汽车变排量空调压缩机的工作原理

不同于定排量压缩机(fixed displacement compressor,FDC),变排量压缩机(variable displacement compressor,VDC)可自动改变其泵送能力以满足空调的需求。当车厢温度高时,它会提高其制冷量,直到达到期望的温度。一旦达到期望的温度,它就会自动降低制冷量继续将温度维持在期望值。

使用变排量压缩机,即可减少压缩机离合器接通和断开时带来的抖动(这种情况常见于定排量压缩机)。事实上,一些变排量压缩机已经完全取消了离合器。(但另一些型号的变排量压缩机仍然保留离合器,以实现压缩机的彻底断开——译者注。)变排量压缩机的工作更加平顺,并减少燃油消耗。

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图1a 内控变排量压缩机

图1b 外控变排量压缩机

两种类型的变排量压缩机(图1a和图1b)

有两种常见的变排量压缩机类型:内控变排量压缩机(internally controlled variable displacement compressor,ICVDC)和外控变排量压缩机(externally controlled variable displacement compressor,ECVDC)。图1a展示了ICVDC,图1b展示了ECVDC。二者的内部结构基本相同,区别仅在于排量控制阀(displacement control valve)的驱动方式。在ICVDC中,控制阀通过波纹管(bellows)或隔膜(diaphragm)由压缩机吸入室(suction chamber)的制冷剂压力驱动。(波纹管在仪器仪表中应用广泛,主要用途是作为压力测量仪表的测量元件,将压力转换成位移或力——译者注。)在ECVDC中,控制阀的驱动由ECU或外置电子模块通过电磁阀执行器(solenoid actuator)完成。注意电磁阀执行器的线束(图1b)。电磁阀安装在控制阀内。

相较于ICVDC,ECVDC可以更好地控制活塞行程(排量),因此就可以更好地控制温度。这就使得ECVDC几乎不再需要离合器,见图1b。

变排量压缩机(variable displacement compressor,VDC)的内部结构(图2)

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 图2 变排量压缩机的内部结构

SHAFT:主轴

BASE PLATE:底板(阀板)

CONTROL CHAMBER:控制室(斜盘腔)

PIVOT:支点

SWASH PLATE:斜盘

PISTON:活塞

SUCTION REED VALVE:吸气阀片(低压阀)

DISCHARGE REED VALUE:排气阀片(高压阀)

SUCTION PORT:吸气接口(低压接口,接空调低压管路)

DISCHARGE PORT:排气接口(高压接口,接空调高压管路)

BELLOWS(IF INTERNALLY CONTROLLED):波纹管(内控)(此处波纹管指压力——位移转换原件,译者注)

SOLENOID(IF EXTERNALLY CONTROLLED):电磁阀(外控)

HIGH SIDE PORT:高压侧通道(排量控制阀内部)

LOW SIDE PORT:低压侧通道(排量控制阀内部)

DISPLACEMENT CONTROL VALVE:排量控制阀(DCV)

内控变排量压缩机,未加注且未运行(图3)

当压缩机未加注制冷剂时,斜盘由主轴上的弹簧保持在最小角度位置(图3)。排量控制阀中的波纹管处于伸展状态,关闭低压侧通道并打开高压侧通道。

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图3 内控变排量压缩机(未加注制冷剂)

高压侧通道(已打开);低压侧通道(已关闭);波纹管(伸展)

尽管整体压力都相同,但由于弹簧(的力量),F2仍然大于F1。

ICVDC已加注但未运行(图4)

当空调系统已经加注制冷剂且未运行时,压缩机内的所有气室(chamber)的压力都是相同的。(制冷剂的)压力使得排量调节阀中的波纹管收缩,打开低压侧通道,同时关闭高压侧通道。见图4。

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 图4 ICVDC已加注制冷剂但未运行

高压侧通道(已关闭);低压侧通道(已打开),波纹管(收缩)

制冷剂压力使波纹管收缩,关闭高压侧通道,并打开低压侧通道。

ICVDC已加注并运行——达到最大排量(图5)

斜盘(SWASH PLATE)处于略微倾斜的位置时,在压缩机的压缩室(compression chamber,即压缩机的汽缸——译者注)内会产生一个很小的排气量(图4)。在压缩机运行时,随主轴旋转的斜盘会略微摆动。这种摆动会使活塞进行短行程的往复运动。

在每个活塞的吸气冲程上,少量制冷剂经由吸气阀片(低压阀)被吸入压缩室,然后在活塞的每个压缩冲程上经由排气阀片(高压阀)将其泵出至排气室(discharge chamber)中。如此压缩机排气室的压力升高,同时吸气室(suction chamber)的压力降低。由于排量控制阀(DCV)的低压口在此阶段开启,因此相同的低压压力也进入了斜盘腔(control chamber)。

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 图5 ICVDC处于最大排量

斜盘腔内的制冷剂压力和主轴上的弹簧在每个活塞后部施加合力(F2)。随着继续泵送,会有一个时机(不会太久),每个活塞背面的力(F2)小于压缩室中制冷剂施加在每个活塞头上的力(F1)。(斜盘腔与吸气腔接通,活塞在吸气冲程时,斜盘腔的部分气体被引入吸气腔,因此斜盘腔内的压力有所降低。——译者注)

当F1大于F2时,支点(pivot)对象的活塞被合力(F1 - F2)推向图中的左侧。这就增加了斜盘的角度,当然还有活塞的行程。结果是更多的制冷剂被从吸气腔吸入,并泵出到排气腔。这进一步增加了排气腔的压力并降低吸气腔的压力。并且由于控制阀的低压侧通道在此阶段是打开的,所以斜盘腔的压力也降低了。这增加了活塞头上的合力(F1 - F2),实际上增大了斜盘角度和活塞行程。

这种容量(排量)的增加一直持续到斜盘到达最大角度位置为止。在此情况下,压缩机达到其最大容量。

ICVDC调节到最小排量(图6)

随着压缩机继续以最大容量(排量)运行,车厢温度将持续降低直到达到设定的温度。在此阶段,低压侧压力(也就是吸气腔压力)已经低至足够使排量控制阀的波纹管伸展,关闭排量控制阀的低压侧通道并打开高压侧通道。这会让高压制冷剂流入斜盘腔。在此阶段,活塞背面的力(F2)将大于活塞头上的力(F1)。这样就减少了活塞的行程。

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 图6 ICVDC在最小排量(已加注,正在运行)

燃油效率

在实际使用中,空调系统已经稳定运行,并且达到了设定的温度,活塞行程既不是最大也不是最小。压缩机处于一个能够稳定保持车厢温度的排量,只在有需求的情况下才提高排量,比如打开车门。但一旦温度稳定下来,压缩机也会回到稳定的状态。

压缩机的排量越大,转动压缩机的主轴就越困难,所消耗的发动机功率也就越高。相应地,压缩机排量越小,所需的发动机功率也就越少。更少的发动机功率需求就意味着更少的燃料消耗。在正常情况下压缩机排量不会达到最大,发动机功率的需求也就更少。因此,燃料消耗就更少。

内控变排量压缩的常见问题

我们在ICVDC上遇到的一个问题是发动机加速时不制冷,但怠速时制冷正常。使用空调歧管压力表检测,你会发现发动机在加速时,空调低压侧的压力会升高,而高压侧的压力会降低。看起来就像是压缩机的离合器切断了一样,但事实并非如此。

压缩机可能仍然有足够的泵送能力。可能只是压缩机过早地降低其容量(排量),导致在发动机加速时不制冷。这种情况有很多成因,但有一个情况可以确定……那就是排量控制阀过早地关闭了低压侧通道,并在发动机加速时打开了高压侧通道。我们(原作者)在另一篇文章中有相关的解决方案:

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===== 译 文 至 此 结 束 =====

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以下为译者搜集到的一些可能有用的相关信息,与译文无关

排练的改变是依靠摇板箱(斜盘腔)压力的改变来实现的。斜盘腔压力降低,作用在活塞上的反作用力就使斜盘倾斜一定角度,这就增加了活塞行程(即增加了压缩机排量);反之,斜盘腔压力增加,这就增加了作用在活塞背面的力,使斜盘往回移动,减小了倾角,即减小了活塞行程(也就减小了压缩机排量。

若制冷负荷增加(指流过蒸发器的空气流量加大、温度变高),压缩机吸气侧压力增加,当吸气压力超过了排量控制阀的设定值,排量控制阀将高压气体到斜盘腔的通道封死。这样就阻止了高压气体通向斜盘腔。同时从低压侧到斜盘腔的通道打开,部分斜盘腔的气体通向吸气侧,从而降低了斜盘腔内的压力,使压缩机排量增加。

在变排量压缩机制冷系统中,若制冷负荷不变,而发动机转速增加,则压缩机活塞行程减小,降低了压缩机的排量,使制冷剂流量保持不变。这样既满足了制冷负荷需求,也降低了发动机的功耗。

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