外部控制閥
外部控制閥設(shè)計
外部控制閥研制思路為保持五缸搖板式變排量壓縮機主體結(jié)構(gòu)，在原有內(nèi)部控制閥基礎(chǔ)上進行開發(fā)。保留原內(nèi)部控制閥閥體流道、閥桿、球閥、錐閥及密封組件，將原有內(nèi)部控制閥的真空波紋管改用外部動力驅(qū)動裝置，通過傳動桿將外部驅(qū)動力傳遞給閥桿。
根據(jù)驅(qū)動方式不同，外部控制閥可選用電磁式和電動式兩種方式。電磁式外部控制閥是通過控制電磁線圈上的電流大小，改變鐵芯傳動桿的推力及作用在傳動桿上的彈簧力，從而改變控制閥的開度;電動式外部控制閥則是通過改變步進電機的脈沖數(shù)，使傳動桿向上或向下運動，從而改變控制閥的開度。電動式外部控制閥的驅(qū)動元件是步進電機，它具有足夠驅(qū)動力，可控制范圍寬，且脈沖信號與開度之間的線性關(guān)系良好，反應(yīng)速度快，可實現(xiàn)細微控制，工質(zhì)回路呈密閉結(jié)構(gòu)且與電氣回路分離，安全可靠，因此本文采用電動式外部控制閥方案。
對于外部控制閥的驅(qū)動裝置，利用微電腦產(chǎn)生脈沖，將脈沖送入驅(qū)動電路中，分別給各相線圈施加驅(qū)動電壓。利用研制的驅(qū)動電路，可根據(jù)汽車空調(diào)外部參數(shù)變化通過微電腦模擬計算出需要脈沖數(shù)或手動調(diào)節(jié)脈沖數(shù)，驅(qū)動步進電機改變控制閥開度。
外部控制閥特性研究
實驗系統(tǒng)
為了研究外部控制閥特性及驗證其數(shù)學(xué)模型，建立了外部控制閥實驗裝置。采用與實際壓縮機吸氣腔、搖板箱和排氣腔相同容積的三個容器來模擬控制閥實際工況，排氣壓力和吸氣壓力由各自單獨的氣源加上恒壓閥分別進行調(diào)節(jié)。通過控制器改變步進電機脈沖數(shù)來控制外部控制閥開度。排氣腔壓力Pd、吸氣腔壓力Ps和搖板箱壓力Pw分別采用電壓輸出型壓力傳感器測量，其測壓精度為±0.1%。利用建立的數(shù)學(xué)模型和實驗裝置，對外部控制閥特性進行了模擬分析和實驗研究，詳細內(nèi)容見文獻[8]。
外控式變排量壓縮機
將開發(fā)的外部控制閥及其驅(qū)動裝置安裝于五缸搖板式變排量壓縮機本體中，就組成了外控式五缸搖板式變排量壓縮機。
模擬分析
建立外控式變排量壓縮機數(shù)學(xué)模型，對開發(fā)的外控式變排量壓縮機進行穩(wěn)態(tài)特性分析。
(1)數(shù)學(xué)模型
傳統(tǒng)定活塞行程壓縮機數(shù)學(xué)模型，由于其活塞行程不變，所以模型建立主要側(cè)重于壓縮過程的變化規(guī)律;對于定活塞行程變頻壓縮機模型僅需增加頻率對壓縮機性能的影響。而汽車空調(diào)用搖板式變排量壓縮機，由于壓縮機轉(zhuǎn)速作為外擾量不可控而采用活塞行程調(diào)節(jié)來實現(xiàn)壓縮機無級變?nèi)荩該u板式變排量壓縮機模型比傳統(tǒng)定活塞行程壓縮機模型復(fù)雜。
通過分析外控式搖板式變排量壓縮機的控制機理，本文提出其數(shù)學(xué)模型由控制閥模型、運動部件動力學(xué)模型和壓縮過程模型三部分有機組成?？刂崎y數(shù)學(xué)模型用于根據(jù)脈沖數(shù)N、排氣壓力Pd和吸氣壓力Ps確定搖板箱壓力Pw;壓縮機運動部件動力學(xué)模型根據(jù)排氣壓力、吸氣壓力、搖板箱壓力和壓縮機轉(zhuǎn)速Nc確定活塞行程Sp;壓縮過程模型則是根據(jù)排氣壓力、吸氣壓力、吸氣溫度Ts、活塞行程和壓縮機轉(zhuǎn)速來確定壓縮機制冷劑流量Mr和排氣溫度Td。在建模過程中側(cè)重于活塞行程變化這個關(guān)鍵問題，對與活塞行程變化有關(guān)的控制閥模型和壓縮機運動部件模型采用理論分析加實驗驗證的方法重點分析，對壓縮過程采用實驗方法簡單建模。詳細數(shù)學(xué)模型及其實驗驗證見文獻[9]。
(2)性能模擬分析
利用建立的數(shù)學(xué)模型，對外控式五缸搖板式變排量壓縮機在定轉(zhuǎn)速變行程和變轉(zhuǎn)速變行程兩種情況下的活塞行程和制冷劑流量變化規(guī)律進行模擬分析。形成調(diào)節(jié)滯區(qū)的原因是運動部件存在摩擦力(主要是軸套同主軸之間的摩擦力)，由于其在行程增大和減小時方向不同，則造成在相同的壓縮機轉(zhuǎn)速和活塞行程情況下活塞行程增大時的臨界脈沖數(shù)小于活塞行程減小時的臨界值，即Ncu
活塞行程的調(diào)節(jié)滯區(qū)也就引起壓縮機其它參數(shù)的調(diào)節(jié)滯區(qū)，圖5(b)表示了外控式搖板式變排量壓縮機制冷劑質(zhì)量流量Mr的調(diào)節(jié)滯區(qū)。對于某一確定行程(如最大行程)，壓縮機的制冷劑流量為一條曲線，相當(dāng)于定轉(zhuǎn)速定行程壓縮機的制冷劑流量特性。不同行程流量曲線組合就形成了制冷劑質(zhì)量流量的一個區(qū)域，這樣由于變行程的原因，使得原來定轉(zhuǎn)速定行程制冷劑質(zhì)量流量一條曲線的一一對應(yīng)關(guān)系，變成了一個多值對應(yīng)關(guān)系。
對于外部控制壓縮機，控制閥開度調(diào)節(jié)由外部輸入脈沖數(shù)確定，而不依靠吸氣壓力，這樣吸氣壓力就可以在更大范圍內(nèi)變化。例如可以在車內(nèi)空調(diào)熱濕負荷較小時，采用較高的吸氣壓力，在保證室內(nèi)舒適性的同時可節(jié)省油耗。
動態(tài)特性實驗研究
建立了外控式變排量壓縮機的實驗系統(tǒng)，對壓縮機活塞行程和制冷劑流量等參數(shù)隨外部控制閥開度、壓縮機轉(zhuǎn)速、排氣壓力和吸氣壓力的動態(tài)變化進行觀測。
(1)外部控制閥開度突然變化
圖7(a)表示了當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速2000r/min時，外部控制閥脈沖突然從40到50，再由50到60，然后從60脈沖回到40脈沖時的變化情況。從圖7(a)可以看出，當(dāng)外部控制閥脈沖數(shù)和開度增大時，排氣壓力Pd下降,搖板箱壓力Pw和吸氣壓力Ps上升,活塞行程Sp減小(從19.1mm減少到16.8mm)，制冷劑質(zhì)量流量Mr先突降然后又回升。當(dāng)外部控制閥脈沖數(shù)和開度減小時，排氣壓力上升,搖板箱壓力和吸氣壓力下降,活塞行程增大，制冷劑質(zhì)量流量先突升然后又降低,活塞行程從16.8mm增加到18.75mm。
當(dāng)脈沖數(shù)增加時，傳動桿推動閥桿開大球閥，關(guān)小錐閥，這樣使得搖板箱壓力升高，從而減小了活塞行程，活塞行程的減小使得制冷劑質(zhì)量流量下降，這樣吸氣壓力上升。當(dāng)脈沖數(shù)減少時的情況正相反。在變行程情況下制冷劑流量有一定的回調(diào)現(xiàn)象。
(2)壓縮機轉(zhuǎn)速突然變化
圖7(b)表示了當(dāng)外部控制閥脈沖數(shù)為20時，壓縮機轉(zhuǎn)速Nc先從1550r/min突降到1110r/min，然后又突升到2000r/min時的變化情況。當(dāng)Nc突降時，排氣壓力Pd和搖板箱壓力Pw下降，活塞行程Sp增加，制冷劑質(zhì)量流量Mr先突降然后又回升，吸氣壓力Ps先升后降，行程Sp從25.4mm增加到27.6mm。轉(zhuǎn)速突升時，Pd、Pw上升，Sp減少，Mr先突升然后又降低，Ps先降后升，行程Sp從27.6mm減少到23.19mm。
當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速突降時，制冷劑質(zhì)量流量會突然降低，使得吸氣壓力升高，排氣壓力和搖板箱壓力下降。由于外部控制閥開度保持不變，這樣使得搖板箱和吸氣腔壓力差減小，從而增加了活塞行程;活塞行程的增加又使突降的制冷劑流量回升，這樣吸氣壓力回落，所以出現(xiàn)制冷劑質(zhì)量流量先降后升，而吸氣壓力先升后降的情況。壓縮機轉(zhuǎn)速突升時情況正相反。
(3)排氣壓力突然變化
采用開關(guān)排氣調(diào)節(jié)閥的方法來實現(xiàn)排氣壓力的階躍變化。圖7(c)為當(dāng)外部控制閥脈沖數(shù)為40和壓縮機轉(zhuǎn)速1550r/min時排氣調(diào)節(jié)閥先關(guān)后開的一個變化過程。當(dāng)關(guān)小排氣調(diào)節(jié)閥時，Mr降低，同時Pd和Ps上升，Pw與Ps的差值減少，活塞行程增大，這樣又使得Mr回升，Pd和Ps降低，Pw升高，所以Pd和Ps經(jīng)歷了一個先升后降的過程，而Pw和Mr經(jīng)歷了一個先降后升的過程，制冷劑流量同樣出現(xiàn)有較大回調(diào)的現(xiàn)象。開大排氣調(diào)節(jié)閥時情況正好相反。
(4)吸氣壓力突然變化
采用開關(guān)吸氣調(diào)節(jié)閥的方法來實現(xiàn)吸氣壓力的階躍變化。圖7(d)為當(dāng)外部控制閥脈沖數(shù)為40和壓縮機轉(zhuǎn)速1600r/min時吸氣調(diào)節(jié)閥先關(guān)再開的變化過程，可以看出各參數(shù)沒有純滯后和漸變過程，幾乎隨著吸氣調(diào)節(jié)閥的開大關(guān)小一起變化。
從圖7(a)～圖7(d)可知，當(dāng)影響壓縮機行程變化的輸入?yún)?shù)外部控制閥開度、壓縮機轉(zhuǎn)速、排氣壓力和吸氣壓力突然變化時，變排量壓縮機活塞行程、排量等參數(shù)幾乎沒有純滯后和漸變過程。
總結(jié)：本文提出變排量壓縮機電動式外控驅(qū)動方案，以五缸搖板式變排量壓縮機本體為基礎(chǔ)，研制開發(fā)出外部控制閥及其外控式變排量壓縮機。建立了外部控制閥的數(shù)學(xué)模型和實驗裝置，在此基礎(chǔ)上建立了外控式搖板式變排量壓縮機的數(shù)學(xué)模型。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)外控式變排量壓縮機存在由于運動部件摩擦力引起的行程調(diào)節(jié)滯區(qū)。采用實驗方法對外控式搖板式變排量壓縮機動態(tài)特性進行了研究。動態(tài)實驗結(jié)果表明，活塞行程和制冷劑質(zhì)量流量等參數(shù)隨壓縮機外部參數(shù)突變的動態(tài)響應(yīng)時間很短，可以忽略不計。下一步研究工作需要提出變排量壓縮機汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的外部控制策略，開發(fā)出變排量壓縮機汽車空調(diào)系統(tǒng)的外部控制系統(tǒng)，為該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
