小排量汽车空调控制策略研究

卢国华，金巧灵，乔福龙

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

小排量汽车空调控制策略研究

卢国华，金巧灵，乔福龙

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

汽车空调开启对发动机的动力影响很大，严重影响了乘客的舒适性。介绍了小排量大空间的汽车开发中，对空调的控制，着重阐述空调的匹配、控制原理和典型工况的控制方法。

空调；舒适；控制；原理；动力性

节能环保型小排量汽车已经成为汽车发展的主流与消费者关注的焦点，在当今家庭人员2+4+2的结构下，车辆需要坐下6个人以上的大空间，这对小排量汽车的动力要求很高。出于对乘坐舒适性的要求，小排量大空间的汽车同样要有空调配置，然而空调对小排量大空间汽车动力性的影响更加明显，因此良好的空调匹配及控制技术在小排量汽车开发中是非常重要的一个环节。本文所提到的汽车空调均指非独立式汽车空调对于小排量汽车，尤其目前盛行的1.0T的三缸发动机汽车。受功率扭矩的限制，由于起步需要的扭矩比较大，因此空调的开启对起步影响很大。所以汽车空调要兼顾制冷效果、车辆动力性和驾驶的舒适性，尤其是在启动空调时刻对发动机的影响，在空调压缩机功率一定的情况下，ECU标定数据的调节对车辆整体的体验上起着决定性作用。本文主要介绍怠速控制器和点火提前角的控制方法。

1 汽车空调的基本原理

1.1 汽车空调的工作原理

汽车空调采用非独立式空调系统的汽车，由发动机直接带动压缩机运转，工作时直接消耗发动机能量，对发动机的动力性及经济性产生直接影响。

如图1所示，汽车空调一般主要由压缩机、电控离合器、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、贮液干燥器、管道、冷凝风扇、真空电磁阀和控制系统等组成。

图1 空调工作原理

利用制冷剂（冷媒）压缩释放的瞬间体积急剧膨胀吸收大量热能的原理制冷。工作时从蒸发器出来的低压气态冷媒流经压缩机变成高压高温气体，经过冷凝器散热管降温冷却变成高压低温的液体，再经过贮液干燥器除湿与缓冲，然后以较稳定的压力和流量流向膨胀阀，经节流和降压最后流向蒸发器。冷媒一遇低压环境即蒸发，吸收大量热能。液态致冷剂流经蒸发器后再次变成低压气体，又重新被吸入压缩机进行下一次的循环工作。如此往复循环，车厢内的空气不断流经蒸发器，车厢内温度也就因此降低[1]。

1.2 汽车空调的控制原理

由于汽车空调的工作环境比较恶劣，受到很多条件的约束，因此汽车空调的控制方法也相对复杂，一般的控制流程如图2所示。

图2 空调的基本控制原理

如图2所示，在驾驶员需求急加速或者大负荷爬坡，为了满足驾驶员的意图，保证发动机的输出功率，这个时候需要临时切断空调，保证动力输出；当有更高优先级的功率需求时，如动力转向，同样可以临时切断空调以保证优先级较高的功率需求[2]。无论控制原理如何，对于小排量大空间的汽车，都要最大限度的合理分配其有限的发动机功率，以保证驾驶员的意图需求和车辆驾驶的舒适性。

1.3 空调压缩机功率与车辆发动机功率的匹配

采用非独立式空调系统的汽车，其空调系统是由发动机直接带动压缩机运转，空调的动力来源发动机动力，消耗发动机动力对发动机的动力性及经济性产生直接影响[3]。因此，必须选用适当的功率匹配，才能既不影响汽车对发动机动力的要求，又能得到足够的制冷能力，一般选择的压缩机功率消耗占发动机功率的10%～15%[4]，当发动机与压缩机传动比i=1时，其制冷能力与发动机转速的关系可以用图3所示。

图3 压缩机转速与其功耗图

2 空调控制方法

2.1 怠速工况下，空调启动控制

发动机处于怠速状态下（包括静态怠速和动态怠速），当空调启动时，由于负荷突然增加，发动机控制模块（简称ECU，下文用简称显示）会根据负荷的变化，通过增加怠速控制执行器占空比（PWM）来提高发动机转速，进而增加发动机发出的功率，来弥补由于空调启动而增加的功率消耗。

压缩机电磁离合器瞬间吸合导致负荷突然增大，造成发动机的负荷突然增加，怠速控制执行器没能来的及调整进气量，导致发动机转速下降。在怠速工况下，由于发动机怠速转速比较低，例如某车企的发动机怠速转速是750±50 r/min，在这么低的转速下，由于空调开启所带来的转速下降会对转速的稳定性造成极大的扰动，引起发动机抖动加剧甚至熄火，而此时的乘坐舒适性也随之变差。因此必须对空调启动的过程和怠速控制执行器的控制方法加以调整以使转速不致下跌过多来提高舒适性。

如图4所示，当ECU收到空调请求信号，ECU判断空调达到开启条件之后，空调开启延迟作用使得空调启动的动作相对于启动信号有一个延迟。在这段延迟时间内，ECU通过发动机的转速会计算出一个稳态输出值以及瞬态修正值后输出一个最终的空调损失的扭矩值，进而计算出空调需求的扭矩储备值，ECU调节节气门的进气量来提高发动机转速，刚好能够弥补空调所消耗的扭矩[5]，此时，空调继电器吸合，空调压缩机离合器吸合空调就开始工作；而在空调关闭时，同样，会有延迟，ECU会控制进气门开度，使空调继电器信号的下降沿突变到原来的值，为保证由于转速突然下降导致车辆的顿挫感，ECU控制器还有一个动态调节项（图4中的曲线4），最终的调节效果应该是曲线3和曲线4的叠加，使得空调切换过程中，扭矩是个缓慢的释放过程，保证了驾驶性的舒适性和动力的需求。

图3 空调开启时的调节

2.2 行车状态下空调启动的调节

行车状态下，压缩机离合器的突然吸合同样会使发动机负荷突然增加，转速先下降，由于ECU的调节，随后又上升，产生转速波动，造成行驶中的车辆车速波动，有明显的顿挫和抖动感。为抑制这种转速的波动，通过控制点火提前角的方式进行调节。为此，先来了解一下点火提前角对发动机扭矩输出的影响。点火提前角是以曲轴转角为单位，表示点火时刻提前（或滞后）于上止点（TDC）的时间间隔，即点火的早晚。在目前的汽油机管理系统中，点火提前角（以下简称点火角）对发动机扭矩有很大影响。在行车状态下，一般不会通过提高转速来实现扭矩的补偿来实现空调开启的舒适性，在相同转速和进气量下，可以通过调节点火角来增加扭矩的补偿。但是过大的点火角会引起爆燃，损坏发动机，因此需要找出最大扭矩的最小点火角（即MBT）[5]。

如图5，在行车状态下（节气门开启），空调满足启动条件开始启动，经过一定的时间延迟后，空调继电器接通。在延迟期间，基于空调的点火角修正值从零逐渐增大到最大值后保持不变，直到空调继电器接通，压缩机离合器吸合，随后又开始逐渐减小到零。在进行修正时，点火角减小（推迟），发动机输出的扭矩先是降低扭矩，空调工作后再增加，稳定了车辆行驶工况，增加了舒适性。在换挡过程中，会有一个空调维持现状的时间值来标定，在换挡期间这个变量时间内，空调维持之前状态，不作变化以防造成驾驶性舒适性的改变。

图5 空调开启时点火提前角修正

3 结束语

汽车空调是由发动机直接驱动，因此在其开启或者关闭时，一定要采用适当的控制方法使这种动力上的突变转化成渐变，特别是对小排量甚至三缸机的汽车，这种转化带来的驾驶性改进更是明显，当然不同的发动机管理系统有不同的控制策略。文中所讲述的控制策略也只是某一种即预先调整发动机的扭矩，包括空调开启的延迟、点火角的减小和换挡维持现状时间及大负荷大油门需求时选择性关闭空调。

[1]张岩.汽车空调系统的应用与发展[J].黑龙江科学，2015（6）：102.

[2]凌永成.汽车空调技术[M].北京：机械工业出版社，2014：1-66.

[3]麻友良.汽车空调技术[M].北京：机械工业出版社，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，刘启华.车用汽油机燃料喷射与电子控制[M].北京：机械工业出版社，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">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0181-03

2017-02-08

卢国华（1988-），男，广西桂林人，本科，助理工程师，研究方向：汽油机整车标定及降油耗研究。