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Abstract

Thecomparisonbetweenvariabledisplacementcompressorandfixeddisplacementcompressorismadeinthispaper.Onthebasisofanalyzingthevariabledisplacementcompressorandautomotiveairconditioningrefrigeratingsystemwiththermodynamicexpansionvalveaswellasthevariabledisplacementcompressorandautomotiveairconditioningrefrigeratingsystemwiththrottlingtube.Theautomotiveairconditioningrefrigeratingsystemcomposedofvariabledisplacementcompressorandelectronicexpansionvalveisintroducedinthispaper,analysisofthissystemcharacteristic,itscontrolmethodandcontrolalgorithmaredescribedalso.

摘要

對變排量壓縮機與定排量壓縮機加以比較，在分析變排量壓縮機和熱力膨脹閥汽車空調制冷系統以及變排量壓縮機和節流管汽車空調制冷系統基礎上，提出了變排量壓縮機和電子膨脹閥組成的汽車空調制冷系統，并對其系統特性加以分析，提出其控制方案和控制算法。

Topicwords:Compressor,Airconditioning,Controlvalve

主題詞：壓縮機空調控制閥

1.前言

為了提高汽車空調系統的運行特性和節能效果，1983年美國GM公司哈里森散熱器部在原來定排量搖板式壓縮機的基礎上，研制開發了V-5型無級變排量搖板式壓縮機[1]；1988年日本三電公司開發生產出7缸無級變排量搖板式壓縮機[2]。該類用于非獨立式汽車空調系統的無級變排量搖板式壓縮機是根據壓縮機吸氣壓力與設定值之差，調節擺盤箱壓力與吸氣壓力的差值，推動搖板改變傾斜角，從而改變活塞的行程和壓縮機主軸每轉一周的排量，所以壓縮機的排量調節使系統獲得幾乎恒定的蒸發工況。該類壓縮機與定排量壓縮機相比，具有壓縮機運行連續平穩、空調送風溫度波動小及節約燃油等優點。但由于其變排量特性，在配置節流元件的同時也出現了一些特殊的問題。本文在分析變排量壓縮機分別與熱力膨脹閥及節流短管組成的汽車空調制冷系統的基礎上，提出了變排量壓縮機和電子膨脹閥組成的汽車空調制冷系統。

2.變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調制冷系統

熱力膨脹閥是制冷系統最常使用的節流元件，變排量壓縮機在系統組成時就會考慮到與熱力膨脹閥的配置。圖1為變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調制冷系統示意圖。

圖1變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調制冷系統示意圖

1.變排量壓縮機2.蒸發器3.熱力膨脹閥

4.儲液罐5.冷凝器

AtsuoInoue等人對7缸變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調制冷系統進行了試驗研究，測試結果表明系統發生了振蕩現象[3]。本文在試驗研究的基礎上，對熱力膨脹閥進行了改進，使熱力膨脹閥即使在全關時也一直保持一微量恒定旁通，這樣解決了系統低空調負荷時的振蕩問題，但未做此方法在高空調負荷時的試驗。

我們對改進后的5缸變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調制冷系統的穩定性問題進行了試驗研究和理論分析。從測試結果可以看出蒸發器出風溫度Tao、壓縮機排氣壓力Pd、壓縮機擺盤箱壓力Pc、蒸發壓力Pe和蒸發器出口制冷劑過熱度SHb都隨時間發生等幅周期性變化。

該系統中有兩個相對獨立的制冷劑流量調節裝置，即變排量壓縮機和熱力膨脹閥。兩流量調節裝置均為自力式調節機構，各由不同的參數控制。變排量壓縮機是根據壓縮機吸氣壓力為控制信號來調節壓縮機活塞行程和壓縮機主軸每轉一周的排量。熱力膨脹閥是以蒸發器出口制冷劑的過熱度為控制信號，對制冷劑流量進行比例調節的。由于蒸發器的熱容量、制冷劑從蒸發器入口到出口的流動和狀態變化、感溫包的熱容量、感溫包毛細管的壓力傳遞以及閥內機械動作等一系列的時間滯后，使流量調節對過熱度的響應滯后。兩流量調節裝置之間的唯一聯系是均與壓縮機吸氣壓力有關，但是吸氣壓力又由壓縮機控制幾乎保持恒定。當系統參數或空調負荷發生變化時，一旦變排量壓縮機和熱力膨脹閥流量調節不匹配就會產生系統振蕩。

由于系統穩定性的問題沒有得以解決，限制了變排量壓縮機和熱力膨脹閥汽車空調制冷系統的應用。

3變排量壓縮機和節流短管組成的汽車空調制冷系統

變排量壓縮機和節流短管組成的汽車空調制冷系統是由變排量壓縮機、冷凝器、節流短管、蒸發器和氣流分離器組成（見圖2）。與圖1表示的變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調制冷系統相比除了節流元件由熱力膨脹閥改為節流短管外，還取消了冷凝器后的儲液罐，并在壓縮機和蒸發器之間設置了氣液分離器。由于該汽車空調制冷系統的變容量特性，節流短管作為固定阻尼節流元件無法保證蒸發器出口的制冷劑在低空調負荷下的完全蒸發。因此，在壓縮機和蒸發器之間設置了氣液分離器，使未蒸發完的液態制冷劑分離出來，暫存于氣液分離器的下部。由于該氣液分離器置于高溫的發動機艙內，它很快就會繼續蒸發成為氣態，從而保證了壓縮機的安全[4]。

圖2變排量壓縮機和節流短管組成的汽車空調制冷系統示意圖

1.變排量壓縮機2.冷凝器3.節流短管

4.蒸發器5.氣液分離器

由于節流短管結構簡單，為無反饋開環流量控制裝置，保證了系統的可靠運行。所以在變排量壓縮機汽車空調制冷系統中，變排量壓縮機和節流短管組成的汽車空調制冷系統目前應用最廣。但存在節流短管無法與變排量壓縮機在變容量范圍內達到系統高效運行，氣液分離出來的液態制冷劑不能再去有效地利用以及氣液分離器布置困難等缺點.

4變排量壓縮機和電子膨脹閃組成的汽車空調制冷系統

圖3為變排量壓縮機和電子膨脹閥組成的汽車空調制冷系統示意圖，該系統由變排量壓縮機、冷凝器、儲液罐、電子膨脹閥和蒸發器組成。通過輸入參數進入控制器，利用控制器的控制算法得出控制電子膨脹閥的電磁線圈的電壓或脈沖電機的驅動脈沖信號，從而實現了膨脹閥對流量的調節[5]。

圖3變排量壓縮機和電子膨脹閥組成的汽車空調制冷系統示意圖

1.變排量壓縮機2.蒸發器3.電子膨脹閥

4.控制器5.儲液罐6.冷凝器

變排量壓縮機制冷系統中配置電子膨脹閥的關鍵問題是以保證系統穩定性和變容量范圍內系統最佳運行工況為目標，確定合理的控制方案和控制算法。在該系統的研究開發過程中，還有許多理論問題和實際應用問題要解決。

系統靜態和動態特性

深入了解控制對象的特性是尋求合理的控制方案和控制算法的基礎。對系統中各部件的靜態和動態特性進行理論分析和試驗研究，用理論建模和系統辨識相結合的方法，得出各部件的靜態模型和動態模型。然后根據各部件參數之間關系，建立系統靜態和動態模型。根據模擬計算和試驗研究的結果，分析系統靜態和動態特性。

a.系統穩定性原則

由于該系統有變排量壓縮機和電子膨脹閥兩個流量調節裝置，所以同樣存在系統穩定性問題。在以上系統靜態和動態研究的基礎上，分析滿足系統穩定性條件下的電子膨脹閥特性要求，得出系統穩定性區域。

b.控制方案和控制算法

由于該系統有變排量壓縮機和電子膨脹閥兩個流量調節裝置，所以同樣存在系統穩定性問題。在以上系統表態和動態研究的基礎上，分析滿足系統穩定性條件下的電子膨脹閥特性要求，得出系統穩定性區域。

c.控制方案和控制算法

為減少電子膨脹閥流量調節對過熱度的響應滯后，電子膨脹閥對蒸發器出口端制冷劑過熱度的檢測可通過熱敏電阻或壓力信號。采用熱敏電阻來檢測時用2只熱敏電阻，一個測量蒸發溫度，另一個測量蒸發器出口溫度；采用壓力信號來測量是對蒸發器出口端壓力進行測量，并經物性程序將其轉化為蒸發溫度。由于蒸發器內壓力的變化比溫度的變化迅速，因此使控制器能及時地對過熱度的變化作出反應。

電子膨脹閥流量調節對過熱度的響應滯后問題，也可以采用前饋加反饋的復合調節方法解決。如將壓縮機轉速作為前饋信號，根據轉速變化調節膨脹供液量，再結合反饋進行復合調節。

由于系統的非線性特性，采用模糊算法有一定優勢；也可考慮PID控制算法和模糊控制算法結合使用，發揮各自算法的優點，達到較好的控制效果。

5結論

a.變排量壓縮機和熱力膨脹閥組成的汽車空調制冷系統存在系統振蕩問題。

b.節流短管結構簡單，為無反饋開環流量控制裝置，保證了它與變排量壓縮機組成的汽車空調制冷系統的可靠性運行。但存在無法與變排量壓縮機在變容量范圍內達到系統高效運行，氣液分離器分離出來的液態制冷劑不能再去有效地利用以及氣液分離器布置困難等缺點。

c.變排量壓縮機和電子膨脹閥組成的汽車空調制冷系統是一種最有發展前途的系統配置，代表汽車空調制冷系統的發展方向。需要對系統靜態和動態特性進行深入了解，確定合理的控制方案和控制算法，以保證系統穩定性和變容量范圍內系統最佳運行。

參考文獻

1.SkinnerTJetal.V-5AutomotiveVariableDisplacementAirConditioningCompressor.SAECongressPaper850040.

2.ToyodaHetal.HistoricalReviewoftheWobbleplateandScrollTypeCompressors.SAECongressPaper901737.

3.InoueAetal.EvaluationofInfinitelyVariableDisplacementCompressorswithThermalExpansionValvesinAMotorVehicleAirConditioningsystem.SAECongressPaper880052.

4.黃天澤.汽車空調系統設計與使用維修.北京：北京理工大學出版社，1997.

5.田懷璋等.電子膨脹閥技術綜述.流體工程.1992，20（7）.