李 旋 鄒慧明 湯鑫斌 唐明生 田長青

(1 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190；2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

直線壓縮機(jī)采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，既保留了傳統(tǒng)活塞壓縮機(jī)容積效率高、密封性好的優(yōu)勢[1]，同時(shí)結(jié)構(gòu)更加緊湊，節(jié)能潛力更大，易于實(shí)現(xiàn)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的無油運(yùn)行[2]，因而在小型制冷領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[3-5]，是新型節(jié)能壓縮機(jī)的重要發(fā)展方向[6]。

目前，直線壓縮機(jī)的研究熱點(diǎn)集中于部件優(yōu)化[7-9]、建模仿真[10-12]和控制技術(shù)[13]等方面，國內(nèi)外眾多學(xué)者基于仿真或?qū)嶒?yàn)研究，獲得了很好的理論與應(yīng)用成果，顯示了直線壓縮機(jī)在小型制冷、低溫等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢。

但隨著人們生活水平的進(jìn)步，多溫區(qū)制冷和低環(huán)溫制熱的需求日益增長，單一吸氣結(jié)構(gòu)的直線壓縮機(jī)的局限性逐漸顯現(xiàn)，如在低環(huán)境溫度條件下，較大的壓比導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣密度過低，系統(tǒng)制冷劑循環(huán)量小，且導(dǎo)致排氣溫度很高，不利于壓縮機(jī)和系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性；多溫區(qū)制冷時(shí)，壓縮機(jī)單一進(jìn)氣導(dǎo)致中壓制冷劑存在能量浪費(fèi)。

針對上述問題，本研究將噴射補(bǔ)氣與直線壓縮機(jī)技術(shù)相結(jié)合，以拓寬直線壓縮機(jī)在小型制冷領(lǐng)域的應(yīng)用，如大溫差制熱、深冷冰箱、多溫區(qū)冰箱等。噴射補(bǔ)氣技術(shù)(vapor injection，VI)將中壓制冷劑氣體引入壓縮腔內(nèi)，通過采用閃發(fā)罐或中間換熱器的準(zhǔn)二級系統(tǒng)形式[14-15]，一方面，降低壓縮機(jī)的排氣溫度，保證壓縮機(jī)在大溫差運(yùn)行條件下的安全可靠[16]；另一方面，提升壓縮機(jī)排量，有效解決低溫條件下因吸氣密度小導(dǎo)致的制熱量大幅降低的問題[17-18]。但目前補(bǔ)氣壓縮機(jī)的研究多集中于回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，如：滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式、渦旋式、螺桿式等[19-21]，且上述結(jié)構(gòu)形式的壓縮機(jī)多應(yīng)用于大、中型蒸氣壓縮式制冷、熱泵系統(tǒng)，在冰箱、冰柜、家用空調(diào)等小型制冷領(lǐng)域的應(yīng)用與研究較少。因此，本文將噴射補(bǔ)氣技術(shù)與直線壓縮機(jī)技術(shù)相結(jié)合，對直線壓縮機(jī)的噴射補(bǔ)氣特性展開分析。

相比于無補(bǔ)氣直線壓縮機(jī)，直線壓縮機(jī)噴射補(bǔ)氣強(qiáng)化了壓力波的非線性，進(jìn)而影響壓縮機(jī)其他參數(shù)的特性，且壓縮機(jī)吸、補(bǔ)氣之間相互影響?；谏鲜鰡栴}，本文對噴射補(bǔ)氣直線壓縮機(jī)進(jìn)行理論與模擬分析，研究噴射補(bǔ)氣對直線壓縮機(jī)壓縮過程的影響以及補(bǔ)氣壓力的變化和參數(shù)調(diào)節(jié)對直線壓縮機(jī)泵氣量的影響，為直線壓縮機(jī)噴射補(bǔ)氣在小型制冷/熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 直線壓縮機(jī)噴射補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)與仿真建模

1.1 直線壓縮機(jī)噴射補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)

直線壓縮機(jī)具有自由活塞式結(jié)構(gòu)，多采用舌簧吸氣閥與菌狀排氣閥相結(jié)合的吸、排氣布置方式。通過在直線壓縮機(jī)氣缸壁開設(shè)噴射補(bǔ)氣口，并在噴射補(bǔ)氣口處布置單向進(jìn)氣閥，可實(shí)現(xiàn)直線壓縮機(jī)的噴射補(bǔ)氣，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 直線壓縮機(jī)壓縮腔噴射補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of linear compressor with VI

噴射補(bǔ)氣過程如下：活塞從上死點(diǎn)(top death center，TDC)向下死點(diǎn)(bottom death center，BDC)的回退過程中，當(dāng)噴射補(bǔ)氣孔與壓縮腔連通，且腔內(nèi)壓力低于噴射補(bǔ)氣壓力，則進(jìn)行補(bǔ)氣，當(dāng)腔內(nèi)壓力高于噴射壓力，則停止補(bǔ)氣，由于在噴射補(bǔ)氣口布置了單向閥，待腔內(nèi)壓力進(jìn)一步降低后繼續(xù)補(bǔ)氣；直至壓縮腔內(nèi)壓力大于等于補(bǔ)氣壓力或由于活塞的運(yùn)動(dòng)使噴射補(bǔ)氣與壓縮腔不連通時(shí)，補(bǔ)氣過程結(jié)束；當(dāng)壓縮腔內(nèi)氣體壓力低于吸氣壓力，開始吸氣過程。

1.2 直線壓縮機(jī)噴射補(bǔ)氣仿真建模

直線壓縮機(jī)的控制方程包括活塞受力方程和直線電機(jī)的電磁學(xué)方程，如式(1)和式(2)，其中，活塞所受的氣體力如式(3)所示。

(1)

(2)

Fg=(pc-ps)A

(3)

式中：me為等效動(dòng)子質(zhì)量，kg；v為活塞速度，m/s；t為時(shí)間，s；cf為摩擦阻尼，N·s/m；x為活塞位移，m；ks為諧振彈簧剛度，N/m；Fg為活塞受到的氣體力，N；K0為直線電機(jī)的電磁力系數(shù)，N/A；Le為直線電機(jī)的等效電感，H；Re為直線電機(jī)的等效電阻，Ω；u為直線電機(jī)的供電電壓，V；pc為壓縮腔內(nèi)壓力，Pa；ps為背壓腔內(nèi)壓力(即吸氣壓力)，Pa；A為活塞截面積，m2。

基于以上控制方程，對直線壓縮機(jī)噴射補(bǔ)氣進(jìn)行模擬。其中，補(bǔ)氣進(jìn)氣采用小孔進(jìn)氣模型，如式(4)所示。

(4)

式中：qm為進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/s；λ為進(jìn)氣系數(shù)；Aout為出口截面積，m2；κ為工質(zhì)絕熱指數(shù)；pi為補(bǔ)氣入口壓力，Pa；vi為補(bǔ)氣工質(zhì)比體積，m3/kg。

仿真流程如下：首先對動(dòng)力學(xué)方程和電磁學(xué)方程進(jìn)行離散，如式(5)所示，得到t時(shí)刻電機(jī)響應(yīng)電流i、活塞速度v和活塞位移x三者的變化率與t時(shí)刻壓縮機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，然后采用龍格-庫塔法得到下一時(shí)刻的電機(jī)響應(yīng)電流it+1、活塞速度vt+1和活塞位移xt+1。將壓縮腔看作閉口系，根據(jù)閉口系能量守恒，通過活塞位移，計(jì)算t+1時(shí)刻壓縮腔內(nèi)制冷劑的密度及焓值變化，根據(jù)密度及焓值調(diào)用制冷劑物性庫計(jì)算得到腔內(nèi)壓力、溫度等其他參數(shù)，并將腔內(nèi)壓力與吸氣、補(bǔ)氣、排氣壓力進(jìn)行對比，判斷壓縮腔控制體邊界(吸氣閥、補(bǔ)氣口和排氣閥)是否存在質(zhì)量通量(即吸氣、補(bǔ)氣和排氣)，并計(jì)算Δt時(shí)刻內(nèi)邊界上的質(zhì)量流量，得到t+1時(shí)刻壓縮腔內(nèi)的參數(shù)，以此類推，實(shí)現(xiàn)噴射補(bǔ)氣直線壓縮機(jī)的模擬計(jì)算，根據(jù)得到的離散結(jié)果計(jì)算壓縮機(jī)的吸氣、補(bǔ)氣和排氣量，以及壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，模擬計(jì)算流程如圖2所示。

(5)

其中，下標(biāo)t表示t時(shí)刻壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，t+1表示下一時(shí)刻壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；Δt表示離散時(shí)間間隔，s。

圖2 直線壓縮機(jī)噴射補(bǔ)氣模擬流程Fig.2 Flowchart of simulation for linear compressor with VI

循環(huán)計(jì)算結(jié)束后，對得到的離散結(jié)果進(jìn)行后處理，根據(jù)壓縮機(jī)穩(wěn)定周期內(nèi)的狀態(tài)參數(shù)計(jì)算吸氣、補(bǔ)氣、排氣狀態(tài)參數(shù)和流量，以及活塞行程等參數(shù)。壓縮機(jī)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真工況及參數(shù)Tab.1 Operating conditions and parameters of simulation

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖3所示為搭建的噴射補(bǔ)氣式直線壓縮機(jī)性能測試裝置系統(tǒng)流程圖及實(shí)物圖。測試系統(tǒng)采用帶回?zé)崞鞯臏?zhǔn)二級蒸氣壓縮循環(huán)，在冷凝器后和補(bǔ)氣支路分別布置質(zhì)量流量計(jì)，在各管道上布置壓力和溫度測點(diǎn)，對系統(tǒng)制冷劑流量和狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和采集。

圖3 噴射補(bǔ)氣式直線壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Test rig for linear compressor with VI

測試工況如表2所示，對比相同供電參數(shù)條件下補(bǔ)氣壓力的變化對噴射補(bǔ)氣直線壓縮機(jī)吸氣、補(bǔ)氣、排氣質(zhì)量流量的影響。

表2 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)Tab.2 Operating parameters of experiment

在給定工況條件下，補(bǔ)氣壓力變化時(shí)壓縮機(jī)吸氣、補(bǔ)氣、排氣質(zhì)量流量的實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對比如圖4所示。通過對比可知，吸氣、補(bǔ)氣、排氣質(zhì)量流量的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的偏差在±15%以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Comparison between simulation and experiment results

3 結(jié)果與討論

3.1 補(bǔ)氣對直線壓縮機(jī)壓縮過程的影響

為描述活塞運(yùn)動(dòng)過程中吸氣、補(bǔ)氣、排氣過程與活塞運(yùn)動(dòng)位置之間的關(guān)系，以氣缸端部為起點(diǎn)，以活塞運(yùn)動(dòng)經(jīng)過的路程為橫坐標(biāo)，將活塞周期運(yùn)動(dòng)的往復(fù)過程橫向展開，對比補(bǔ)氣進(jìn)氣對噴射補(bǔ)氣式直線壓縮機(jī)吸氣、補(bǔ)氣、排氣過程的影響和壓縮腔內(nèi)壓力隨活塞運(yùn)動(dòng)的變化。

定義補(bǔ)氣進(jìn)氣膨脹量和壓縮腔容積變化率如式(6)和式(7)所示，補(bǔ)氣進(jìn)氣膨脹量表示單位時(shí)間內(nèi)補(bǔ)氣進(jìn)氣膨脹至與低壓吸氣相同狀態(tài)時(shí)所占據(jù)的壓縮腔容積，壓縮腔容積變化率表示膨脹過程中因活塞運(yùn)動(dòng)引起的壓縮腔增大量。

(6)

qv_chamber=vA

(7)

式中：qv_expand為單位時(shí)間內(nèi)補(bǔ)氣膨脹量，m3/s；pi為補(bǔ)氣入口壓力，Pa；Ti為補(bǔ)氣溫度，K；Ts為吸氣溫度，K；qv_chamber為壓縮腔容積變化率，m3/s。

圖5(a)所示為給定供電參數(shù)條件下，無補(bǔ)氣時(shí)吸氣量與壓縮腔內(nèi)壓力隨活塞運(yùn)動(dòng)的變化?；钊?jīng)過上死點(diǎn)折返后，余隙容積內(nèi)氣體開始膨脹，當(dāng)腔內(nèi)壓力低于吸氣壓力后，吸氣閥打開，開始吸氣，隨著活塞逐漸向BDC移動(dòng)，壓縮腔吸氣量逐漸減小，活塞到達(dá)BDC時(shí)，吸氣閥關(guān)閉，活塞轉(zhuǎn)向TDC運(yùn)行，壓縮過程開始，腔內(nèi)壓力升高，達(dá)到排氣壓力時(shí)排氣閥打開，壓縮機(jī)開始排氣，到達(dá)TDC后完成排氣，至此，整個(gè)壓縮循環(huán)過程結(jié)束。

圖5(b)所示為補(bǔ)氣壓力為200 kPa時(shí)吸氣、補(bǔ)氣量與壓縮腔內(nèi)壓力隨活塞運(yùn)動(dòng)的變化。相比于無補(bǔ)氣時(shí)，余隙容積增大，隨著活塞向BDC運(yùn)動(dòng)，余隙容積內(nèi)氣體膨脹，當(dāng)活塞端部運(yùn)動(dòng)至補(bǔ)氣口且腔內(nèi)壓力低于補(bǔ)氣壓力時(shí)，補(bǔ)氣閥開啟，中壓制冷劑補(bǔ)入壓縮腔，中壓補(bǔ)氣量隨著補(bǔ)氣開口的增大而提升。由于200 kPa的補(bǔ)氣壓力較小，補(bǔ)氣膨脹量小于壓縮腔容積變化率，在補(bǔ)氣口完全打開后吸氣閥開啟，壓縮腔從中、低壓同時(shí)進(jìn)氣，活塞運(yùn)動(dòng)至BDC附近，活塞運(yùn)動(dòng)速度減小，腔內(nèi)壓力高于吸氣壓力使吸氣閥提前關(guān)閉，補(bǔ)氣繼續(xù)；當(dāng)活塞越過BDC，向TDC折返運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓縮機(jī)邊補(bǔ)氣邊壓縮，腔內(nèi)壓力的提升使補(bǔ)氣量逐漸減小，活塞端部完全覆蓋補(bǔ)氣口時(shí)停止補(bǔ)氣，活塞繼續(xù)向TDC運(yùn)動(dòng)，壓縮和排氣過程完成。

圖5 進(jìn)氣量及腔內(nèi)壓力隨活塞運(yùn)動(dòng)的變化Fig.5 Suction and injection volume and gas pressure changing with the piston stroke

圖5(c)所示為補(bǔ)氣壓力提升至400 kPa時(shí)吸、補(bǔ)氣量和壓縮腔內(nèi)壓力的變化?？梢钥闯?，在整個(gè)活塞運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，受補(bǔ)氣壓力的影響壓縮腔內(nèi)最低壓力始終高于低壓吸氣壓力，導(dǎo)致低壓側(cè)無吸氣；當(dāng)活塞向TDC折返運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞端部完全覆蓋補(bǔ)氣口后停止補(bǔ)氣。

圖6所示為壓縮機(jī)吸氣、補(bǔ)氣、排氣質(zhì)量流量和壓縮機(jī)功耗隨補(bǔ)氣壓力的變化。無補(bǔ)氣時(shí)，壓縮機(jī)低壓吸氣流量最大，排氣流量最?。浑S著補(bǔ)氣壓力增大，壓縮機(jī)低壓吸氣流量減小，補(bǔ)氣流量增大，排量提升，補(bǔ)氣壓力高時(shí)，低壓吸氣量為0。

圖6 吸氣、補(bǔ)氣、排氣質(zhì)量流量和壓縮機(jī)功耗隨補(bǔ)氣壓力的變化Fig.6 Suction, injection, discharge, and input power changing with the VI pressure

對比有、無補(bǔ)氣條件下的壓縮機(jī)吸氣量、補(bǔ)氣量、排氣量和功耗，當(dāng)補(bǔ)氣壓力為200 kPa時(shí)，排氣量提升50%，低壓吸氣量減少61%，壓縮機(jī)功耗增大13%，單位排量功耗降低25%；補(bǔ)氣壓力提升一倍時(shí)，壓縮機(jī)無低壓吸氣，排量提升60%，壓縮機(jī)功耗增大15%，單位排量功耗降低28%。

圖7所示為固定供電參數(shù)條件下，補(bǔ)氣壓力的變化對壓縮機(jī)活塞行程(活塞運(yùn)動(dòng)的峰-峰值H)及固有頻率(fn)的影響。腔內(nèi)平均壓力因補(bǔ)氣而增加，使自由活塞的TDC和BDC均偏離氣缸端部，從而引起活塞運(yùn)動(dòng)中心偏移量和行程的增大，固有頻率從57.1 Hz增至58.8 Hz。由于壓縮腔內(nèi)氣體力增大，自由活塞偏移和行程增大，而由于余隙容積和活塞行程的同時(shí)增大，壓縮機(jī)的固有頻率變化相對較小。

圖7 活塞位移和固有頻率隨補(bǔ)氣壓力的變化Fig.7 The change of piston displacement and resonant frequency under different injection conditions

由于余隙容積對直線壓縮機(jī)自由活塞偏移量有一定的影響，進(jìn)而影響其動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，進(jìn)一步通過調(diào)節(jié)供電參數(shù)保證不同補(bǔ)氣條件下壓縮腔余隙一致(～0.5 mm)，分析相同余隙下噴射補(bǔ)氣直線壓縮機(jī)的氣體等效參數(shù)特性，如圖8所示(圖中補(bǔ)氣壓力為0時(shí)對應(yīng)無補(bǔ)氣運(yùn)行，kg表示氣體力等效剛度，cg表示氣體力等效阻尼)。

圖8 定余隙容積下氣體等效參數(shù)隨補(bǔ)氣壓力的變化Fig.8 The dynamic parameters changing with injection pressures under constant clearance

在相同余隙條件下，隨著補(bǔ)氣壓力的升高，氣體力等效剛度增大，壓縮機(jī)由無補(bǔ)氣壓力運(yùn)行增至400 kPa補(bǔ)氣壓力時(shí)，氣體力等效剛度增幅較小，在32～33 kN/m內(nèi)變化。這是由于氣體力等效剛度取決于壓縮腔內(nèi)氣體平均壓力和活塞行程的比值，其變化趨勢與二者的變化率相關(guān)，補(bǔ)氣過程使壓縮腔內(nèi)氣體平均壓力增大，同時(shí)活塞行程增大，因而等效剛度變化較小。另一方面，氣體力等效阻尼隨補(bǔ)氣壓力的增加而增大，這是由于補(bǔ)氣過程使壓縮機(jī)排量增大，氣體壓縮功隨之增加，氣體力等效阻尼由13.10 N·s/m增至21.85 N·s/m。

由上述分析可知，補(bǔ)氣過程對直線壓縮機(jī)的低壓吸氣能力及壓縮性能有很大影響，為保證噴射補(bǔ)氣式直線壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)的中壓補(bǔ)氣支路能夠有效地從低壓支路吸熱，應(yīng)使壓縮機(jī)有一定的低壓吸氣量。低壓吸氣能力除受余隙容積和補(bǔ)氣壓力的影響外，還受壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的影響。根據(jù)式(6)，吸氣量的影響主要取決于腔內(nèi)容積增加引起的降壓率與補(bǔ)氣升壓率之間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)增大活塞直徑有利于提高腔內(nèi)容積增加引起的降壓率，從而保證低壓吸氣量；運(yùn)行調(diào)節(jié)時(shí)，針對確定結(jié)構(gòu)形式的直線壓縮機(jī)，大行程、高頻率、低補(bǔ)氣壓力有利于低壓吸氣量的保證。

3.2 質(zhì)量流量特性分析

為分析補(bǔ)氣過程的質(zhì)量流量特性，針對變活塞行程和變運(yùn)行頻率時(shí)直線壓縮機(jī)噴射補(bǔ)氣的質(zhì)量流量特性進(jìn)行模擬計(jì)算。圖9所示為吸氣、補(bǔ)氣、排氣壓力分別為62.5、200、765 kPa，運(yùn)行頻率為70 Hz情況下，逐步提高供電電壓時(shí)，壓縮機(jī)泵氣量隨活塞行程的變化。針對本結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)，活塞行程小于9 mm時(shí)，壓縮機(jī)基本處于無泵氣狀態(tài)，無吸氣也無補(bǔ)氣流量。隨著活塞行程的逐步增大，補(bǔ)氣支路制冷劑噴入壓縮腔，活塞行程增至9.8 mm時(shí)補(bǔ)氣量約為2.3×10-4kg/s，此時(shí)低壓側(cè)無吸氣；隨著供電電壓的提升，吸氣閥打開時(shí)，活塞行程略有降低，后持續(xù)增加，吸氣流量隨活塞行程增大而逐漸增大，而補(bǔ)氣流量達(dá)到一定值后基本不變，約為2.4×10-4kg/s。由于吸氣閥的開啟降低了壓縮腔內(nèi)的平均壓力，導(dǎo)致活塞偏移量略有減小，從而使活塞行程在吸氣閥開啟時(shí)略有降低。由于吸氣量的逐步增加，補(bǔ)氣比(補(bǔ)氣質(zhì)量流量與吸氣質(zhì)量流量的比值)逐步降低，由2.88逐漸減小為0.35。由于行程的增大提升了腔內(nèi)的膨脹空間，降低了氣缸端部余隙容積對吸氣、補(bǔ)氣量的影響，同時(shí)也削弱了補(bǔ)氣升壓對低壓吸氣的影響，因此，活塞行程的增加提高了補(bǔ)氣直線壓縮機(jī)的吸氣、補(bǔ)氣及排氣量。

圖9 吸氣、補(bǔ)氣、排氣質(zhì)量流量隨活塞行程的變化Fig.9 The mass flowrates of suction, injection, and discharge changing with piston strokes

圖10所示為固定供電電壓、供電頻率調(diào)節(jié)對質(zhì)量流量的影響。供電頻率在58 Hz及以下時(shí)，活塞行程較小，壓縮機(jī)無排氣；隨著供電頻率逐漸增大，行程增大，補(bǔ)氣和吸氣的質(zhì)量流量先后增大，在60 Hz附近，壓縮機(jī)排氣量達(dá)最大值7.3×10-4kg/s，補(bǔ)氣比為0.43；隨著供電頻率繼續(xù)升高，吸氣質(zhì)量減少，補(bǔ)氣質(zhì)量略有提升，后逐漸降低，補(bǔ)氣比逐漸增大。結(jié)合圖7可知，該頻率值與壓縮機(jī)的固有頻率十分接近，可以判斷質(zhì)量流量的突變是由于固有頻率對行程的影響引起的。當(dāng)供電頻率大于固有頻率時(shí)，吸氣量下降趨勢變緩(相比于低于固有頻率時(shí))，這是由于供電頻率的增大提升了壓縮腔容積變化率，降低了補(bǔ)氣對吸氣的影響；供電頻率偏離固有頻率較大時(shí)，活塞行程減小，吸氣量和補(bǔ)氣量降低。

圖10 吸氣、補(bǔ)氣、排氣質(zhì)量流量隨驅(qū)動(dòng)頻率的變化Fig.10 The mass flowrates of suction, injection, and discharge changing with the driving frequency

4 結(jié)論

本文對噴射補(bǔ)氣式直線壓縮機(jī)進(jìn)行了建模與仿真，獲得了補(bǔ)氣過程對壓縮機(jī)性能的影響，得到結(jié)論如下：

1)直線壓縮機(jī)的補(bǔ)氣過程增加了壓縮腔內(nèi)的平均壓力，使吸氣閥滯后開啟和提前關(guān)閉，從而影響壓縮機(jī)的低壓吸氣量。當(dāng)補(bǔ)氣壓力為200 kPa時(shí)，排氣量提升50%，低壓吸氣量降低61%，壓縮機(jī)功耗增大13%，單位排量功耗減小25%；當(dāng)補(bǔ)氣壓力為400 kPa時(shí)，壓縮機(jī)無法從低壓吸氣，但排氣量因補(bǔ)氣量的增加而大幅增加，相比于200 kPa補(bǔ)氣時(shí)，排量提升60%，壓縮機(jī)功耗增大15%，單位排量功耗減小28%。

2)補(bǔ)氣過程使壓縮腔內(nèi)平均壓力提升，使活塞運(yùn)動(dòng)中心偏移量增大，從而影響腔內(nèi)氣體特性。在相同運(yùn)行余隙條件下，氣體力等效剛度和氣體力等效阻尼隨補(bǔ)氣壓力的增加而增大。補(bǔ)氣支路由無補(bǔ)氣增至400 kPa變化時(shí)，氣體力等效剛度由32.19 kN/m增至32.96 kN/m，氣體力等效阻尼由13.10 N·s/m提升至21.85 N·s/m，。

3)隨著活塞行程的增大，壓縮機(jī)先補(bǔ)氣進(jìn)氣，后低壓吸氣，活塞行程達(dá)到一定值后，補(bǔ)氣進(jìn)氣流量達(dá)到一定值后基本保持不變，而低壓吸氣量隨活塞行程的增大而增大；當(dāng)供電頻率接近于固有頻率時(shí)，相同供電電壓條件下，行程響應(yīng)達(dá)到最大值，使壓縮機(jī)的質(zhì)量流量處于最大狀態(tài)。

4)為保證噴射補(bǔ)氣式直線壓縮機(jī)的低壓吸氣量，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增大活塞直徑，或在運(yùn)行調(diào)節(jié)時(shí)通過升高供電頻率、增大活塞行程或降低補(bǔ)氣壓力來控制低壓吸氣量。