汽车空调变排量压缩机排量调节技术进展

潘广周

摘要：汽车工业的迅猛发展，人们对汽车空调性能及其舒适性的要求不断提升，汽车科技界对于汽车空调技术的研究更加深入。对于非独立式定排量压缩机汽车空调系统来说，一方面，在车内温度波动较大情况下，因系统频繁开停产生的不可逆损失使系统能耗有所增加；另一方面，压缩机周期性离合对汽车发动机工作也会造成严重干扰。为了解决问题，满足汽车空调负荷的要求，变排量压缩机应运而生。与传统的定排量压缩机相比，变排量压缩机可根据负荷自动对排量实行无级调节，不仅能够营造更加舒适的车室环境，而且能耗也大为降低，因而变排量压缩机在车辆空调系统中得到了广泛应用。

关键词：汽车空调；稳定性；变排量系统

提高汽车空调系统的控制精确度和稳定性，针对变排量压缩机系统的振荡现象进行了台架和整车试验研究。分析实际现象和对比各种措施，得出了内控变排和外控变排系统的调节方法，并试着推广到双蒸发器系统。

一、内控压缩机系统

内控压缩机控制阀的动作特性和压缩机吸排气压力等等因素相关，工程上简化成直线。当工况位于斜线上方时处于大排量状态，下方是小排量状态，特性线附近是过渡段（稳定程度因控制阀内部结构而异）。图1和图2的试验对象为整车，工况分别是大排量状态A和部分排量状态B。B点工况的选择区间：变排量系统使用交叉充注的膨胀阀，当处于很小负荷即负过热度时有类似毛细管的特性，比平行充注更容易稳定。所以低负荷工况选取的点应在控制阀特性曲线周围，并保证膨胀阀此时过热度大于零。图1是A点的振荡现象。试验在风洞中进行，热负荷和车辆工况稳定。过热度和压力等波动的幅度均匀而且频繁，周期在60秒左右，无法自行收敛。根据当时的制冷剂压力和温度判断，压缩机处于大排量，而膨胀阀正处于开阀曲线附近，它和蒸发器的耦合作用主导了振荡现象的发生。

图2是B点的振荡现象。试验室和车辆工况稳定，但过热度和压力同样出现了频繁的波动，波幅不是很均匀，周期在40秒左右，无法自行收敛。波幅的不均匀可能有两种原因：（1）压缩机控制阀的流量调节和膨胀阀相互作用的原因；（2）由于过热度较低，膨胀阀出口制冷剂相态的变化会引起感温速度的变化。可见在部分排量时，由于增加了压缩机的作用，使得振荡现象更加复杂。反复的试验优化证明，实际工作中常常可以采取以下措施来应对：

1.对于大排量时出现的振荡，膨胀阀和蒸发器的相互作用是主导，一般调节开阀曲线来避开常用的和明显影响舒适性的区域，如图3所示优化后振荡明显减小。需要注意的是：a1新的设定值在低负荷下要充分验证，往往和高负荷时的能力形成相互制约，需要平衡：b1开阀曲线无论怎样调整，总是客观存在的，它的动作区间在其它環境中还是会和蒸发器相互影响，需要进行验证；c）要验证文献中提出的“吸气压力高于交叉点0.02MPa时会产生振荡”的理论，类似的案例还是比较多的。

2.对于部分排量时出现的振荡，不仅需要调节膨胀阀曲线，还要考虑压缩机控制阀曲线的影响，目的也是要避开常用和明显影响舒适性的区域。同样，调节过程需要考虑第l点中的三个注意点，还要增加对系统抗结霜能力的验证，这比舒适性更重要。

二、外控压缩机系统

外控压缩机的发明对于汽车空调控制来说是革命性的，它的主动控制方式允许标定工程师用能耗最低的方式来满足客户的制冷需求。不同于内控系统，外控系统大部分的时间工作在部分排量状态，并根据环境、车速和热负荷等的变化随时改变排量。试验证明，排量为最大时，外控系统的表现和内控一致：处于部分排量时，压缩机控制阀的作用往往会主导制冷系统。当控制目标（如送风温度）的偏差值超过一定量时，PID控制器就会工作，排量就会改变直到被控物理量逐渐收敛。当然，不同程序的控制算法和目标不同，但共同点都是主动控制，它的能力超越了热力膨胀阀，成为了系统的主宰。不过膨胀阀的被动调节在系统中始终存在，每当压缩机排量变化时，或者蒸发器干度变化时，它也会按照自己的规律动作。各种影响的叠加往往会拉长PID收敛的过程，当某个因素的调节精度无法满足被控物理量的精度时，就会产生振荡现象，振荡周期在130 S左右，无法自行收敛。通过对特定工况下压缩机输出排量的调整和PID控制参数的优化，获得了不错的效果。反复的试验优化证明，实际工作中以下措施是有效的：（1）当处于大排量阶段，可以参照内控进行调节和验证。（2）部分排量是客户最常用的工况，考虑不同的气候特点，标定过程会很漫长。它要求工程师对影响系统稳定的各个因素都比较熟悉，了解它们在各阶段的调节精度，按照当时的舒适性需求，对被控目标、压缩机排量，PID系数，风量等进行合理的设置，同时考虑使膨胀阀曲线偏离密集振荡区域，尽量避免对客户的影响。

三、双蒸发器系统

较大的多功能车型会使用到双蒸发器系统，它们共用一个压缩机和冷凝器。两个蒸发器分管不同的乘客舱区域，能力存在较大的差异，热力膨胀阀也常常因为可靠性的需要而采用不同的充注方式，所以各自时间常数、反应速率是不同的，这些都导致实际试验中发生振荡的现象更普遍。对系统研究来说，增加一个振荡的耦合体的话，调节难度会更大，较为有效的方法是把目标放在解决主要振荡因素上。在台架试验中发现前后系统的振荡频率是同步的，但后面的振幅明显比前面大，所以更多的精力应放在后蒸发器上的膨胀阀曲线调节上。，优化后，前后蒸发器的振荡现象明显减轻，且系统能力不变。整车风洞试验数据也验证了同样的趋势。对比各种优化结果，对多数双蒸发器系统来说，调整压缩机参数的作用较小，而调节膨胀阀的效果更明显。

四、控制阀电子控制技术

1.直动电磁式控制技术。（1）结构组成。直动电磁式控制阀控制系统主要由比例电流放大器、比例驱动电磁铁、控制阀组成。图4所示为比例驱动电磁铁与控制阀组成结构示意图。

其控制原理是由比例电流放大器向比例电磁现圈输入比例电流，比例线圈使铁芯产生作用于阀杆的比例推力（位移），从而改变控制阀的开度。（2）控制技术。直动电磁式控制阀控制系统构成简洁、实现可靠，由于受电磁铁固有电磁特性影响，该类控制阀系统存在零位死区、磁滞特性、小电流段非线性以及启动颤振电流等缺陷。对于直动式电磁控制技术，小电流区域（I≤25～50mA）内，比例控制线性度较差，而小电流区域正是变排量压缩机控制的敏感区域，也是汽车空调变排量压缩机热负荷适时调节的关键技术。

2.步进数字式控制技术。（1）结构组成。其主要由步进电机、传动转换装置（旋转一直线转换）与控制阀组成。其控制原理是通过改变步进电机的步距角、脉冲及方向，调节阀杆位移量，从而改变控制阀的开度。（2）控制技术。步进数字式控制阀控制技术的关键元件是步进电机，其控制器（包括环形分配器、功率放大器）将控制参量以脉冲与方向信号输入，步进电机通过传动转换装置将数字式旋转运动转换为控制阀阀杆直线位移。步进电机能够直接接受数字信号，可以根据控制需要，通过软件编程的方法，实现转速、旋转角位移的精确控制。

汽车空调系统的热力学惯性相对较小，而传统热力膨胀阀的动作取决于制冷剂压力、温度、相态变化和气相头时间常数等，难以满足速度和精度的要求，对于解决振荡现象来说，电子膨胀阀可能更适合。

参考文献：

[1]张秀英，浅谈汽车空调变排量压缩机排量调节技术进展.2017.

[2]刘青萍，汽车空调压缩机变排量控制阀的研究现状.2017.