小排量汽車空調控制策略研究

盧國華，金巧靈，喬福龍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

小排量汽車空調控制策略研究

盧國華，金巧靈，喬福龍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

汽車空調開啟對發(fā)動機的動力影響很大，嚴重影響了乘客的舒適性。介紹了小排量大空間的汽車開發(fā)中，對空調的控制，著重闡述空調的匹配、控制原理和典型工況的控制方法。

空調；舒適；控制；原理；動力性

節(jié)能環(huán)保型小排量汽車已經成為汽車發(fā)展的主流與消費者關注的焦點，在當今家庭人員2+4+2的結構下，車輛需要坐下6個人以上的大空間，這對小排量汽車的動力要求很高。出于對乘坐舒適性的要求，小排量大空間的汽車同樣要有空調配置，然而空調對小排量大空間汽車動力性的影響更加明顯，因此良好的空調匹配及控制技術在小排量汽車開發(fā)中是非常重要的一個環(huán)節(jié)。本文所提到的汽車空調均指非獨立式汽車空調對于小排量汽車，尤其目前盛行的1.0T的三缸發(fā)動機汽車。受功率扭矩的限制，由于起步需要的扭矩比較大，因此空調的開啟對起步影響很大。所以汽車空調要兼顧制冷效果、車輛動力性和駕駛的舒適性，尤其是在啟動空調時刻對發(fā)動機的影響，在空調壓縮機功率一定的情況下，ECU標定數(shù)據(jù)的調節(jié)對車輛整體的體驗上起著決定性作用。本文主要介紹怠速控制器和點火提前角的控制方法。

1 汽車空調的基本原理

1.1 汽車空調的工作原理

汽車空調采用非獨立式空調系統(tǒng)的汽車，由發(fā)動機直接帶動壓縮機運轉，工作時直接消耗發(fā)動機能量，對發(fā)動機的動力性及經濟性產生直接影響。

如圖1所示，汽車空調一般主要由壓縮機、電控離合器、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、貯液干燥器、管道、冷凝風扇、真空電磁閥和控制系統(tǒng)等組成。

圖1 空調工作原理

利用制冷劑（冷媒）壓縮釋放的瞬間體積急劇膨脹吸收大量熱能的原理制冷。工作時從蒸發(fā)器出來的低壓氣態(tài)冷媒流經壓縮機變成高壓高溫氣體，經過冷凝器散熱管降溫冷卻變成高壓低溫的液體，再經過貯液干燥器除濕與緩沖，然后以較穩(wěn)定的壓力和流量流向膨脹閥，經節(jié)流和降壓最后流向蒸發(fā)器。冷媒一遇低壓環(huán)境即蒸發(fā)，吸收大量熱能。液態(tài)致冷劑流經蒸發(fā)器后再次變成低壓氣體，又重新被吸入壓縮機進行下一次的循環(huán)工作。如此往復循環(huán)，車廂內的空氣不斷流經蒸發(fā)器，車廂內溫度也就因此降低[1]。

1.2 汽車空調的控制原理

由于汽車空調的工作環(huán)境比較惡劣，受到很多條件的約束，因此汽車空調的控制方法也相對復雜，一般的控制流程如圖2所示。

圖2 空調的基本控制原理

如圖2所示，在駕駛員需求急加速或者大負荷爬坡，為了滿足駕駛員的意圖，保證發(fā)動機的輸出功率，這個時候需要臨時切斷空調，保證動力輸出；當有更高優(yōu)先級的功率需求時，如動力轉向，同樣可以臨時切斷空調以保證優(yōu)先級較高的功率需求[2]。無論控制原理如何，對于小排量大空間的汽車，都要最大限度的合理分配其有限的發(fā)動機功率，以保證駕駛員的意圖需求和車輛駕駛的舒適性。

1.3 空調壓縮機功率與車輛發(fā)動機功率的匹配

采用非獨立式空調系統(tǒng)的汽車，其空調系統(tǒng)是由發(fā)動機直接帶動壓縮機運轉，空調的動力來源發(fā)動機動力，消耗發(fā)動機動力對發(fā)動機的動力性及經濟性產生直接影響[3]。因此，必須選用適當?shù)墓β势ヅ洌拍芗炔挥绊懫噷Πl(fā)動機動力的要求，又能得到足夠的制冷能力，一般選擇的壓縮機功率消耗占發(fā)動機功率的10%～15%[4]，當發(fā)動機與壓縮機傳動比i=1時，其制冷能力與發(fā)動機轉速的關系可以用圖3所示。

圖3 壓縮機轉速與其功耗圖

2 空調控制方法

2.1 怠速工況下，空調啟動控制

發(fā)動機處于怠速狀態(tài)下（包括靜態(tài)怠速和動態(tài)怠速），當空調啟動時，由于負荷突然增加，發(fā)動機控制模塊（簡稱ECU，下文用簡稱顯示）會根據(jù)負荷的變化，通過增加怠速控制執(zhí)行器占空比（PWM）來提高發(fā)動機轉速，進而增加發(fā)動機發(fā)出的功率，來彌補由于空調啟動而增加的功率消耗。

壓縮機電磁離合器瞬間吸合導致負荷突然增大，造成發(fā)動機的負荷突然增加，怠速控制執(zhí)行器沒能來的及調整進氣量，導致發(fā)動機轉速下降。在怠速工況下，由于發(fā)動機怠速轉速比較低，例如某車企的發(fā)動機怠速轉速是750±50 r/min，在這么低的轉速下，由于空調開啟所帶來的轉速下降會對轉速的穩(wěn)定性造成極大的擾動，引起發(fā)動機抖動加劇甚至熄火，而此時的乘坐舒適性也隨之變差。因此必須對空調啟動的過程和怠速控制執(zhí)行器的控制方法加以調整以使轉速不致下跌過多來提高舒適性。

如圖4所示，當ECU收到空調請求信號，ECU判斷空調達到開啟條件之后，空調開啟延遲作用使得空調啟動的動作相對于啟動信號有一個延遲。在這段延遲時間內，ECU通過發(fā)動機的轉速會計算出一個穩(wěn)態(tài)輸出值以及瞬態(tài)修正值后輸出一個最終的空調損失的扭矩值，進而計算出空調需求的扭矩儲備值，ECU調節(jié)節(jié)氣門的進氣量來提高發(fā)動機轉速，剛好能夠彌補空調所消耗的扭矩[5]，此時，空調繼電器吸合，空調壓縮機離合器吸合空調就開始工作；而在空調關閉時，同樣，會有延遲，ECU會控制進氣門開度，使空調繼電器信號的下降沿突變到原來的值，為保證由于轉速突然下降導致車輛的頓挫感，ECU控制器還有一個動態(tài)調節(jié)項（圖4中的曲線4），最終的調節(jié)效果應該是曲線3和曲線4的疊加，使得空調切換過程中，扭矩是個緩慢的釋放過程，保證了駕駛性的舒適性和動力的需求。

圖3 空調開啟時的調節(jié)

2.2 行車狀態(tài)下空調啟動的調節(jié)

行車狀態(tài)下，壓縮機離合器的突然吸合同樣會使發(fā)動機負荷突然增加，轉速先下降，由于ECU的調節(jié)，隨后又上升，產生轉速波動，造成行駛中的車輛車速波動，有明顯的頓挫和抖動感。為抑制這種轉速的波動，通過控制點火提前角的方式進行調節(jié)。為此，先來了解一下點火提前角對發(fā)動機扭矩輸出的影響。點火提前角是以曲軸轉角為單位，表示點火時刻提前（或滯后）于上止點（TDC）的時間間隔，即點火的早晚。在目前的汽油機管理系統(tǒng)中，點火提前角（以下簡稱點火角）對發(fā)動機扭矩有很大影響。在行車狀態(tài)下，一般不會通過提高轉速來實現(xiàn)扭矩的補償來實現(xiàn)空調開啟的舒適性，在相同轉速和進氣量下，可以通過調節(jié)點火角來增加扭矩的補償。但是過大的點火角會引起爆燃，損壞發(fā)動機，因此需要找出最大扭矩的最小點火角（即MBT）[5]。

如圖5，在行車狀態(tài)下（節(jié)氣門開啟），空調滿足啟動條件開始啟動，經過一定的時間延遲后，空調繼電器接通。在延遲期間，基于空調的點火角修正值從零逐漸增大到最大值后保持不變，直到空調繼電器接通，壓縮機離合器吸合，隨后又開始逐漸減小到零。在進行修正時，點火角減小（推遲），發(fā)動機輸出的扭矩先是降低扭矩，空調工作后再增加，穩(wěn)定了車輛行駛工況，增加了舒適性。在換擋過程中，會有一個空調維持現(xiàn)狀的時間值來標定，在換擋期間這個變量時間內，空調維持之前狀態(tài)，不作變化以防造成駕駛性舒適性的改變。

圖5 空調開啟時點火提前角修正

3 結束語

汽車空調是由發(fā)動機直接驅動，因此在其開啟或者關閉時，一定要采用適當?shù)目刂品椒ㄊ惯@種動力上的突變轉化成漸變，特別是對小排量甚至三缸機的汽車，這種轉化帶來的駕駛性改進更是明顯，當然不同的發(fā)動機管理系統(tǒng)有不同的控制策略。文中所講述的控制策略也只是某一種即預先調整發(fā)動機的扭矩，包括空調開啟的延遲、點火角的減小和換擋維持現(xiàn)狀時間及大負荷大油門需求時選擇性關閉空調。

[1]張巖.汽車空調系統(tǒng)的應用與發(fā)展[J].黑龍江科學，2015（6）：102.

[2]凌永成.汽車空調技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014：1-66.

[3]麻友良.汽車空調技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：1-50.

[4]R.Farrington and J.Rugh.Impact of Vehicle Air-Conditioning on Fuel Economy，Tailpipe Emissions，and Electric Vehicle Range[J].To Be Presented at the Earth Technologies Forum Washington，D.C.，October 31，2000：3-11.

[5]卓斌，劉啟華.車用汽油機燃料噴射與電子控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：66-101.

Research on Air Conditioning Control Strategy of Small Displacement Vehicle

LU Guo-hua，JIN Qiao-ling，Qiao Fu-long
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Automotive air conditioning open a great influence on the engine’s power，seriously affected the passengers’comfort，this article focuses on small-engine cars large space development，the control of the air conditioning，focuses on the matching of air conditioning，control principle and control method of typical working condition.

air conditioning；comfort；control；principle；dynamic

U461.2

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0181-03

2017-02-08

盧國華（1988-），男，廣西桂林人，本科，助理工程師，研究方向：汽油機整車標定及降油耗研究。