旋葉式汽車空調壓縮機啟動特性瞬態分析
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作者:ruitefapian
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發布時間: 1679天前
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在汽車空調試驗臺上,測試了標準工況下旋葉式汽車空調壓縮機從啟動到穩定過程中,吸排氣溫度、吸排氣壓力、制冷量及COP 等參數隨時間的變化關系曲線。分析了影響其啟動過程的主要因素,并提出了一些合理措施。
簡介： 在汽車空調試驗臺上,測試了標準工況下旋葉式汽車空調壓縮機從啟動到穩定過程中,吸排氣溫度、吸排氣壓力、制冷量及COP 等參數隨時間的變化關系曲線。分析了影響其啟動過程的主要因素,并提出了一些合理措施。
關鍵字：旋葉壓縮機 啟動 瞬態特性
中圖分類號: TB652 文獻標識碼: A
1 引言
汽車空調(尤其是核心部件的汽車空調壓縮機) 對改善車室內溫度環境起著重要作用。旋葉式汽車空調壓縮機以其質量輕、部件少、結構緊湊、容積效率高、啟動力矩小、運轉平穩等優點,成為小型汽車空調用壓縮機的新一代產品[1 ,2 ] 。
盡管旋葉式汽車空調壓縮機已經批量生產,但是對其研究還主要是理論分析和試驗。理論分析包括機型設計和工作過程數值模擬計算等方面;試驗主要是為了驗證實際工作工況與設計工況之間的差異, 發現并尋找解決問題的方法和途徑。因此到目前為止,對旋葉式汽車空調壓縮機啟動瞬態特性的研究還很少。
本文結合試驗, 得出了汽車空調旋葉壓縮機吸排氣溫度、壓力、制冷量及COP 隨時間的變化關系曲線,并對旋葉壓縮機啟動特性進行了較為
詳細的分析。由于汽車空調壓縮機在汽車發動機怠速情況或者行車過程中突然啟動時, 對汽車發動機輸出功率的影響比較大, 因此對旋葉壓縮機啟動特性的研究將有助于汽車空調壓縮機的設計和改進,使汽車空調啟動對汽車行駛性能的影響降低到最低程度,從而提高了乘車的舒適性。
2 測試系統
2.1 試驗方法和測量工況
在標準工況下進行壓縮機的性能測試, 試驗方法按照GB/ T 5773 - 1986 和QC/ T 660 - 2000《汽車空調(HFC134a) 用壓縮機試驗方法》的規定[3 ,4 ] ,在汽車空調壓縮機性能測試試驗臺上完成。測量結果通過數據采集系統直接在計算機上記錄,數據采集間隔時間為20s ,從而實現對壓縮機運轉工況的瞬態監測。壓縮機由變速電機驅動,也可按需要調定電機,電機和壓縮機之間用轉速轉矩計連接起來(轉速轉矩計用于測量輸入壓縮機的軸功率) 。
試驗在標準工況下進行,具體參數如下:壓縮機轉速為1800r/ min ;吸氣壓力為0. 180MPa ,對應的飽和溫度為- 1. 1 ℃;排氣壓力為1. 694MPa ,對應的飽和溫度為62. 8 ℃;吸氣溫度為7. 2 ℃;制冷劑過冷溫度為57. 8 ℃。
2.2 汽車空調壓縮機測試系統
測試系統的制冷系統由立式盤管式量熱器、立式盤管式冷凝器、開度可調節的膨脹閥、被測壓縮機、油氣分離器及干燥過濾器等部件組成,如圖1 所示。
如圖1 所示,量熱器、冷凝器的外殼均為與環境絕熱的壓力容器, 量熱器和冷凝器內的系統盤管呈等直徑螺旋狀,處于第二制冷劑的蒸汽中(量熱器) 及系統工質的冷凝液體中(冷凝器) 。量熱器中, 系統工質在管內蒸發, 管外是第二制冷劑R12 蒸汽,電加熱器浸沒在第二制冷劑的液體中;冷凝器中,系統工質在管外冷凝,水在管內流動。壓縮機的制冷量等于量熱器中的電加熱量。
3 旋葉壓縮機性能瞬態分析
3.1 吸排氣壓力
壓縮機啟動前,滑片在潤滑油的粘性作用下,粘附在滑槽中間, 滑片端部與氣缸內壁面分離。由于各個壓縮腔之間相通,使得吸排氣壓力均衡。
關閉平衡閥, 進行性能測試。壓縮機啟動后,R134a 蒸汽被壓縮,吸排氣壓力迅速上升,但是由于滑片在甩出滑槽時受到潤滑油粘度引起的粘性阻力的影響,不能實現啟動瞬間就完全甩出滑槽從而與氣缸壁面達到很好的壓力接觸。這就造成前后壓縮腔之間的氣體泄漏量很大,要達到穩定需要一段時間的運轉。這個過程是漸緩的,所以排氣壓力升高速度先快后慢。隨著壓縮機的運轉,缸體表面和潤滑油的溫度升高,制冷劑蒸汽在較高溫度下被壓縮,排氣壓力繼續升高直到標定壓力值1. 694 MPa 。整個過程約需9min。
吸、排氣壓力隨時間的變化關系如圖2 所示。對于吸氣壓力來說,由于啟動初期泄露量很大,前面高壓腔泄漏過來的氣體與后面低壓腔的氣體混和,使得低壓腔的氣體壓力升高,這個作用一直向后延續到吸氣孔口, 從而導致吸氣壓力也跟著上升,而且上升速率接近排氣壓力。上述分析可以直觀地從圖2 啟動瞬間到1min 左右的那段直線看出。當滑片在離心力、摩擦力、氣體力以及背壓力等各種作用力的綜合作用下緊貼氣缸壁形成良好的壓力接觸后,高壓腔到低壓腔的泄漏量就變得非常小,因此吸氣壓力就開始回落。同時由于量熱器的電加熱量上升,空調系統中流動的制冷劑開始完全蒸發,進入壓縮機吸氣孔口的吸氣壓力也隨之降低,最終吸氣壓力達到0. 180MPa 。吸氣壓力達到穩定的時間比排氣壓力要短得多,只需要5min 左右即可完成。
3.2 吸排氣溫度
與吸排氣壓力的變化相似,吸排氣溫度的變化也是一個逐步升高最終達到穩態的過程。唯一不同的就是溫度的升高沒有壓力變化快,而且溫度在穩定值上下波動較大。如圖3 所示,吸排氣溫度在啟動15min 以后才趨于穩定。其主要原因是由于旋葉壓縮機啟動前期,系統處于環境溫度,在壓縮機運轉過程中,工作基元封閉控制容積里的工質要與外界發生熱交換。氣缸內的熱交換過程較復雜。將工質在氣缸內的熱交換分為兩類[5] :
(1) 工質與所接觸氣缸壁的熱交換。
(2) 工質與潤滑油的熱交換。缸體壁面的溫度與排氣溫度同步上升, 當壓縮工質向外界的熱交換達到穩態時,排氣溫度也趨于穩定。
吸氣溫度開始有一段上升過程, 這主要是由于高壓腔泄露出來的高壓、高溫氣體與吸入的制冷劑蒸汽混和,使吸氣溫度升高。隨著泄露量的減小,吸氣溫度開始回落到蒸發器的蒸發溫度,并在此數值上下波動。
3.3 制冷量及COP
由于高溫、高壓氣體泄露到低壓、低溫的側基元容積中,兩者的混和加熱作用使基元容積中的氣體在較高溫度下壓縮, 增加了該基元容積向其低壓側的泄露量, 最終使壓縮機的吸入氣體量減少,從而導致制冷量減少。所以在旋葉壓縮機啟動后,其制冷量不是瞬間達到設計值,而是逐步上升。當上升到設計值附近,由于壓縮過程中的各種氣體干擾因素, 使得制冷量會隨時間上下波動而趨于穩定。制冷量Q0 隨時間的變化關系曲線見圖4 , COP 隨時間的變化關系曲線如圖5 所示。
3.4 電機轉速
試驗是在標準工況下進行, 電機轉速為1800r/ min。電機的轉速隨時間的變化關系曲線如圖6 所示[6 ] ,由圖可見約需15s 電機的速度才
可以達到1800 r/ min 的穩定狀態。
旋葉式壓縮機制冷量與轉速n 的關系為:
式中 Vs ———實際輸氣量,cm3/ r
qv ———單位容積的制冷量,kJ / m3
n ———轉速, r/ min
由于壓縮機的制冷量和轉速成正比關系, 而且限于測量系統的前20s 采樣時間未到, 因此在這段時間內,可從理論上近似地認為壓縮機的制冷量隨時間的變化關系曲線與電機轉速隨時間的變化關系曲線相似。但是由于滑片克服潤滑油粘性阻力需要較大的離心力, 加上啟動初期制冷劑氣體泄露很嚴重, 所以在轉速達到1800r/ min 的過程中及其稍后的1min 時間內,旋葉式壓縮機的制冷量為零。上述分析在圖4、5 的試驗數據曲線起始階段得到了很好的驗證。
4 結論
(1) 旋葉式汽車空調壓縮機在啟動到穩定的過程中,吸排氣壓力、吸排氣溫度和制冷量的變化都是逐步升高, 直到穩定。其中, 吸氣壓力約需5min ,排氣壓力約需9min 就可以達到穩定;而吸排氣溫度的變化速度比較緩慢,約需要15min 才趨于穩定;制冷量達到穩定大約需要8min。
(2) 壓縮機啟動初期,滑片與氣缸壁面不能形成良好的壓力接觸,所以泄漏嚴重,這是影響啟動過程的主要因素, 在吸排氣壓力參數變化上可以
得到很好的驗證(影響吸排氣溫度的主要因素是氣缸內的熱交換) 。
(3) 為了使旋葉壓縮機在很短的時間內達到穩定,可以使用粘度較小的潤滑油,減小啟動初期的泄漏量;同時盡量在環境溫度較高的情況下啟動,減少基元控制容積中的傳熱量。
參考文獻:
[1]王宜義,王軍. 汽車空調[M] . 西安交通大學出版社,2000.
[2] 郭蓓. 旋葉式汽車空調壓縮機的熱動力性能研究[D] . 西安交通大學,2000.
[3] GB/ T 577321986. 容積式制冷壓縮機性能試驗方法[ S] . 中華人民共和國國家標準, 1986.
[4] QC/ T 66022000. 汽車空調(HFC134a) 用壓縮機試驗方法[ S] . 中華人民共和國機械行業標準,2000.
[5] 馬國遠,李紅旗. 旋轉壓縮機[M] . 機械工業出版社,2001.
[6] Al-Bedoor B O ,Moustafa K A ,Al-Hussain KM. Predicting the fatigue life of synchronous motor2driven compressorusing the complex modal reduction technique[J ] . Computer methods in applied mechanics and engineering , 2000 ,187 :53-68.
[7] Dufour R ,Der Hagoplan J ,Lalanne M. Transient and steady state dynamic behavior of single cylinder compressors prediction and experiments[J ] . Journal of Sound and Vibration , 1995 , 181(1) :23-41.
