汽車空調(diào)變排量壓縮機(jī)排量調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)展

潘廣周

摘要：汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車空調(diào)性能及其舒適性的要求不斷提升，汽車科技界對(duì)于汽車空調(diào)技術(shù)的研究更加深入。對(duì)于非獨(dú)立式定排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一方面，在車內(nèi)溫度波動(dòng)較大情況下，因系統(tǒng)頻繁開(kāi)停產(chǎn)生的不可逆損失使系統(tǒng)能耗有所增加；另一方面，壓縮機(jī)周期性離合對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作也會(huì)造成嚴(yán)重干擾。為了解決問(wèn)題，滿足汽車空調(diào)負(fù)荷的要求，變排量壓縮機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)的定排量壓縮機(jī)相比，變排量壓縮機(jī)可根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)對(duì)排量實(shí)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，不僅能夠營(yíng)造更加舒適的車室環(huán)境，而且能耗也大為降低，因而變排量壓縮機(jī)在車輛空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)；穩(wěn)定性；變排量系統(tǒng)

提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的控制精確度和穩(wěn)定性，針對(duì)變排量壓縮機(jī)系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了臺(tái)架和整車試驗(yàn)研究。分析實(shí)際現(xiàn)象和對(duì)比各種措施，得出了內(nèi)控變排和外控變排系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法，并試著推廣到雙蒸發(fā)器系統(tǒng)。

一、內(nèi)控壓縮機(jī)系統(tǒng)

內(nèi)控壓縮機(jī)控制閥的動(dòng)作特性和壓縮機(jī)吸排氣壓力等等因素相關(guān)，工程上簡(jiǎn)化成直線。當(dāng)工況位于斜線上方時(shí)處于大排量狀態(tài)，下方是小排量狀態(tài)，特性線附近是過(guò)渡段（穩(wěn)定程度因控制閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)而異）。圖1和圖2的試驗(yàn)對(duì)象為整車，工況分別是大排量狀態(tài)A和部分排量狀態(tài)B。B點(diǎn)工況的選擇區(qū)間：變排量系統(tǒng)使用交叉充注的膨脹閥，當(dāng)處于很小負(fù)荷即負(fù)過(guò)熱度時(shí)有類似毛細(xì)管的特性，比平行充注更容易穩(wěn)定。所以低負(fù)荷工況選取的點(diǎn)應(yīng)在控制閥特性曲線周圍，并保證膨脹閥此時(shí)過(guò)熱度大于零。圖1是A點(diǎn)的振蕩現(xiàn)象。試驗(yàn)在風(fēng)洞中進(jìn)行，熱負(fù)荷和車輛工況穩(wěn)定。過(guò)熱度和壓力等波動(dòng)的幅度均勻而且頻繁，周期在60秒左右，無(wú)法自行收斂。根據(jù)當(dāng)時(shí)的制冷劑壓力和溫度判斷，壓縮機(jī)處于大排量，而膨脹閥正處于開(kāi)閥曲線附近，它和蒸發(fā)器的耦合作用主導(dǎo)了振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2是B點(diǎn)的振蕩現(xiàn)象。試驗(yàn)室和車輛工況穩(wěn)定，但過(guò)熱度和壓力同樣出現(xiàn)了頻繁的波動(dòng)，波幅不是很均勻，周期在40秒左右，無(wú)法自行收斂。波幅的不均勻可能有兩種原因：（1）壓縮機(jī)控制閥的流量調(diào)節(jié)和膨脹閥相互作用的原因；（2）由于過(guò)熱度較低，膨脹閥出口制冷劑相態(tài)的變化會(huì)引起感溫速度的變化。可見(jiàn)在部分排量時(shí)，由于增加了壓縮機(jī)的作用，使得振蕩現(xiàn)象更加復(fù)雜。反復(fù)的試驗(yàn)優(yōu)化證明，實(shí)際工作中常常可以采取以下措施來(lái)應(yīng)對(duì)：

1.對(duì)于大排量時(shí)出現(xiàn)的振蕩，膨脹閥和蒸發(fā)器的相互作用是主導(dǎo)，一般調(diào)節(jié)開(kāi)閥曲線來(lái)避開(kāi)常用的和明顯影響舒適性的區(qū)域，如圖3所示優(yōu)化后振蕩明顯減小。需要注意的是：a1新的設(shè)定值在低負(fù)荷下要充分驗(yàn)證，往往和高負(fù)荷時(shí)的能力形成相互制約，需要平衡：b1開(kāi)閥曲線無(wú)論怎樣調(diào)整，總是客觀存在的，它的動(dòng)作區(qū)間在其它環(huán)境中還是會(huì)和蒸發(fā)器相互影響，需要進(jìn)行驗(yàn)證；c）要驗(yàn)證文獻(xiàn)中提出的“吸氣壓力高于交叉點(diǎn)0.02MPa時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩”的理論，類似的案例還是比較多的。

2.對(duì)于部分排量時(shí)出現(xiàn)的振蕩，不僅需要調(diào)節(jié)膨脹閥曲線，還要考慮壓縮機(jī)控制閥曲線的影響，目的也是要避開(kāi)常用和明顯影響舒適性的區(qū)域。同樣，調(diào)節(jié)過(guò)程需要考慮第l點(diǎn)中的三個(gè)注意點(diǎn)，還要增加對(duì)系統(tǒng)抗結(jié)霜能力的驗(yàn)證，這比舒適性更重要。

二、外控壓縮機(jī)系統(tǒng)

外控壓縮機(jī)的發(fā)明對(duì)于汽車空調(diào)控制來(lái)說(shuō)是革命性的，它的主動(dòng)控制方式允許標(biāo)定工程師用能耗最低的方式來(lái)滿足客戶的制冷需求。不同于內(nèi)控系統(tǒng)，外控系統(tǒng)大部分的時(shí)間工作在部分排量狀態(tài)，并根據(jù)環(huán)境、車速和熱負(fù)荷等的變化隨時(shí)改變排量。試驗(yàn)證明，排量為最大時(shí)，外控系統(tǒng)的表現(xiàn)和內(nèi)控一致：處于部分排量時(shí)，壓縮機(jī)控制閥的作用往往會(huì)主導(dǎo)制冷系統(tǒng)。當(dāng)控制目標(biāo)（如送風(fēng)溫度）的偏差值超過(guò)一定量時(shí)，PID控制器就會(huì)工作，排量就會(huì)改變直到被控物理量逐漸收斂。當(dāng)然，不同程序的控制算法和目標(biāo)不同，但共同點(diǎn)都是主動(dòng)控制，它的能力超越了熱力膨脹閥，成為了系統(tǒng)的主宰。不過(guò)膨脹閥的被動(dòng)調(diào)節(jié)在系統(tǒng)中始終存在，每當(dāng)壓縮機(jī)排量變化時(shí)，或者蒸發(fā)器干度變化時(shí)，它也會(huì)按照自己的規(guī)律動(dòng)作。各種影響的疊加往往會(huì)拉長(zhǎng)PID收斂的過(guò)程，當(dāng)某個(gè)因素的調(diào)節(jié)精度無(wú)法滿足被控物理量的精度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，振蕩周期在130 S左右，無(wú)法自行收斂。通過(guò)對(duì)特定工況下壓縮機(jī)輸出排量的調(diào)整和PID控制參數(shù)的優(yōu)化，獲得了不錯(cuò)的效果。反復(fù)的試驗(yàn)優(yōu)化證明，實(shí)際工作中以下措施是有效的：（1）當(dāng)處于大排量階段，可以參照內(nèi)控進(jìn)行調(diào)節(jié)和驗(yàn)證。（2）部分排量是客戶最常用的工況，考慮不同的氣候特點(diǎn)，標(biāo)定過(guò)程會(huì)很漫長(zhǎng)。它要求工程師對(duì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定的各個(gè)因素都比較熟悉，了解它們?cè)诟麟A段的調(diào)節(jié)精度，按照當(dāng)時(shí)的舒適性需求，對(duì)被控目標(biāo)、壓縮機(jī)排量，PID系數(shù)，風(fēng)量等進(jìn)行合理的設(shè)置，同時(shí)考慮使膨脹閥曲線偏離密集振蕩區(qū)域，盡量避免對(duì)客戶的影響。

三、雙蒸發(fā)器系統(tǒng)

較大的多功能車型會(huì)使用到雙蒸發(fā)器系統(tǒng)，它們共用一個(gè)壓縮機(jī)和冷凝器。兩個(gè)蒸發(fā)器分管不同的乘客艙區(qū)域，能力存在較大的差異，熱力膨脹閥也常常因?yàn)榭煽啃缘男枰捎貌煌某渥⒎绞剑愿髯詴r(shí)間常數(shù)、反應(yīng)速率是不同的，這些都導(dǎo)致實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)生振蕩的現(xiàn)象更普遍。對(duì)系統(tǒng)研究來(lái)說(shuō)，增加一個(gè)振蕩的耦合體的話，調(diào)節(jié)難度會(huì)更大，較為有效的方法是把目標(biāo)放在解決主要振蕩因素上。在臺(tái)架試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)前后系統(tǒng)的振蕩頻率是同步的，但后面的振幅明顯比前面大，所以更多的精力應(yīng)放在后蒸發(fā)器上的膨脹閥曲線調(diào)節(jié)上。，優(yōu)化后，前后蒸發(fā)器的振蕩現(xiàn)象明顯減輕，且系統(tǒng)能力不變。整車風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了同樣的趨勢(shì)。對(duì)比各種優(yōu)化結(jié)果，對(duì)多數(shù)雙蒸發(fā)器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，調(diào)整壓縮機(jī)參數(shù)的作用較小，而調(diào)節(jié)膨脹閥的效果更明顯。

四、控制閥電子控制技術(shù)

1.直動(dòng)電磁式控制技術(shù)。（1）結(jié)構(gòu)組成。直動(dòng)電磁式控制閥控制系統(tǒng)主要由比例電流放大器、比例驅(qū)動(dòng)電磁鐵、控制閥組成。圖4所示為比例驅(qū)動(dòng)電磁鐵與控制閥組成結(jié)構(gòu)示意圖。

其控制原理是由比例電流放大器向比例電磁現(xiàn)圈輸入比例電流，比例線圈使鐵芯產(chǎn)生作用于閥桿的比例推力（位移），從而改變控制閥的開(kāi)度。（2）控制技術(shù)。直動(dòng)電磁式控制閥控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)潔、實(shí)現(xiàn)可靠，由于受電磁鐵固有電磁特性影響，該類控制閥系統(tǒng)存在零位死區(qū)、磁滯特性、小電流段非線性以及啟動(dòng)顫振電流等缺陷。對(duì)于直動(dòng)式電磁控制技術(shù)，小電流區(qū)域（I≤25～50mA）內(nèi)，比例控制線性度較差，而小電流區(qū)域正是變排量壓縮機(jī)控制的敏感區(qū)域，也是汽車空調(diào)變排量壓縮機(jī)熱負(fù)荷適時(shí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.步進(jìn)數(shù)字式控制技術(shù)。（1）結(jié)構(gòu)組成。其主要由步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置（旋轉(zhuǎn)一直線轉(zhuǎn)換）與控制閥組成。其控制原理是通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的步距角、脈沖及方向，調(diào)節(jié)閥桿位移量，從而改變控制閥的開(kāi)度。（2）控制技術(shù)。步進(jìn)數(shù)字式控制閥控制技術(shù)的關(guān)鍵元件是步進(jìn)電機(jī)，其控制器（包括環(huán)形分配器、功率放大器）將控制參量以脈沖與方向信號(hào)輸入，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置將數(shù)字式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為控制閥閥桿直線位移。步進(jìn)電機(jī)能夠直接接受數(shù)字信號(hào)，可以根據(jù)控制需要，通過(guò)軟件編程的方法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角位移的精確控制。

汽車空調(diào)系統(tǒng)的熱力學(xué)慣性相對(duì)較小，而傳統(tǒng)熱力膨脹閥的動(dòng)作取決于制冷劑壓力、溫度、相態(tài)變化和氣相頭時(shí)間常數(shù)等，難以滿足速度和精度的要求，對(duì)于解決振蕩現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，電子膨脹閥可能更適合。

參考文獻(xiàn)：

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