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汽車空調論文|轎車空調用斜盤式變排量壓縮機的發(fā)展
【關鍵詞】壓縮機
【論文摘要】對轎車空調用搖板式和斜板式變排量壓縮機的發(fā)展進行了回顧，并對最新推出的CVC壓縮機和外部控制斜板式變排量壓縮機進行了介紹。
1引言
轎車空調壓縮機是由發(fā)動機直連驅動的，對于定排量壓縮機汽車空調系統(tǒng)，用蒸發(fā)器出風溫度來控制電磁離合器吸合或脫離，用間歇運行來控制系統(tǒng)制冷能力和車內空調負荷相適應。這種控制方式除了車內空調溫度波動大，系統(tǒng)的頻繁開停的不可逆損失使系統(tǒng)能耗增加等缺點外，最大的一個問題是壓縮機的周期性離合對汽車發(fā)動機引起的干擾，這種情況在汽車發(fā)動機容量較小時顯得更為突出。為了解決這個問題，變排量壓縮機應運而生。
轎車空調用變排量壓縮機按照結構型式分斜盤式、滾動活塞式、螺桿式、旋片式、渦旋式等機型，其中斜盤式變排量壓縮機目前應用最多。斜盤式變排量壓縮機有搖擺斜盤式（wobble plate type,簡稱“搖板式”）和回轉斜板式(swash plate type,簡稱“斜板式”)兩種結構。本文對搖板式和斜板式變排量壓縮機的發(fā)展進行回顧，并介紹其最新的發(fā)展情況。
2發(fā)展回顧
2.1搖板式變排量壓縮機
1960年美國人P.B.Loomis申請了可變角度搖板的專利。二十多年后，美國GM公司Harrison散熱器部(現在的Delphi Automotive systems公司)于1983年研制成功了首臺無級變排量搖板式壓縮機----V5變排量壓縮機， 并于1985年8月在高級轎車上使用［1］。
圖1為V5變排量壓縮機的結構圖。它共有5個氣缸，是搖擺斜盤結構，其中搖擺斜盤用雙向球形連桿與活塞連接，它的基本元件主要有軸和驅動凸耳部件、滑動軸套、旋轉軸頸、和將軸勁旋轉運動轉換成活塞直線運動的搖板等。內部控制閥在壓縮機的后蓋中（見圖2），它主要由錐閥和球閥構成；錐閥控制搖板箱與吸氣腔（波紋管室）之間的通道，球閥控制排氣腔與搖板箱之間的通道，錐閥和球閥通過閥桿建立聯系，從而使兩個閥的開度呈互補關系；排氣壓力影響控制閥設定值的變化，承受著排氣壓力的升高，設定值降低；吸氣壓力與設定值比較,推動控制閥桿運動，改變錐閥和球閥的開度，進而改變搖板箱與排氣腔間及其搖板箱與吸氣腔間的流通阻力從而改變搖板箱壓力與吸氣壓力之差；該壓力差推動搖擺斜盤的傾斜角的變化，從而改變壓縮機制活塞行程，使壓縮機的排量改變。可見V5變排量壓縮機根據車內負荷變化改變空調系統(tǒng)的制冷量，改變了傳統(tǒng)的離合器啟閉壓縮機的調節(jié)方式，實現了系統(tǒng)平穩(wěn)連續(xù)運行，不會引起汽車發(fā)動機周期性的負荷變化。但是其空調系統(tǒng)仍保留了電磁離合器，在汽車空調系統(tǒng)停止使用時離合器脫離可以使壓縮機停止運轉，這樣壓縮機為部分連續(xù)運轉。V5變排量壓縮機的最大排量為156cm3，最小排量為10cm3，即最小排量可以降到最大排量的6%。
在V5變排量壓縮機開發(fā)研究和推廣應用的基礎上，Delphi Automotive systems 公司又相繼推出了V6、V7變排量壓縮機。V6變排量壓縮機是6缸壓縮機，最大排量為184cm3，最小排量為10cm3；V7變排量壓縮機是7缸壓縮機，最大排量為179cm3,最小排量為10cm3，即這兩種機型的最小排量約為最大排量的6%。V6和V7變排量壓縮機與V5壓縮機除氣缸數量和大小有區(qū)別外，主體結構與V5變排量壓縮機基本相同，內部控制閥結構和變排量控制機理也與其一樣。
1985年日本Sanden公司開始開發(fā)搖板式變排量壓縮機<2>，圖3為該公司推出的SDV710變排量壓縮機結構，該壓縮機是以技術成熟的定排量壓縮機SD7系列為基礎根據變排量原理研制而成。與V5機型相比，簡化了變搖板角度機構和搖板防旋轉機構，且內部控制閥的結構和控制原理也不同。排氣通過一個固定管徑的節(jié)流短管從排氣腔到搖板箱，從而改善了低排量情況下的控制閥的動作反應。內部控制閥安裝在閥板的中心（見圖4），波紋管伸縮由搖板箱壓力控制，控制閥的開關受波紋管（即搖板箱壓力Pc）、排氣壓力Pd、以及吸氣壓力Ps共同作用的控制。采用排氣壓力推桿可以調節(jié)波紋管閥的開閥壓力，這樣可以補償大負荷時壓縮機吸入管道的壓力降增大引起的蒸發(fā)溫度增高，使蒸發(fā)溫度保持一個合適的溫度。SDV710變排量壓縮機最大排量161cm3，搖板角度可以從1.5°到24°，使排量從6%到100%變化。
另外，日本柴油機器公司等其他公司也生產變排量搖板式壓縮機。
2．2 斜板式變排量壓縮機
日本電裝公司1983年研制成10P-V型兩級變容量10缸機，該壓縮機是各有相同的氣缸布置在斜板兩側，即為雙作用型式。可以通過打開后部氣缸的排氣閥，使排氣腔與吸氣腔相通，以此實現50%的氣缸卸載。該機可實現50%載荷下起動，并可在高速下節(jié)能30%<3>。1983年8月以后開始用在Toyota轎車上。
Ｄenso公司開發(fā)了７ＳＢ１６斜板式變排量壓縮機，其結構見圖５<4>。這種壓縮機只在一側布置氣缸，為單作用型式。在主軸上裝有回轉斜板，當主軸旋轉時，斜板回轉，通過滑盤推動活塞作往復運動。變排量原理同搖板式變排量壓縮機，即仍是利用斜板箱壓力與吸氣壓力之差推動斜板的傾斜角的變化，從而改變壓縮機的活塞行程，使壓縮機的排量改變。內部控制閥結構與V5變排量壓縮機類似。
3 最新進展
3．1 CVC壓縮機
CVC（Compact Variable Compressors）壓縮機是近兩年Delphi Automotive systems公司推出的新一代變排量壓縮機，現在法國、匈牙利、日本、美國和巴西均有廠家生產，使用用戶有Opel、Nissan、BMW、Volkswagen、Renault等。
圖6為CVC斜板式變排量壓縮機結構。這種壓縮機也是單作用型式，變排量原理同搖板式變排量壓縮機，內部控制閥結構與V5變排量壓縮機類似。該壓縮機采用斜板機構的簡諧運動，優(yōu)化了吸排氣口布置，采用了低噪音離合器，降低了振動和噪聲。由于壓縮機性能和控制得到改善，使得CVC壓縮機使用轉速比原變排量壓縮機提高了15%，連續(xù)最大轉速為8000r/min，短時最大轉速可達9200r/min。該機型結構緊湊，具有目前最高的壓縮機單位質量和單位體積排氣量，對于越來越緊湊化汽車的用戶提供了較大的使用可能性。據稱Delphi Automotive systems公司近幾年要在美國用CVC壓縮機來替代V5、V6、V7搖板式變排量壓縮機。
CVC斜板式變排量壓縮機目前共有4個規(guī)格：CVC125、CVC135、CVC165和CVC185，其中VCV125和CVC135是6缸機CVC165和CVC185是7缸機，最小排量可達7cm3
3．2 外部控制變排量壓縮機
世界首臺外部控制變排量壓縮機6SE12于1999年在Denso公司產生<4>。6SE12壓縮機基于傳統(tǒng)的內部控制斜板式變排量壓縮機7SB16，為單作用斜板式壓縮機（見圖7）。它采用外部控制閥（見圖8），由外部電信號來控制壓縮機的排量。內部控制變排量壓縮機用內部控制閥使吸氣壓力保持在一個較低的恒定溫度（一般保持蒸發(fā)溫度為0℃），往往用再熱方式提高送風溫度來保持車內的舒適性。而外部控制變排量壓縮機汽車空調系統(tǒng)根據環(huán)境溫度、發(fā)動機轉速、太陽輻射強度、車內溫度、送風溫度、送風風流以及空調模式設定等參數由汽車的控制板或者計算機來確定控制信號，再由外部（電磁）控制閥來控制壓縮機合適的排量（見圖9），這樣可以根據當時的冷負荷情況確定一個合適的吸氣壓力，不需要再熱，因此達到節(jié)能的目的。
該機型可以使排量最小變化到零，所以不需要電磁離合器對系統(tǒng)開啟和停止，因此采用結構簡單的新型阻尼限幅皮帶輪取代原來的電磁離合器皮帶輪（圖7），去掉了原來的電磁線圈，減輕了壓縮機重量。但是這樣不論汽車空調系統(tǒng)是開還是關，壓縮機一直隨發(fā)動機一起運轉，為全部連續(xù)運轉。針對這種情況，該壓縮機在軸封結構和材料上進行了改進，使得該壓縮機全部連續(xù)運行時軸封使用壽命和傳統(tǒng)變排量壓縮機部分連續(xù)運行時使用壽命相同。
4 結束語
斜盤式變排量壓縮機與定排量壓縮機相比，改變了傳統(tǒng)的離合器啟閉壓縮機的調節(jié)方式，壓縮機運行連續(xù)平穩(wěn)，不會引起汽車發(fā)動機周期性的負荷變化；空調送風溫度波動小，有利于提高國內環(huán)境的熱舒適性；可以保持幾科恒定的且略高于結霜溫度的蒸發(fā)溫度，防止了蒸發(fā)器表面結霜；降低能耗，節(jié)能燃油。斜盤式變排量壓縮機已經在歐美、日本等國家得到了廣泛的應用，近幾年我國一些廠家也開始引進生產搖板式變排量壓縮機，并且用于一些中高檔車型，相信變排量壓縮機將會在我國轎車空調中得到越來越多的應用。我們也需要對目前最先進的CVC壓縮機和外部控制變排量壓縮機進行技術引進和研制開發(fā)，以縮小我國汽車空調技術與歐美、日本等發(fā)達國家的差距。
參考文獻
1 Timothy J Skinner, Robert L Swadner. V-5 Automotive Variable Displacement Air Conditioning Compressor. SAE Congress Paper 850040
2 Kazuhiko Takai, Shigemi Shimizu, Kiyoshi Terauchi. A 7-Cylinder IVD Compressor for Automotive Air Conditioning. SAE Congress Paper 890309
3 Nishimura Y et al. Development of Two-Stage Variable Displacement Compressor for Automotive Air Conditioning. SAE Congress Paper 850039
4 Akira Kishibuchi, Michiyasu Nosaka, Tetsuhiko Fukanuma. Development of Continuous Running, Externally Controlled Variable Displacement Compressor. SAE Congress Paper 1999-01-0876
作者簡介：
田長青，男，1965年生，副教授，在讀博士，研究方向為制冷系統(tǒng)動態(tài)特性研究及系統(tǒng)優(yōu)化配置。通訊地址：100084 北京市清華大學建筑學院建筑技術科學系
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