变排量压缩机汽车空调制冷系统节流元件的配置

1.前言
　　为了提高汽车空调系统的运行特性和节能效果，1983年美国GM公司哈里森散热器部在原来定排量摇板式压缩机的基础上，研制开发了V-5型无级变排量摇板式压缩机^[1]；1988年日本三电公司开发生产出7缸无级变排量摇板式压缩机^[2]。该类用于非独立式汽车空调系统的无级变排量摇板式压缩机是根据压缩机吸气压力与设定值之差，调节摆盘箱压力与吸气压力的差值，推动摇板改变倾斜角，从而改变活塞的行程和压缩机主轴每转一周的排量，所以压缩机的排量调节使系统获得几乎恒定的蒸发工况。该类压缩机与定排量压缩机相比，具有压缩机运行连续平稳、空调送风温度波动小及节约燃油等优点。但由于其变排量特性，在配置节流元件的同时也出现了一些特殊的问题。本文在分析变排量压缩机分别与热力膨胀阀及节流短管组成的汽车空调制冷系统的基础上，提出了变排量压缩机和电子膨胀阀组成的汽车空调制冷系统。

2.变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统
　　热力膨胀阀是制冷系统最常使用的节流元件，变排量压缩机在系统组成时就会考虑到与热力膨胀阀的配置。图1为变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统示意图。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　图1 变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统示意图
　　　　　　　　 　　　　　1.变排量压缩机　2.蒸发器　3.热力膨胀阀
　　　　　　　　　 　　　　 　　　4.储液罐　5.冷凝器

　　Atsuo Inoue等人对7缸变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统进行了试验研究，测试结果表明系统发生了振荡现象^[3]。本文在试验研究的基础上，对热力膨胀阀进行了改进，使热力膨胀阀即使在全关时也一直保持一微量恒定旁通，这样解决了系统低空调负荷时的振荡问题，但未做此方法在高空调负荷时的试验。
我们对改进后的5缸变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统的稳定性问题进行了试验研究和理论分析。从测试结果可以看出蒸发器出风温度Tao、压缩机排气压力Pd、压缩机摆盘箱压力Pc、蒸发压力Pe和蒸发器出口制冷剂过热度SHb都随时间发生等幅周期性变化。
　　该系统中有两个相对独立的制冷剂流量调节装置，即变排量压缩机和热力膨胀阀。两流量调节装置均为自力式调节机构，各由不同的参数控制。变排量压缩机是根据压缩机吸气压力为控制信号来调节压缩机活塞行程和压缩机主轴每转一周的排量。热力膨胀阀是以蒸发器出口制冷剂的过热度为控制信号，对制冷剂流量进行比例调节的。由于蒸发器的热容量、制冷剂从蒸发器入口到出口的流动和状态变化、感温包的热容量、感温包毛细管的压力传递以及阀内机械动作等一系列的时间滞后，使流量调节对过热度的响应滞后。两流量调节装置之间的唯一联系是均与压缩机吸气压力有关，但是吸气压力又由压缩机控制几乎保持恒定。当系统参数或空调负荷发生变化时，一旦变排量压缩机和热力膨胀阀流量调节不匹配就会产生系统振荡。
　　由于系统稳定性的问题没有得以解决，限制了变排量压缩机和热力膨胀阀汽车空调制冷系统的应用。

3 变排量压缩机和节流短管组成的汽车空调制冷系统
　　变排量压缩机和节流短管组成的汽车空调制冷系统是由变排量压缩机、冷凝器、节流短管、蒸发器和气流分离器组成（见图2）。与图1表示的变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统相比除了节流元件由热力膨胀阀改为节流短管外，还取消了冷凝器后的储液罐，并在压缩机和蒸发器之间设置了气液分离器。由于该汽车空调制冷系统的变容量特性，节流短管作为固定阻尼节流元件无法保证蒸发器出口的制冷剂在低空调负荷下的完全蒸发。因此，在压缩机和蒸发器之间设置了气液分离器，使未蒸发完的液态制冷剂分离出来，暂存于气液分离器的下部。由于该气液分离器置于高温的发动机舱内，它很快就会继续蒸发成为气态，从而保证了压缩机的安全^[4]。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　图2 变排量压缩机和节流短管组成的汽车空调制冷系统示意图
　　　　　　　　　 　　　　1.变排量压缩机　2.冷凝器　3.节流短管
　　　　　　　　　 　　　　　　　　4.蒸发器　5.气液分离器

　　由于节流短管结构简单，为无反馈开环流量控制装置，保证了系统的可靠运行。所以在变排量压缩机汽车空调制冷系统中，变排量压缩机和节流短管组成的汽车空调制冷系统目前应用最广。但存在节流短管无法与变排量压缩机在变容量范围内达到系统高效运行，气液分离出来的液态制冷剂不能再去有效地利用以及气液分离器布置困难等缺点.

4 变排量压缩机和电子膨胀闪组成的汽车空调制冷系统
　　图3为变排量压缩机和电子膨胀阀组成的汽车空调制冷系统示意图，该系统由变排量压缩机、冷凝器、储液罐、电子膨胀阀和蒸发器组成。通过输入参数进入控制器，利用控制器的控制算法得出控制电子膨胀阀的电磁线圈的电压或脉冲电机的驱动脉冲信号，从而实现了膨胀阀对流量的调节^[5]。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图3 变排量压缩机和电子膨胀阀组成的汽车空调制冷系统示意图
　　　　　　　　　 　　　　1.变排量压缩机　2.蒸发器　3.电子膨胀阀
　　　　　　　　　 　　　　　　　　4.控制器　5.储液罐　6.冷凝器

　　变排量压缩机制冷系统中配置电子膨胀阀的关键问题是以保证系统稳定性和变容量范围内系统最佳运行工况为目标，确定合理的控制方案和控制算法。在该系统的研究开发过程中，还有许多理论问题和实际应用问题要解决。
系统静态和动态特性
深入了解控制对象的特性是寻求合理的控制方案和控制算法的基础。对系统中各部件的静态和动态特性进行理论分析和试验研究，用理论建模和系统辨识相结合的方法，得出各部件的静态模型和动态模型。然后根据各部件参数之间关系，建立系统静态和动态模型。根据模拟和试验研究的结果，分析系统静态和动态特性。
　　a.系统稳定性原则
　　由于该系统有变排量压缩机和电子膨胀阀两个流量调节装置，所以同样存在系统稳定性问题。在以上系统静态和动态研究的基础上，分析满足系统稳定性条件下的电子膨胀阀特性要求，得出系统稳定性区域。

　　b.控制方案和控制算法
　　由于该系统有变排量压缩机和电子膨胀阀两个流量调节装置，所以同样存在系统稳定性问题。在以上系统表态和动态研究的基础上，分析满足系统稳定性条件下的电子膨胀阀特性要求，得出系统稳定性区域。

　　c.控制方案和控制算法
　　为减少电子膨胀阀流量调节对过热度的响应滞后，电子膨胀阀对蒸发器出口端制冷剂过热度的检测可通过热敏电阻或压力信号。采用热敏电阻来检测时用2只热敏电阻，一个测量蒸发温度，另一个测量蒸发器出口温度；采用压力信号来测量是对蒸发器出口端压力进行测量，并经物性程序将其转化为蒸发温度。由于蒸发器内压力的变化比温度的变化迅速，因此使控制器能及时地对过热度的变化作出反应。
　　电子膨胀阀流量调节对过热度的响应滞后问题，也可以采用前馈加反馈的复合调节方法解决。如将压缩机转速作为前馈信号，根据转速变化调节膨胀供液量，再结合反馈进行复合调节。
由于系统的非线性特性，采用模糊算法有一定优势；也可考虑PID控制算法和模糊控制算法结合使用，发挥各自算法的优点，达到较好的控制效果。