汽車空調壓縮機排量調節(jié)方法及主要變排量壓縮機

1、汽車空調壓縮機排量調節(jié)方法及主要變排量壓縮機吳建華張利張海鋒(西安交通大學壓縮機研究所摘要本文介紹了幾種主要的變排量調節(jié)方法,并分析了目前國內使用最為廣泛的搖板式壓縮機及迅速發(fā)展的單向斜盤式壓縮機和渦旋式壓縮機的性能特點及變排量原理。本文對近幾年才發(fā)展起來的采用外部信號控制法或稱即時冷量控制法的單向斜盤壓縮機和渦旋壓縮機也作了介紹。關鍵詞壓縮機變排量外部信號控制法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前言轎車空調壓縮機是通過皮帶輪直接驅動。汽車高速行駛時,傳統(tǒng)定排量壓縮機的排氣量隨著轉速的增加而增加,功耗也會隨之增加。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,壓縮機制冷量的增加使蒸發(fā)壓力降低,蒸發(fā)器結霜,制

4、冷系統(tǒng)各部件不匹配,影響整個系統(tǒng)的性能,并且離合器啟閉頻繁。為此,對壓縮機進行排量調節(jié),實現壓縮機排量與負荷相匹配,使其在低速時或需要較大制冷量時,具有高的制冷能力;高速時或制冷量富余時,控制制冷量,減少功耗。本文將著重介紹常見的變排量調節(jié)方法及幾種主要的變排量壓縮機。2車用空調壓縮機常用變排量調節(jié)方法(1變行程容積法變行程容積法是通過改變壓縮機的行程容積來調節(jié)其排量,這種方法主要用于活塞式壓縮機中,其壓力指示圖如圖1所示。當壓縮機的轉速較低或需要較大制冷量時,壓縮機在最大行程下工作(圖中曲線a。當轉速較大,制冷劑循環(huán)質量流量過大時,壓縮機內部的控制閥動作,壓縮機的行程開始變小(圖中曲線b,c

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

6、使用廣泛的搖板式壓縮機和單向斜盤式壓縮機都采用這種排量調節(jié)方法。(2吸氣節(jié)流法吸氣節(jié)流法是在壓縮機的進氣口處安裝節(jié)流裝置,使進氣受到節(jié)流、壓力降低,進氣比容升高,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)流后實際進入壓縮機的制冷劑由Vh 減小到了V h 。由于汽車空調壓縮機的壓比一般都比較大,所以使用該方法調節(jié)時,隨著進氣壓力的降低,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,即壓縮機的COP 是下降的。因此該方法只應用于調節(jié)幅度較小的情況。目前,部分旋葉式壓縮機采用這種方法來調

7、節(jié)排量。(3吸氣旁通法該方法是利用延遲壓縮過程的開始時間來實現的。一般是在壓縮腔的位置設置旁通孔,孔的位置及形狀與排量調節(jié)的范圍有關。當壓縮機的轉速較低,需要在大排量下運行時,此旁通孔關閉,壓縮機吸氣結束后直接開始壓縮過程。而當壓縮機的轉速較高,需要在小排量下運行時,旁通孔打開,孔的開度與此時所需排量的大小有關,當壓縮機吸氣過程結束開始壓縮過程時,部分制冷劑會通過該旁通孔回流到吸氣管道中,實際進入壓縮機的制冷劑的量減小,即壓縮機的排量減小。通過調節(jié)旁通孔的開度,該方法也可實現排量的連續(xù)調節(jié)。圖 3圖3吸氣旁通法的壓力指示圖是該調節(jié)方法的壓力指示圖,圖中的曲線a 是旁通孔關閉,壓縮機在大排量下運

8、行時的壓力曲線,曲線b 是旁通孔部分開啟時理想情況下的壓力曲線,但實際情況下吸入壓縮機的部分制冷劑由旁通孔回流到吸氣管道時會存在壓力損失,所以壓力曲線應為圖中的曲線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和部分旋葉式壓縮機的排量調節(jié)。(4減少氣缸工作數法該方法用于多缸壓縮機中,是在當壓縮機轉速較高,需要小排量時,通過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目,實現了排量的減小。該方法實現起來較為復雜,而且一般的多缸壓縮機都具有較好的動力平衡特性,減少氣缸工作數則破壞了多缸壓縮

9、機的這一優(yōu)點。同時該法只能對排量進行分段調節(jié),從而使得發(fā)動機的載荷波動較大。3主要車用變排量壓縮機(1搖板式壓縮機搖板式壓縮機是一種軸向往復式活塞壓縮機。其57個氣缸軸向布置,與主軸一起旋轉的斜盤通過推力軸承推動周向位移受到約束的搖板搖動,搖板上的球絞帶動連桿及活塞做往復運動4。搖板式壓縮機的綜合性能好,即效率與可靠性高,使用性好,且價格低。但零件較多。它是過去三十年使用最為廣泛的汽車空調壓縮機之一。94第6期吳建華等:汽車空調壓縮機排量調節(jié)方法及主要變排量壓縮機搖板式是通過改變斜盤的傾角,來改變活塞的行程,從而改變壓縮機的行程容積和排氣量。圖4是搖板式壓縮機活塞行程容積控制的原理示意圖。為了

10、簡明起見,圖中省略了斜盤與搖板的相對轉動,只表明平面內斜盤傾角變化及其對活塞行程的影響。傳動柄上的弧形槽型線的設計很關鍵,它要保證活塞的上止點位置在全負荷及部分負荷時都不變化,斜盤傾角變化時,只是變化下止點的位置。圖5是搖板式變排量壓縮機制冷量、功率和COP 隨轉速的變化關系。轉速增加時,制冷量和輸入功率基本保持不變,而COP 則會由于流動損圖4 搖板式壓縮機活塞行程控制的原理示意圖圖5搖板式壓縮機制冷量、功率和COP 隨轉速的變化失以及相對余隙容積的增加而有所下降。(2單向斜盤壓縮機1996年底,日本電裝公司開發(fā)出單向斜盤變排量壓縮機-7SB16。單向斜盤變排量壓縮機是新一代的可變排量壓縮機

11、。它零件少、結構緊湊、尺寸小、重量輕、效率高、耐久性好、NV H 特性好、高轉速運行、排量調節(jié)范圍大,并且既可用內氣動閥控制又可用外電子閥控制。在用電子控制時可省卻離合器,大大提高了系統(tǒng)的可靠性;可調節(jié)蒸發(fā)溫度,大大節(jié)省油耗。單向斜盤壓縮機的變排量調節(jié)機理類似于搖板式壓縮機。它也是通過控制斜盤箱內的氣體壓力來控制斜盤的傾角,進一步控制活塞的行程及壓縮機的排量。不過它的調節(jié)范圍比搖板式壓縮機更寬,調節(jié)機構更為簡單。圖6是單向斜盤壓縮機斜盤的受力簡圖。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運動,而垂直方向的力作用于

12、活塞,則會使活塞與氣缸壁面之間產生接觸力。當壓縮機的轉速較高時,壓縮機的行程減小,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在高速時具有較好的動力特性 。圖6斜盤作用于活塞上的力圖7是德爾福(DEL PHI 公司生產的單向斜盤壓縮機CVC125(Compact Variable compressor 的性能曲線,該壓縮機可以實現排量從7cc 125cc 的連續(xù)變化。(3渦旋式壓縮機渦旋壓縮機是回轉式壓縮機。1978年日本三電公司開始了渦旋壓縮機的研究和開發(fā)。1981年就開始小批量的生產。05制冷與空調第4卷

13、 圖7CVC125的性能曲線渦旋壓縮機的主要優(yōu)點是效率高、重量輕、體積小、可高速運行、可靠性高、運行平穩(wěn)、NV H 低。渦旋壓縮機的變排量性能沒有搖板式或斜盤式壓縮機好,一是調節(jié)范圍窄,一般為30%-100%,二是效率隨排量下降快。渦旋壓縮機采用旁通法調節(jié)排量。它是在渦旋盤的底板上開設一氣孔。此氣孔的位置與排量調節(jié)的范圍有關。另外還要安裝活塞控制閥。壓縮腔內的氣體可以通過渦旋盤底板上的氣孔、舌簧單向閥、活塞控制的流量調節(jié)孔回流到吸氣腔,從而減少壓縮機的排量和指示功率。實測的這種變排量渦旋壓縮機的P -V 圖8類似于圖3。在轉速增加時,旁通孔開啟時間縮短,P -V 圖將向外擴展,壓縮機排量及指示

14、功率都會增加。從實測的變排量渦旋壓縮機的特性曲線1可以看出,在變排量調節(jié)范圍內,制冷量基本保持不變,功耗則比同轉速下定排量渦旋壓縮機降低了大約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的吸氣壓力降低和排氣壓力升高,從而改善了壓縮機的運行條件。4采用外部控制閥的變排量壓縮機近年來,由于控制技術的不斷發(fā)展,采用外部控制閥的變排量壓縮機逐漸開始發(fā)展起來。該方法相對于前面所提到的采用內部控制閥的變排量壓縮機具有變轉速時排量變化的響應速度快以及節(jié)約能耗等優(yōu)點。電裝開發(fā)出了采用外部控制閥的單向斜盤壓縮機6SE12。這個外控閥是氣動閥與伺服步進電機的結合,后者可以控制前者的彈簧力,也

15、可以控制其吸氣壓力設定值。汽車的控制單元或計算機通過檢測大氣溫度、發(fā)動機轉速、太陽光強度、車廂內溫度、風道出口空氣溫度與干度、空氣流動情況以及司乘人員對空調模式的選擇等確定出適當的壓縮機排量或電磁閥閥芯的位移,外控閥由此得到一個信號,將壓縮機吸氣壓力及蒸發(fā)溫度控制在一個適當值下工作。這樣非常浪費能量的再加熱過程就不需要了(圖8。電裝的論文顯示它全年可以節(jié)省70%的油耗。近年來,三菱重工將需用/即時冷量控制(De 2mand Capacity Control 引入變排量渦旋壓縮機,它相當于上述單向斜盤壓縮機的外部信號控制法。它的控制閥在普通控制閥的基礎上又增加了一部分,該部分的功能是通過改變步進

16、電機軸的位移來改變控制閥的彈簧力,進而改變吸氣壓力的設定值。這種方法可以節(jié)能約40% 。圖8內控與外控閥的比較15第6期吳建華等:汽車空調壓縮機排量調節(jié)方法及主要變排量壓縮機5結論變排量中的變行程容積法相對于其它變排量調節(jié)方法具有易于實現且高速時能夠保持較高COP 等優(yōu)點。單向斜盤壓縮具有變排量搖板式壓縮機的優(yōu)點,同時它的零件少、結構簡單、變排量性能更好;變排量渦旋壓縮機在滿負荷時,效率高,但部分負荷時效率下降快。采用外部信號控制法的變排量壓縮機具有排量調節(jié)響應快,節(jié)約能耗等優(yōu)點,是變排量壓縮機的發(fā)展方向。參考文獻1王宜義,王軍,汽車空調.西安:西安交通大學出版社,1995.2林梅,孫嗣瑩,活

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