汽車空調變排量壓縮機排量調節技術進展

潘廣周

摘要：汽車工業的迅猛發展，人們對汽車空調性能及其舒適性的要求不斷提升，汽車科技界對于汽車空調技術的研究更加深入。對于非獨立式定排量壓縮機汽車空調系統來說，一方面，在車內溫度波動較大情況下，因系統頻繁開停產生的不可逆損失使系統能耗有所增加；另一方面，壓縮機周期性離合對汽車發動機工作也會造成嚴重干擾。為了解決問題，滿足汽車空調負荷的要求，變排量壓縮機應運而生。與傳統的定排量壓縮機相比，變排量壓縮機可根據負荷自動對排量實行無級調節，不僅能夠營造更加舒適的車室環境，而且能耗也大為降低，因而變排量壓縮機在車輛空調系統中得到了廣泛應用。

關鍵詞：汽車空調；穩定性；變排量系統

提高汽車空調系統的控制精確度和穩定性，針對變排量壓縮機系統的振蕩現象進行了臺架和整車試驗研究。分析實際現象和對比各種措施，得出了內控變排和外控變排系統的調節方法，并試著推廣到雙蒸發器系統。

一、內控壓縮機系統

內控壓縮機控制閥的動作特性和壓縮機吸排氣壓力等等因素相關，工程上簡化成直線。當工況位于斜線上方時處于大排量狀態，下方是小排量狀態，特性線附近是過渡段（穩定程度因控制閥內部結構而異）。圖1和圖2的試驗對象為整車，工況分別是大排量狀態A和部分排量狀態B。B點工況的選擇區間：變排量系統使用交叉充注的膨脹閥，當處于很小負荷即負過熱度時有類似毛細管的特性，比平行充注更容易穩定。所以低負荷工況選取的點應在控制閥特性曲線周圍，并保證膨脹閥此時過熱度大于零。圖1是A點的振蕩現象。試驗在風洞中進行，熱負荷和車輛工況穩定。過熱度和壓力等波動的幅度均勻而且頻繁，周期在60秒左右，無法自行收斂。根據當時的制冷劑壓力和溫度判斷，壓縮機處于大排量，而膨脹閥正處于開閥曲線附近，它和蒸發器的耦合作用主導了振蕩現象的發生。

圖2是B點的振蕩現象。試驗室和車輛工況穩定，但過熱度和壓力同樣出現了頻繁的波動，波幅不是很均勻，周期在40秒左右，無法自行收斂。波幅的不均勻可能有兩種原因：（1）壓縮機控制閥的流量調節和膨脹閥相互作用的原因；（2）由于過熱度較低，膨脹閥出口制冷劑相態的變化會引起感溫速度的變化?？梢娫诓糠峙帕繒r，由于增加了壓縮機的作用，使得振蕩現象更加復雜。反復的試驗優化證明，實際工作中常?？梢圆扇∫韵麓胧﹣響獙Γ?/p>

1.對于大排量時出現的振蕩，膨脹閥和蒸發器的相互作用是主導，一般調節開閥曲線來避開常用的和明顯影響舒適性的區域，如圖3所示優化后振蕩明顯減小。需要注意的是：a1新的設定值在低負荷下要充分驗證，往往和高負荷時的能力形成相互制約，需要平衡：b1開閥曲線無論怎樣調整，總是客觀存在的，它的動作區間在其它環境中還是會和蒸發器相互影響，需要進行驗證；c）要驗證文獻中提出的“吸氣壓力高于交叉點0.02MPa時會產生振蕩”的理論，類似的案例還是比較多的。

2.對于部分排量時出現的振蕩，不僅需要調節膨脹閥曲線，還要考慮壓縮機控制閥曲線的影響，目的也是要避開常用和明顯影響舒適性的區域。同樣，調節過程需要考慮第l點中的三個注意點，還要增加對系統抗結霜能力的驗證，這比舒適性更重要。

二、外控壓縮機系統

外控壓縮機的發明對于汽車空調控制來說是革命性的，它的主動控制方式允許標定工程師用能耗最低的方式來滿足客戶的制冷需求。不同于內控系統，外控系統大部分的時間工作在部分排量狀態，并根據環境、車速和熱負荷等的變化隨時改變排量。試驗證明，排量為最大時，外控系統的表現和內控一致：處于部分排量時，壓縮機控制閥的作用往往會主導制冷系統。當控制目標（如送風溫度）的偏差值超過一定量時，PID控制器就會工作，排量就會改變直到被控物理量逐漸收斂。當然，不同程序的控制算法和目標不同，但共同點都是主動控制，它的能力超越了熱力膨脹閥，成為了系統的主宰。不過膨脹閥的被動調節在系統中始終存在，每當壓縮機排量變化時，或者蒸發器干度變化時，它也會按照自己的規律動作。各種影響的疊加往往會拉長PID收斂的過程，當某個因素的調節精度無法滿足被控物理量的精度時，就會產生振蕩現象，振蕩周期在130 S左右，無法自行收斂。通過對特定工況下壓縮機輸出排量的調整和PID控制參數的優化，獲得了不錯的效果。反復的試驗優化證明，實際工作中以下措施是有效的：（1）當處于大排量階段，可以參照內控進行調節和驗證。（2）部分排量是客戶最常用的工況，考慮不同的氣候特點，標定過程會很漫長。它要求工程師對影響系統穩定的各個因素都比較熟悉，了解它們在各階段的調節精度，按照當時的舒適性需求，對被控目標、壓縮機排量，PID系數，風量等進行合理的設置，同時考慮使膨脹閥曲線偏離密集振蕩區域，盡量避免對客戶的影響。

三、雙蒸發器系統

較大的多功能車型會使用到雙蒸發器系統，它們共用一個壓縮機和冷凝器。兩個蒸發器分管不同的乘客艙區域，能力存在較大的差異，熱力膨脹閥也常常因為可靠性的需要而采用不同的充注方式，所以各自時間常數、反應速率是不同的，這些都導致實際試驗中發生振蕩的現象更普遍。對系統研究來說，增加一個振蕩的耦合體的話，調節難度會更大，較為有效的方法是把目標放在解決主要振蕩因素上。在臺架試驗中發現前后系統的振蕩頻率是同步的，但后面的振幅明顯比前面大，所以更多的精力應放在后蒸發器上的膨脹閥曲線調節上。，優化后，前后蒸發器的振蕩現象明顯減輕，且系統能力不變。整車風洞試驗數據也驗證了同樣的趨勢。對比各種優化結果，對多數雙蒸發器系統來說，調整壓縮機參數的作用較小，而調節膨脹閥的效果更明顯。

四、控制閥電子控制技術

1.直動電磁式控制技術。（1）結構組成。直動電磁式控制閥控制系統主要由比例電流放大器、比例驅動電磁鐵、控制閥組成。圖4所示為比例驅動電磁鐵與控制閥組成結構示意圖。

其控制原理是由比例電流放大器向比例電磁現圈輸入比例電流，比例線圈使鐵芯產生作用于閥桿的比例推力（位移），從而改變控制閥的開度。（2）控制技術。直動電磁式控制閥控制系統構成簡潔、實現可靠，由于受電磁鐵固有電磁特性影響，該類控制閥系統存在零位死區、磁滯特性、小電流段非線性以及啟動顫振電流等缺陷。對于直動式電磁控制技術，小電流區域（I≤25～50mA）內，比例控制線性度較差，而小電流區域正是變排量壓縮機控制的敏感區域，也是汽車空調變排量壓縮機熱負荷適時調節的關鍵技術。

2.步進數字式控制技術。（1）結構組成。其主要由步進電機、傳動轉換裝置（旋轉一直線轉換）與控制閥組成。其控制原理是通過改變步進電機的步距角、脈沖及方向，調節閥桿位移量，從而改變控制閥的開度。（2）控制技術。步進數字式控制閥控制技術的關鍵元件是步進電機，其控制器（包括環形分配器、功率放大器）將控制參量以脈沖與方向信號輸入，步進電機通過傳動轉換裝置將數字式旋轉運動轉換為控制閥閥桿直線位移。步進電機能夠直接接受數字信號，可以根據控制需要，通過軟件編程的方法，實現轉速、旋轉角位移的精確控制。

汽車空調系統的熱力學慣性相對較小，而傳統熱力膨脹閥的動作取決于制冷劑壓力、溫度、相態變化和氣相頭時間常數等，難以滿足速度和精度的要求，對于解決振蕩現象來說，電子膨脹閥可能更適合。

參考文獻：

[1]張秀英，淺談汽車空調變排量壓縮機排量調節技術進展.2017.

[2]劉青萍，汽車空調壓縮機變排量控制閥的研究現狀.2017.