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1、第五届国际汽车空调技术交流会变排量压缩机及其汽车空调 特性研究田长青 李先庭 窦春鹏 彦启森清华大学建筑学院建筑技术科学系1 研究背景 研究工作 结束语报告内容 研究背景 研究工作 结束语2On-off 控制的不可逆损失背 景 定排量压缩机缺点车内温度波动引起的热舒适性问题压缩机周期性离合对发动机的干扰3背 景变容量压缩机定转速定速压缩机电动 空调变频压缩机变转速（转速可控）汽车 空调定排量压缩机（转速不可控）变排量压缩机行程调节变转速变行程4我国现在采用变排量压缩机的轿车空调系 统已经达到40%左右。主要车型有： 一汽奥迪A6、宝莱、捷达、红旗； 上海Passat、Polo、别克、奇瑞；中华
2、轿车；通用金杯；沈阳雪佛莱；等等。背 景 变排量压缩机广泛应用5制冷系统振荡背 景 存在的问题空调系统节能蒸发器结霜6系统振荡现象7 研究背景 研究工作 结束语报告内容 研究背景 研究工作 结束语8摇板式斜板式外控式9活塞行程测量实验系统系统稳定性压缩机 变行程特性 压缩机模型蒸发器结霜系统稳态模型系统动态模型技术路线电动式外部 控制器123456活塞行程测量110活塞行程测量方法和装置（1）（a） 结构图 （b） 装置照片 五缸摇板式变排量压缩机111 主轴组件 2 斜板组件 3 推杆 4 推针 5 O型圈 6 轴头螺母 7 拨叉 8 拨叉套 9 垫块 10 压盘测测量装置照片活塞行程测量方
3、法和装置（2）七缸斜板式变排量压缩机12活塞行程测量装置的重要意义解决了制约变排量压缩机研究的重要难题， 在2002普渡压缩机国际会议上受到国际同行 关注和广泛好评；该测量装置为变排量压缩机特性的研究打下 基础，使变排量压缩机动态特性和稳定性研 究成为可能；相关研究撰写的论文已被Journal of Automobile Engineering接受，清华大学学报发表， 发明专利ZL02128862.3 。13活塞行程测量实验系统系统稳定性压缩机 变行程特性 压缩机模型蒸发器结霜系统稳态模型系统动态模型技术路线电动式外部 控制器123456压缩机模型214行程调节控制阀模型运动部件 动力学模型压
4、缩过程模型摇板箱压力活塞行程质量流量排气温度排气压力转速吸气压力吸气温度理论分析 试验验证理论分析 试验验证试验研究研究方法控制阀模型变排量压缩机数学模型15控制阀数学模型受力方程质量守恒方程能量守恒方程状态方程16（Pd=1.33 MPa ）阀杆位移摇板箱压力吸气压力阀杆位移控制阀模型验证17控制阀模型运动部件 动力学模型压缩过程模型摇板箱压力活塞行程质量流量排气温度排气压力转速吸气压力吸气温度运动部件 动力学模型变排量压缩机数学模型18运动部件动力学模 型19Sp减少时摇板/轴颈受力需满足：Sp增加时摇板/轴颈受力需满足：考虑了各运动部件间的主要摩擦力运动部件动力学模型20轴套受力分析21
5、摇板角增加时：轴套受力分析摇板角减少时：22控制阀模型运动部件 动力学模型压缩过程模型摇板箱压力活塞行程质量流量排气温度排气压力转速吸气压力吸气温度压缩过程模型变排量压缩机数学模型23压缩过程模型质量流量出口状态容积效率指示效率24相对容积效率相对等熵效率25控制阀模型运动部件 动力学模型压缩过程模型摇板箱压力活塞行程质量流量排气温度排气压力转速吸气压力吸气温度变排量压缩机模型变排量压缩机数学模型26模型验证相对误差 10%相对误差 6 %27变排量压缩机数学模型小结通过受力方程、质量守恒、能量守恒方程建立 数学模型并通过实验验证，为变排量压缩机及 其汽车空调系统特性分析和技术改进奠定了基 础
6、。提出适用于活塞行程调节类变容量压缩机的数 学模型建立方法。相关研究撰写的论文已发表于Applied Thermal Engineering28活塞行程测量实验系统系统稳定性压缩机 变行程特性 压缩机模型蒸发器结霜系统稳态模型系统动态模型技术路线电动式外部 控制器123456压缩机 变行程特性329实验首次发现压缩机行程“调节滞区” 30“调节滞区” 模拟分析活塞行程与吸气压力关系制冷剂流量与吸气压力关系31“调节滞区” 模拟分析运动部件摩擦系数的影响sv 为主轴 与轴套之间 的摩擦系数32“调节滞区” 模拟分析压缩机转速Nc的影响33“调节滞区” 模拟分析排气压力Pd的影响34压缩机变行程特
7、性小结研究发现变排量压缩机活塞行程存在“调节 滞区”，变行程方式下的参数关系变成多值 对应关系，理论分析揭示出调节滞区是由于 压缩机运动部件之间的摩擦力造成。 相关研究已在 Applied Thermal Engineering 发表，或已投寄Int. J. of Refrigeration35活塞行程测量实验系统系统稳定性压缩机 变行程特性 压缩机模型蒸发器结霜系统稳态模型系统动态模型技术路线电动式外部 控制器123456蒸发器结霜436蒸发器结霜原因分析排气压力Pd对Ps0、 Ps,cd的影响球阀阀杆锥阀波纹 管控制阀 控制阀吸气压力设定值37吸气管道长度对蒸发器结霜影响对于C值较小的控制
8、阀 ，吸气管道阻力越小，越 容易出现蒸发器结霜。38冷凝器进风温度对蒸发器结霜影响当实际运行过程中冷 凝器进口风温高于设计工 况，易出现蒸发器结霜。39蒸发器结霜原因分析小结为防止蒸发器结霜，在系统部件匹配时，吸气 管道阻力越大或冷凝器面积越大，就需要匹配 较大C值的控制阀。 对于部件匹配合理的系统，当冷凝器进口风温 高于设计工况，也可能出现蒸发器结霜。这是 现有控制阀的缺陷。相关研究撰写的论文已被 Applied Energy接受 。40活塞行程测量实验系统系统稳定性压缩机 变行程特性 压缩机模型蒸发器结霜系统稳态模型系统动态模型技术路线电动式外部 控制器123456系统稳定性541大外扰系
9、统稳定性研究实验研究模拟分析42系统动态特性实验系统实验系统平面图 43实验系统照片 系统动态特性实验系统44发现了多种振荡现象蒸发器与热 力膨胀阀控 制回路振荡 节流孔板与 变排量压缩 机振荡 变排量压缩 机与热力膨 胀阀振荡45冷凝压力突变对系统稳定性影 响46空调负荷对系统稳定性影 响 47节流装置进口两相或蒸发器出口两相 是系统振荡的必要条件，但不是充分条件 。 实验研究结论48实验研究结论分析49大量试验研究揭示：节流装置进口或蒸发器出口制冷剂为气液两相 状态是汽车空调制冷系统出现振荡现象的必要条件 保守稳定域：保证系统不出现节流装置进口两相和蒸发器出 口两相的外部扰动参数变化区域。
10、 大扰动系统稳定性模拟分析50系统部件参数关联图 系统动态模型51系 统 动 态 模 拟 框 图52保守稳定域 (Ps,cd, Teai27，Tcai35，蒸发器高档，每秒250 r/min，过冷度为3 )53车速变化速率对保守稳定域的影响 （ Ps,cd, Teai27，Tcai35，蒸发器高档，过冷度为3 ）54系统大扰动稳定性分析 小结 节流装置进口或蒸发器出口制冷剂为气液 两相状态是汽车空调制冷系统出现振荡现 象的必要条件； 保守稳定域的提出与分析； 相关研究已被Int. J. of Refrigeration接受 。55活塞行程测量实验系统系统稳定性压缩机 变行程特性 压缩机模型蒸发
11、器结霜系统稳态模型系统动态模型技术路线电动式外部 控制器123456电动式外部 控制器656外部控制变排量压缩机现有技术 外部控制阀均采用电磁式； 输入参数多，系统控制复杂，成本高； 未考虑系统振荡问题。57我们的方案 步进电机控制控制阀阀体步进电机58数学模型阀开度计算公式：质量守恒方程：能量守恒方程：状态方程：59摇板箱压力随脉冲数变化 (Pd = 10 bar, Ps = 2 bar)60排气压力和吸气压力对摇板箱压力的影响 (N10)61外部控制变排量压缩机 控制蒸发压力调节制冷除湿 防止蒸发器结霜 防止系统振荡控制目标62活塞行程测量实验系统系统稳定性压缩机 变行程特性 压缩机模型蒸
12、发器结霜系统稳态模型系统动态模型技术路线电动式外部 控制器123456电动式外部 控制器6系统稳定性5蒸发器结霜4压缩机 变行程特性3压缩机模型2活塞行程测量163近年在变排量压缩机及其汽车 空调方面的主要研究成果 公开发表研究论文35篇，其中英文期刊论文8篇 ，国际会议11篇； 完成国家自然科学基金1项，国际合作项目1项 ，校企合作项目3项； 获得专利2项。64发表论文（1）Changqing Tian, Chunpeng Dou, Xinjiang Yang, Xianting Li, A mathematical model of variable displacement wobble
13、 plate compressor for automotive air conditioning system, Applied Thermal Engineering, v 24, n 17-18, December, 2004, 2467-2486 (SCI864SX, EI 04378350570) Changqing Tian, Chunpeng Dou, Xianting Li, Yunfei Liao, Experimental investigation on the steady-state performance and regulating characteristics
14、 of variable displacement wobble plate compressor, Journal of Automobile Engineering (SCI源期刊, in press) Changqing Tian, Xianting Li, Xinjiang Yang, Numerical analysis on evaporator frosting in automotive air conditioning system with a variable displacement compressor, Applied Energy (SCI源期刊, in pres
15、s) Changqing Tian, Xianting Li, Transient behavior evaluation of an automotive air conditioning system with a variable displacement compressor, Applied Thermal Engineering (SCI源期刊, in press) Changqing Tian, Xianting Li, Numerical simulation on performance band of automotive air conditioning system,
16、Energy Conversion and Management (SCI源期 刊, in press) Chunpeng Dou, Xinjiang Yang, Changqing Tian, Xianting Li, Numerical analysis on the performance of control valve in variable displacement wobble plate compressor, Journal of Mechanical Design (SCI源期刊, in press)65发表论文（2）Changqing Tian, Chunpeng Dou, Xinjiang Yang, Xianting Li, Instability of automotive air condition
