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汽车空调用外控式变排量压缩机的研制

发布时间:2014-06-13

  1.1 外部控制阀设计

  外部控制阀研制思路为保持五缸摇板式变排量压缩机主体结构,在原有内部控制阀基础上进行开发。保留原内部控制阀阀体流道、阀杆、球阀、锥阀及密封组件,将原有内部控制阀的真空波纹管改用外部动力驱动装置,通过传动杆将外部驱动力传递给阀杆。

  根据驱动方式不同,外部控制阀可选用电磁式和电动式两种方式。电磁式外部控制阀是通过控制电磁线圈上的电流大小,改变铁芯传动杆的推力及作用在传动杆上的弹簧力,从而改变控制阀的开度;电动式外部控制阀则是通过改变步进电机的脉冲数,使传动杆向上或向下运动,从而改变控制阀的开度。电动式外部控制阀的驱动元件是步进电机,它具有足够驱动力,可控制范围宽,且脉冲信号与开度之间的线性关系良好,反应速度快,可实现细微控制,工质回路呈密闭结构且与电气回路分离,安全可靠,因此本文采用电动式外部控制阀方案。

  对于外部控制阀的驱动装置,利用微电脑产生脉冲,将脉冲送入驱动电路中,分别给各相线圈施加驱动电压。利用研制的驱动电路,可根据汽车空调外部参数变化通过微电脑模拟计算出需要脉冲数或手动调节脉冲数,驱动步进电机改变控制阀开度。

  1.2 外部控制阀特性研究

  1.2.1 实验系统

  为了研究外部控制阀特性及验证其数学模型,建立了外部控制阀实验装置。采用与实际压缩机吸气腔、摇板箱和排气腔相同容积的三个容器来模拟控制阀实际工况,排气压力和吸气压力由各自单独的气源加上恒压阀分别进行调节。通过控制器改变步进电机脉冲数来控制外部控制阀开度。排气腔压力Pd、吸气腔压力Ps和摇板箱压力Pw分别采用电压输出型压力传感器测量,其测压精度为±0.1%。
利用建立的数学模型和实验装置,对外部控制阀特性进行了模拟分析和实验研究,详细内容见文献[8]。

    2 外控式变排量压缩机

    将开发的外部控制阀及其驱动装置安装于五缸摇板式变排量压缩机本体中,就组成了外控式五缸摇板式变排量压缩机。

    2.2.1 模拟分析

    建立外控式变排量压缩机数学模型,对开发的外控式变排量压缩机进行稳态特性分析。

    (1) 数学模型

    传统定活塞行程压缩机数学模型,由于其活塞行程不变,所以模型建立主要侧重于压缩过程的变化规律;对于定活塞行程变频压缩机模型仅需增加频率对压缩机性能的影响。而汽车空调用摇板式变排量压缩机,由于压缩机转速作为外扰量不可控而采用活塞行程调节来实现压缩机无级变容,所以摇板式变排量压缩机模型比传统定活塞行程压缩机模型复杂。

    通过分析外控式摇板式变排量压缩机的控制机理,本文提出其数学模型由控制阀模型、运动部件动力学模型和压缩过程模型三部分有机组成。控制阀数学模型用于根据脉冲数N、排气压力Pd和吸气压力Ps确定摇板箱压力Pw;压缩机运动部件动力学模型根据排气压力、吸气压力、摇板箱压力和压缩机转速Nc确定活塞行程Sp;压缩过程模型则是根据排气压力、吸气压力、吸气温度Ts、活塞行程和压缩机转速来确定压缩机制冷剂流量Mr和排气温度Td。在建模过程中侧重于活塞行程变化这个关键问题,对与活塞行程变化有关的控制阀模型和压缩机运动部件模型采用理论分析加实验验证的方法重点分析,对压缩过程采用实验方法简单建模。详细数学模型及其实验验证见文献[9]。

    (2) 性能模拟分析

    利用建立的数学模型,对外控式五缸摇板式变排量压缩机在定转速变行程和变转速变行程两种情况下的活塞行程和制冷剂流量变化规律进行模拟分析。
形成调节滞区的原因是运动部件存在摩擦力(主要是轴套同主轴之间的摩擦力),由于其在行程增大和减小时方向不同,则造成在相同的压缩机转速和活塞行程情况下活塞行程增大时的临界脉冲数小于活塞行程减小时的临界值,即Ncu<Ncd,从而形成调节滞区。

    活塞行程的调节滞区也就引起压缩机其它参数的调节滞区,图5(b)表示了外控式摇板式变排量压缩机制冷剂质量流量Mr的调节滞区。对于某一确定行程(如最大行程),压缩机的制冷剂流量为一条曲线,相当于定转速定行程压缩机的制冷剂流量特性。不同行程流量曲线组合就形成了制冷剂质量流量的一个区域,这样由于变行程的原因,使得原来定转速定行程制冷剂质量流量一条曲线的一一对应关系,变成了一个多值对应关系。

    对于外部控制压缩机,控制阀开度调节由外部输入脉冲数确定,而不依靠吸气压力,这样吸气压力就可以在更大范围内变化。例如可以在车内空调热湿负荷较小时,采用较高的吸气压力,在保证室内舒适性的同时可节省油耗。

    2.2.2 动态特性实验研究

    建立了外控式变排量压缩机的实验系统,对压缩机活塞行程和制冷剂流量等参数随外部控制阀开度、压缩机转速、排气压力和吸气压力的动态变化进行观测。

    (1) 外部控制阀开度突然变化

    图7(a)表示了当压缩机转速2000r/min时,外部控制阀脉冲突然从40到50,再由50到60,然后从60脉冲回到40脉冲时的变化情况。从图7(a)可以看出,当外部控制阀脉冲数和开度增大时,排气压力Pd下降,摇板箱压力Pw和吸气压力Ps上升,活塞行程Sp减小(从19.1mm减少到16.8mm),制冷剂质量流量Mr先突降然后又回升。当外部控制阀脉冲数和开度减小时,排气压力上升,摇板箱压力和吸气压力下降,活塞行程增大,制冷剂质量流量先突升然后又降低, 活塞行程从16.8mm增加到18.75mm。

    当脉冲数增加时,传动杆推动阀杆开大球阀,关小锥阀,这样使得摇板箱压力升高,从而减小了活塞行程,活塞行程的减小使得制冷剂质量流量下降,这样吸气压力上升。当脉冲数减少时的情况正相反。在变行程情况下制冷剂流量有一定的回调现象。

    (2) 压缩机转速突然变化

    图7(b)表示了当外部控制阀脉冲数为20时,压缩机转速Nc先从1550r/min突降到1110r/min,然后又突升到2000r/min时的变化情况。当Nc突降时,排气压力 Pd和摇板箱压力Pw下降,活塞行程Sp增加,制冷剂质量流量Mr先突降然后又回升,吸气压力Ps先升后降,行程Sp从25.4mm增加到27.6mm。转速突升时,Pd、Pw上升,Sp减少,Mr先突升然后又降低,Ps先降后升,行程Sp从27.6mm减少到23.19mm。

    当压缩机转速突降时,制冷剂质量流量会突然降低,使得吸气压力升高,排气压力和摇板箱压力下降。由于外部控制阀开度保持不变,这样使得摇板箱和吸气腔压力差减小,从而增加了活塞行程;活塞行程的增加又使突降的制冷剂流量回升,这样吸气压力回落,所以出现制冷剂质量流量先降后升,而吸气压力先升后降的情况。压缩机转速突升时情况正相反。
 
    (3) 排气压力突然变化

    采用开关排气调节阀的方法来实现排气压力的阶跃变化。图7(c)为当外部控制阀脉冲数为40和压缩机转速1550r/min时排气调节阀先关后开的一个变化过程。当关小排气调节阀时,Mr降低,同时Pd和Ps上升,Pw与Ps的差值减少,活塞行程增大,这样又使得Mr回升,Pd和Ps降低,Pw升高,所以Pd和Ps经历了一个先升后降的过程,而Pw和Mr经历了一个先降后升的过程,制冷剂流量同样出现有较大回调的现象。开大排气调节阀时情况正好相反。

    (4) 吸气压力突然变化

    采用开关吸气调节阀的方法来实现吸气压力的阶跃变化。图7(d)为当外部控制阀脉冲数为40和压缩机转速1600r/min时吸气调节阀先关再开的变化过程,可以看出各参数没有纯滞后和渐变过程,几乎随着吸气调节阀的开大关小一起变化。

    从图7(a)~图7(d)可知,当影响压缩机行程变化的输入参数外部控制阀开度、压缩机转速、排气压力和吸气压力突然变化时,变排量压缩机活塞行程、排量等参数几乎没有纯滞后和渐变过程。

    3 结论

    本文提出变排量压缩机电动式外控驱动方案,以五缸摇板式变排量压缩机本体为基础,研制开发出外部控制阀及其外控式变排量压缩机。

    建立了外部控制阀的数学模型和实验装置,在此基础上建立了外控式摇板式变排量压缩机的数学模型。模拟结果发现外控式变排量压缩机存在由于运动部件摩擦力引起的行程调节滞区。

    采用实验方法对外控式摇板式变排量压缩机动态特性进行了研究。动态实验结果表明,活塞行程和制冷剂质量流量等参数随压缩机外部参数突变的动态响应时间很短,可以忽略不计。

    下一步研究工作需要提出变排量压缩机汽车空调制冷系统的外部控制策略,开发出变排量压缩机汽车空调系统的外部控制系统,为该系统的推广应用奠定基础。

    参考文献

    [1] Timothy J Skinner, Robert L Swadner. V-5 Automotive Variable Displacement Air Conditioning Compressor. SAE Congress Paper  850040

    [2] Hiroyasu Nadamoto, Atsushi Kubota. Power Saving with the Use of Variable Displacement Compressor. SAE Congress Paper 1999-01-0875

    [3] Tian Changqing, Dou Chunpeng, Yang Xinjiang, Li Xianting. Instability of automotive air conditioning system with a variable displacement compressor Part 1: Experimental investigation. International Journal of Refrigeration, v 28, n 7, Nov 2005, p 1102-1110

    [4] Tian Changqing, Dou Chunpeng, Yang Xinjiang, Li Xianting. Instability of automotive air conditioning system with a variable displacement compressor Part 2: Numerical simulation. International Journal of Refrigeration , v 28, n 7, Nov 2005, p 1111-1123

    [5] Changqing Tian, Xianting Li, Xinjiang Yang. Numerical analysis on evaporator frosting in automotive air conditioning system with a variable displacement compressor. Applied Energy, 2005,82(1): 1-22

    [6] Akira Kishibuchi, Michiyasu Nosaka, Tetsuhiko Fukanuma. Development of Continuous Running, Externally Controlled Variable Displacement Compressor. SAE Congress Paper  1999-01-0876

    [7] Changqing Tian, Chunpeng Dou, Xinjiang Yang, Xianting Li. A mathematical model of variable displacement wobble plate compressor for automotive air conditioning system. Applied Thermal Engineering, 2004, 24(17-18):2467-86

    [8] Tian Changqing, Shi Wenxing, Xie Xuming. Numerical analysis on the performance of pulse motor driven control valve in variable displacement compressor. The 5th International Conference on Compressor and Refrigeration, Dalian, China, 2005

    [9] 田长青. 变容量制冷系统开发与研究. 清华大学博士后研究报告,2005

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