汽車空調變排量壓縮機熱力過程特性建模

變排量壓縮機汽車空調制冷系統采用試驗方法進行匹配設計時，存在諸如系統振蕩現象和蒸發器結霜等問題。因此，細致深入地研究斜板式變排量壓縮機行程變化規律，是當前廣泛應用并改善這種變排量汽車空調系統亟待解決的問題。本文利用斜板式變排量壓縮機汽車空調特性實驗系統，采用實驗擬合的方法建立的斜板式變排量壓縮機的穩態模型，進行了斜板式變排量壓縮機制冷系統調節特性的分析研究。

【關鍵詞】變排量壓縮機 系統特性

變排量壓縮機于上世紀80年代中期被正式生產出來，并應用到汽車空調系統中替代定排量壓縮機。變排量壓縮機的工作容量，即排氣量可以隨著制冷環境熱負荷大小的變化，自動地調節改變，并以氣缸結構的最大容量為上限，無級變動活塞行程以改變壓縮機氣缸容積。

變排量壓縮機的研制生產和廣泛應用，是汽車空調領域的一項重大技術進步，具有連續運轉的特點，提高了汽車空調系統運行的經濟性。

1 壓縮過程模型建立

1.1 變排量壓縮機特性實驗系統

圖1是這種變排量壓縮機特性實驗系統圖，實驗系統主體部分包括斜板式變排量壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥和量熱計等部件。由變頻電機實現壓縮機轉速變化控制；壓縮機排氣壓力變化由冷凝風扇的變頻電機實現；運用制冷劑量熱器法測量壓縮機的制冷量，空調負荷改變由量熱計中加熱器的功率變化實現。該系統測量的參數主要包括，使用流量計測量制冷劑質量流量；采用行程測量裝置測量活塞行程；采用電渦流傳感器測量壓縮機轉速；鉑熱電阻溫度計測量制冷劑在系統中各位置的溫度，其測量精度為±0.1℃；采用電壓輸出型壓力傳感器測量制冷劑壓力，測量精度為±0.1%。

1.2 壓縮過程模型

從壓縮機結構及壓縮過程原理分析，為了得到制冷劑質量流量Mr、排氣溫度Td與活塞行程Sp、吸氣壓力Ps、排氣壓力Pd、吸氣溫度Ts和壓縮機轉速Nc的關系。根據分析，質量流量Mr由下式計算：

變排量壓縮機壓縮過程的模型由式（2）和（3）共同組成，因此在全行程和部分行程狀態下，變排量壓縮機指示效率和容積效率是計算壓縮機排氣量和排氣狀態焓值需要得到的關鍵數據。對于定排量壓縮機而言，容積效率和指示效率可以通過明確解析式表達，但卻不能應用于部分行程狀態的變排量壓縮機。本文運用多項式擬合方法，通過實驗得出的數據，來得到變排量壓縮機的指示效率和容積效率經驗計算公式。

1.3 容積效率和指示效率的影響因素

壓縮機的容積效率是壓縮機實際容積流量和理論容積流量之比，在壓縮機實際工作過程中，壓縮機的容積效率等于四個系數的乘積：

以上系數分別對應了四個影響容積效率的主要因素，即氣缸余隙容積的影響、吸排氣閥阻力的影響、吸氣過程中氣體被加熱程度的影響以及漏氣量的影響，可以根據公式（4），通過這四個系數的變化趨向來對各參數影響容積效率的規律加以分析。

變排量壓縮機的主要性能參數，壓縮機轉速、壓縮比和活塞行程變化會直接造成四個系數的改變，從而影響變排量壓縮機使之容積效率發生變化。當變排量壓縮機的壓縮比ε，即排氣壓力Pd與吸氣壓力Ps之比增大，余隙系數和節流系數減小；同時，壓縮比增大，當排氣壓力Pd不變時，則吸氣壓力Ps減小，對應的吸氣溫度降低，壓縮機的泄漏量和吸氣加熱量將增大，即氣密系數和預熱系數將減小。

1.4 容積效率和指示效率的實驗數據擬合

先通過實驗在較大范圍內分別變化壓縮比、轉速和活塞行程，得到相應的容積效率和指示效率的數據，然后根據對容積效率和指示效率變化趨勢的影響參數的分析，可將變排量壓縮機的容積效率ηv擬合成壓縮比ε、轉速Nc和相對行程（活塞在部分排量時的行程和全排量時的行程之比）的函數：

2 斜板式變排量壓縮機特性分析

當汽車空調制冷系統在實際工況下運行時，斜板式變排量壓縮機的轉速跟隨汽車發動機的轉速改變而改變，活塞行程也會自動進行調節，從而使壓縮機排氣量適應空調負荷變化。變排量壓縮機綜合不同運行狀況來看，可以實現定轉速定行程、變轉速定行程、定轉速變行程和變轉速變行程四種不同運行狀況。本文在斜板式變排量壓縮機的穩態模型基礎上，對這四種運行狀況下制冷劑質量流量Mr和壓縮機指示功率Pi的變化規律進行分析。

2.1 定轉速定行程特性規律

當轉速不發生改變，同時處于最大行程狀態時，斜板式變排量壓縮機就相當于固定轉速下的普通壓縮機。當吸氣壓力Ps增大時，壓縮比會減小，容積效率提高，所以使得制冷劑質量流量Mr增大，同時壓縮機指示功率Pi也隨之增大。

2.2 變轉速定行程特性規律

當活塞處于最大行程，變排量壓縮機轉速發生變化時，隨著轉速Nc和吸氣壓力Ps的增加，制冷劑質量流量Mr和壓縮機指示功率Pi增加，圖2和圖3表示活塞處于最大行程，假定Pd=1.5MPa，吸氣過熱10℃時，不同轉速下的Mr-Ps關系曲線和Pi-Ps關系曲線。壓縮機不同轉速下所能保持最大行程的最小吸氣壓力不同，因此每條曲線起點的壓力均不相同。

2.3 定轉速變行程特性規律

如果在汽車發動機轉速一定時，空調負荷發生變化，變排量壓縮機就會自動調節活塞行程來使排氣量適應于空調負荷的變化，這就是定轉速變行程的運行狀態。此狀態下，因為活塞行程變化范圍的限制，Mr-Ps的關系和Pi-Ps的關系會出現調節滯區。行程變化時的Mr-Ps關系曲線和Pi-Ps關系曲線如圖4和圖5所示，此時假定Nc=2000r/min，Pd=1.5MPa，吸氣過熱10℃。從圖中可以看出，Mr與Ps以及Pi與Ps在變行程范圍內是一種多值對應的關系。

2.4 變轉速變行程特性規律

在汽車空調實際運行的情況下，壓縮機轉速和活塞行程可能都會發生改變，這種變轉速變行程的運行狀態是變排量壓縮機運行過程中最復雜的情況。圖6和圖7分別是壓縮機變行程時，不同壓縮機轉速下的Mr-Ps關系曲線和Pi-Ps關系曲線，此時假定Pd=1.5MPa，吸氣過熱10℃。這種關系曲線圖表示出，壓縮機轉速越大，Mr-Ps曲線和Pi-Ps曲線的調節滯區都越向Ps減小、Mr和Pi增加的方向移動。

3 結論

綜合以上對斜板式變排量壓縮機排量變化規律的分析，斜板式變排量壓縮機能夠以各種不同的運行狀態實現工作目的，壓縮機的排量和指示功率表現出存在調節滯區的特性。因為活塞行程調節滯區的影響，斜板式變排量壓縮機與定排量壓縮機性能參數曲線的對應關系不同，各特性參數在變行程范圍內為多值對應關系；在車內制冷負荷等系統參數發生變化之時，斜板式變排量壓縮機會自動調節活塞行程，使制冷量和負荷相適應。

參考文獻

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作者簡介

羅強（1976-），男，四川省遂寧市人。現四川職業技術學院電子電氣工程系講師。研究方向為熱能工程。

作者單位

四川職業技術學院電子電氣工程系 四川省遂寧市 629000