文章编号：CAR175
田长青1李先庭2石文星2
（1.中国科学院理化技术研究所，北京 100190； 2.清华大学建筑学院，北京 100084）
摘 要轿车空调用斜盘式变排量压缩机正在经历由摇板式向斜板式、由内控式向外控式的转换。本文在对斜盘式变排量压缩机发展回顾的基础上，介绍了我们在内控摇板式、内控斜板式和外控式变排量压缩机方面的研究工作，主要包括活塞行程测量方法与装置、特性实验研究、模拟分析和应用研究与开发。 关键词变排量压缩机摇板式斜板式内控式外控式轿车空调
PERFORMANCE ANALYSIS AND DEVELOPMENT OF VARIABLE DISPLACEMENT COMPRESSOR FOR CAR AIR CONDITIONER
Tian Changqing1Li Xianting2 Shi Wenxing2
（1 Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190；
2 School of Architecture, Tsinghua University, Beijing, 100084）
Abstract Variable displacement compressors for car air conditioning systems are being transformed from wobble plate type to swash plate type, and from internally controlled to externally controlled. On the basis of historical review of the variable displacement compressors, this paper presents our researches on the internally controlled wobble plate compressor, internally controlled swash plate compressor, and externally controlled compressor. The research results include mainly the measurement method and device of piston stroke length, experimental investigation, numerical modeling, and technical development and application.
Keywords Variable displacement compressor Wobble plate type Swash plate type Internally controlled Externally controlled Car air conditioner
0 前言
轿车空调压缩机是由发动机直连驱动的，对于定排量压缩机轿车空调系统，用蒸发器出风温度来控制电磁离合器吸合或脱离，用间歇运行来控制系统制冷能力和车内空调负荷相适应。这种控制方式除了车内空调温度波动大，系统频繁开停的不可逆损失使系统能耗增加等缺点外，最大一个问题是压缩机周期性离合对轿车发动机引起的干扰，这种情况在轿车发动机容量较小时显得更为突出。为了解决这
个问题，变排量压缩机应运而生。
轿车空调用变排量压缩机按照结构型式分斜盘式、滚动活塞式、螺杆式、旋片式、涡旋式等机型[1]，其中斜盘式变排量压缩机目前应用最多。斜
作者简介：田长青，（1965- ），男，博士，研究员，博士生导师盘式变排量压缩机按照排量控制方式，分内控式和外控式压缩机；按照斜盘结构不同分为摇摆斜盘式（wobble plate type，简称摇板式）和回转斜板式（swash plate type，简称斜板式）两种结构。目前，斜盘式变排量压缩机应用正在经历由摇板式压缩机向斜板式压缩机、由内控式向外控式的转换。
本文在对轿车空调用斜盘式变排量压缩机发展回顾的基础上，介绍我们近年来在轿车空调用斜盘式变排量压缩机的研究工作。
1 内控摇板式变排量压缩机
世界上首台变排量压缩机由美国GM公司Harrison散热器部（现在的Delphi Automotive systems公司）于二十世纪八十年代研制成功，为V5变排量摇板式压缩机。随后日本Sanden公司、
日本柴油机器公司也开始生产摇板式变排量压缩机。我国最早于上一世纪九十年代引进国外技术开始批量生产。
V5变排量压缩机主要由摇板、轴颈、滑动轴套、活塞、活塞杆等部件组成。活塞通过活塞杆连接到摇板上，摇板把轴颈和主轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动（图1）[2]。安装在压缩机后盖中的内部控制阀根据排气压力和吸气压力调节摇板箱压力，三个气体力作用于摇板，当空调负荷增大时，活塞位移和压缩机排量就增加，反之活塞位移和压缩机排量就减小。
图1 V5变排量摇板式压缩机结构图
1.1 活塞行程测量方法与装置
由于变排量压缩机是通过改变活塞行程进行容量调节，所以其稳态和动态特性都与活塞行程有关。但是该类压缩机变行程机构受力十分复杂，无法通过受力分析来准确计算出活塞行程变化，所以只能采用测量方式得出活塞行程。而摇板和活塞是在压缩机铝制密闭壳体内部，无法采用象激光干涉等光学
测试手段来测量活塞行程，而采用超声波测量方式系统复杂、设备昂贵。我们根据变排量压缩机结构特点，提出了一种变排量压缩机活塞行程测量方法并研制出测量装置（图2）[3]。该测量方法确定较易测量的轴颈插销位移作为测量参数，然后根据活塞部件几何关系推导出活塞行程与轴颈插销位移的函数关系，从而计算出活塞行程。使用情况证明该测量方法可以很好地得出活塞行程的大小和变化情况，是一种简单、可靠、方便的活塞行程测量方式。该测量方法的提出解决了变排量压缩机研究的技术瓶颈问题，为后续研究工作提供了有力的测试手段。
图2 活塞行程测量装置图
1.2 压缩机特性实验研究
采用研制的行程测量装置，建立了变排量压缩机特性实验系统。根据大量实验结果，得出了部分
排量时的相对容积效率
v
η与相对活塞行程p S的关系式[4]：
p
v
1.00.545log S
η=+(1)
以及相对指示效率
i
η和相对活塞行程的线性关系式[4]：
p
0.580.4
i
S
η=+(2) 对恒定空调负荷情况下压缩机调节特性和渐变空调负荷渐变情况下活塞行程、制冷剂质量流量、压力等参数变化进行了实验研究[4]。图3为空调负荷基本恒定时，压缩机转速N c从1050 r/min升高到3900 r/min，又降低到1200 r/min一共16个转速点下的压缩机参数状况。在空调负荷恒定的情况下，随着压缩机转速提高，摇板箱压力p w和吸气压力p s之差增加，推动摇板倾斜角和活塞行程S p减少；但是压缩机出口制冷剂质量流量M r在可变活塞行程范围内变化很小，吸气压力p s在可变活塞行程范围内几乎保持恒定，表现出良好的容量调节特性。
图3 压缩机调节特性测试结果
1.3 调节滞区
实验中首次观测到变排量压缩机存在调节滞区（图4）[5]。在某一行程下，行程增大时临界吸气压力p s,cu大于行程减小时临界吸气压力p s,cd。且只有p s>p s,cu时，S p才会增大；只有p s<p s,cd时，S p 才会减小；而当p s,cd≤p s≤p s,cu，S p不会发生变化，即形成一个调节滞段。则对于整个行程范围，就形成了一个调节滞区，变行程情况压缩机稳态状态点应该全部落在调节滞区闭区间中。形成调节滞区的原因是运动部件（如轴套同主轴之间）存在摩擦力，该摩擦力在行程增大和减小时方向不同，则造成在相同的压缩机转速和摇板角情况下p s,cu大于p s,cd，从而形成调节滞区。
变排量压缩机调节滞区会影响到活塞行程调节精度和灵敏度，吸气压力乃至蒸发压力会在一个范围内变化，这将影响系统除湿性能，甚至会造成蒸发器结霜。所以在设计、制造和使用变排量压缩机时，需要提高运动部件的加工精度和装配精度，并保证运动接触面良好润滑，以减少调节滞区对压缩机性能的影响。
图4 变排量压缩机“调节滞区”
1.4 模拟分析
内控摇板式变排量压缩机数学模型由控制阀模型、运动部件动力学模型和压缩过程模型组成。
1.4.1 控制阀模型
从受力方程、质量守恒方程和能量守恒方程出发，建立控制阀数学模型；开发了控制阀测量装置，取得的实验数据对数学模型进行了验证。控制阀数学模型详见文献[6]。
1.4.2 运动部件动力学模型[7]
在变排量压缩机数学模型中，运动部件动力学模型是核心内容，需要对变排量压缩机各运动部件(活塞、活塞杆、摇板、轴颈和轴套)进行受力分析。图5为运动部件受力分析简图，从图可以看出，压缩机活塞右侧有排气压力和吸气压力，总压力为PD和PS，方向是由右向左的，它们推动摇板/轴颈向增大摇板角方向变化；在活塞左侧是摇板箱压力，其总压力为PW，它推动摇板/轴颈向减小摇板角方向变化，此外还有运动部件（如主轴和轴套）之间的摩擦力矩M f和运动部件的惯性力矩M i。上述几个主要的力和力矩推动摇板/轴颈绕在腰形槽内
运动的滑动接头旋转，造成压缩机摇板角的变化。
图5 运动部件受力分析简图
要减小摇板角，上述几个主要的力需要满足：
d s w i
PD L PS L PW L M M
⋅+⋅−⋅++≤
f
(3)
要增加摇板角，上述几个主要的力需要满足：
d s w i
PD L PS L PW L M M
⋅+⋅−⋅−+≥
f
(4)
由于增加和减小摇板角时，摩擦力反向，因此增加和减小摇板角度摩擦力矩的方向相反。公式中取等号时的压力为摇板角变化的临界压力。
对轴套进行具体的受力分析（见图6），轴套力、力矩平衡方程为：
图6 轴套受力分析
当摇板角增加时：
12vjy vjy F F θθ= (5)
112121122212112210100101200sin sin 00cos cos sv x vjx sv y vjy sv x sv sv sv sv sv sv sv sv sv y sv sv sv sv sv sv sv sv F F F F F l l f r f r F l l f r f r θθθθθθθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⋅=⎢⎥⎢⎥⎢⎥
−⋅⋅+⋅⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥
−−⋅⋅−⋅⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣
⎦⎣⎦⎣⎦ (6) 1212z vjz vjz sv sv spvz F F F f f F θθ=+−−− (7)
当摇板角减小时：
12vjy vjy F F θθ= (8)
空调用制冷技术
112121122212112210100101200sin sin 00cos cos sv x vjx sv y vjy sv x sv sv sv sv sv sv sv sv sv y sv sv sv sv sv sv sv sv F F F F F l l f r f r F l l f r f r θθθθ
θθθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⋅=⎢⎥⎢⎥⎢⎥
−−⋅⋅−⋅⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥
−⋅⋅+⋅⋅⎢⎥⎢
⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ (9) 1212z vjz vjz sv sv spvz F F F f f F θθ=+++− (10)
同样对活塞、活塞杆、摇板和轴颈也进行了受
力分析。 1.4.3 压缩过程模型 压缩过程模型包括全排量和部分排量情况下变排量压缩机的容积效率和指示效率。虽然压缩机容积效率和指示效率可以直接表示为概念明确的
解析式，但是解析式中的参数很难精确给定，所以本文根据实验数据采用多项式数据拟合方法得出变排量压缩机的容积效率和指示效率。压缩过程模型详见文献[7]。 1.4.4 变排量压缩机模型与模拟方法 根据变排量压缩机的控制机理和结构特点，建立了压缩机模型关系图（图7）[7]。首先建立控制阀数学模型，确定摇板箱压力p w 随排气压力p d 和
吸气压力p s 的变化规律；然后建立压缩机运动部件
动力学模型确定活塞行程S p 与排气压力p d 、吸气
压力p s 、摇板箱压力p w 和压缩机转速N c 的关系；
再通过压缩过程模型由排气压力、吸气压力、吸气
温度、活塞行程和压缩机转速来确定压缩机制冷剂
流量M r 和排气温度T d 。这样控制阀模型、运动部
件动力学模型和压缩过程模型根据图7参数关系就组成了变排量压缩机的数学模型。
M r T d
图7 压缩机模型关系图
采用变排量压缩机数学模型进行数值计算时，首先采用控制阀数学模型，计算出给定排气压力和吸气
压力的摇板箱压力。以上各部件受力和力矩平衡方程，加上控制阀数学模型联立求解，在给定排气压力、摇板角和压缩机转速情况下，可以解出各部件上受力以及假想力F z 。当假想力F z ＝0时的吸气压力就是压
缩机行程改变时的临界吸气压力，对应于该临界吸气压力可以得出一个临界摇板箱压力。 模拟结果与实验数据进行了比较，表明建立的
变排量压缩机数学模型具有很好的计算精度，可以
用于对压缩机特性的定量分析[7]。 1.4.5 模拟结果 采用建立的变排量压缩机模型，模拟分析了定转速定行程、变转速定行程、定转速变行程和变转
速变行程四种情况下压缩机活塞行程和制冷剂流量的变化规律[7]。图8为定转速变行程情况下压缩机参数模拟结果。模拟结果与实验结果（图4）相同，活塞行程存在调节滞区，且调节滞区受排气压
力、压缩机转速和部件之间摩擦力的影响。 1.5应用研究
在内控摇板式变排量压缩机的研究结果基础上，我们对由其组成的汽车空调系统的特性进行了实验研究和模拟分析。包括：（1）变排量压缩机汽车空调系统性能带模拟分析[8]；由于变排量压缩机
存在调节滞区，所以其组成的汽车空调系统就存在相应的性能带；（2）变排量压缩机汽车空调蒸发器
结霜原因分析[9]；主要原因有系统性能带、控制阀设定值与吸气管道阻力不匹配、以及高环境温度；（3）变排量压缩机汽车空调系统动态特性模拟分析[10]；（4）变排量压缩机汽车空调系统稳定性分析，包括实验研究[11]和模拟分析[12]。
(a) 活塞行程S p -吸气压力p s
(b) 流量M r-吸气压力p s
图8 压缩机性能模拟结果
内控摇板式变排量压缩机的研究工作已与国内汽车空调压缩机厂家进行了多年合作，活塞行程测量方法、控制阀特性分析、压缩机运动部件受力分析、汽车空调系统蒸发器结霜分析、汽车空调系统稳定性等研究成果已应用于企业压缩机产品性能升级和产品批量生产中。
2 内控斜板式变排量压缩机
日本Denso 公司是研究生产内控斜板式变排量压缩机较早并保持领先技术的公司[13]，7SB16是其代表机型。随后，日本Sanden 、美国Delphi等公司也相继开发出这种机型。图9为一典型内控斜板式变排量压缩机结构图。可以看出，斜板式压缩机不
图9 内控斜板式变排量压缩机结构图
像摇板式压缩机中摇板与活塞采用活塞杆连接，而是取消了活塞杆，斜板直接插入活塞中，所以与摇板式压缩机相比，斜板式压缩机具有结构简单、噪音低、高速性能好的优点，已在国内外汽车空调系统中得到了越来越多的应用。 2.1 实验研究[14]
采用与内控摇板式变排量压缩机相似的方法，开发了斜板式压缩机的活塞行程测量装置。通过分析斜板式变排量压缩机结构和运动部件的几何关系，发现在压缩机排量改变时，主轴水平方向两条母线和斜板相交所得两个线段的中点的连线始终沿主轴在水平方向滑动，而这一连线的中点和活塞行程有一一对应关系。制作测量装置得出这个连线中点的位移，然后根据几何关系计算出活塞行程。
采用研制的行程测量装置，建立了压缩机性能实验台和汽车空调性能实验系统，对压缩机容积效率、活塞行程、排量控制和动态特性进行了实验研究。
图10为压缩机转速N c先从1500 r/min突升到1800 r/min，然后又突降到1200 r/min时的变化情况。当N c突升时，排气压力p d和斜板箱压力p sc突升，吸气压力P s先降后升，两次以后趋于稳定，活塞行程S p减少，制冷剂质量流量M r先突升然后回落，回落到比初始值更低的水平，然后再回升到比突升前略高的水平。行程S p从18.25mm减小到16.72mm。当N c突降时，各参数变化规律相反；p d 和p sc下降，p s先升后降，逐渐趋于稳定，S p增加，M r先降低然后回升，两次以后稳定在比转速突降前略
低的水平，行程S p从16.72mm增加到21.51mm。
从图10中可以看出，在压缩机转速突升突降的过程中，各参数跟随转速一起变化，动态响应时间在5秒以内，几乎没有纯滞后。
2.2 模拟分析
与内控摇板式变排量压缩机相同，内控斜板式变排量压缩机的数学模型同样由控制阀模型、压缩机运动部件动力学模型和压缩过程模型组成。
这里采用质量流量补偿阀作为内部控制阀。在质量流量补偿阀受力分析基础上，根据质量守恒和能量守恒方程，建立控制阀的数学模型，并采用实验数据进行验证和修正[15]。
对主要运动部件（活塞组件和斜板组件）进行受力分析，建立运动部件动力学模型[16]。
根据建立的斜板式变排量压缩机数学模型，对活塞行程与流量的变化规律进行模拟分析[16]。图11为不同转速情况下压缩机参数变化模拟结果。斜板式变排量压缩机同样存在调节滞区，S p-p s调节滞区随着转速的增加向左（p s减小方向）移动，M r-p s
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