油循環率對電動汽車空調壓縮機性能的影響

陶 宏 張 婷 吳生禮 程英男 繆 劍 邵昕宏

(上海海立新能源技術有限公司 上海 201206)

空調系統的油循環率(oil circulation rate，OCR)會影響換熱器的流動換熱，由于油的黏度遠大于液態制冷劑，導致制冷劑側的流阻增加、傳熱系數減小；由于蒸發器中制冷劑的溫度比冷凝器低，油的黏度較大，導致換熱流阻增加較多(最大可達25%)、熱量衰減較大(最大可達5%)[1]，當熱泵在低溫制熱模式下運行時，蒸發溫度更低、油的黏度更大，影響更嚴重。汽車空調系統的OCR通常高于家用空調或商用空調系統，為3%～6%，最高可達10%，制冷量衰減最高可達10%、出風溫度上升可達3～4 K[2-3]，因此OCR越低，熱泵空調系統性能越好。

壓縮機需要適中的OCR以保證：1)可靠的潤滑以降低磨耗和磨損；2)高度密封以減小壓縮過程的制冷劑泄漏；3)有效冷卻以保障適宜的工作溫度、同時改善壓縮過程[4]。

陳志明等[5]對電動渦旋壓縮機(R22)進行了仿真和實驗研究，研究了OCR對壓縮過程、容積效率、功耗、排氣溫度的影響，結果表明，當OCR介于5%～12%時，壓縮機的容積效率、功耗最佳，OCR偏低則泄漏增加、潤滑不良，OCR偏高則占有吸氣容積、油攪拌增加，均會影響壓縮機性能；OCR增加1%，壓縮機排氣溫度降低1.8 ℃。

胡青等[6]對斜盤式汽車空調壓縮機(R12)進行了實驗研究，由于沒有采用油分離器方法測量OCR，計算壓縮機性能時采用制冷劑和油混合物物性修正計算；實驗結果表明OCR<2%時，油對測量誤差的影響小于1%，但當OCR約為10%時，油對測量誤差的影響達到8%～10%；當OCR介于5%～8%時，壓縮機的性能最佳。

楊傳波等[7]對渦旋式汽車空調壓縮機(R134a)進行了仿真和實驗研究，研究了不同工況、轉速條件下OCR對容積效率、功耗、排氣溫度的影響，結果表明，當OCR介于7%～9.1%時，不同轉速和工況下，均可獲得較佳的工作性能；OCR<6%，泄漏是影響容積效率和壓縮機軸功率的主要因素，當OCR>10.7%時，油占有一定工作容積并溶解部分制冷劑是影響容積效率的主要原因，功率損失的增加是由于排氣流動損失和相對運動部件間摩擦增加造成；OCR增加，排氣溫度降低，兩者之間約呈線性變化關系。

王楓等[8]研究了活塞式冷凍壓縮機(R22)，壓縮機排氣后設置油分離器，以確保制冷循環中壓縮機吸入純制冷劑，同時將分離出來的潤滑油及時送回壓縮機油箱，采用取樣法測量OCR。在一定范圍內，OCR隨壓縮機注油量的增加而升高，存在性能最佳的OCR(0.4%～0.5%，對應最佳的壓縮機注油量)。

R.Ossorio等[9]實驗研究了變頻渦旋壓縮機(R290)的OCR，結果表明，影響OCR的主要因素是壓縮機轉速和蒸發溫度，OCR隨壓縮機轉速升高而增加，高轉速時OCR可達5%。

電動汽車空調壓縮機既不同于傳統汽車用皮帶輪驅動壓縮機，增加了電動機部分；也不同于家用或商用的立式變頻渦旋空調壓縮機，采用臥式結構。因此，本文采用壓縮機性能實驗臺及OCR測量裝置，研究電動汽車空調用變頻臥式渦旋空調壓縮機(R134a)的容積效率、電效率、排氣溫度、殼體溫度等隨OCR的變化。

1 壓縮機性能實驗系統

1.1 實驗方法

1.1.1 壓縮機性能測量裝置

實驗采用GB/T 5773—2016《容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》[10]中定義的第二制冷劑量熱器法。

壓縮機性能實驗系統如圖1所示，壓縮機(1)排氣進入油氣分離儲油罐(13)，經過油氣分離后的氣相制冷劑依次流向冷凝器(4)冷凝、高壓儲液罐(5)、過冷器(6)冷卻為過冷液，質量流量計(20)測量制冷劑質量流量、膨脹閥(7)節流、蒸發器(10)內吸收氣相第二制冷劑冷凝熱而蒸發，最后流回壓縮機(1)的吸氣口；而經過油氣分離后的液相油依次流向油流量計(21)測量油質量流量、油流量控制閥(15)調節油流量，最后也流回壓縮機(1)的吸氣口。

第二制冷劑量熱器是一個隔熱的密閉壓力容器(9)，充注有第二制冷劑(11)，下部為液相區，通過浸沒的電加熱器(12)調節熱負荷，上部為氣相區，懸置蒸發器(10)；第二制冷劑被電加熱器加熱沸騰蒸發為氣體上升到氣相區，在蒸發器表面放熱后又被冷凝為液體滴落回下部液相區。為使量熱器的漏熱損失最小，調節量熱器室(8)的室溫與量熱器內第二制冷劑的溫度相等。

被測壓縮機(1)置于壓縮機室(3)內，壓縮機室內環境空氣溫度可調節，并可通過風扇(2)調節壓縮機周邊空氣流速。

1壓縮機;2風扇;3壓縮機室;4冷凝器;5高壓儲液器;6過冷器;7電子膨脹閥;8量熱器室;9量熱器;10蒸發器;11第二制冷劑;12電加熱器;13油氣分離儲油罐;14電加熱器;15油流量控制閥;16閥前;17量熱器出口;18壓縮機吸氣口;19壓縮機排氣口;20制冷劑質量流量計;21油質量流量計。圖1 壓縮機性能實驗裝置原理Fig.1 Principle of compressor performance test installation

壓縮機運行工況如排氣壓力、吸氣壓力、閥前溫度、吸氣溫度等參數設定完成后，本實驗裝置按照圖2中對應的(a)～(d)控制回路分別自動調節。主要測量儀器參數如表1所示。

表1 主要測量儀器參數Tab.1 Parameters of principal measuring instruments

圖2 壓縮機性能實驗裝置主要調節回路框圖Fig.2 Key regulation loops block diagram for compressor performance test installation

(1)

而蒸發器的制冷量等于直接測量的電加熱功率Pheater與量熱器漏熱量Φloss的代數和：

Φe=Pheater+Φloss

(2)

式中：Pheater為電加熱功率，W；Φloss為量熱器漏熱量，W，根據量熱器室與量熱器內部的溫差大小修正[9]。

膨脹閥入口制冷劑比焓hVi通過當地壓力pVi和溫度TVi計算；量熱器出口制冷劑比焓heo通過當地壓力peo和溫度Teo計算。

壓縮機在一定吸氣壓力ps、吸氣溫度Ts、排氣壓力pd和膨脹閥前溫度TVi時，壓縮機的制冷量Φ0按照式(3)修正了從量熱器出口到壓縮機吸氣口之間連接管路的冷量損失。

(3)

式中：Φ0為壓縮機的制冷量，W；Φe為蒸發器的制冷量，W；hs為壓縮機吸氣口制冷劑比焓，J/kg。

壓縮機容積效率ηV定義為：

(4)

式中：WRef為直接法制冷劑質量流量，kg/s；ρs為壓縮機吸氣口制冷劑密度，kg/m3；Vd為壓縮機排量，m3；n為壓縮機轉速，r/min；

壓縮機電效率ηe定義為：

ηe=WRefΔhis/Pcomp

(5)

式中：ηe為壓縮機電效率；WRef為制冷劑質量流量，kg/s；Δhis為等熵焓差，J/kg；Pcomp為壓縮機功率，W。

1.1.2 油分離式OCR測量裝置

為了減少實驗臺系統中的制冷劑含油量對流量測量、制冷劑物性計算的影響[11]，如圖1所示，壓縮機排氣先經油氣分離儲油罐(Temprite 925R，分離效率99.9%)分離制冷劑氣體和油，被分離出的油流入底部儲油罐；儲油罐的油中浸沒電加熱器，與油溫傳感器組成控制回路調節儲油罐中油溫至100 ℃，以盡量減少油中溶解制冷劑的量，油池溫度調節回路如圖3(b)所示，儲油罐中有油位傳感器測量儲油罐中油位，與儲油罐出口管路上的流量調節閥組成控制回路，調節儲油罐中油位；儲油罐出口管路上的流量調節閥與油流量計組成控制回路，調節OCR，OCR調節回路如圖3(a)所示；流量調節閥流出的油與量熱器出口的制冷劑匯合回到壓縮機吸氣口。

圖3 OCR實驗裝置主要調節回路框圖Fig.3 Key regulation loops block diagram of OCR test installation

質量流量計(21)位于儲油罐出口，直接測量油的質量流量Woil，OCR定義為：

(6)

式中：OCR為油循環率，%；Woil為油的質量流量，kg/s。

1.2 實驗對象

實驗采用海立(HIGHLY)電動汽車用臥式變頻渦旋空調壓縮機，制冷劑為R134a，冷凍油HAF68(POE)，壓縮機排量Vd為3.4×10-5m3。

1.3 實驗工況

實驗工況參照GB/T 22068—2018《汽車空調用電動壓縮機總成》[12]選定，為了對比轉速、工況的影響，選擇轉速分別為3 000、4 500、6 000 r/min，以及C1、C2兩個高負荷工況(如表2所示)。

表2 測試工況Tab.2 Test operating conditions

2 實驗結果分析

2.1 容積效率

圖4所示為容積效率隨油循環率的變化。由圖4可知，當OCR減小時，渦旋壓縮腔密封效果減弱，泄漏量增加，壓縮機的制冷劑質量流量隨OCR的減小而降低，壓縮機容積效率為0.80～0.93，整體隨OCR的減小而降低,當OCR從10%降至1%，容積效率降低約0.02～0.05。

泄漏量：

(7)

式中：mLeak為泄漏量，kg；Cd為泄漏系數；A為泄漏面積，m2；ρ為密度，kg/m3；Δp為壓差，Pa；t為時間，s。

由式(7)可知，當Cd、A、ρ、Δp一定時，mLeak與泄漏時間成正比。轉速越低，渦盤轉過一定角度的時長t越長，每轉內mLeak越多。由圖4可知，整體上，容積效率隨轉速降低而降低；在C1工況下，6 000 r/min與4 500 r/min時壓縮機的容積效率接近，3 000 r/min時壓縮機容積效率明顯低于4 500 r/min，說明在中高轉速時泄漏影響的差異較小，而在中低轉速時泄漏影響的差異較大；而C2工況的容積效率明顯高于C1工況，主要是因C2工況的壓比(≈5.1)小于C1工況的壓比(≈7.3)。

圖4 容積效率隨油循環率的變化Fig.4 Volume efficiency varies with oil circulation rate

在C1工況轉速為4 500、6 000 r/min，C2工況轉速為4 500 r/min時，當OCR>5%時，容積效率隨OCR的變化較小，OCR<5%時，容積效率隨OCR的變化較大，說明中高轉速時OCR≈5%，既能保證渦旋壓縮機的有效密封，也可盡可能減小對空調系統的影響。在C1工況轉速為3 000 r/min時，容積效率隨OCR的變化大于轉速為4 500、6 000 r/min時，且OCR在1%～10%范圍內變化時，容積效率隨OCR約呈線性變化。

2.2 電效率

圖5所示為電效率隨油循環率的變化。由圖5可知，壓縮機電效率ηe介于0.45～0.62，整體上ηe隨OCR的減小而降低，當OCR從10%降至1%，ηe降低約0.02～0.05。這是因為隨OCR減小，潤滑變差導致機械效率ηme降低，同時隨著OCR減小，泄漏量增加、冷卻減弱導致指示效率ηi也降低，壓縮機電效率ηe隨之降低。

圖5 電效率隨油循環率的變化Fig.5 Electrical efficiency varies with oil circulation rate

壓縮機電效率：

ηe=ηivtηmoηmeηi

(8)

式中：ηe為壓縮機電效率；ηivt為變頻器效率；ηmo為電機效率；ηme為機械效率；ηi為壓縮過程指示效率。

在C1工況，轉速為6 000 r/min和4 500 r/min時壓縮機的電效率相近，轉速為3 000 r/min時壓縮機電效率明顯低于4 500 r/min時。當OCR從10%降至1%，C1、C2工況排氣溫度分別上升近15 ℃、10 ℃。這是因為低轉速時泄漏量較大、ηi降幅更大，且ηmo在低轉速時也較低。而C2工況時電效率明顯高于C1工況時的電效率，主要是因C2工況的壓比(≈5.1)小于C1工況的壓比(≈7.3)。

2.3 排氣溫度

圖6所示為排氣溫度隨油循環率的變化。由圖 6可知，整體上壓縮機排氣溫度隨OCR減小近似呈線性上升，當OCR從10%降至1%，C1、C2工況排氣溫度分別上升近15 ℃、10 ℃。這是因為潤滑油中溶解的液相制冷劑從氣相制冷劑中吸熱而蒸發，降低了氣相制冷劑的溫度；隨OCR減小，潤滑油/制冷劑混合溶液流量也減少,從氣相制冷劑中吸收的熱量減少，導致排氣溫度上升。

圖6 排氣溫度隨油循環率的變化Fig.6 Discharge gas temperature varies with oil circulation rate

C1工況下，轉速為4 500 r/min和6 000 r/min時排氣溫度曲線很接近，轉速為3 000 r/min時排氣溫度明顯高于4 500 r/min時，說明在中低轉速(或中小流量)時油的冷卻效果更顯著。

而C2工況的排氣溫度整體上顯著低于C1工況的排氣溫度，主要是因C2工況的壓比(≈5.1)小于C1工況的壓比(≈7.3)。

2.4 殼體溫度

圖7所示為殼體溫度隨油循環率的變化。由圖 7可知，整體上壓縮機殼體(電機)溫度隨OCR減小近似呈線性上升，當OCR從10%降至1%，各工況下殼體溫度上升約5～10 ℃。因為隨OCR減小，油氣兩相傳熱系數α減小，根據電機與制冷劑之間傳熱公式，壓縮機殼體(電機)溫升增大。

圖7 殼體溫度隨油循環率的變化Fig.7 Shell temperature varies with oil circulation rate

忽略電機與壓縮機周圍空氣之間的換熱，電機與制冷劑流體之間對流換熱：

Φ(n，Ip)mo=αA(Tmo-Ts)

(9)

式中：Φmo為電機發熱量，W；Ip為電機相電流，A；α為制冷劑流過電機表面的對流換熱表面傳熱系數，W/(m2·K)；Tmo為電機溫度，℃；Ts為壓縮機吸氣溫度，℃。

在C1工況，壓縮機殼體溫度隨著轉速降低而升高，一方面因低轉速時，電機效率較低，電機發熱量增加，另一方面，因低轉速時制冷劑流量減小，油氣兩相傳熱系數減小，故油對電機的冷卻效果在中低轉速(或中小流量)時更顯著。

3 結論

本文通過第二制冷劑法壓縮機性能實驗裝置和油分離法OCR測量裝置，在轉速分別為3 000、4 500、6 000 r/min下，實驗研究了油循環率對電動汽車空調壓縮機性能的影響，得到結論如下：

1)油循環率在1%～10%范圍內，同一工況下，壓縮機容積效率整體隨油循環率減小而降低約0.02～0.05，隨轉速升高(3 000～6 000 r/min范圍內)而上升。

2)同一工況下，壓縮機電效率隨油循環率減小而降低約0.02～0.05，轉速為4 500、6 000 r/min時壓縮機電效率接近，而轉速為3 000 r/min時壓縮機電效率明顯低于4 500 r/min時。

3)同一工況下，壓縮機的排氣溫度隨油循環率減小而近似呈線性上升10～15 ℃，轉速為4 500、6 000 r/min時壓縮機排氣溫度接近，而轉速為3 000 r/min時壓縮機排氣溫度明顯高于4 500 r/min時。

4)同一工況下，壓縮機殼體溫度隨油循環率的減小而近似呈線性上升5～10 ℃，整體上隨著轉速升高(3 000 ～6 000 r/min范圍內)而降低。

5)總體而言，OCR<5%時OCR對壓縮機性能的影響比OCR>5%時顯著。