發(fā)器結(jié)霜問題，對該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析。建立了變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。系統(tǒng)存在變排量壓縮機(jī)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)速變行程四種運(yùn)行方式，本文對四種方式下汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了分析。研究首次發(fā)現(xiàn)，在變活塞行程情況下，與定行程方式下性能參數(shù)一一對應(yīng)關(guān)系不同，蒸發(fā)壓力、制冷量等系統(tǒng)參數(shù)表現(xiàn)為多值對應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)存在“性能帶”，可使蒸發(fā)壓力保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化。變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能帶的發(fā)現(xiàn)和提出，豐富和發(fā)展了制冷系統(tǒng)特性分析理論。

關(guān)鍵詞：性能帶變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)穩(wěn)態(tài)特性

1前言

汽車空調(diào)系統(tǒng)的無級變排量搖板式壓縮機(jī)(以下簡稱變排量壓縮機(jī))摒棄了傳統(tǒng)的離合器啟閉壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方式，可以根據(jù)車內(nèi)負(fù)荷變化改變搖板角度和活塞行程，實(shí)現(xiàn)了汽車空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，不會(huì)引起汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周期性的負(fù)荷變化，車內(nèi)環(huán)境熱舒適性好，降低能耗，節(jié)約燃油[1,2]。但是在由變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩[3,4]和蒸發(fā)器結(jié)霜現(xiàn)象，為了解決這些問題，必須對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析。

只有很少研究者對變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)特性進(jìn)行過分析。Inoue等人[3]在對汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中七缸變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥的匹配問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但是沒有理論分析。Lee等人[5]對變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，但是認(rèn)為在變活塞行程情況下參數(shù)是一一對應(yīng)關(guān)系。

本文在變排量壓縮機(jī)穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)上，建立變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，然后對系統(tǒng)特性進(jìn)行分析。

2系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型

變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)系統(tǒng)由變排量壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和儲(chǔ)液干燥器、熱力膨脹閥以及連接管道組成，制冷劑采用R134a。為簡化模型，忽略各連接管道的壓力損失和熱損失。與定排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)系統(tǒng)最大的不同是變排量壓縮機(jī)，所以重點(diǎn)介紹變排量壓縮機(jī)模型建立。

2.1變排量壓縮機(jī)模型

本文研究的壓縮機(jī)為五缸變排量搖板式壓縮機(jī)，其排量可以在每轉(zhuǎn)10cm3到156cm3范圍內(nèi)無級變化。根據(jù)變排量壓縮機(jī)的控制機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，圖1給出了壓縮機(jī)模型關(guān)系圖。首先建立控制閥數(shù)學(xué)模型從而確定搖板箱壓力Pw隨排氣壓力Pd和吸氣壓力Ps的變化規(guī)律，然后建立壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)力學(xué)模型確定活塞行程Sp與排氣壓力、吸氣壓力、搖板箱壓力和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速Nc的關(guān)系，再通過壓縮過程模型由排氣壓力、吸氣壓力、吸氣溫度、活塞行程和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來確定壓縮機(jī)制冷劑流量Mr和排氣溫度，這樣以上三個(gè)模型就組成了變排量壓縮機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型。

圖1壓縮機(jī)模型關(guān)系圖

根據(jù)我們的研究發(fā)現(xiàn)，變排量壓縮機(jī)由于活塞行程減小時(shí)運(yùn)動(dòng)部件（如軸套同主軸之間）的摩擦力矩與活塞行程增大時(shí)相反，活塞行程減小時(shí)摩擦力矩與吸氣壓力形成的力矩同向，行程增大時(shí)摩擦力矩與吸氣壓力形成的力矩反向，所以行程增大時(shí)臨界吸氣壓力（活塞行程剛要增大時(shí)的吸氣壓力）Ps,cu大于行程減小時(shí)臨界吸氣壓力Ps,cd。當(dāng)Ps,cd≤Ps≤Ps,cu，壓縮機(jī)出現(xiàn)了一個(gè)“調(diào)節(jié)滯區(qū)”，活塞行程Sp不會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)控制閥的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)力學(xué)模型，可以計(jì)算出不同排氣壓力、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和搖板角下行程增加和行程減小時(shí)臨界吸氣壓力，并擬合出行程減小時(shí)和行程增加時(shí)的臨界吸氣壓力與排氣壓力、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和活塞行程的如下關(guān)系式：

（1）

（2）

式中，Pd0為基準(zhǔn)排氣壓力，Ad(α,Nc)，Bd(α,Nc)，Au(α,Nc)，Bu(α,Nc)是與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速Nc和搖板角а有關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)壓縮機(jī)幾何關(guān)系，可以導(dǎo)出活塞行程Sp與搖板角а的關(guān)系式，則公式（1）和（2）給出了活塞行程與排氣壓力、吸氣壓力和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

壓縮機(jī)流量和出口焓值可用下式計(jì)算：

（3）

（4）

最大活塞行程情況下的容積效率和指示效率計(jì)算公式根據(jù)我們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。在部分活塞行程情況下，我們提出相對容積效率和相對指示效率的概念。相對容積效率是部分行程的容積效率同相同工況與轉(zhuǎn)速下最大行程容積效率之比，而相對指示效率是相同工況和轉(zhuǎn)速下部分行程指示效率與最大行程指示效率之比。我們的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)工況對相對容積效率和相對指示效率的影響可以忽略不計(jì)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以擬合出相對容積效率和相對指示效率計(jì)算公式如下：

（5）

（6）

公式（1）～（6）就組成了變排量壓縮機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以由排氣壓力、吸氣壓力、吸氣溫度、活塞行程和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來確定壓縮機(jī)制冷劑流量和排氣溫度。

2.2其它部件模型

本文研究的蒸發(fā)器為四通道五列管片式蒸發(fā)器。蒸發(fā)器長0.2625m,高0.228m，厚0.084m,外表面?zhèn)鳠崦娣e5.5m2。蒸發(fā)器穩(wěn)態(tài)模型采用集總參數(shù)法，將蒸發(fā)器分為兩相區(qū)和過熱區(qū)兩個(gè)區(qū)域。

考慮到汽車空調(diào)部件組成特點(diǎn)和求解方便，將冷凝器和儲(chǔ)液干燥器組合在一起，儲(chǔ)液干燥器作為冷凝器過冷區(qū)的一部分。本文研究的冷凝器為平行流冷凝器，傳熱管為多孔矩形通道扁管，13/9/7/5通道分布,冷凝器長0.35m，高0.56m,厚0.02m,外表面?zhèn)鳠崦娣e5.58m2。冷凝器穩(wěn)態(tài)模型采用集總參數(shù)法，將冷凝器分為過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)三個(gè)區(qū)域。

熱力膨脹閥為交叉充注吸附式H型球型快開閥,公稱容量為2冷噸。通過熱力膨脹閥閥桿受力方程得出閥開度，采用熱力膨脹閥流量計(jì)算公式計(jì)算流經(jīng)熱力膨脹閥的制冷劑流量。

將變排量壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和儲(chǔ)液干燥器和熱力膨脹閥四個(gè)部件穩(wěn)態(tài)模型按照部件進(jìn)出口參數(shù)關(guān)系有機(jī)結(jié)合，就組成了變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型。

2.3系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型驗(yàn)證

圖2為處于行程減小和增大臨界狀態(tài)不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的比較，試驗(yàn)條件：在Teai＝25℃，Tcai=33℃，蒸發(fā)器高檔風(fēng)速，冷凝器迎面風(fēng)速2.8m/s。按照試驗(yàn)條件對蒸發(fā)壓力Pe和制冷量Qe隨Nc的變化進(jìn)行了模擬計(jì)算。

（a）Pe-Nc關(guān)系圖（b）Qe-Nc關(guān)系圖

圖2系統(tǒng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證

可以看出，行程減小時(shí)臨界蒸發(fā)壓力和臨界空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算值和試驗(yàn)點(diǎn)吻合較好，行程增大時(shí)臨界蒸發(fā)壓力的試驗(yàn)值稍小于計(jì)算值，臨界空調(diào)負(fù)荷的試驗(yàn)值稍大于計(jì)算值。總體來說，模擬計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。