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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,2,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,3,On-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,4,背 景变容量压缩机,5,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,6,制冷系统振荡,背 景
2、 存在的问题,空调系统节能,蒸发器结霜,7,系统振荡现象,8,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,9,摇板式,10,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,11,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,12,1 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,测量装置照片,活塞行程测量方法和装置（2）,七缸斜板式变排量压缩机,13,活塞行程测量装置的重要意
3、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 。,14,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,1,2,3,4,5,6,15,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
4、温度,排气压力,转速,吸气压力,吸气温度,控制阀模型,变排量压缩机数学模型,16,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,17,（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,18,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,19,运动部件动力学模型,20,Sp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,21,轴套受力分析,22,摇板角增
5、加时：,轴套受力分析,摇板角减少时：,23,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,24,压缩过程模型,质量流量,出口状态,容积效率,指示效率,25,相对容积效率,相对等熵效率,26,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,变排量压缩机数学模型,27,模型验证,相对误差 10%,相对误差 6 %,28,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
6、，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。 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 Engineering,29,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,1,2,3,4,5,6,30,实验首次发现压缩机行程“调节滞区”,31,“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,32,“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,33,“调节滞区”
7、 模拟分析,压缩机转速Nc的影响,34,“调节滞区” 模拟分析,排气压力Pd的影响,35,压缩机变行程特性小结,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 Refrigeration,36,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,1,2,3,4,5,6,37,蒸发器结霜原因分析,排气压力Pd对
8、Ps0、 Ps,cd的影响,控制阀,控制阀吸气压力设定值,38,吸气管道长度对蒸发器结霜影响,对于C值较小的控制阀，吸气管道阻力越小，越容易出现蒸发器结霜。,39,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。,40,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。,41,活塞行程测量,实验系统,系统稳定性,压缩机
9、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,1,2,3,4,5,6,42,大外扰系统稳定性研究,实验研究,模拟分析,43,系统动态特性实验系统,实验系统平面图,44,实验系统照片,系统动态特性实验系统,45,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,46,冷凝压力突变对系统稳定性影响,47,空调负荷对系统稳定性影响,48,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,49,实验研究结论分析,50,大量试验研究揭示： 节流装置进口或蒸发器出
10、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。,大扰动系统稳定性模拟分析,51,系统部件参数关联图,系统动态模型,52,系统动态模拟框图,53,保守稳定域 (Ps,cd, Teai27，Tcai35，蒸发器高档，每秒250 r/min，过冷度为3 ),54,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 ）,55,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
11、域的提出与分析； 相关研究已被Int. J. of Refrigeration接受。,56,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,1,2,3,4,5,6,57,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。,58,我们的方案 步进电机控制,控制阀阀体,步进电机,59,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：,60,摇板箱压力随脉冲数变化 (Pd = 10 bar, Ps = 2 bar),61,排气
12、压力和吸气压力对摇板箱压力的影响 (N10),62,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,63,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,1,2,3,4,5,6,64,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。,65,发表论文（1）,Changqing Tian, Chunpeng Dou, Xinji
13、ang Yang, Xianting Li, A mathematical model of variable displacement wobble 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 i
14、nvestigation on the steady-state performance and regulating characteristics 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 syst
15、em with a variable displacement compressor, Applied Energy (SCI源期刊, in press) 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, Energy Conversion and Management (SCI源期刊, in press) Chunpeng Dou, Xinjiang Yang, Chan
