变排量压缩机汽车空调系统特性研究

1 试验系统
　　
　　变排量压缩机汽车空调系统性能试验系统见图1。该试验系统建立在室内侧和室外侧两个环境小室中。压缩机和冷凝器放置在室外侧环境室内，蒸发器和热力膨胀阀放置在室内侧环境室内，这两个环境室的空气状态可调节控制，空气参数满足实验要求。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 试验系统示意图
　　　　　　　　　　　　1-压缩机；2-变频电机；3-行程测量装置；4-孔板流量计；5-冷凝器；
　　　　　　　　　　　　　　　6-冷凝风扇；7-储液器；8-热力膨胀阀；9-蒸发器风扇；
　　　　　　　　　　　　　　　　　11-排气调节阀；12-质量流量计；13-过冷却器
　　
　　试验系统可以控制压缩机转速、压缩机排气压力和空调负荷。压缩机由变频电机拖动，调节电机供电输入频率改变压缩机转速。冷凝器风扇也由一变频电机驱动，这样压缩机的排气压力可以通过调节流经冷凝器的风量来调节；空调负荷可以通过改变蒸发器进风干湿球温度（由室内侧环境室来保证）和流经蒸发器风量（由四档风扇来控制）来调节。
　　制冷系统由变排量压缩机、冷凝器、热力膨胀阀及蒸发器组成，该变排量压缩机为五缸摇板式无级变排量压缩机，其排量可在10～156cc/r/min之间变化。该压缩机是根据吸气平流式冷凝器，蒸发器芯体为管片式，热力膨胀阀为H型阀。
　　该试验系统测量参数：压缩机转速Nc、活赛行程sp、制冷剂质量流量Mr、制冷剂压力和温度及蒸发器、冷凝器进出口空气干湿球温度和风量。全部传感器产生的电信号传送给数字巡检仪HP34970A，通过机进行数据采集和处理，采样周围为1～5s（根据需要和可能确定采样周期）。
　　
2 系统特性试验结果与分析
　　
　　在上述的试验系统中，采用改变压缩机转速、排气压力和空调负荷等方法对变排量压缩机汽车空调系统进行了试验研究。
　　
　　2．1 恒定负荷，改变压缩机转速的特性
　　图2给出在恒定负荷时压缩机转速从1050r/min逐步递升至3900r/min，又递降至1200r/min时，16组试验数据反映了空调系统的特性。空调负荷恒定情况下，变排量压缩机在可变活塞行程范围内，随压缩机转速增加，压缩机行程减小，制冷剂流量在一个很小范围内波动，可以认为是系统制冷剂循环流量稳定；因而吸气压力P_s和蒸发器出口压力P_eo都恒定不变，蒸发器出口空气温度Teao也保持不变。其次，排气压力P_d也比较稳定，而排气温度随压缩机转速提高而升高。转速由1050r/min上升到3900r/min，温度由73.5℃上升到91.4℃，压缩机转速的变化，排气温度变化并不激烈。如果试验完全模拟非独立式汽车空调系统，则会是车速增高，冷凝器迎面风速增大，而冷凝器换热性能增强，排气压力降低，预计排气温度的升高更加缓慢或没有升高。上述调节特性，充分体现了变排量压缩机汽车空调系统的优点，压缩机运行平稳连续，送风温度波动小，提高了车室内的热舒适性。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 恒定负荷改变压缩机转速
　　
　　从实验数据，可以看到在恒定空调负荷下变排量压缩机的活塞行程变化与压缩机转速有很强的相关性，根据实验数据可整理成如下的经验公式：
　　
　　这进一步说明变排量压缩机在空调负荷恒定的情况下，排气压力维持在某一压力值时，压缩机的活塞行程只是压缩机转速的函数，就变排量压缩机而言，在一定的空调负荷下，压缩机转速升高，压缩机行程减小，ΔP_ws（摇板箱压力P_w 与吸气压力P_s之差）逐渐增加，说明压缩机活塞行程变小的作用力要小。变排量压缩机空调系统中吸气压力相对恒定的特点显示了压缩机行程越向小变，摇板箱压力P_w升高得越高，ΔP_ws越大。而压缩机行程向增大方向移动时是吸气压力升高，ΔP_ws变小的结果。从试验数据我们可以看出，变排量压缩机的活塞行程变化无论是增加还是减小，在压缩机转速为2000～2500r/min范围内所需要的ΔP_ws都是较小的。
　　
　　2．2 突变压缩机转速
　　图3给出恒定负荷时，压缩机转速突变时，从2000r/min升至2200r/min与2200 r/min升至2550 r/min得两组变化的特性。A组，压缩机转速从12000 r/min升至2200 r/min，P_d由13.8bar升到14.0 bar，P_w由2.05 bar升至2.45 bar，而P_s由1.72bar下降到1.55 bar，而，ΔP_ws 由0.33bar升至0.9bar制冷剂流量由129kg/h升至134kg/h，而压缩机的活塞行程sp产生了几个向下的尖波，但数值未发生变化，系统进入临界状态，压缩机的制冷剂循环量增加是压缩机转速增加的结果。B组，转速由2200 r/min上升至2300 r/min，制冷剂流量Mr、P_d、P_w、P_s、ΔP_ws都未发生显著变化，压缩机活塞选种由30.6mm 下降到30.2mm，压缩机活塞行程在变排量范围内，压缩机转速升高引起压缩机活塞行程变化时，总是P_w有一个向上的尖波，P_s有一个向下的尖波，制冷剂流量和活塞行程的改变是先上升后下降的过程。另外两组试验显示出相同的系统特性。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 突变压缩机转速
　　
　　从图3的几组实验，我们看到变排量压缩机汽车空调系统具有定排量压缩机与变排量压缩机的双重特性。A组虽然处于临界状态，但其特性仍是定排量压缩机的特性，转速升高，P_d压力上升，P_s压力下降，Mr制冷剂质量流量增加。B组进入变排量压缩机调节范围内，制冷剂流量Mr、P_d、P_w、P_s、ΔP_ws都未发生显著变化，只是压缩机活塞行程逐渐减小，反映了变排量压缩机汽车空调系统的特性。进而我们认识到变排量压缩机组成的汽车空调系统，在某个空调负荷下，排气压力在某个值时，就有一个压缩机转速相适应，这个压缩机转速就是临界转速。从该试验中可以看出，P_d =14bar时，由定行程到变行程的临界转速在2200r/min左右，即在低于此压缩机转速下，该系统反映的是定排量压缩机的空调系统特性，而高于此压缩机转速，该空调系统则进入了变排量压缩机的空调系统特性，认识上述这些特性对于变排量压缩机的空调系统设计与运行都是十分有意义的。