油循环率对电动汽车空调压缩机性能的影响

陶 宏 张 婷 吴生礼 程英男 缪 剑 邵昕宏

(上海海立新能源技术有限公司 上海 201206)

空调系统的油循环率(oil circulation rate，OCR)会影响换热器的流动换热，由于油的黏度远大于液态制冷剂，导致制冷剂侧的流阻增加、传热系数减小；由于蒸发器中制冷剂的温度比冷凝器低，油的黏度较大，导致换热流阻增加较多(最大可达25%)、热量衰减较大(最大可达5%)[1]，当热泵在低温制热模式下运行时，蒸发温度更低、油的黏度更大，影响更严重。汽车空调系统的OCR通常高于家用空调或商用空调系统，为3%～6%，最高可达10%，制冷量衰减最高可达10%、出风温度上升可达3～4 K[2-3]，因此OCR越低，热泵空调系统性能越好。

压缩机需要适中的OCR以保证：1)可靠的润滑以降低磨耗和磨损；2)高度密封以减小压缩过程的制冷剂泄漏；3)有效冷却以保障适宜的工作温度、同时改善压缩过程[4]。

陈志明等[5]对电动涡旋压缩机(R22)进行了仿真和实验研究，研究了OCR对压缩过程、容积效率、功耗、排气温度的影响，结果表明，当OCR介于5%～12%时，压缩机的容积效率、功耗最佳，OCR偏低则泄漏增加、润滑不良，OCR偏高则占有吸气容积、油搅拌增加，均会影响压缩机性能；OCR增加1%，压缩机排气温度降低1.8 ℃。

胡青等[6]对斜盘式汽车空调压缩机(R12)进行了实验研究，由于没有采用油分离器方法测量OCR，计算压缩机性能时采用制冷剂和油混合物物性修正计算；实验结果表明OCR<2%时，油对测量误差的影响小于1%，但当OCR约为10%时，油对测量误差的影响达到8%～10%；当OCR介于5%～8%时，压缩机的性能最佳。

杨传波等[7]对涡旋式汽车空调压缩机(R134a)进行了仿真和实验研究，研究了不同工况、转速条件下OCR对容积效率、功耗、排气温度的影响，结果表明，当OCR介于7%～9.1%时，不同转速和工况下，均可获得较佳的工作性能；OCR<6%，泄漏是影响容积效率和压缩机轴功率的主要因素，当OCR>10.7%时，油占有一定工作容积并溶解部分制冷剂是影响容积效率的主要原因，功率损失的增加是由于排气流动损失和相对运动部件间摩擦增加造成；OCR增加，排气温度降低，两者之间约呈线性变化关系。

王枫等[8]研究了活塞式冷冻压缩机(R22)，压缩机排气后设置油分离器，以确保制冷循环中压缩机吸入纯制冷剂，同时将分离出来的润滑油及时送回压缩机油箱，采用取样法测量OCR。在一定范围内，OCR随压缩机注油量的增加而升高，存在性能最佳的OCR(0.4%～0.5%，对应最佳的压缩机注油量)。

R.Ossorio等[9]实验研究了变频涡旋压缩机(R290)的OCR，结果表明，影响OCR的主要因素是压缩机转速和蒸发温度，OCR随压缩机转速升高而增加，高转速时OCR可达5%。

电动汽车空调压缩机既不同于传统汽车用皮带轮驱动压缩机，增加了电动机部分；也不同于家用或商用的立式变频涡旋空调压缩机，采用卧式结构。因此，本文采用压缩机性能实验台及OCR测量装置，研究电动汽车空调用变频卧式涡旋空调压缩机(R134a)的容积效率、电效率、排气温度、壳体温度等随OCR的变化。

1 压缩机性能实验系统

1.1 实验方法

1.1.1 压缩机性能测量装置

实验采用GB/T 5773—2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》[10]中定义的第二制冷剂量热器法。

压缩机性能实验系统如图1所示，压缩机(1)排气进入油气分离储油罐(13)，经过油气分离后的气相制冷剂依次流向冷凝器(4)冷凝、高压储液罐(5)、过冷器(6)冷却为过冷液，质量流量计(20)测量制冷剂质量流量、膨胀阀(7)节流、蒸发器(10)内吸收气相第二制冷剂冷凝热而蒸发，最后流回压缩机(1)的吸气口；而经过油气分离后的液相油依次流向油流量计(21)测量油质量流量、油流量控制阀(15)调节油流量，最后也流回压缩机(1)的吸气口。

第二制冷剂量热器是一个隔热的密闭压力容器(9)，充注有第二制冷剂(11)，下部为液相区，通过浸没的电加热器(12)调节热负荷，上部为气相区，悬置蒸发器(10)；第二制冷剂被电加热器加热沸腾蒸发为气体上升到气相区，在蒸发器表面放热后又被冷凝为液体滴落回下部液相区。为使量热器的漏热损失最小，调节量热器室(8)的室温与量热器内第二制冷剂的温度相等。

被测压缩机(1)置于压缩机室(3)内，压缩机室内环境空气温度可调节，并可通过风扇(2)调节压缩机周边空气流速。

1压缩机;2风扇;3压缩机室;4冷凝器;5高压储液器;6过冷器;7电子膨胀阀;8量热器室;9量热器;10蒸发器;11第二制冷剂;12电加热器;13油气分离储油罐;14电加热器;15油流量控制阀;16阀前;17量热器出口;18压缩机吸气口;19压缩机排气口;20制冷剂质量流量计;21油质量流量计。图1 压缩机性能实验装置原理Fig.1 Principle of compressor performance test installation

压缩机运行工况如排气压力、吸气压力、阀前温度、吸气温度等参数设定完成后，本实验装置按照图2中对应的(a)～(d)控制回路分别自动调节。主要测量仪器参数如表1所示。

表1 主要测量仪器参数Tab.1 Parameters of principal measuring instruments

图2 压缩机性能实验装置主要调节回路框图Fig.2 Key regulation loops block diagram for compressor performance test installation

(1)

而蒸发器的制冷量等于直接测量的电加热功率Pheater与量热器漏热量Φloss的代数和：

Φe=Pheater+Φloss

(2)

式中：Pheater为电加热功率，W；Φloss为量热器漏热量，W，根据量热器室与量热器内部的温差大小修正[9]。

膨胀阀入口制冷剂比焓hVi通过当地压力pVi和温度TVi计算；量热器出口制冷剂比焓heo通过当地压力peo和温度Teo计算。

压缩机在一定吸气压力ps、吸气温度Ts、排气压力pd和膨胀阀前温度TVi时，压缩机的制冷量Φ0按照式(3)修正了从量热器出口到压缩机吸气口之间连接管路的冷量损失。

(3)

式中：Φ0为压缩机的制冷量，W；Φe为蒸发器的制冷量，W；hs为压缩机吸气口制冷剂比焓，J/kg。

压缩机容积效率ηV定义为：

(4)

式中：WRef为直接法制冷剂质量流量，kg/s；ρs为压缩机吸气口制冷剂密度，kg/m3；Vd为压缩机排量，m3；n为压缩机转速，r/min；

压缩机电效率ηe定义为：

ηe=WRefΔhis/Pcomp

(5)

式中：ηe为压缩机电效率；WRef为制冷剂质量流量，kg/s；Δhis为等熵焓差，J/kg；Pcomp为压缩机功率，W。

1.1.2 油分离式OCR测量装置

为了减少实验台系统中的制冷剂含油量对流量测量、制冷剂物性计算的影响[11]，如图1所示，压缩机排气先经油气分离储油罐(Temprite 925R，分离效率99.9%)分离制冷剂气体和油，被分离出的油流入底部储油罐；储油罐的油中浸没电加热器，与油温传感器组成控制回路调节储油罐中油温至100 ℃，以尽量减少油中溶解制冷剂的量，油池温度调节回路如图3(b)所示，储油罐中有油位传感器测量储油罐中油位，与储油罐出口管路上的流量调节阀组成控制回路，调节储油罐中油位；储油罐出口管路上的流量调节阀与油流量计组成控制回路，调节OCR，OCR调节回路如图3(a)所示；流量调节阀流出的油与量热器出口的制冷剂汇合回到压缩机吸气口。

图3 OCR实验装置主要调节回路框图Fig.3 Key regulation loops block diagram of OCR test installation

质量流量计(21)位于储油罐出口，直接测量油的质量流量Woil，OCR定义为：

(6)

式中：OCR为油循环率，%；Woil为油的质量流量，kg/s。

1.2 实验对象

实验采用海立(HIGHLY)电动汽车用卧式变频涡旋空调压缩机，制冷剂为R134a，冷冻油HAF68(POE)，压缩机排量Vd为3.4×10-5m3。

1.3 实验工况

实验工况参照GB/T 22068—2018《汽车空调用电动压缩机总成》[12]选定，为了对比转速、工况的影响，选择转速分别为3 000、4 500、6 000 r/min，以及C1、C2两个高负荷工况(如表2所示)。

表2 测试工况Tab.2 Test operating conditions

2 实验结果分析

2.1 容积效率

图4所示为容积效率随油循环率的变化。由图4可知，当OCR减小时，涡旋压缩腔密封效果减弱，泄漏量增加，压缩机的制冷剂质量流量随OCR的减小而降低，压缩机容积效率为0.80～0.93，整体随OCR的减小而降低,当OCR从10%降至1%，容积效率降低约0.02～0.05。

泄漏量：

(7)

式中：mLeak为泄漏量，kg；Cd为泄漏系数；A为泄漏面积，m2；ρ为密度，kg/m3；Δp为压差，Pa；t为时间，s。

由式(7)可知，当Cd、A、ρ、Δp一定时，mLeak与泄漏时间成正比。转速越低，涡盘转过一定角度的时长t越长，每转内mLeak越多。由图4可知，整体上，容积效率随转速降低而降低；在C1工况下，6 000 r/min与4 500 r/min时压缩机的容积效率接近，3 000 r/min时压缩机容积效率明显低于4 500 r/min，说明在中高转速时泄漏影响的差异较小，而在中低转速时泄漏影响的差异较大；而C2工况的容积效率明显高于C1工况，主要是因C2工况的压比(≈5.1)小于C1工况的压比(≈7.3)。

图4 容积效率随油循环率的变化Fig.4 Volume efficiency varies with oil circulation rate

在C1工况转速为4 500、6 000 r/min，C2工况转速为4 500 r/min时，当OCR>5%时，容积效率随OCR的变化较小，OCR<5%时，容积效率随OCR的变化较大，说明中高转速时OCR≈5%，既能保证涡旋压缩机的有效密封，也可尽可能减小对空调系统的影响。在C1工况转速为3 000 r/min时，容积效率随OCR的变化大于转速为4 500、6 000 r/min时，且OCR在1%～10%范围内变化时，容积效率随OCR约呈线性变化。

2.2 电效率

图5所示为电效率随油循环率的变化。由图5可知，压缩机电效率ηe介于0.45～0.62，整体上ηe随OCR的减小而降低，当OCR从10%降至1%，ηe降低约0.02～0.05。这是因为随OCR减小，润滑变差导致机械效率ηme降低，同时随着OCR减小，泄漏量增加、冷却减弱导致指示效率ηi也降低，压缩机电效率ηe随之降低。

图5 电效率随油循环率的变化Fig.5 Electrical efficiency varies with oil circulation rate

压缩机电效率：

ηe=ηivtηmoηmeηi

(8)

式中：ηe为压缩机电效率；ηivt为变频器效率；ηmo为电机效率；ηme为机械效率；ηi为压缩过程指示效率。

在C1工况，转速为6 000 r/min和4 500 r/min时压缩机的电效率相近，转速为3 000 r/min时压缩机电效率明显低于4 500 r/min时。当OCR从10%降至1%，C1、C2工况排气温度分别上升近15 ℃、10 ℃。这是因为低转速时泄漏量较大、ηi降幅更大，且ηmo在低转速时也较低。而C2工况时电效率明显高于C1工况时的电效率，主要是因C2工况的压比(≈5.1)小于C1工况的压比(≈7.3)。

2.3 排气温度

图6所示为排气温度随油循环率的变化。由图 6可知，整体上压缩机排气温度随OCR减小近似呈线性上升，当OCR从10%降至1%，C1、C2工况排气温度分别上升近15 ℃、10 ℃。这是因为润滑油中溶解的液相制冷剂从气相制冷剂中吸热而蒸发，降低了气相制冷剂的温度；随OCR减小，润滑油/制冷剂混合溶液流量也减少,从气相制冷剂中吸收的热量减少，导致排气温度上升。

图6 排气温度随油循环率的变化Fig.6 Discharge gas temperature varies with oil circulation rate

C1工况下，转速为4 500 r/min和6 000 r/min时排气温度曲线很接近，转速为3 000 r/min时排气温度明显高于4 500 r/min时，说明在中低转速(或中小流量)时油的冷却效果更显著。

而C2工况的排气温度整体上显著低于C1工况的排气温度，主要是因C2工况的压比(≈5.1)小于C1工况的压比(≈7.3)。

2.4 壳体温度

图7所示为壳体温度随油循环率的变化。由图 7可知，整体上压缩机壳体(电机)温度随OCR减小近似呈线性上升，当OCR从10%降至1%，各工况下壳体温度上升约5～10 ℃。因为随OCR减小，油气两相传热系数α减小，根据电机与制冷剂之间传热公式，压缩机壳体(电机)温升增大。

图7 壳体温度随油循环率的变化Fig.7 Shell temperature varies with oil circulation rate

忽略电机与压缩机周围空气之间的换热，电机与制冷剂流体之间对流换热：

Φ(n，Ip)mo=αA(Tmo-Ts)

(9)

式中：Φmo为电机发热量，W；Ip为电机相电流，A；α为制冷剂流过电机表面的对流换热表面传热系数，W/(m2·K)；Tmo为电机温度，℃；Ts为压缩机吸气温度，℃。

在C1工况，压缩机壳体温度随着转速降低而升高，一方面因低转速时，电机效率较低，电机发热量增加，另一方面，因低转速时制冷剂流量减小，油气两相传热系数减小，故油对电机的冷却效果在中低转速(或中小流量)时更显著。

3 结论

本文通过第二制冷剂法压缩机性能实验装置和油分离法OCR测量装置，在转速分别为3 000、4 500、6 000 r/min下，实验研究了油循环率对电动汽车空调压缩机性能的影响，得到结论如下：

1)油循环率在1%～10%范围内，同一工况下，压缩机容积效率整体随油循环率减小而降低约0.02～0.05，随转速升高(3 000～6 000 r/min范围内)而上升。

2)同一工况下，压缩机电效率随油循环率减小而降低约0.02～0.05，转速为4 500、6 000 r/min时压缩机电效率接近，而转速为3 000 r/min时压缩机电效率明显低于4 500 r/min时。

3)同一工况下，压缩机的排气温度随油循环率减小而近似呈线性上升10～15 ℃，转速为4 500、6 000 r/min时压缩机排气温度接近，而转速为3 000 r/min时压缩机排气温度明显高于4 500 r/min时。

4)同一工况下，压缩机壳体温度随油循环率的减小而近似呈线性上升5～10 ℃，整体上随着转速升高(3 000 ～6 000 r/min范围内)而降低。

5)总体而言，OCR<5%时OCR对压缩机性能的影响比OCR>5%时显著。