汽车变排量压缩机的匹配研究

吴 刚

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230009）



汽车变排量压缩机的匹配研究

吴 刚

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230009）

摘 要：在汽车空调的设计匹配过程中，针对压缩机工作不连续的问题进行分析。从变排量压缩机的工作特性着手，结合空调压缩机的控制逻辑，找出问题的原因。对汽车变排量压缩机的匹配提出针对性意见。

关键词：压缩机；内控阀

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.019

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-55-03

引言

变排量汽车空调压缩机的应用渐渐成为主流，因为它相较于定排量压缩机，有着运行平稳，减少噪音，降低油耗，室内温度稳定等优点。但是变排量压缩的匹配比之定排量压缩机存在着一定的复杂性，如果匹配不好的话，其变排量所拥有的优点并不能体现出来。本文就从一个MPV匹配变排量压缩机的过程中发生的问题来阐述变排量压缩机的匹配。

在某MPV车型上，配备的压缩机是最大排量180ml的内控式变排量压缩机，在匹配实验时，发现怠速在最小风量最大制冷的工况下，压缩机离合器会频繁切断。在第一次切断后，后面每1分钟会切断3次。

此款MPV的空调配置为前后三温区自动空调，主副驾双温区由前HVAC提供，后排第三温区由后HVAC提供。试验在室外进行，阳光强烈，气温36℃。

1、压缩机切断信号的来源

压缩机离合器的吸合与断开是由ECU给出信号，也就是说ECU是压缩机的直接控制机构。而ECU要控制压缩机离合器吸合必须要有空调控制器的AC请求信号输入。如图1所示，ECU接收空调控制器的AC请求信号，发动机水温信号，发动机的转矩信号、冷媒压力信号以及其他诸如急加速油门踏板信号等，ECU接收到这些信号后，根据内部运算逻辑，决定是否开启压缩机。在AC请求信号有效的情况下，水温过高、急加速、冷媒压力过高或过低等情况下，压缩机离合器会被切断，待这些信号恢复到设定值时，压缩机恢复工作。在AC请求信号无效的情况下，压缩机离合器不吸合。AC请求信号低电平有效。

在本次试验中，压缩机离合器频繁断开，首先需要确定是压缩机离合器切断信号的来源，是AC请求信号消失还是AC请求信号有效但ECU将压缩机离合器切断。

连接诊断接口，监测ECU发出的压缩机离合器吸合信号，以及ECU接收的压力信号、水温信号和控制器发出的AC请求信号等。在故障重现的时候，我们观察到：ECU发出了切断信号，水温正常，冷媒压力值正常，均未达到切断压缩机离合器的设定值。由此排除ECU自主切断压缩机离合器的可能。同时AC请求信号在压缩机离合器断开时为高电平，AC请求无效，可以确定压缩机离合器的切断请求是由空调控制面板发出的。

图1　压缩机控制逻辑

2、控制器的控制逻辑

空调控制器常用的控制策略是根据蒸发器表面温度传感器来决定是否切断压缩机离合器。如图2所示，当汽车空调系统连续工作时，蒸发器表面温度逐渐降低，空气中的水分被析出，直至开始结冰。若结冰后蒸发器中的制冷剂继续流动，则蒸发器表面会逐渐全部凝结成冰块，以至气流不能通过蒸发器，无法进行热交换，蒸发器无法工作。为控制蒸发器表面不结冰，系统靠切断压缩机离合器，终止压缩机工作来控制蒸发器温度。当蒸发器表面温度过低时，控制器终止AC请求信号，压缩机离合器切断。蒸发器中制冷剂停止流动，温度开始回升，当蒸发器表面温度回升到设定值时，控制器发出AC请求信号，压缩机离合器吸合开始运转。

图2　控制器逻辑

按照试验的外部环境，气温高，湿度低的情况下，蒸发器结霜的可能性不大，我们初步怀疑是否是控制器故障。在更换了控制器后，故障没有消除。

排除了控制器的问题，我们把目光放在了蒸发器表面温度传感器上面。监测蒸发器表面温度传感器的电压后，数据显示，在传感器两端电压达到3.78V的时候压缩机离合器切断，根据图3的温度特性，此时温度传感器的温度是1℃，这也正是蒸发器表面防结霜所预设的值。

从现有的数据来看，空调控制器、蒸发器表面温度传感器都没有问题，压缩机离合器切断的原因是蒸发器表面温度传感器温度达到了预设的压缩机离合器切断温度。为了进一步验证这个原因，我们将蒸发器表面温度传感器放在HVAC壳体外，传感器检测到的就是室温，不会下降到足以切断压缩机离合器的温度。事实上，这样做后，压缩机离合器确实没有切断，进一步印证了蒸发器表面温度传感器是导致压缩机切断的原因。

图3　蒸发器表面温度传感器的温度特性

在将蒸发器表面温度传感器外挂后，压缩机连续运行两小时。期间持续监测蒸发器表面温度，出风口温度，用以确认是否结霜。整个过程中，出风口温度平稳，蒸发器表面温度平稳没有波动，蒸发器一直没有结霜。

3、变排量压缩机的防结霜措施

虽然明确了蒸发器便面温度传感器在压缩机切断问题中所起的作用，但是仍然不能解决问题。此车型装配斜盘式变排量压缩机，并不同于一般的定排量压缩机。定排量压缩机空调系统，通过膨胀阀的开度调节和压缩机离合器的周期性吸合、断开来调节空调系统的制冷量，这种方法平稳性差，波动较大，压缩机离合器的断开和吸合还会造成抖动和噪音。变排量压缩机通过制冷负荷的变化，连续平滑地改变活塞排量实现系统能量的调节。这种能量调节方法排量变化很平稳，减小了排气压力波动及噪声，并且在高速时节省能耗。

本车装配的压缩机工作特性如图4所示，图中两条黑色曲线，左侧曲线左方为最小排量区间，右侧曲线右方为最大排量区间，两条区间之间为中间排量区间。图4的工作特性图主要由压缩机内部的控制阀确定。将实测数据填入图中，就可以知道各工况下压缩机的工作状态。

图4　变排量压缩机工作特性

根据变排量压缩机的工作特性，在制冷负荷小的情况下，压缩机应该是减小排量，继续运转，而不是像定排量压缩机一样直接切断。这也就是为什么前文中，蒸发器表面温度传感器外挂后，压缩机连续运行两小时，蒸发器依然没有结霜。我们把当时采集到的压力数据输入图4，数据点均落在左侧曲线的左边（未在图中体现），即最小排量状态。

但是为什么蒸发器表面温度传感器正常工作时，压缩机就会频繁切断呢，而不是减小排量继续工作？我们将蒸发器表面温度传感器重新插在了蒸发器上，重现故障现象，记录了压缩机离合器切断时的压力数据。将数据输入图4，得到橙色数据点（系列“风量1档”，数据有多组，均在该点附近分布，图中未画出），位于右侧曲线附近，即最大排量与变排量的临界点。说明压缩机在即将进入排量变化的时候就被切断了。

理想的情况应该是压缩机在蒸发器表面温度传感器温度到达结霜点前调节排量，保持制冷负荷和制冷量的平衡。

4、解决对策

4.1 改变传感器预设的临界温度

吸气压力没有降低到临界压力时，压缩机一直是最大排量工作，这个临界值是由压缩机中的内控阀控制的，是一个预先设置好的值。这个值是影响压缩机什么时候变改排量的一个因素。然而什么时候切断压缩机，蒸发器表面温度传感器设的预设切断温度过高似乎是针对压缩机离合器频繁切断问题的一个更直接的原因。因为这个预设温度过高，导致压缩机在工作时一直是最大排量，当它转入变排量工作时，蒸发器表面温度已经达到了切断压缩机离合器的预设值。这样压缩机相当于一个定排量压缩机，因为它对应的变排量压力区间都处于被切断的状态，完全没有发挥出其作为变排量压缩机的优势。

在前面的描述中，我们知道在将蒸发器表面温度传感器外挂之后，仅靠压缩机自身的排量调节依然可以保持最低风速最大制冷工况下不结霜。直接将蒸发器表面温度传感器的临界温度调低一点，拓宽压缩机的工作压力区间，发挥出它的变排量优势似乎是一个可行的方法。但是尤为重要的是，这个临界温度应该下调多少。下调过少，无法解决压缩机离合器频繁切断的问题，可能只是切断的频率降低。下调过多，蒸发器表面温度传感器防结霜的功能就有可能丧失。

这个临界温度值的确定通常要通过大量的试验得到，这个值跟传感器在蒸发器表面的位置以及安装方式都有关系，常见的有插入式和非插入式。插入式的临界温度就要比非插入式的要低。此车是插入式传感器，所以其预设切断压缩机温度还可以降低一些，然后试验验证是否合适。

4.2 改变压缩机预设的压力值

变排量压缩机的排量调节由其自身的内控阀控制，它根据吸排气压力自动调节斜盘角度，进而调气缸节活塞行程，导致排量变化。图4中有三个区间，分别是最大排量区间、变排量区间（介于最大排量和最小排量之间）、最小排量区间，这三个区间的分布跟压缩机内控阀的参数息息相关。

在为了达到更好的制冷效果时，设计人员会改变内控阀的参数，将图4中的两条边界曲线左移，以增大最大排量区间。这样做的目的是让压缩机在更多的工况下保持最大排量工作，增大制冷量。但是这样做的缺点是，增加功耗，进入变排量工作的时刻延后，极端的情况就是本文中频繁切断压缩机的现象。

将图4中的两条边界曲线右移，增大最小排量区间。这样做之后，压缩机响应更灵敏，在工作中很容易就能达到变换排量所需的压力条件，会有比较长的时间工作在变排量状态下。其优点是功耗低，波动小，缺点是变排量时制冷量降低，极端情况就是制冷不足。

可见变排量压缩机的三个工作区间并不是非左即右的关系，而是一个平衡的关系，既要在需要强大制冷时提供最大排量，也要在制冷压力不大时换成小排量。所以压缩机匹配空调系统时，需要对其进行标定，确定最合适的压力参数。

5、总结

压缩机离合器频繁切断，看似可能是硬件的故障，结果却是硬件全部正常，其原因在于对空调系统的各个零部件的匹配不合适。不同车型不同的空调系统，支撑其正常工作的各个参数并不相同，需要仔细匹配。本文中所述的某MPV车型空调压缩机离合器频繁切断的问题，正是因为压缩机的内控阀参数以及蒸发器表面温度传感器的预设切断温度匹配不合理造成的。最后经过试验，调低了蒸发器表面温度传感器的预设切断温度，并将压缩机的工作区间边界曲线左移，压缩机频繁切断的问题彻底解决，兼顾了舒适性和经济性。

参考文献

[1] 陈孟湘. 汽车空调[M]上海:上海交通大学大学出版社, 2001.

[2] 方贵银，李辉. 汽车空调技术[M]. 北京:机械工业出版社,2002.

[3] 窦春鹏，田长青等，变排量压缩机汽车空调用热力膨胀阀的实验研究[J]. 制冷与空调,2001.10：9-11.

[4] 邱雪，变排量汽车空调压缩机的技术改进研究[J]. 机械工程师,2013.9：59-60.

中图分类号：U463.6

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)04-55-03

作者简介：吴刚，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。

Study on Matching of Automotive Air Condition Compressor

Wu Gang
( The Center of Technology of Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230009 )

Abstrct: In the process of matching Automotive Air Condition Compressor, we analyse the problem of Compressor work break off. Base on the working character and control logic of Automotive Air Condition Compressor, we can find the cause of the problem, and give proposal to matching Automotive Air Condition Compressor.

Keywords:compressor; cintrol valve