汽车空调变排量压缩机热力过程特性建模

变排量压缩机汽车空调制冷系统采用试验方法进行匹配设计时，存在诸如系统振荡现象和蒸发器结霜等问题。因此，细致深入地研究斜板式变排量压缩机行程变化规律，是当前广泛应用并改善这种变排量汽车空调系统亟待解决的问题。本文利用斜板式变排量压缩机汽车空调特性实验系统，采用实验拟合的方法建立的斜板式变排量压缩机的稳态模型，进行了斜板式变排量压缩机制冷系统调节特性的分析研究。

【关键词】变排量压缩机 系统特性

变排量压缩机于上世纪80年代中期被正式生产出来，并应用到汽车空调系统中替代定排量压缩机。变排量压缩机的工作容量，即排气量可以随着制冷环境热负荷大小的变化，自动地调节改变，并以气缸结构的最大容量为上限，无级变动活塞行程以改变压缩机气缸容积。

变排量压缩机的研制生产和广泛应用，是汽车空调领域的一项重大技术进步，具有连续运转的特点，提高了汽车空调系统运行的经济性。

1 压缩过程模型建立

1.1 变排量压缩机特性实验系统

图1是这种变排量压缩机特性实验系统图，实验系统主体部分包括斜板式变排量压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和量热计等部件。由变频电机实现压缩机转速变化控制；压缩机排气压力变化由冷凝风扇的变频电机实现；运用制冷剂量热器法测量压缩机的制冷量，空调负荷改变由量热计中加热器的功率变化实现。该系统测量的参数主要包括，使用流量计测量制冷剂质量流量；采用行程测量装置测量活塞行程；采用电涡流传感器测量压缩机转速；铂热电阻温度计测量制冷剂在系统中各位置的温度，其測量精度为±0.1℃；采用电压输出型压力传感器测量制冷剂压力，测量精度为±0.1%。

1.2 压缩过程模型

从压缩机结构及压缩过程原理分析，为了得到制冷剂质量流量Mr、排气温度Td与活塞行程Sp、吸气压力Ps、排气压力Pd、吸气温度Ts和压缩机转速Nc的关系。根据分析，质量流量Mr由下式计算：

变排量压缩机压缩过程的模型由式（2）和（3）共同组成，因此在全行程和部分行程状态下，变排量压缩机指示效率和容积效率是计算压缩机排气量和排气状态焓值需要得到的关键数据。对于定排量压缩机而言，容积效率和指示效率可以通过明确解析式表达，但却不能应用于部分行程状态的变排量压缩机。本文运用多项式拟合方法，通过实验得出的数据，来得到变排量压缩机的指示效率和容积效率经验计算公式。

1.3 容积效率和指示效率的影响因素

压缩机的容积效率是压缩机实际容积流量和理论容积流量之比，在压缩机实际工作过程中，压缩机的容积效率等于四个系数的乘积：

以上系数分别对应了四个影响容积效率的主要因素，即气缸余隙容积的影响、吸排气阀阻力的影响、吸气过程中气体被加热程度的影响以及漏气量的影响，可以根据公式（4），通过这四个系数的变化趋向来对各参数影响容积效率的规律加以分析。

变排量压缩机的主要性能参数，压缩机转速、压缩比和活塞行程变化会直接造成四个系数的改变，从而影响变排量压缩机使之容积效率发生变化。当变排量压缩机的压缩比ε，即排气压力Pd与吸气压力Ps之比增大，余隙系数和节流系数减小；同时，压缩比增大，当排气压力Pd不变时，则吸气压力Ps减小，对应的吸气温度降低，压缩机的泄漏量和吸气加热量将增大，即气密系数和预热系数将减小。

1.4 容积效率和指示效率的实验数据拟合

先通过实验在较大范围内分别变化压缩比、转速和活塞行程，得到相应的容积效率和指示效率的数据，然后根据对容积效率和指示效率变化趋势的影响参数的分析，可将变排量压缩机的容积效率ηv拟合成压缩比ε、转速Nc和相对行程（活塞在部分排量时的行程和全排量时的行程之比）的函数：

2 斜板式变排量压缩机特性分析

当汽车空调制冷系统在实际工况下运行时，斜板式变排量压缩机的转速跟随汽车发动机的转速改变而改变，活塞行程也会自动进行调节，从而使压缩机排气量适应空调负荷变化。变排量压缩机综合不同运行状况来看，可以实现定转速定行程、变转速定行程、定转速变行程和变转速变行程四种不同运行状况。本文在斜板式变排量压缩机的稳态模型基础上，对这四种运行状况下制冷剂质量流量Mr和压缩机指示功率Pi的变化规律进行分析。

2.1 定转速定行程特性规律

当转速不发生改变，同时处于最大行程状态时，斜板式变排量压缩机就相当于固定转速下的普通压缩机。当吸气压力Ps增大时，压缩比会减小，容积效率提高，所以使得制冷剂质量流量Mr增大，同时压缩机指示功率Pi也随之增大。

2.2 变转速定行程特性规律

当活塞处于最大行程，变排量压缩机转速发生变化时，随着转速Nc和吸气压力Ps的增加，制冷剂质量流量Mr和压缩机指示功率Pi增加，图2和图3表示活塞处于最大行程，假定Pd=1.5MPa，吸气过热10℃时，不同转速下的Mr-Ps关系曲线和Pi-Ps关系曲线。压缩机不同转速下所能保持最大行程的最小吸气压力不同，因此每条曲线起点的压力均不相同。

2.3 定转速变行程特性规律

如果在汽车发动机转速一定时，空调负荷发生变化，变排量压缩机就会自动调节活塞行程来使排气量适应于空调负荷的变化，这就是定转速变行程的运行状态。此状态下，因为活塞行程变化范围的限制，Mr-Ps的关系和Pi-Ps的关系会出现调节滞区。行程变化时的Mr-Ps关系曲线和Pi-Ps关系曲线如图4和图5所示，此时假定Nc=2000r/min，Pd=1.5MPa，吸气过热10℃。从图中可以看出，Mr与Ps以及Pi与Ps在变行程范围内是一种多值对应的关系。

2.4 变转速变行程特性规律

在汽车空调实际运行的情况下，压缩机转速和活塞行程可能都会发生改变，这种变转速变行程的运行状态是变排量压缩机运行过程中最复杂的情况。图6和图7分别是压缩机变行程时，不同压缩机转速下的Mr-Ps关系曲线和Pi-Ps关系曲线，此时假定Pd=1.5MPa，吸气过热10℃。这种关系曲线图表示出，压缩机转速越大，Mr-Ps曲线和Pi-Ps曲线的调节滞区都越向Ps减小、Mr和Pi增加的方向移动。

3 结论

综合以上对斜板式变排量压缩机排量变化规律的分析，斜板式变排量压缩机能够以各种不同的运行状态实现工作目的，压缩机的排量和指示功率表现出存在调节滞区的特性。因为活塞行程调节滞区的影响，斜板式变排量压缩机与定排量压缩机性能参数曲线的对应关系不同，各特性参数在变行程范围内为多值对应关系；在车内制冷负荷等系统参数发生变化之时，斜板式变排量压缩机会自动调节活塞行程，使制冷量和负荷相适应。

参考文献

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[3]田长青，杨新江，窦春鹏等.汽车空调用变排量压缩机的调节特性[J].流体机械，2003，31（05）：1-4.

作者简介

罗强（1976-），男，四川省遂宁市人。现四川职业技术学院电子电气工程系讲师。研究方向为热能工程。

作者单位

四川职业技术学院电子电气工程系 四川省遂宁市 629000