原创《车用内控式变排量压缩机控制逻辑的时域分析》
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摘 要：通过对内控式变排量压缩机各部件工作原理分析,得到变排量压缩机控制逻辑,再在时间域上对控制逻辑进行分解,从而弄清楚各部件工作的先后顺序,建立内控式变排量压缩机时域逻辑模型,对于提高内控式变排量压缩机的精确控制提供理论支持.
关键词：内控式；变排量；压缩机；控制逻辑；时域分析
1引言
汽车空调压缩机可以分为定排量和变排量压缩机.定排量压缩机的排气量与汽车发动转速成正比关系,不能根据实际制冷要求自动改变输出功率.因此定排量压缩机不仅燃油经济性低,对车内热环境稳定也较差.变排量压缩机根据所设定温度自动调节功率输出,可以根据车内温度自动调节功率,保证车内温度恒定.变排量压缩机汽车空调制冷系统通过检测汽车内部负载变化实现对摇板角度、活塞行程改变,实现最小能耗下舒适的车内环境.变排量压缩机根据汽车负载实时调整,确保汽车内环境稳定前提下有效降低能耗.但是变排量压缩机汽车空调制冷系统长时间运行系统会振荡和结霜.
变排量压缩机控制算法复杂,尤其是内控式变排量压缩机,控制阀与空调系统膨胀阀之间无信息交互,开发前期系统匹配难度高,因此弄清楚变排量压缩机的控制逻辑至关重要.本文就内控旋转斜盘式变排量压缩机的控制逻辑进行时域分解,为该类压缩机的系统匹配提供数据支持.
2内控式变排量压缩机结构简介
下图1为某典型结构的旋转斜盘式变排量压缩机剖视图.压缩机由离合器、前缸盖、汽缸体、驱动轴、后缸盖、旋转斜盘、滑履、活塞、控制阀等零部件组成；前缸盖和汽缸体内部形成曲柄腔,后缸盖具有吸气腔和排气腔并封闭汽缸体的后端,后缸盖上装有控制阀部件；前缸盖、汽缸体、后缸盖构成压缩机的外轮廓.
驱动盘（转子）固定在曲柄腔内的驱动轴上,当压缩机离合器吸合时,主轴驱动盘部件将随着皮带轮一起转动；旋转斜盘通过其中心孔安装在驱动轴上,斜盘通过铰链机构与驱动盘相联,当主轴驱动盘部件转动时将驱动旋转斜盘一起转动,同时旋转斜盘的倾角可在一定的范围内变化,从而引起活塞行程的变化,最终达到排量的变化.
3变排量压缩机的控制阀的工作原理
可变排量压缩机能够自动改变压缩机排量,是通过控制阀实现的.控制阀主要是利用吸气压力的变化来调整压缩机腔内压力,使作用在活塞背部的压力发生变化,产生扭矩,使斜盘角度发生变化,实现改变排量的目的.
控制阀的典型结构及实物拆解见图2所示,图中A孔与压缩机吸气侧（低压）连通,B孔为压缩机曲轴箱（中压腔）和低压腔之间的常通孔,孔径很小,C孔与压缩机排气侧（高压）连通.图中波组件也就是波纹管,以全封闭状态通过孔A暴露在低压腔中,内部有一定真空度,其特点为外部环境压力（低压腔压力）变化时,波纹管长度会产生线性变化,从而带动阀杆运动,控制孔B、C之间（中、高压腔之间）的通道的开关.,控制阀打开时,高压腔会向中压腔泄压,引起中压腔压力增大；控制阀关闭后,中低压腔因孔B的存在,最终会达到压力平衡.
控制阀打开的临界压力( Po)由前期设计时确定.当低压侧压力Ps> Po时,控制阀处于关闭状态；当Ps< Po时,控制阀处于打开状态.由于压缩机工作时低压、中压处于不停变化状态,所以Ps等于Po理论上存在,实际上只是瞬时状态,对问题研究无作用,因此不作分析.
4内控式变排量压缩机工作原理
通过对变排量压缩机结构及控制阀工作原理分析后,可以得到简化模型,如图2所示：
对变排量压缩机运动机构简化后进行受力分析,机构简化后的剖面如图3所示：
斜盘与驱动盘通过铰链机构联接,斜盘在轴向受到来自Pd（高压腔压力）、Ps（低压腔压力）、Pe（曲轴箱压力）提供的三个力矩( Ma、Ms、Mc).同时高速旋转的斜盘本身具有特定的惯性积,惯性积以倾覆力矩( Mo)来表示,该力矩的趋势是使斜盘角度变小.根据这四个力矩的作用方向,列出斜盘所受到的力矩平衡方程如下：
Md +Ms - Me - Mo等于0
其中Md作用方向近似经过铰链固定支点,因此MA矩接近于O,在调整斜盘角度中的作用可以忽略不计,斜盘力矩平衡方程可以简化为：
Ms - Me - Mo等于0
通过方程可以得到如下结论：当Ms>Mc+Mo时,斜盘角度变大；当Ms< Mc+ Ma时,斜盘角度变小.
5内控式变排量压缩机控制逻辑时域分析
下面在工况变化情况下将变排量压缩机各部件的工作逻辑在时间轴上展开分析.
夏天刚启动车子时,打开空调.此时制冷量需求最大,膨胀阀开启到最大开度,冷凝器处泠媒完全蒸发,因此低压较高,Ps>Po,波纹管收缩长度变短,内控阀处于关闭状态.高压腔通往曲轴箱的通道被隔断,变排量机构力矩情况为Ms> Mc+Mo,斜盘角度处于最大状态.
随着室内温度降低,制冷量需求降低,膨胀阀开度变小,低压侧压力Ps逐渐降低.当Ps降低到内控阀临界压力Po以下时,Ps< Po,波纹管伸长,内控阀逐渐开启.高压腔与曲轴箱之间的通道逐渐被打开．曲轴箱内的压力随之增大.但内控阀打开瞬间斜盘角度不会发生变化,当曲轴箱压力Pe增大至Mc+Mo> Ms时,压缩机斜盘角度变小.因此斜盘角度变化点相对于P.点来说会有一定的迟滞.
车内温度达到用户需求温度后,压缩机在最小制冷量工况下持续运行,此时斜盘处于设计最小角度( 3-50),低压腔压力PS稳定在较低状态,内控阀开度达到最大.
此时若打开车窗或其他对制冷量重新提出需求的情况下,车内温度变高,低压侧压力PS变大,波纹管压缩长度变短,内控阀逐渐关闭.当内控阀关闭到一定程度时,满足M S> MC+MO,斜盘角度开始变大.此时低压侧压力继续增大.当PS增大到PS> PO时,内控阀完全关闭,因此内控阀关闭点相对于斜盘角度变化点会有迟滞.最终斜盘处于最大角度提供最大制冷量,至此斜盘角度变化为—个循环.
6结语
此循环涵盖了空调使用过程中的两个极限工况,正常工况下的压缩机变排量机构均处在此循环中的某个瞬时状态.将该循环以时间为横坐标,低压压力、内控阀开启角度、斜盘角度为纵坐标绘制时域曲线如图4所示：
其中Po为控制阀开启的临界压力,在循环中对应的时间点分别为t．、t4,P．为内控阀开启到最大角度时对应的低压侧压力,在时间轴上分别对应t：、t3.斜盘角度变化点相对内控阀开启、关闭动作都有一定的迟滞,该迟滞时间也是内控式变排量压缩机导致空调系统震荡的主要原因,控制好迟滞时间与系统压力的变化之间的关系对于内控式变排量压缩机在空调系统中的应用至关重要.
压缩机论文参考资料：
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