韓曉波，錢(qián)銳

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

汽車(chē)空調(diào)變排量系統(tǒng)穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究

韓曉波*，錢(qián)銳

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

為提高汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的控制精確度和穩(wěn)定性，針對(duì)變排量壓縮機(jī)系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了臺(tái)架和整車(chē)試驗(yàn)研究。通過(guò)分析實(shí)際現(xiàn)象和對(duì)比各種措施，分別得出了內(nèi)控變排和外控變排系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法，并試著推廣到雙蒸發(fā)器系統(tǒng)。結(jié)果還表明，根據(jù)振蕩發(fā)生的工況和熱力膨脹閥類型的不同，調(diào)節(jié)的方法和產(chǎn)生的效果也有所不同。

汽車(chē)空調(diào)；穩(wěn)定性；變排量系統(tǒng)

0 引言

隨著環(huán)保理念的深入人心和外控壓縮機(jī)的廣泛應(yīng)用，汽車(chē)空調(diào)的控制越來(lái)越高效節(jié)能。精確控制的前提是被控對(duì)象的穩(wěn)定性。但是制冷系統(tǒng)的振蕩是客觀存在的。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性研究，中科院田長(zhǎng)青博士總結(jié)為蒸發(fā)器完全蒸干點(diǎn)隨機(jī)振蕩現(xiàn)象的研究[1]、蒸發(fā)器和熱力膨脹閥控制回路穩(wěn)定性研究[2-3]和定容量制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性研究三大類。這些研究闡明了：(1) 不考慮外界影響，蒸發(fā)器單體本身存在液體波導(dǎo)致的振蕩；(2) 蒸發(fā)器和膨脹閥組成的回路，由于蒸干點(diǎn)和膨脹閥特性線可能有重疊，以及回路傳遞函數(shù)的固有特性，某些工況下會(huì)產(chǎn)生振蕩；(3) 定排量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型在一定情況下會(huì)產(chǎn)生振蕩，各參數(shù)間存在耦合關(guān)系。

也有很多學(xué)者對(duì)變排量壓縮機(jī)進(jìn)行了細(xì)致的理論研究[4-5]，其中文獻(xiàn)[6]在對(duì)外控變排量系統(tǒng)進(jìn)行振蕩研究時(shí)提出了基于膨脹閥特性線和R134a物性線交叉點(diǎn)的理論。認(rèn)為在中低負(fù)荷時(shí)，根據(jù)吸氣壓力相對(duì)于交叉點(diǎn)的大小關(guān)系，可以使系統(tǒng)分別處于穩(wěn)定，阻尼振蕩和不穩(wěn)定三種不同狀態(tài)。產(chǎn)生的原因主要還是膨脹閥和蒸發(fā)器的相互作用。

本文擬通過(guò)對(duì)變排量系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，著重于不同工況下振蕩發(fā)生原因的分析和相應(yīng)措施的應(yīng)用，以提高系統(tǒng)實(shí)際工作中的穩(wěn)定性，滿足精確控制的目的。

1 振蕩的發(fā)生

汽車(chē)空調(diào)的運(yùn)行工況是多變的，當(dāng)處于不同的環(huán)境溫度、車(chē)速和熱負(fù)荷組合時(shí)，總會(huì)不同程度地出現(xiàn)類似振蕩的現(xiàn)象?？梢赃@樣認(rèn)為，當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)中存在不止一個(gè)變量時(shí)，要使其在寬幅擾動(dòng)區(qū)間內(nèi)都保持穩(wěn)定狀態(tài)是很困難的。

換個(gè)角度考慮，變量之一的熱力膨脹閥本身是個(gè)被動(dòng)調(diào)節(jié)元件。它對(duì)于系統(tǒng)的感應(yīng)和反饋，往往受到制冷劑相態(tài)，壓力和氣相頭時(shí)間常數(shù)等等的影響。相對(duì)于其它空調(diào)來(lái)說(shuō)，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)并不具備足夠大的熱力學(xué)慣性，傳統(tǒng)膨脹閥難以做出足夠快和精確的動(dòng)作。這在國(guó)內(nèi)外很多案例分析中已經(jīng)受到質(zhì)疑并形成共識(shí)，由此也逐漸引出了電子膨脹閥的研究。

所以，以下的探討將把重點(diǎn)放在如何減輕振蕩現(xiàn)象，而不拘泥于消除該現(xiàn)象。

2 振蕩的試驗(yàn)研究

2.1 內(nèi)控壓縮機(jī)系統(tǒng)

內(nèi)控壓縮機(jī)控制閥的動(dòng)作特性和壓縮機(jī)吸排氣壓力等等因素相關(guān)，工程上簡(jiǎn)化成直線，如圖 1所示。當(dāng)工況位于斜線上方時(shí)處于大排量狀態(tài)，下方是小排量狀態(tài)，特性線附近是過(guò)渡段（穩(wěn)定程度因控制閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)而異）。圖2和3的試驗(yàn)對(duì)象為整車(chē)，工況分別是大排量狀態(tài)A和部分排量狀態(tài)B。

B點(diǎn)工況的選擇區(qū)間：變排量系統(tǒng)使用交叉充注的膨脹閥，當(dāng)處于很小負(fù)荷即負(fù)過(guò)熱度時(shí)有類似毛細(xì)管的特性，比平行充注更容易穩(wěn)定。所以低負(fù)荷工況選取的點(diǎn)應(yīng)在控制閥特性曲線周?chē)⒈ＷC膨脹閥此時(shí)過(guò)熱度大于零。

圖1 內(nèi)控壓縮機(jī)控制閥特性曲線

圖2是A點(diǎn)的振蕩現(xiàn)象。試驗(yàn)在風(fēng)洞中進(jìn)行，熱負(fù)荷和車(chē)輛工況穩(wěn)定。過(guò)熱度和壓力等波動(dòng)的幅度均勻而且頻繁，周期在 60秒左右，無(wú)法自行收斂。根據(jù)當(dāng)時(shí)的制冷劑壓力和溫度判斷，壓縮機(jī)處于大排量，而膨脹閥正處于開(kāi)閥曲線附近，它和蒸發(fā)器的耦合作用主導(dǎo)了振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 內(nèi)控系統(tǒng)大排量時(shí)的振蕩現(xiàn)象

圖3是B點(diǎn)的振蕩現(xiàn)象。試驗(yàn)室和車(chē)輛工況穩(wěn)定，但過(guò)熱度和壓力同樣出現(xiàn)了頻繁的波動(dòng)，波幅不是很均勻，周期在 40秒左右，無(wú)法自行收斂。波幅的不均勻可能有兩種原因：(1) 壓縮機(jī)控制閥的流量調(diào)節(jié)和膨脹閥相互作用的原因；(2) 由于過(guò)熱度較低，膨脹閥出口制冷劑相態(tài)的變化會(huì)引起感溫速度的變化?？梢?jiàn)在部分排量時(shí)，由于增加了壓縮機(jī)的作用，使得振蕩現(xiàn)象更加復(fù)雜。

圖3 內(nèi)控系統(tǒng)部分排量時(shí)的振蕩現(xiàn)象

反復(fù)的試驗(yàn)優(yōu)化證明，實(shí)際工作中常常可以采取以下措施來(lái)應(yīng)對(duì)：

1）對(duì)于大排量時(shí)出現(xiàn)的振蕩，膨脹閥和蒸發(fā)器的相互作用是主導(dǎo)，一般調(diào)節(jié)開(kāi)閥曲線來(lái)避開(kāi)常用的和明顯影響舒適性的區(qū)域，如圖4所示優(yōu)化后振蕩明顯減小。需要注意的是：a) 新的設(shè)定值在低負(fù)荷下要充分驗(yàn)證，往往和高負(fù)荷時(shí)的能力形成相互制約，需要平衡；b) 開(kāi)閥曲線無(wú)論怎樣調(diào)整，總是客觀存在的，它的動(dòng)作區(qū)間在其它環(huán)境中還是會(huì)和蒸發(fā)器相互影響，需要進(jìn)行驗(yàn)證；c) 要驗(yàn)證文獻(xiàn)[7]中提出的“吸氣壓力高于交叉點(diǎn)0.02 MPa時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩”的理論，類似的案例還是比較多的。

2）對(duì)于部分排量時(shí)出現(xiàn)的振蕩，不僅需要調(diào)節(jié)膨脹閥曲線，還要考慮壓縮機(jī)控制閥曲線的影響，目的也是要避開(kāi)常用和明顯影響舒適性的區(qū)域。同樣，調(diào)節(jié)過(guò)程需要考慮第1點(diǎn)中的三個(gè)注意點(diǎn)，還要增加對(duì)系統(tǒng)抗結(jié)霜能力的驗(yàn)證，這比舒適性更重要。

圖4 調(diào)節(jié)開(kāi)閥曲線后的振蕩現(xiàn)象

2.2 外控壓縮機(jī)系統(tǒng)

外控壓縮機(jī)的發(fā)明對(duì)于汽車(chē)空調(diào)控制來(lái)說(shuō)是革命性的，它的主動(dòng)控制方式允許標(biāo)定工程師用能耗最低的方式來(lái)滿足客戶的制冷需求。不同于內(nèi)控系統(tǒng)，外控系統(tǒng)大部分的時(shí)間工作在部分排量狀態(tài)，并根據(jù)環(huán)境、車(chē)速和熱負(fù)荷等的變化隨時(shí)改變排量。

試驗(yàn)證明，排量為最大時(shí)，外控系統(tǒng)的表現(xiàn)和內(nèi)控一致；處于部分排量時(shí)，壓縮機(jī)控制閥的作用往往會(huì)主導(dǎo)制冷系統(tǒng)。當(dāng)控制目標(biāo)（如送風(fēng)溫度）的偏差值超過(guò)一定量時(shí)，PID控制器就會(huì)工作，排量就會(huì)改變直到被控物理量逐漸收斂。當(dāng)然，不同程序的控制算法和目標(biāo)不同，但共同點(diǎn)都是主動(dòng)控制，它的能力超越了熱力膨脹閥，成為了系統(tǒng)的主宰。

不過(guò)膨脹閥的被動(dòng)調(diào)節(jié)在系統(tǒng)中始終存在，每當(dāng)壓縮機(jī)排量變化時(shí)，或者蒸發(fā)器干度變化時(shí)，它也會(huì)按照自己的規(guī)律動(dòng)作。各種影響的疊加往往會(huì)拉長(zhǎng)PID收斂的過(guò)程，當(dāng)某個(gè)因素的調(diào)節(jié)精度無(wú)法滿足被控物理量的精度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，如圖5所示，振蕩周期在130 s左右，無(wú)法自行收斂。通過(guò)對(duì)特定工況下壓縮機(jī)輸出排量的調(diào)整和PID控制參數(shù)的優(yōu)化，獲得了不錯(cuò)的效果，如圖6所示。

圖5 外控系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象

圖6 調(diào)節(jié)壓縮機(jī)排量和PID參數(shù)后的振蕩現(xiàn)象

反復(fù)的試驗(yàn)優(yōu)化證明，實(shí)際工作中以下措施是有效的：

1）當(dāng)處于大排量階段，可以參照內(nèi)控進(jìn)行調(diào)節(jié)和驗(yàn)證。

2）部分排量是客戶最常用的工況，考慮不同的氣候特點(diǎn)，標(biāo)定過(guò)程會(huì)很漫長(zhǎng)。它要求工程師對(duì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定的各個(gè)因素都比較熟悉，了解它們?cè)诟麟A段的調(diào)節(jié)精度，按照當(dāng)時(shí)的舒適性需求，對(duì)被控目標(biāo)、壓縮機(jī)排量，PID系數(shù)，風(fēng)量等進(jìn)行合理的設(shè)置，同時(shí)考慮使膨脹閥曲線偏離密集振蕩區(qū)域，盡量避免對(duì)客戶的影響。

2.3 雙蒸發(fā)器系統(tǒng)

較大的多功能車(chē)型會(huì)使用到雙蒸發(fā)器系統(tǒng)，它們共用一個(gè)壓縮機(jī)和冷凝器。兩個(gè)蒸發(fā)器分管不同的乘客艙區(qū)域，能力存在較大的差異，熱力膨脹閥也常常因?yàn)榭煽啃缘男枰捎貌煌某渥⒎绞?，所以各自時(shí)間常數(shù)、反應(yīng)速率是不同的，這些都導(dǎo)致實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)生振蕩的現(xiàn)象更普遍。

對(duì)系統(tǒng)研究來(lái)說(shuō)，增加一個(gè)振蕩的耦合體的話，調(diào)節(jié)難度會(huì)更大，較為有效的方法是把目標(biāo)放在解決主要振蕩因素上。如圖7所示，在臺(tái)架試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)前后系統(tǒng)的振蕩頻率是同步的，但后面的振幅明顯比前面大，所以更多的精力應(yīng)放在后蒸發(fā)器上的膨脹閥曲線調(diào)節(jié)上。如圖8所示，優(yōu)化后，前后蒸發(fā)器的振蕩現(xiàn)象明顯減輕，且系統(tǒng)能力不變。整車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了同樣的趨勢(shì)。

對(duì)比各種優(yōu)化結(jié)果，對(duì)多數(shù)雙蒸發(fā)器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，調(diào)整壓縮機(jī)參數(shù)的作用較小，而調(diào)節(jié)膨脹閥的效果更明顯。

圖7 雙蒸發(fā)器調(diào)節(jié)前的振蕩現(xiàn)象

圖8 雙蒸發(fā)器調(diào)節(jié)后的振蕩現(xiàn)象

3 結(jié)論

以上針對(duì)變排量汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象的試驗(yàn)和探討，側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用，小結(jié)如下，進(jìn)一步的理論研究將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行：

1）振蕩發(fā)生在大排量時(shí)，主導(dǎo)因素是蒸發(fā)器和膨脹閥的耦合體，此時(shí)調(diào)節(jié)膨脹閥開(kāi)閥曲線可以使不穩(wěn)定區(qū)域離開(kāi)客戶常用的區(qū)域，效果明顯。

2）振蕩發(fā)生在部分排量時(shí)，除了上述的耦合體外，還加入了壓縮機(jī)的影響，尤其對(duì)外控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是最常用的工況，此時(shí)膨脹閥和壓縮機(jī)控制閥曲線都需要調(diào)整，使得客戶常用區(qū)域處于穩(wěn)定區(qū)間。

3）雙蒸發(fā)器系統(tǒng)，更多的不穩(wěn)定因素使得振蕩現(xiàn)象發(fā)生的更頻繁，方法同上述兩條，但調(diào)節(jié)的目標(biāo)要側(cè)重于振幅較大的部分，往往能收到事半功倍的效果。

4）試驗(yàn)研究是在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行的，在實(shí)際行駛中，送風(fēng)溫度的波動(dòng)不僅僅是由系統(tǒng)振蕩導(dǎo)致的，更多的是隨著車(chē)速、日照和熱負(fù)荷的變化而產(chǎn)生的；總體來(lái)說(shuō)，波動(dòng)幅度控制在0.5度以內(nèi)基本不會(huì)對(duì)客戶舒適性產(chǎn)生不利影響。

5）汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的熱力學(xué)慣性相對(duì)較小，而傳統(tǒng)熱力膨脹閥的動(dòng)作取決于制冷劑壓力、溫度、相態(tài)變化和氣相頭時(shí)間常數(shù)等，難以滿足速度和精度的要求，對(duì)于解決振蕩現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，電子膨脹閥可能更適合。

6）就熱力膨脹閥本身的耐久性能考慮，行業(yè)中常用的標(biāo)準(zhǔn)還是比較嚴(yán)格的，如果振蕩現(xiàn)象不是持續(xù)發(fā)生，波動(dòng)不是太大，還是可以滿足整車(chē)正常使用要求的。

[1]田長(zhǎng)青, 竇春鵬, 楊新江, 等. 制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性[J].流體機(jī)械, 2002, 30(4): 44-47, 40.

[2]陳芝久, 蔣文強(qiáng). 制冷蒸發(fā)器與熱力膨脹閥調(diào)節(jié)回路的穩(wěn)定性分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1990, 24(2): 58-66.

[3]由玉文, 吳愛(ài)國(guó), 張志剛, 等. 基于最小穩(wěn)定過(guò)熱度的制冷系統(tǒng)變負(fù)荷優(yōu)化控制[J]. 低溫與超導(dǎo), 2011, 39(11): 1-6, 63.

[4]陳芝久, 袁曉梅. 汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)變排量控制閥的研究現(xiàn)狀[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 35(8): 1264-1267.

[5]趙宇, 祁照崗, 陳江平, 等. 汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)排量控制方法的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 42(8): 1274-1276, 1281.

[6]HAMERY B, LIU J M, RIVIERE C. Instabilities occurring in an automotive a/c loop equipped with an externally controlled compressor and a thermal expansion valve[J]. SAE Technical Paper Series, 2001(1): 17-17.

Experimental Investigation on Instability of Variable Displacement System for Automotive Air Conditioning

HAN Xiao-bo*, QIAN Rui
(Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai 201201, China)

To improve the control precision and stability of automotive air conditioning, the surges of variable displacement compressor systems have been tested by bench and vehicle. Based on actual phenomenon analysis and measures comparison, the regulative solutions for internal and external controlled variable displacement compressor systems have been obtained separately, and this method has been extended to dual evaporator system. Moreover, the solutions and effects were different for various thermostatic expansion valves and working conditions.

Automotive air conditioning; Stability; Variable AC system

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.107

*韓曉波（1975-），男，工程師，工程碩士。研究方向：汽車(chē)空調(diào)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻。聯(lián)系地址：上海市龍東大道3999號(hào)，郵編：201201。聯(lián)系電話：021-50165038。E-mail：xiaobo_han@patac.com.cn。