汽車空調變排量系統穩定性的試驗研究

韓曉波，錢銳

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

汽車空調變排量系統穩定性的試驗研究

韓曉波*，錢銳

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

為提高汽車空調系統的控制精確度和穩定性，針對變排量壓縮機系統的振蕩現象進行了臺架和整車試驗研究。通過分析實際現象和對比各種措施，分別得出了內控變排和外控變排系統的調節方法，并試著推廣到雙蒸發器系統。結果還表明，根據振蕩發生的工況和熱力膨脹閥類型的不同，調節的方法和產生的效果也有所不同。

汽車空調；穩定性；變排量系統

0 引言

隨著環保理念的深入人心和外控壓縮機的廣泛應用，汽車空調的控制越來越高效節能。精確控制的前提是被控對象的穩定性。但是制冷系統的振蕩是客觀存在的。

國內外學者做了大量的制冷系統穩定性研究，中科院田長青博士總結為蒸發器完全蒸干點隨機振蕩現象的研究[1]、蒸發器和熱力膨脹閥控制回路穩定性研究[2-3]和定容量制冷系統穩定性研究三大類。這些研究闡明了：(1) 不考慮外界影響，蒸發器單體本身存在液體波導致的振蕩；(2) 蒸發器和膨脹閥組成的回路，由于蒸干點和膨脹閥特性線可能有重疊，以及回路傳遞函數的固有特性，某些工況下會產生振蕩；(3) 定排量系統的動態模型在一定情況下會產生振蕩，各參數間存在耦合關系。

也有很多學者對變排量壓縮機進行了細致的理論研究[4-5]，其中文獻[6]在對外控變排量系統進行振蕩研究時提出了基于膨脹閥特性線和R134a物性線交叉點的理論。認為在中低負荷時，根據吸氣壓力相對于交叉點的大小關系，可以使系統分別處于穩定，阻尼振蕩和不穩定三種不同狀態。產生的原因主要還是膨脹閥和蒸發器的相互作用。

本文擬通過對變排量系統的試驗研究，著重于不同工況下振蕩發生原因的分析和相應措施的應用，以提高系統實際工作中的穩定性，滿足精確控制的目的。

1 振蕩的發生

汽車空調的運行工況是多變的，當處于不同的環境溫度、車速和熱負荷組合時，總會不同程度地出現類似振蕩的現象。可以這樣認為，當某個系統中存在不止一個變量時，要使其在寬幅擾動區間內都保持穩定狀態是很困難的。

換個角度考慮，變量之一的熱力膨脹閥本身是個被動調節元件。它對于系統的感應和反饋，往往受到制冷劑相態，壓力和氣相頭時間常數等等的影響。相對于其它空調來說，汽車空調系統并不具備足夠大的熱力學慣性，傳統膨脹閥難以做出足夠快和精確的動作。這在國內外很多案例分析中已經受到質疑并形成共識，由此也逐漸引出了電子膨脹閥的研究。

所以，以下的探討將把重點放在如何減輕振蕩現象，而不拘泥于消除該現象。

2 振蕩的試驗研究

2.1 內控壓縮機系統

內控壓縮機控制閥的動作特性和壓縮機吸排氣壓力等等因素相關，工程上簡化成直線，如圖 1所示。當工況位于斜線上方時處于大排量狀態，下方是小排量狀態，特性線附近是過渡段（穩定程度因控制閥內部結構而異）。圖2和3的試驗對象為整車，工況分別是大排量狀態A和部分排量狀態B。

B點工況的選擇區間：變排量系統使用交叉充注的膨脹閥，當處于很小負荷即負過熱度時有類似毛細管的特性，比平行充注更容易穩定。所以低負荷工況選取的點應在控制閥特性曲線周圍，并保證膨脹閥此時過熱度大于零。

圖1 內控壓縮機控制閥特性曲線

圖2是A點的振蕩現象。試驗在風洞中進行，熱負荷和車輛工況穩定。過熱度和壓力等波動的幅度均勻而且頻繁，周期在 60秒左右，無法自行收斂。根據當時的制冷劑壓力和溫度判斷，壓縮機處于大排量，而膨脹閥正處于開閥曲線附近，它和蒸發器的耦合作用主導了振蕩現象的發生。

圖2 內控系統大排量時的振蕩現象

圖3是B點的振蕩現象。試驗室和車輛工況穩定，但過熱度和壓力同樣出現了頻繁的波動，波幅不是很均勻，周期在 40秒左右，無法自行收斂。波幅的不均勻可能有兩種原因：(1) 壓縮機控制閥的流量調節和膨脹閥相互作用的原因；(2) 由于過熱度較低，膨脹閥出口制冷劑相態的變化會引起感溫速度的變化。可見在部分排量時，由于增加了壓縮機的作用，使得振蕩現象更加復雜。

圖3 內控系統部分排量時的振蕩現象

反復的試驗優化證明，實際工作中常常可以采取以下措施來應對：

1）對于大排量時出現的振蕩，膨脹閥和蒸發器的相互作用是主導，一般調節開閥曲線來避開常用的和明顯影響舒適性的區域，如圖4所示優化后振蕩明顯減小。需要注意的是：a) 新的設定值在低負荷下要充分驗證，往往和高負荷時的能力形成相互制約，需要平衡；b) 開閥曲線無論怎樣調整，總是客觀存在的，它的動作區間在其它環境中還是會和蒸發器相互影響，需要進行驗證；c) 要驗證文獻[7]中提出的“吸氣壓力高于交叉點0.02 MPa時會產生振蕩”的理論，類似的案例還是比較多的。

2）對于部分排量時出現的振蕩，不僅需要調節膨脹閥曲線，還要考慮壓縮機控制閥曲線的影響，目的也是要避開常用和明顯影響舒適性的區域。同樣，調節過程需要考慮第1點中的三個注意點，還要增加對系統抗結霜能力的驗證，這比舒適性更重要。

圖4 調節開閥曲線后的振蕩現象

2.2 外控壓縮機系統

外控壓縮機的發明對于汽車空調控制來說是革命性的，它的主動控制方式允許標定工程師用能耗最低的方式來滿足客戶的制冷需求。不同于內控系統，外控系統大部分的時間工作在部分排量狀態，并根據環境、車速和熱負荷等的變化隨時改變排量。

試驗證明，排量為最大時，外控系統的表現和內控一致；處于部分排量時，壓縮機控制閥的作用往往會主導制冷系統。當控制目標（如送風溫度）的偏差值超過一定量時，PID控制器就會工作，排量就會改變直到被控物理量逐漸收斂。當然，不同程序的控制算法和目標不同，但共同點都是主動控制，它的能力超越了熱力膨脹閥，成為了系統的主宰。

不過膨脹閥的被動調節在系統中始終存在，每當壓縮機排量變化時，或者蒸發器干度變化時，它也會按照自己的規律動作。各種影響的疊加往往會拉長PID收斂的過程，當某個因素的調節精度無法滿足被控物理量的精度時，就會產生振蕩現象，如圖5所示，振蕩周期在130 s左右，無法自行收斂。通過對特定工況下壓縮機輸出排量的調整和PID控制參數的優化，獲得了不錯的效果，如圖6所示。

圖5 外控系統的振蕩現象

圖6 調節壓縮機排量和PID參數后的振蕩現象

反復的試驗優化證明，實際工作中以下措施是有效的：

1）當處于大排量階段，可以參照內控進行調節和驗證。

2）部分排量是客戶最常用的工況，考慮不同的氣候特點，標定過程會很漫長。它要求工程師對影響系統穩定的各個因素都比較熟悉，了解它們在各階段的調節精度，按照當時的舒適性需求，對被控目標、壓縮機排量，PID系數，風量等進行合理的設置，同時考慮使膨脹閥曲線偏離密集振蕩區域，盡量避免對客戶的影響。

2.3 雙蒸發器系統

較大的多功能車型會使用到雙蒸發器系統，它們共用一個壓縮機和冷凝器。兩個蒸發器分管不同的乘客艙區域，能力存在較大的差異，熱力膨脹閥也常常因為可靠性的需要而采用不同的充注方式，所以各自時間常數、反應速率是不同的，這些都導致實際試驗中發生振蕩的現象更普遍。

對系統研究來說，增加一個振蕩的耦合體的話，調節難度會更大，較為有效的方法是把目標放在解決主要振蕩因素上。如圖7所示，在臺架試驗中發現前后系統的振蕩頻率是同步的，但后面的振幅明顯比前面大，所以更多的精力應放在后蒸發器上的膨脹閥曲線調節上。如圖8所示，優化后，前后蒸發器的振蕩現象明顯減輕，且系統能力不變。整車風洞試驗數據也驗證了同樣的趨勢。

對比各種優化結果，對多數雙蒸發器系統來說，調整壓縮機參數的作用較小，而調節膨脹閥的效果更明顯。

圖7 雙蒸發器調節前的振蕩現象

圖8 雙蒸發器調節后的振蕩現象

3 結論

以上針對變排量汽車空調系統的振蕩現象的試驗和探討，側重于實際應用，小結如下，進一步的理論研究將會繼續進行：

1）振蕩發生在大排量時，主導因素是蒸發器和膨脹閥的耦合體，此時調節膨脹閥開閥曲線可以使不穩定區域離開客戶常用的區域，效果明顯。

2）振蕩發生在部分排量時，除了上述的耦合體外，還加入了壓縮機的影響，尤其對外控系統來說是最常用的工況，此時膨脹閥和壓縮機控制閥曲線都需要調整，使得客戶常用區域處于穩定區間。

3）雙蒸發器系統，更多的不穩定因素使得振蕩現象發生的更頻繁，方法同上述兩條，但調節的目標要側重于振幅較大的部分，往往能收到事半功倍的效果。

4）試驗研究是在穩態工況下進行的，在實際行駛中，送風溫度的波動不僅僅是由系統振蕩導致的，更多的是隨著車速、日照和熱負荷的變化而產生的；總體來說，波動幅度控制在0.5度以內基本不會對客戶舒適性產生不利影響。

5）汽車空調系統的熱力學慣性相對較小，而傳統熱力膨脹閥的動作取決于制冷劑壓力、溫度、相態變化和氣相頭時間常數等，難以滿足速度和精度的要求，對于解決振蕩現象來說，電子膨脹閥可能更適合。

6）就熱力膨脹閥本身的耐久性能考慮，行業中常用的標準還是比較嚴格的，如果振蕩現象不是持續發生，波動不是太大，還是可以滿足整車正常使用要求的。

[1]田長青, 竇春鵬, 楊新江, 等. 制冷系統的穩定性[J].流體機械, 2002, 30(4): 44-47, 40.

[2]陳芝久, 蔣文強. 制冷蒸發器與熱力膨脹閥調節回路的穩定性分析[J]. 上海交通大學學報, 1990, 24(2): 58-66.

[3]由玉文, 吳愛國, 張志剛, 等. 基于最小穩定過熱度的制冷系統變負荷優化控制[J]. 低溫與超導, 2011, 39(11): 1-6, 63.

[4]陳芝久, 袁曉梅. 汽車空調壓縮機變排量控制閥的研究現狀[J]. 上海交通大學學報, 2001, 35(8): 1264-1267.

[5]趙宇, 祁照崗, 陳江平, 等. 汽車空調壓縮機排量控制方法的實驗研究[J]. 上海交通大學學報, 2008, 42(8): 1274-1276, 1281.

[6]HAMERY B, LIU J M, RIVIERE C. Instabilities occurring in an automotive a/c loop equipped with an externally controlled compressor and a thermal expansion valve[J]. SAE Technical Paper Series, 2001(1): 17-17.

Experimental Investigation on Instability of Variable Displacement System for Automotive Air Conditioning

HAN Xiao-bo*, QIAN Rui
(Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai 201201, China)

To improve the control precision and stability of automotive air conditioning, the surges of variable displacement compressor systems have been tested by bench and vehicle. Based on actual phenomenon analysis and measures comparison, the regulative solutions for internal and external controlled variable displacement compressor systems have been obtained separately, and this method has been extended to dual evaporator system. Moreover, the solutions and effects were different for various thermostatic expansion valves and working conditions.

Automotive air conditioning; Stability; Variable AC system

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.107

*韓曉波（1975-），男，工程師，工程碩士。研究方向：汽車空調和發動機冷卻。聯系地址：上海市龍東大道3999號，郵編：201201。聯系電話：021-50165038。E-mail：xiaobo_han@patac.com.cn。