韓曉波，錢銳

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

汽車空調(diào)變排量系統(tǒng)穩(wěn)定性的試驗研究

韓曉波*，錢銳

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

為提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的控制精確度和穩(wěn)定性，針對變排量壓縮機系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象進行了臺架和整車試驗研究。通過分析實際現(xiàn)象和對比各種措施，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的廣泛應(yīng)用，汽車空調(diào)的控制越來越高效節(jié)能。精確控制的前提是被控對象的穩(wěn)定性。但是制冷系統(tǒng)的振蕩是客觀存在的。

國內(nèi)外學(xué)者做了大量的制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性研究，中科院田長青博士總結(jié)為蒸發(fā)器完全蒸干點隨機振蕩現(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，某些工況下會產(chǎn)生振蕩；(3) 定排量系統(tǒng)的動態(tài)模型在一定情況下會產(chǎn)生振蕩，各參數(shù)間存在耦合關(guān)系。

也有很多學(xué)者對變排量壓縮機進行了細致的理論研究[4-5]，其中文獻[6]在對外控變排量系統(tǒng)進行振蕩研究時提出了基于膨脹閥特性線和R134a物性線交叉點的理論。認為在中低負荷時，根據(jù)吸氣壓力相對于交叉點的大小關(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。

本文擬通過對變排量系統(tǒng)的試驗研究，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

汽車空調(diào)的運行工況是多變的，當處于不同的環(huán)境溫度、車速和熱負荷組合時，總會不同程度地出現(xiàn)類似振蕩的現(xiàn)象?？梢赃@樣認為，當某個系統(tǒng)中存在不止一個變量時，要使其在寬幅擾動區(qū)間內(nèi)都保持穩(wěn)定狀態(tài)是很困難的。

換個角度考慮，變量之一的熱力膨脹閥本身是個被動調(diào)節(jié)元件。它對于系統(tǒng)的感應(yīng)和反饋，往往受到制冷劑相態(tài)，壓力和氣相頭時間常數(shù)等等的影響。相對于其它空調(diào)來說，汽車空調(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作。這在國內(nèi)外很多案例分析中已經(jīng)受到質(zhì)疑并形成共識，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 振蕩的試驗研究

2.1 內(nèi)控壓縮機系統(tǒng)

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

B點工況的選擇區(qū)間：變排量系統(tǒng)使用交叉充注的膨脹閥，當處于很小負荷即負過熱度時有類似毛細管的特性，比平行充注更容易穩(wěn)定。所以低負荷工況選取的點應(yīng)在控制閥特性曲線周圍，并保證膨脹閥此時過熱度大于零。

圖1 內(nèi)控壓縮機控制閥特性曲線

圖2是A點的振蕩現(xiàn)象。試驗在風(fēng)洞中進行，熱負荷和車輛工況穩(wěn)定。過熱度和壓力等波動的幅度均勻而且頻繁，周期在 60秒左右，無法自行收斂。根據(jù)當時的制冷劑壓力和溫度判斷，壓縮機處于大排量，而膨脹閥正處于開閥曲線附近，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)大排量時的振蕩現(xiàn)象

圖3是B點的振蕩現(xiàn)象。試驗室和車輛工況穩(wěn)定，但過熱度和壓力同樣出現(xiàn)了頻繁的波動，波幅不是很均勻，周期在 40秒左右，無法自行收斂。波幅的不均勻可能有兩種原因：(1) 壓縮機控制閥的流量調(diào)節(jié)和膨脹閥相互作用的原因；(2) 由于過熱度較低，膨脹閥出口制冷劑相態(tài)的變化會引起感溫速度的變化?？梢娫诓糠峙帕繒r，由于增加了壓縮機的作用，使得振蕩現(xiàn)象更加復(fù)雜。

圖3 內(nèi)控系統(tǒng)部分排量時的振蕩現(xiàn)象

反復(fù)的試驗優(yōu)化證明，實際工作中常?？梢圆扇∫韵麓胧﹣響?yīng)對：

1）對于大排量時出現(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)開閥曲線來避開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)定值在低負荷下要充分驗證，往往和高負荷時的能力形成相互制約，需要平衡；b) 開閥曲線無論怎樣調(diào)整，總是客觀存在的，它的動作區(qū)間在其它環(huán)境中還是會和蒸發(fā)器相互影響，需要進行驗證；c) 要驗證文獻[7]中提出的“吸氣壓力高于交叉點0.02 MPa時會產(chǎn)生振蕩”的理論，類似的案例還是比較多的。

2）對于部分排量時出現(xiàn)的振蕩，不僅需要調(diào)節(jié)膨脹閥曲線，還要考慮壓縮機控制閥曲線的影響，目的也是要避開常用和明顯影響舒適性的區(qū)域。同樣，調(diào)節(jié)過程需要考慮第1點中的三個注意點，還要增加對系統(tǒng)抗結(jié)霜能力的驗證，這比舒適性更重要。

圖4 調(diào)節(jié)開閥曲線后的振蕩現(xiàn)象

2.2 外控壓縮機系統(tǒng)

外控壓縮機的發(fā)明對于汽車空調(diào)控制來說是革命性的，它的主動控制方式允許標定工程師用能耗最低的方式來滿足客戶的制冷需求。不同于內(nèi)控系統(tǒng)，外控系統(tǒng)大部分的時間工作在部分排量狀態(tài)，并根據(jù)環(huán)境、車速和熱負荷等的變化隨時改變排量。

試驗證明，排量為最大時，外控系統(tǒng)的表現(xiàn)和內(nèi)控一致；處于部分排量時，壓縮機控制閥的作用往往會主導(dǎo)制冷系統(tǒng)。當控制目標（如送風(fēng)溫度）的偏差值超過一定量時，PID控制器就會工作，排量就會改變直到被控物理量逐漸收斂。當然，不同程序的控制算法和目標不同，但共同點都是主動控制，它的能力超越了熱力膨脹閥，成為了系統(tǒng)的主宰。

不過膨脹閥的被動調(diào)節(jié)在系統(tǒng)中始終存在，每當壓縮機排量變化時，或者蒸發(fā)器干度變化時，它也會按照自己的規(guī)律動作。各種影響的疊加往往會拉長PID收斂的過程，當某個因素的調(diào)節(jié)精度無法滿足被控物理量的精度時，就會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，如圖5所示，振蕩周期在130 s左右，無法自行收斂。通過對特定工況下壓縮機輸出排量的調(diào)整和PID控制參數(shù)的優(yōu)化，獲得了不錯的效果，如圖6所示。

圖5 外控系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象

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

反復(fù)的試驗優(yōu)化證明，實際工作中以下措施是有效的：

1）當處于大排量階段，可以參照內(nèi)控進行調(diào)節(jié)和驗證。

2）部分排量是客戶最常用的工況，考慮不同的氣候特點，標定過程會很漫長。它要求工程師對影響系統(tǒng)穩(wěn)定的各個因素都比較熟悉，了解它們在各階段的調(diào)節(jié)精度，按照當時的舒適性需求，對被控目標、壓縮機排量，PID系數(shù)，風(fēng)量等進行合理的設(shè)置，同時考慮使膨脹閥曲線偏離密集振蕩區(qū)域，盡量避免對客戶的影響。

2.3 雙蒸發(fā)器系統(tǒng)

較大的多功能車型會使用到雙蒸發(fā)器系統(tǒng)，它們共用一個壓縮機和冷凝器。兩個蒸發(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為可靠性的需要而采用不同的充注方式，所以各自時間常數(shù)、反應(yīng)速率是不同的，這些都導(dǎo)致實際試驗中發(fā)生振蕩的現(xiàn)象更普遍。

對系統(tǒng)研究來說，增加一個振蕩的耦合體的話，調(diào)節(jié)難度會更大，較為有效的方法是把目標放在解決主要振蕩因素上。如圖7所示，在臺架試驗中發(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。整車風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)也驗證了同樣的趨勢。

對比各種優(yōu)化結(jié)果，對多數(shù)雙蒸發(fā)器系統(tǒng)來說，調(diào)整壓縮機參數(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

以上針對變排量汽車空調(diào)系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象的試驗和探討，側(cè)重于實際應(yīng)用，小結(jié)如下，進一步的理論研究將會繼續(xù)進行：

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

2）振蕩發(fā)生在部分排量時，除了上述的耦合體外，還加入了壓縮機的影響，尤其對外控系統(tǒng)來說是最常用的工況，此時膨脹閥和壓縮機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）試驗研究是在穩(wěn)態(tài)工況下進行的，在實際行駛中，送風(fēng)溫度的波動不僅僅是由系統(tǒng)振蕩導(dǎo)致的，更多的是隨著車速、日照和熱負荷的變化而產(chǎn)生的；總體來說，波動幅度控制在0.5度以內(nèi)基本不會對客戶舒適性產(chǎn)生不利影響。

5）汽車空調(diào)系統(tǒng)的熱力學(xué)慣性相對較小，而傳統(tǒng)熱力膨脹閥的動作取決于制冷劑壓力、溫度、相態(tài)變化和氣相頭時間常數(shù)等，難以滿足速度和精度的要求，對于解決振蕩現(xiàn)象來說，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)中常用的標準還是比較嚴格的，如果振蕩現(xiàn)象不是持續(xù)發(fā)生，波動不是太大，還是可以滿足整車正常使用要求的。

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

[2]陳芝久, 蔣文強. 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, 1990, 24(2): 58-66.

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

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

[5]趙宇, 祁照崗, 陳江平, 等. 汽車空調(diào)壓縮機排量控制方法的實驗研究[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 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：汽車空調(diào)和發(fā)動機冷卻。聯(lián)系地址：上海市龍東大道3999號，郵編：201201。聯(lián)系電話：021-50165038。E-mail：xiaobo_han@patac.com.cn。