胡立志 ，何澤銀 ，2，彭艷蓉 ，柴紅陽 ，李德江 ，劉紅梅 ，曹昱坤

（1.重慶建設(shè)汽車系統(tǒng)股份有限公司 重慶市汽車熱管理系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，重慶 400052；2.重慶交通大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

壓縮機被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、石油煉制、氣體輸送等行業(yè)，是一種通過壓縮氣體來提高氣體壓力，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w勢能的機械。作為能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，壓縮機功耗不容忽視。目前，全國空氣壓縮機功耗占總發(fā)電量的9%～10%，制冷與空調(diào)裝置的運行所消耗電量已占我國年發(fā)電量的近25%，其中壓縮機功耗占比較高［1-2］。

隨著汽車工業(yè)高速發(fā)展，作為汽車空調(diào)系統(tǒng)的核心部件壓縮機，將擁有更為廣闊的市場應(yīng)用空間。然而，目前汽車空調(diào)系統(tǒng)占整車功耗的9%，而壓縮機功耗占汽車空調(diào)功耗約39%，壓縮機作為單一部件功耗占比較大［3-11］。此外，在車輛運行中，壓縮機常處于多激勵、變工況條件，致使功耗波動較為劇烈。

目前國內(nèi)外研究者在壓縮機功耗方面開展了大量研究工作，張瑜等［12-13］研究了進氣溫度對壓縮機總能耗的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)降低進氣口溫度可有效降低功耗；楊忠亮［14］分析了螺桿式空氣壓縮機的能耗損失，并提出了有效的節(jié)能途徑；王滿等［15-16］分析了壓縮機吸、排氣閥的功耗損失情況，并進行了氣閥功耗優(yōu)化；盧迪等［17］建立了往復(fù)壓縮機的能量損耗模型，結(jié)果表明一級進氣壓力對往復(fù)壓縮機能耗影響最為顯著；彭慶紅等［18］基于仿真法分析了轉(zhuǎn)速對電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，為實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的智能化節(jié)能提供了參考；王曉燕等［19］研究了變工況運行下制冷壓縮機功率消耗的關(guān)聯(lián)規(guī)律，提出了壓縮機功耗與吸、排氣壓力間的定量關(guān)系式；Lee等［20］研究了兩級旋轉(zhuǎn)壓縮機的功率損耗情況，其功耗較旁路型得到有效降低；Bianchii等基于試驗法分析了滑動葉片旋轉(zhuǎn)壓縮機的摩擦功率損耗情況［21］。

滑片式壓縮機作為車輛常用的制冷設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)為帶有葉片槽的轉(zhuǎn)子、葉片、具有特定型線的缸體等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。滑片式壓縮機工作時，葉片槽內(nèi)回油通道在葉片和槽間形成供油通道，提供背壓力及潤滑油液，保證葉片與葉片槽、葉片與缸體、葉片與前后端板間形成油膜，減少摩擦，形成間隙密封。葉片受到離心力和背壓的作用伸出葉片槽滑槽，形成數(shù)個密閉壓縮腔，隨著旋轉(zhuǎn)，壓縮室的體積逐漸減小，達到增大氣體壓力的目的。

圖1 滑片式壓縮機結(jié)構(gòu)示意

滑片式壓縮機作為空調(diào)系統(tǒng)的核心零部件，具有重量輕（約12 kg），尺寸小巧（約長20 cm、直徑12 cm），結(jié)構(gòu)緊湊的結(jié)構(gòu)特點，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中。然而，壓縮機工作過程中存在高壓（0～4 MPa）、高溫（20～200 ℃左右）、高轉(zhuǎn)速（約1 000～10 000 r/min）、交變運行條件、動態(tài)激勵源多等特點，致使汽車空調(diào)壓縮機功耗測試也較為困難，在不同使用工況下影響壓縮機功耗的動態(tài)參數(shù)不能被清晰準確的測量出來。目前較多壓縮機產(chǎn)品被應(yīng)用到車輛量產(chǎn)化前，標定壓縮機油耗的工況多為穩(wěn)態(tài)工況，實際壓縮機功耗為動態(tài)功耗。因此，開展汽車空調(diào)滑片式壓縮機動態(tài)功耗定量評估及影響因素分析，對壓縮機功耗測試及節(jié)油等方面具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 滑片式壓縮機動態(tài)功耗預(yù)估

以某車用制冷滑片式壓縮機為分析對象，該壓縮機為5葉片的雙壓縮腔體結(jié)構(gòu)，對其動態(tài)功耗進行預(yù)估與分析，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)機械做功原理，對滑片式壓縮機功耗進行動態(tài)預(yù)估：

式中 P ——壓縮機消耗功率，W；

t ——壓縮機工作時間，s；

T ——壓縮機轉(zhuǎn)子軸扭矩，N·m；

n ——壓縮機轉(zhuǎn)速，r/min。

壓縮機運行時，影響其動態(tài)功耗的主要參數(shù)為壓縮機動態(tài)扭矩T、壓縮機轉(zhuǎn)速n、壓縮機運行時長t等3個主要影響因素。其中，壓縮機轉(zhuǎn)速n和運行時長t可以通過車輛外部實際運行情況進行控制與優(yōu)化功耗；影響壓縮機扭矩T波動因素較多，主要包括氣體壓縮阻力、潤滑油壓降、機械摩擦阻力等。由于壓縮機是汽車用輸入型動力機械，功耗隨著使役條件變化而波動很大，因此本文基于上述關(guān)系式，開展動態(tài)試驗測試可以有效預(yù)估壓縮機功耗。

1.1 動態(tài)功耗測試系統(tǒng)搭建

由于滑片式壓縮機為單主軸輸入結(jié)構(gòu)，因此可直接在壓縮機主軸上開孔并布置傳感器進行扭矩測試，如圖2所示。

圖2 滑片式壓縮機動態(tài)扭矩測試系統(tǒng)

試驗時，借助主軸斜向45°剪切應(yīng)變表征主軸扭矩變化所對應(yīng)扭矩數(shù)值的傳遞關(guān)系。試驗時，壓縮機轉(zhuǎn)速范圍800～6 000 r/min；壓力范圍0～3.0 MPa；溫度范圍 -20～150 ℃；運轉(zhuǎn)一周吸排氣10次；扭矩傳感器測試最高頻響范圍為1 536～2 400 Hz。考慮實際工作環(huán)境耐受條件，高溫耐壓密封良好的傳感器采集系統(tǒng)是最佳的選擇，故采用主軸預(yù)裝傳感器的實施方案，即在圖2所示位置打孔，并掩埋傳感器。

壓縮機壓縮腔壓力參數(shù)動態(tài)測試時，可以通過在壓縮機轉(zhuǎn)子體內(nèi)植入微型壓力傳感器對壓縮容腔進行直接測量，根據(jù)壓縮腔內(nèi)的壓力變化來表征吸氣、壓縮做功時壓力波動情況。壓力傳感器頻響與扭矩測量要求相同，圖3示出了壓力測試時傳感器布置位置。

圖3 壓力傳感器布置位置

搭建一套基于滑片壓縮機循環(huán)工作的試驗測試平臺，主要包括蒸發(fā)器負荷控制單元、冷凝器負荷控制單元、壓縮機臺架及系統(tǒng)管路等部分，如圖4所示。該設(shè)備對壓縮機的吸排氣壓力、吸氣溫度、壓縮機轉(zhuǎn)速均有控制功能，能根據(jù)實際使用狀態(tài)下的受役條件進行準確控制，使壓縮機在穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)等運行過程工況下工作，同時開展壓縮機性能、使役參量測試評價。

圖4 滑片式壓縮機動態(tài)壓力測試工作平臺

1.2 試驗測試結(jié)果分析

試驗時，壓縮機進口壓力Ps為0.150 MPa，排氣口壓力Pd為1.14 MPa，試驗運行轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。記錄壓縮機吸氣壓力、排氣壓力、壓縮機動態(tài)扭矩等動態(tài)參數(shù)，如圖5，6所示。

圖5 壓縮機進、排氣壓力

圖6 壓縮機動態(tài)扭矩

圖7所示為壓縮機動態(tài)功耗曲線。由圖可知，動態(tài)功耗波動范圍為1.50～2.42 kW；分析動態(tài)扭矩特征及影響因素，合理控制動態(tài)扭矩波動，可有效降低壓縮機的動態(tài)功耗。

圖7 壓縮機動態(tài)功耗曲線

2 滑片式壓縮機動態(tài)功耗影響因素分析

2.1 進排氣壓力對動態(tài)功耗的影響規(guī)律

為研究進、排氣壓力Ps，Pd對動態(tài)功耗的影響規(guī)律，分析了轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，不同進、排氣壓力下壓縮機動態(tài)扭矩波動規(guī)律。表1給出了不同進排氣壓力參數(shù)。

表1 不同進、排氣壓力參數(shù)

在試驗臺上測試不同進排氣壓力下壓縮機動態(tài)扭矩波動范圍，見表2。

表2 不同進、排氣壓力下壓縮機動態(tài)扭矩波動規(guī)律

由表可知，進氣壓力與扭矩均值的相關(guān)系數(shù)為0.97，排氣壓力與扭矩的相關(guān)系數(shù)為1，壓比與扭矩均值的相關(guān)系數(shù)為0.32；出口壓力對扭矩影響較進氣壓力大，壓比對壓縮機扭矩影響較小，主要是由于排氣過程中，存在氣體與排氣閥門結(jié)構(gòu)間耦合效應(yīng)，故排氣壓力對動態(tài)功耗影響較大。

2.2 轉(zhuǎn)速對動態(tài)功耗的影響規(guī)律

為研究不同轉(zhuǎn)速對動態(tài)功耗的影響規(guī)律，分析了進、排氣壓力Ps，Pd分別為0.182，1.70 MPa時，不同壓縮機轉(zhuǎn)速下動態(tài)扭矩波動規(guī)律。表3給出了不同轉(zhuǎn)速下壓縮機動態(tài)轉(zhuǎn)矩均值及波動范圍。

表3 不同轉(zhuǎn)速下壓縮機動態(tài)扭矩波動規(guī)律

分析可知，隨著轉(zhuǎn)速增加，波動范圍增大，但動態(tài)扭矩均值呈降低趨勢，主要是因為低轉(zhuǎn)速下壓縮效率低，同等排氣壓力條件下受壓縮機閥片組的影響的動態(tài)扭矩峰值更多，反映在工作特征上就是低速時單個壓縮基元可以多次排氣，從而做功增加，導(dǎo)致扭矩有微增表現(xiàn)。

為研究轉(zhuǎn)速變化過程中，壓縮機動態(tài)轉(zhuǎn)矩波動規(guī)律，測試了壓縮機轉(zhuǎn)速由800 r/min加速至4 000 r/min（加速的速率為25 r/s）過程中，壓縮機動態(tài)扭矩，進、排氣壓力脈動頻率分布特性，如圖8～10所示。

圖8 壓縮機動態(tài)扭矩頻域云圖

圖9 壓縮機進氣壓力脈動頻域云圖

圖10 壓縮機出氣壓力脈動頻域云圖

扭矩作為功耗影響的主要因素，壓縮機轉(zhuǎn)速從800～4 000 r/min加載過程中，動態(tài)扭矩變化頻域圖可知，軸扭轉(zhuǎn)峰值出現(xiàn)在壓縮機的10/20/30/40階次壓縮激勵共振頻率處，將加劇動態(tài)能量耗散；動態(tài)扭矩頻譜分析可知，存在明顯共振帶，后續(xù)可合理設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免出現(xiàn)共振問題。

3 結(jié)論

（1）提出了通過動態(tài)參數(shù)測量的滑片式壓縮機動態(tài)功耗預(yù)估方法，自制并搭建壓縮機動態(tài)功耗測試系統(tǒng)，研究壓縮機吸氣壓力、排氣壓力、壓縮機動態(tài)扭矩等動態(tài)參數(shù)分布規(guī)律。

（2）滑片式壓縮機出口壓力對扭矩影響較進氣壓力大，壓比對壓縮機扭矩影響較?。浑S著轉(zhuǎn)速增加，波動范圍增大，但動態(tài)扭矩均值呈降低趨勢；從800～4 000 r/min加載過程中，軸扭轉(zhuǎn)峰值出現(xiàn)在壓縮機的10/20/30階次壓縮激勵共振頻率處，產(chǎn)生了軸系的振動扭矩惡化，將加劇動態(tài)能量耗散，同時亦會產(chǎn)生壓縮機的振動噪音問題；研究結(jié)果可為產(chǎn)品設(shè)計階段調(diào)整軸系扭振頻率或強化抗扭振的冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡早規(guī)避或控制產(chǎn)品設(shè)計風(fēng)險提供指導(dǎo)。

（3）所測試的滑片式壓縮機扭矩、轉(zhuǎn)速、壓縮腔壓力及排氣口壓力等動態(tài)工作特性參量可直接指導(dǎo)壓縮機產(chǎn)品設(shè)計的精準優(yōu)化。如降低過壓縮優(yōu)化壓縮效率；排氣口氣閥彈力特性曲線優(yōu)化；壓縮機缸體型線優(yōu)化；缸體排氣口結(jié)構(gòu)調(diào)整等設(shè)計環(huán)節(jié)；分析滑片式壓縮機啟停階段的動態(tài)特性可優(yōu)化壓縮機的離合器啟動瞬時扭矩，指導(dǎo)壓縮機離合器優(yōu)化選型，改善壓縮機啟動時對發(fā)動機造成動力沖擊影響，降低壓縮機頻繁啟停過程中的車輛燃油消耗，滿足車輛駕駛的舒適性、提高車輛使用的經(jīng)濟性。

（4）通過對滑片式壓縮機的動態(tài)功耗預(yù)估研究，其實驗方法可廣泛應(yīng)用于其它類型壓縮機，對小型旋轉(zhuǎn)機械的探測技術(shù)手段有了創(chuàng)新和實踐，推動全行業(yè)的功耗精細化控制技術(shù)發(fā)展有著重要的工程應(yīng)用價值。