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汽車(chē)空調(diào)論文|轎車(chē)空調(diào)用斜盤(pán)式變排量壓縮機(jī)的發(fā)展
【關(guān)鍵詞】壓縮機(jī)
【論文摘要】對(duì)轎車(chē)空調(diào)用搖板式和斜板式變排量壓縮機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了回顧，并對(duì)最新推出的CVC壓縮機(jī)和外部控制斜板式變排量壓縮機(jī)進(jìn)行了介紹。
1引言
轎車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)是由發(fā)動(dòng)機(jī)直連驅(qū)動(dòng)的，對(duì)于定排量壓縮機(jī)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，用蒸發(fā)器出風(fēng)溫度來(lái)控制電磁離合器吸合或脫離，用間歇運(yùn)行來(lái)控制系統(tǒng)制冷能力和車(chē)內(nèi)空調(diào)負(fù)荷相適應(yīng)。這種控制方式除了車(chē)內(nèi)空調(diào)溫度波動(dòng)大，系統(tǒng)的頻繁開(kāi)停的不可逆損失使系統(tǒng)能耗增加等缺點(diǎn)外，最大的一個(gè)問(wèn)題是壓縮機(jī)的周期性離合對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)引起的干擾，這種情況在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)容量較小時(shí)顯得更為突出。為了解決這個(gè)問(wèn)題，變排量壓縮機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。
轎車(chē)空調(diào)用變排量壓縮機(jī)按照結(jié)構(gòu)型式分斜盤(pán)式、滾動(dòng)活塞式、螺桿式、旋片式、渦旋式等機(jī)型，其中斜盤(pán)式變排量壓縮機(jī)目前應(yīng)用最多。斜盤(pán)式變排量壓縮機(jī)有搖擺斜盤(pán)式（wobble plate type,簡(jiǎn)稱(chēng)“搖板式”）和回轉(zhuǎn)斜板式(swash plate type,簡(jiǎn)稱(chēng)“斜板式”)兩種結(jié)構(gòu)。本文對(duì)搖板式和斜板式變排量壓縮機(jī)的發(fā)展進(jìn)行回顧，并介紹其最新的發(fā)展情況。
2發(fā)展回顧
2.1搖板式變排量壓縮機(jī)
1960年美國(guó)人P.B.Loomis申請(qǐng)了可變角度搖板的專(zhuān)利。二十多年后，美國(guó)GM公司Harrison散熱器部(現(xiàn)在的Delphi Automotive systems公司)于1983年研制成功了首臺(tái)無(wú)級(jí)變排量搖板式壓縮機(jī)----V5變排量壓縮機(jī)， 并于1985年8月在高級(jí)轎車(chē)上使用［1］。
圖1為V5變排量壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。它共有5個(gè)氣缸，是搖擺斜盤(pán)結(jié)構(gòu)，其中搖擺斜盤(pán)用雙向球形連桿與活塞連接，它的基本元件主要有軸和驅(qū)動(dòng)凸耳部件、滑動(dòng)軸套、旋轉(zhuǎn)軸頸、和將軸勁旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成活塞直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的搖板等。內(nèi)部控制閥在壓縮機(jī)的后蓋中（見(jiàn)圖2），它主要由錐閥和球閥構(gòu)成；錐閥控制搖板箱與吸氣腔（波紋管室）之間的通道，球閥控制排氣腔與搖板箱之間的通道，錐閥和球閥通過(guò)閥桿建立聯(lián)系，從而使兩個(gè)閥的開(kāi)度呈互補(bǔ)關(guān)系；排氣壓力影響控制閥設(shè)定值的變化，承受著排氣壓力的升高，設(shè)定值降低；吸氣壓力與設(shè)定值比較,推動(dòng)控制閥桿運(yùn)動(dòng)，改變錐閥和球閥的開(kāi)度，進(jìn)而改變搖板箱與排氣腔間及其搖板箱與吸氣腔間的流通阻力從而改變搖板箱壓力與吸氣壓力之差；該壓力差推動(dòng)搖擺斜盤(pán)的傾斜角的變化，從而改變壓縮機(jī)制活塞行程，使壓縮機(jī)的排量改變�？梢�(jiàn)V5變排量壓縮機(jī)根據(jù)車(chē)內(nèi)負(fù)荷變化改變空調(diào)系統(tǒng)的制冷量，改變了傳統(tǒng)的離合器啟閉壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)平穩(wěn)連續(xù)運(yùn)行，不會(huì)引起汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)周期性的負(fù)荷變化。但是其空調(diào)系統(tǒng)仍保留了電磁離合器，在汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)停止使用時(shí)離合器脫離可以使壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣壓縮機(jī)為部分連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。V5變排量壓縮機(jī)的最大排量為156cm3，最小排量為10cm3，即最小排量可以降到最大排量的6%。
在V5變排量壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)研究和推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，Delphi Automotive systems 公司又相繼推出了V6、V7變排量壓縮機(jī)。V6變排量壓縮機(jī)是6缸壓縮機(jī)，最大排量為184cm3，最小排量為10cm3；V7變排量壓縮機(jī)是7缸壓縮機(jī)，最大排量為179cm3,最小排量為10cm3，即這兩種機(jī)型的最小排量約為最大排量的6%。V6和V7變排量壓縮機(jī)與V5壓縮機(jī)除氣缸數(shù)量和大小有區(qū)別外，主體結(jié)構(gòu)與V5變排量壓縮機(jī)基本相同，內(nèi)部控制閥結(jié)構(gòu)和變排量控制機(jī)理也與其一樣。
1985年日本Sanden公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)搖板式變排量壓縮機(jī)<2>，圖3為該公司推出的SDV710變排量壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，該壓縮機(jī)是以技術(shù)成熟的定排量壓縮機(jī)SD7系列為基礎(chǔ)根據(jù)變排量原理研制而成。與V5機(jī)型相比，簡(jiǎn)化了變搖板角度機(jī)構(gòu)和搖板防旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，且內(nèi)部控制閥的結(jié)構(gòu)和控制原理也不同。排氣通過(guò)一個(gè)固定管徑的節(jié)流短管從排氣腔到搖板箱，從而改善了低排量情況下的控制閥的動(dòng)作反應(yīng)。內(nèi)部控制閥安裝在閥板的中心（見(jiàn)圖4），波紋管伸縮由搖板箱壓力控制，控制閥的開(kāi)關(guān)受波紋管（即搖板箱壓力Pc）、排氣壓力Pd、以及吸氣壓力Ps共同作用的控制。采用排氣壓力推桿可以調(diào)節(jié)波紋管閥的開(kāi)閥壓力，這樣可以補(bǔ)償大負(fù)荷時(shí)壓縮機(jī)吸入管道的壓力降增大引起的蒸發(fā)溫度增高，使蒸發(fā)溫度保持一個(gè)合適的溫度。SDV710變排量壓縮機(jī)最大排量161cm3，搖板角度可以從1.5°到24°，使排量從6%到100%變化。
另外，日本柴油機(jī)器公司等其他公司也生產(chǎn)變排量搖板式壓縮機(jī)。
2．2 斜板式變排量壓縮機(jī)
日本電裝公司1983年研制成10P-V型兩級(jí)變?nèi)萘?0缸機(jī)，該壓縮機(jī)是各有相同的氣缸布置在斜板兩側(cè)，即為雙作用型式�？梢酝ㄟ^(guò)打開(kāi)后部氣缸的排氣閥，使排氣腔與吸氣腔相通，以此實(shí)現(xiàn)50%的氣缸卸載。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)50%載荷下起動(dòng)，并可在高速下節(jié)能30%<3>。1983年8月以后開(kāi)始用在Toyota轎車(chē)上。
Ｄenso公司開(kāi)發(fā)了７ＳＢ１６斜板式變排量壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖５<4>。這種壓縮機(jī)只在一側(cè)布置氣缸，為單作用型式。在主軸上裝有回轉(zhuǎn)斜板，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，斜板回轉(zhuǎn)，通過(guò)滑盤(pán)推動(dòng)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。變排量原理同搖板式變排量壓縮機(jī)，即仍是利用斜板箱壓力與吸氣壓力之差推動(dòng)斜板的傾斜角的變化，從而改變壓縮機(jī)的活塞行程，使壓縮機(jī)的排量改變。內(nèi)部控制閥結(jié)構(gòu)與V5變排量壓縮機(jī)類(lèi)似。
3 最新進(jìn)展
3．1 CVC壓縮機(jī)
CVC（Compact Variable Compressors）壓縮機(jī)是近兩年Delphi Automotive systems公司推出的新一代變排量壓縮機(jī)，現(xiàn)在法國(guó)、匈牙利、日本、美國(guó)和巴西均有廠(chǎng)家生產(chǎn)，使用用戶(hù)有Opel、Nissan、BMW、Volkswagen、Renault等。
圖6為CVC斜板式變排量壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)。這種壓縮機(jī)也是單作用型式，變排量原理同搖板式變排量壓縮機(jī)，內(nèi)部控制閥結(jié)構(gòu)與V5變排量壓縮機(jī)類(lèi)似。該壓縮機(jī)采用斜板機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，優(yōu)化了吸排氣口布置，采用了低噪音離合器，降低了振動(dòng)和噪聲。由于壓縮機(jī)性能和控制得到改善，使得CVC壓縮機(jī)使用轉(zhuǎn)速比原變排量壓縮機(jī)提高了15%，連續(xù)最大轉(zhuǎn)速為8000r/min，短時(shí)最大轉(zhuǎn)速可達(dá)9200r/min。該機(jī)型結(jié)構(gòu)緊湊，具有目前最高的壓縮機(jī)單位質(zhì)量和單位體積排氣量，對(duì)于越來(lái)越緊湊化汽車(chē)的用戶(hù)提供了較大的使用可能性。據(jù)稱(chēng)Delphi Automotive systems公司近幾年要在美國(guó)用CVC壓縮機(jī)來(lái)替代V5、V6、V7搖板式變排量壓縮機(jī)。
CVC斜板式變排量壓縮機(jī)目前共有4個(gè)規(guī)格：CVC125、CVC135、CVC165和CVC185，其中VCV125和CVC135是6缸機(jī)CVC165和CVC185是7缸機(jī)，最小排量可達(dá)7cm3
3．2 外部控制變排量壓縮機(jī)
世界首臺(tái)外部控制變排量壓縮機(jī)6SE12于1999年在Denso公司產(chǎn)生<4>。6SE12壓縮機(jī)基于傳統(tǒng)的內(nèi)部控制斜板式變排量壓縮機(jī)7SB16，為單作用斜板式壓縮機(jī)（見(jiàn)圖7）。它采用外部控制閥（見(jiàn)圖8），由外部電信號(hào)來(lái)控制壓縮機(jī)的排量。內(nèi)部控制變排量壓縮機(jī)用內(nèi)部控制閥使吸氣壓力保持在一個(gè)較低的恒定溫度（一般保持蒸發(fā)溫度為0℃），往往用再熱方式提高送風(fēng)溫度來(lái)保持車(chē)內(nèi)的舒適性。而外部控制變排量壓縮機(jī)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、車(chē)內(nèi)溫度、送風(fēng)溫度、送風(fēng)風(fēng)流以及空調(diào)模式設(shè)定等參數(shù)由汽車(chē)的控制板或者計(jì)算機(jī)來(lái)確定控制信號(hào)，再由外部（電磁）控制閥來(lái)控制壓縮機(jī)合適的排量（見(jiàn)圖9），這樣可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的冷負(fù)荷情況確定一個(gè)合適的吸氣壓力，不需要再熱，因此達(dá)到節(jié)能的目的。
該機(jī)型可以使排量最小變化到零，所以不需要電磁離合器對(duì)系統(tǒng)開(kāi)啟和停止，因此采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新型阻尼限幅皮帶輪取代原來(lái)的電磁離合器皮帶輪（圖7），去掉了原來(lái)的電磁線(xiàn)圈，減輕了壓縮機(jī)重量。但是這樣不論汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)是開(kāi)還是關(guān)，壓縮機(jī)一直隨發(fā)動(dòng)機(jī)一起運(yùn)轉(zhuǎn)，為全部連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)這種情況，該壓縮機(jī)在軸封結(jié)構(gòu)和材料上進(jìn)行了改進(jìn)，使得該壓縮機(jī)全部連續(xù)運(yùn)行時(shí)軸封使用壽命和傳統(tǒng)變排量壓縮機(jī)部分連續(xù)運(yùn)行時(shí)使用壽命相同。
4 結(jié)束語(yǔ)
斜盤(pán)式變排量壓縮機(jī)與定排量壓縮機(jī)相比，改變了傳統(tǒng)的離合器啟閉壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)方式，壓縮機(jī)運(yùn)行連續(xù)平穩(wěn)，不會(huì)引起汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)周期性的負(fù)荷變化；空調(diào)送風(fēng)溫度波動(dòng)小，有利于提高國(guó)內(nèi)環(huán)境的熱舒適性；可以保持幾科恒定的且略高于結(jié)霜溫度的蒸發(fā)溫度，防止了蒸發(fā)器表面結(jié)霜；降低能耗，節(jié)能燃油。斜盤(pán)式變排量壓縮機(jī)已經(jīng)在歐美、日本等國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用，近幾年我國(guó)一些廠(chǎng)家也開(kāi)始引進(jìn)生產(chǎn)搖板式變排量壓縮機(jī)，并且用于一些中高檔車(chē)型，相信變排量壓縮機(jī)將會(huì)在我國(guó)轎車(chē)空調(diào)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。我們也需要對(duì)目前最先進(jìn)的CVC壓縮機(jī)和外部控制變排量壓縮機(jī)進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)和研制開(kāi)發(fā)，以縮小我國(guó)汽車(chē)空調(diào)技術(shù)與歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。
參考文獻(xiàn)
1 Timothy J Skinner, Robert L Swadner. V-5 Automotive Variable Displacement Air Conditioning Compressor. SAE Congress Paper 850040
2 Kazuhiko Takai, Shigemi Shimizu, Kiyoshi Terauchi. A 7-Cylinder IVD Compressor for Automotive Air Conditioning. SAE Congress Paper 890309
3 Nishimura Y et al. Development of Two-Stage Variable Displacement Compressor for Automotive Air Conditioning. SAE Congress Paper 850039
4 Akira Kishibuchi, Michiyasu Nosaka, Tetsuhiko Fukanuma. Development of Continuous Running, Externally Controlled Variable Displacement Compressor. SAE Congress Paper 1999-01-0876
作者簡(jiǎn)介：
田長(zhǎng)青，男，1965年生，副教授，在讀博士，研究方向?yàn)橹评湎到y(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究及系統(tǒng)優(yōu)化配置。通訊地址：100084 北京市清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系
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