汽車空調(diào)的節(jié)流控制技術(shù)

張麗鳳

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

汽車空調(diào)的節(jié)流控制技術(shù)

張麗鳳

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

汽車空調(diào)節(jié)流機(jī)構(gòu)，應(yīng)在不同工況、不同負(fù)荷下保證向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配，及時地控制過熱度，實時有效地調(diào)節(jié)流量。電子膨脹閥在過熱度控制、流量調(diào)節(jié)方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的節(jié)流機(jī)構(gòu)，有廣闊的應(yīng)用前景。

汽車空調(diào)；節(jié)流控制；電子膨脹閥

一、目前汽車空調(diào)的節(jié)流機(jī)構(gòu)

汽車空調(diào)節(jié)流機(jī)構(gòu)的作用是將中溫高壓的制冷劑減壓成低溫低壓的制冷劑，它在某種程度上起著調(diào)節(jié)制冷劑流量的作用。在轎車空調(diào)上曾經(jīng)用過節(jié)流孔管和熱力膨脹閥兩大類節(jié)流機(jī)構(gòu)，其中節(jié)流孔管只具有節(jié)流作用不具備調(diào)節(jié)流量的功能，因此需消耗較多的機(jī)械能，經(jīng)濟(jì)性較差，多用在早期的美國產(chǎn)豪華轎車上，隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，在新車型的使用中越來越少，目前基本都采用熱力膨脹閥。

二、熱力膨脹閥的缺點

熱力膨脹閥是通過感受蒸發(fā)器出口制冷劑蒸氣過熱度的大小來調(diào)節(jié)制冷劑的流量，以維持恒定的過熱度，在控制原理上屬于比例調(diào)節(jié)器。雖然熱力膨脹閥可以自動調(diào)節(jié)制冷劑的流量，但它的缺點也是很顯著的。

（1）需要蒸發(fā)器出口有一定的過熱度

進(jìn)入蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑離開蒸發(fā)器時,通常全部蒸發(fā)成氣體，但制冷劑仍保持很低的溫度,氣體將繼續(xù)吸熱,蒸發(fā)器出口溫度超過了蒸發(fā)器中的飽和溫度,即蒸發(fā)器出口的實際溫度和飽和溫度之差成為過熱度。

過熱度是膨脹閥的一個重要指標(biāo)，是保證最有效利用蒸發(fā)器面積和壓縮機(jī)不發(fā)生液擊的重要參數(shù)。為了防止壓縮機(jī)不液擊，通常需要使蒸發(fā)器出口有一定的過熱度，也就不能最大限度地發(fā)揮蒸發(fā)器的換熱面積。熱力膨脹閥的過熱度設(shè)定值均為標(biāo)準(zhǔn)工況下的設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)偏離標(biāo)準(zhǔn)工況時，其過熱度往往會偏離設(shè)定值，這不僅會造成系統(tǒng)效率的下降，而且會引起系統(tǒng)的波動。

（2）流量調(diào)節(jié)滯后于過熱度，控制穩(wěn)定性差

蒸發(fā)器出口處的過熱蒸氣先把熱量傳給感溫包外殼，感溫包外殼本身就具有較大的熱惰性，造成了一定的容積延遲，感溫包外殼把熱量傳給感溫介質(zhì)，這又產(chǎn)生了進(jìn)一步的延遲。因此，膨脹閥工作時，因傳遞信號的滯后，它的供液量總是在需液量上下波動，兩者不能完全吻合，使熱力膨脹閥總是處于頻繁調(diào)解狀態(tài)，即產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。

同時，當(dāng)膨脹閥開得過大時，蒸發(fā)器出口過熱度偏低，吸氣壓力上升；當(dāng)閥開得過小時，蒸發(fā)器供液不足，吸氣壓力降低。這對整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性都會產(chǎn)生不利影響。

（3）流量調(diào)節(jié)范圍小、調(diào)節(jié)精度低

與閥針連接的膜片的變形量有限，使得閥針的運動位移較小，故流量調(diào)節(jié)范圍小。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)或空調(diào)負(fù)荷發(fā)生變化時，一旦熱力膨脹閥流量調(diào)節(jié)和系統(tǒng)需求不匹配就會產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩。膜片由于加工精度和安裝等因素，會影響變形靈敏度，難以達(dá)到較高的調(diào)節(jié)精度。當(dāng)蒸發(fā)溫度偏離設(shè)計值較多時，控制精度將偏差很多。

（4）與變排量壓縮機(jī)組成的汽車空調(diào)系統(tǒng)存在振蕩現(xiàn)象

壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的心臟，目前壓縮機(jī)變排量技術(shù)逐步完善，其運行連續(xù)平穩(wěn)，且空調(diào)送風(fēng)溫度波動小，可以降低能耗。變排量壓縮機(jī)將會在豪華型汽車空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。但是At-suoInoue等人在對7缸變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究時發(fā)現(xiàn)，有系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象存在，這在一定程度上制約了變排量壓縮機(jī)的發(fā)展。

鑒于熱力膨脹閥的以上缺點，節(jié)流機(jī)構(gòu)的發(fā)展還有很大的空間，隨著微電腦控制空調(diào)系統(tǒng)的普及，電子膨脹閥將很有希望成為主流的節(jié)流機(jī)構(gòu)。

三、膨脹閥電子控制系統(tǒng)

1.電子膨脹閥概述

電子膨脹閥是按照預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)蒸發(fā)器供液量，因?qū)儆陔娮邮秸{(diào)節(jié)模式，故稱為電子膨脹閥。它具有熱力膨脹閥無法比擬的優(yōu)良特性，為制冷系統(tǒng)的智能化控制提供了條件，是一種很有發(fā)展前途的自控節(jié)流元件。

2.電子膨脹閥的優(yōu)點

電子膨脹閥采用蒸發(fā)器出口的溫度或壓力信號，經(jīng)過空調(diào)電腦實現(xiàn)多功能的流量控制和調(diào)節(jié)，具有制冷劑流量調(diào)節(jié)范圍大、控制精度高和適于智能控制等特點。

（1）電子膨脹閥反應(yīng)迅速

電子膨脹閥的驅(qū)動方式是控制器通過對傳感器采集得到的參數(shù)進(jìn)行計算，向驅(qū)動板發(fā)出調(diào)節(jié)指令，由驅(qū)動板向電子膨脹閥輸出電信號，驅(qū)動電子膨脹閥的動作。電子膨脹閥從全閉到全開狀態(tài)其用時僅需幾秒鐘，反應(yīng)和動作速度快，不存在靜態(tài)過熱度現(xiàn)象，且開閉特性和速度均可人為設(shè)定。

（2）過熱度控制精確性和靈敏度

電子膨脹閥的過熱度是人為通過控制器設(shè)定的，只需改變一下控制程序中的源代碼，就可改變過熱度的設(shè)定值。系統(tǒng)的實際過熱度是由傳感器采集控制點的參數(shù)進(jìn)行計算得到的，其控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱力膨脹閥。

電子膨脹閥的過熱度控制不僅可以對系統(tǒng)目前的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且可根據(jù)過熱度的變化率等參數(shù)對系統(tǒng)的特性進(jìn)行判別，針對不同的系統(tǒng)變化趨勢采用相應(yīng)的控制手段，因此其對于系統(tǒng)變化的反應(yīng)速度和針對性較之熱力膨脹閥優(yōu)越。另外，電子膨脹閥的感溫部件為熱電偶或熱電阻，它們在低溫下同樣能準(zhǔn)確反應(yīng)出過熱度的變化。

（3）電子膨脹閥可起到節(jié)能的作用

在停機(jī)時，電子膨脹閥全關(guān)，防止冷凝器的高溫液體流入蒸發(fā)器，造成再次啟動時的能量損失。開機(jī)前，將膨脹閥全開，使系統(tǒng)高低壓側(cè)平衡，然后開機(jī)。這樣既實現(xiàn)了輕載啟動，又減少了停機(jī)中的熱損失。

（4）電子膨脹閥適應(yīng)智能化發(fā)展要求

電子膨脹閥作為一種新型的控制元件，早已經(jīng)突破了節(jié)流機(jī)構(gòu)的概念，它是空調(diào)系統(tǒng)智能化的重要環(huán)節(jié)，也是制冷系統(tǒng)優(yōu)化得以真正實現(xiàn)的重要手段和保證。

3.電子膨脹閥結(jié)構(gòu)、類型

從控制實現(xiàn)的角度來看，電子膨脹閥由控制器、執(zhí)行器和傳感器部分構(gòu)成，通常所說的電子膨脹閥大多僅指執(zhí)行器，即可控驅(qū)動裝置和閥體，實際上僅有這一部分是無法完成控制功能的。電子膨脹閥控制器的核心硬件為單片機(jī)，電子膨脹閥的傳感器通常采用熱電偶或熱電阻。

從驅(qū)動方式分,有電磁式和電動式兩類。

（1）電磁式膨脹閥

電磁線圈通電前，針閥處在全開位置；通電后，由于電磁力的作用，由磁性材料制成的柱塞被吸引上升，與柱塞聯(lián)成一體的針閥開度變小。針閥的位置取決于施加在線圈上的控制電壓（線圈電流），因此可以通過改變控制電壓來調(diào)節(jié)膨脹閥的流量。

（2）電動式膨脹閥

電動式膨脹閥即步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電子膨脹閥，它通過給電機(jī)驅(qū)動施加一定邏輯關(guān)系的數(shù)字信號，使步進(jìn)電機(jī)通過螺紋驅(qū)動閥針的向前和向后運動，從而改變閥口的流通面積達(dá)到控制流量的目的。電動機(jī)直接帶動閥針做上下移動的為直動型，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度及閥針的位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的電子膨脹閥因其更適用微機(jī)控制，并有較好的穩(wěn)定性，而被更多的制冷系統(tǒng)采用。

4.膨脹閥電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該控制系統(tǒng)由傳感器、ECU(電子控制單元)、執(zhí)行器組成。傳感器為蒸發(fā)器出口蒸氣溫度傳感器、蒸發(fā)器出口壓力傳感器；電子控制單元的核心元件采用單片機(jī)，以對傳感器檢測到的信號進(jìn)行分析處理，輸出控制信號；執(zhí)行器為電子膨脹閥。

空調(diào)工作時，蒸發(fā)器出口壓力傳感器和壓縮機(jī)吸氣溫度傳感器將相應(yīng)檢測信號送至控制器（ECU），控制器將信號進(jìn)行分析計算后，得出電子膨脹閥的最佳開度，隨后輸出指令控制電子膨脹主閥的步進(jìn)電機(jī)，將閥開到需要的位置，控制好制冷劑的流量，以保持蒸發(fā)器需要的供液量。

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