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摘要

通過(guò)對(duì)某一變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的熱力膨脹閥的試驗(yàn)研究，得出了該膨脹閥靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值、增益及滯環(huán)、感溫包時(shí)間常數(shù)等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:熱力膨脹閥汽車空調(diào)變排量壓縮機(jī)試驗(yàn)研究

1引言

汽車空調(diào)系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變排量搖板式壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱變排量壓縮機(jī)）是根據(jù)壓縮機(jī)吸氣壓力的差值，推動(dòng)搖板改變傾斜角，從而改變活塞的行程和壓縮機(jī)主軸每轉(zhuǎn)一周的排量。所以該類變排量壓縮機(jī)改變了傳統(tǒng)的離合器啟閉壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)方式，壓縮機(jī)運(yùn)行連續(xù)平穩(wěn)，不會(huì)引起汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周期性的負(fù)荷變化，且空調(diào)送風(fēng)溫度波動(dòng)小，有利于提高車內(nèi)環(huán)境的熱舒適性；可以保持幾乎恒定且略高于結(jié)霜溫度的蒸發(fā)溫度，防止了蒸發(fā)器表面結(jié)霜，提高了系統(tǒng)除濕能力；可以降低能耗，節(jié)約燃油。從汽車空調(diào)系統(tǒng)由變排量壓縮機(jī)替代定排量壓縮機(jī)的發(fā)展總趨勢(shì)來(lái)看，變排量壓縮機(jī)將會(huì)在非獨(dú)立式汽車空調(diào)系統(tǒng)尤其是各種豪華型汽車空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

熱力膨脹閥是制冷系統(tǒng)廣泛使用的節(jié)流裝置，但是它與變排量壓縮機(jī)組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)在實(shí)際使用中出現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。At-suoInoue等人在對(duì)7缸變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)有系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象存在。美國(guó)GM公司在無(wú)級(jí)變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，也有同樣發(fā)現(xiàn)。我們對(duì)用于某一車型的變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究，為了詳細(xì)分析變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥參數(shù)之間的相互耦合對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，需要對(duì)該系統(tǒng)的熱力膨脹閥的動(dòng)態(tài)行性進(jìn)行深入地了解。

圖1為我們研究的變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)系統(tǒng)中熱力膨脹閥的結(jié)構(gòu)示意圖。該熱力膨脹閥是外平衡式，感溫包為氣體充注，且有兩點(diǎn)與常用熱力膨脹閥不同：

(1)常用熱力膨脹閥是偏壓式，而該熱力膨脹閥是平衡式的，所需的開(kāi)閥力小，閥桿受力基本不受閥進(jìn)出口壓力大小的影響。

(2)該熱力膨脹閥的靜態(tài)過(guò)熱度為負(fù)值，即當(dāng)過(guò)熱度為零時(shí)，閥也不能完全關(guān)閉，仍有一微量制冷劑流通。

圖1熱力膨脹閥的結(jié)構(gòu)

本文介紹了該熱力膨脹閥靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值、增益及滯環(huán)、感溫包時(shí)間常數(shù)的測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照J(rèn)RA2014-1996標(biāo)準(zhǔn)"汽車空調(diào)（HFC-134a）用熱力膨脹閥"和該熱力膨脹閥的廠標(biāo)進(jìn)行，試驗(yàn)工質(zhì)采用氨氣。壓力測(cè)量采用RH-ACPS-A型高性能電壓輸出型壓力傳感器，溫度測(cè)量采用經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的銅-康銅熱電偶，膨脹閥開(kāi)度測(cè)量采用DA差動(dòng)變壓器式位移傳感器，所有被測(cè)參數(shù)采用HP34970A數(shù)據(jù)采集儀巡檢記錄。

2．1靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值

圖2為靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值試驗(yàn)裝置示意圖。按照熱力膨脹閥靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值的要求安裝孔徑為1.3mm的排氣孔，將感溫包放置在溫度為0℃的冰水混凝合物中，調(diào)節(jié)壓力控制閥使閥前壓力P1恒定在1.378Mpa,讀取閥后壓力P2，即可確定靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值。

圖2靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值試驗(yàn)裝置

2．2增益及滯環(huán)

圖3為增益及滯環(huán)試驗(yàn)裝置示意圖。把感溫包放置在溫度為0℃的冰水混凝合物中，調(diào)節(jié)壓力控制閥改變外平衡管壓力來(lái)改變熱力膨脹閥開(kāi)度。氮?dú)獠唤?jīng)過(guò)熱力膨脹閥，而是直接從排氣孔中排出。先是按一定的壓力差間隔從小到大增加外平衡管壓力，測(cè)定熱力膨脹閥的開(kāi)度，然后再按一定的壓力差間隔從大到小減少外平衡管壓力，測(cè)定熱力膨脹閥的開(kāi)度。

圖3增益及滯環(huán)試驗(yàn)裝置

2．3感溫包時(shí)間常數(shù)

感溫包時(shí)間常數(shù)的測(cè)定裝置同靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值試驗(yàn)裝置，只是要把原來(lái)的一個(gè)恒溫槽改為兩個(gè)溫度不同（最少相差10℃）的恒溫槽。調(diào)節(jié)壓力控制閥使閥前壓力P1恒定在1.378Mpa,將感溫包先放置在較低溫度的恒溫槽中直至穩(wěn)定，然后將感溫包迅速?gòu)妮^低溫度的恒溫槽移至較高溫度的恒溫槽中，等穩(wěn)定后再將感溫包迅速?gòu)妮^高溫度的恒溫槽移至較低溫度的恒溫槽中直至穩(wěn)定。記錄整個(gè)過(guò)程感溫包溫度的變化和閥后壓力的變化。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3．1靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值

按照熱力膨脹閥靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值的條件，測(cè)定出來(lái)的靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值是-0.5℃，與閥樣本提供的（-0.3±0.8）℃的靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值相符。一般熱力膨脹閥的靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值為正值，而本文研究的熱力膨脹閥的靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值為負(fù)值。也就是說(shuō)，當(dāng)過(guò)熱度為零時(shí)，閥沒(méi)有完全關(guān)閉，仍有微小流量的制冷劑流過(guò)。

在對(duì)無(wú)級(jí)變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱力膨脹閥開(kāi)度變化和壓縮機(jī)搖板傾角度調(diào)節(jié)會(huì)相互作用，從而加劇系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定性。當(dāng)蒸發(fā)器負(fù)荷減小時(shí)，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度減小，熱力膨脹閥開(kāi)度和流量減??；同時(shí)蒸發(fā)壓力降低，使得壓縮機(jī)搖板傾斜角度變小乃至壓縮機(jī)排量也減小，并且由于熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)作用使得排量減少幅度增加。當(dāng)制冷劑流量很小，特別是在熱力膨脹閥突然打開(kāi)時(shí)，運(yùn)行會(huì)變得很不穩(wěn)定。所以，為了適應(yīng)無(wú)級(jí)變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的特殊要求，消除或減輕該類系統(tǒng)的振蕩問(wèn)題，則采用負(fù)靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值的方法，使得熱力膨脹閥開(kāi)度關(guān)到最小，仍有微小流量的制冷劑流過(guò)。

3．2增益及滯環(huán)

熱力膨脹閥開(kāi)度隨外平衡管壓力的變化情況見(jiàn)圖4。圖中的點(diǎn)表示試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，曲線是根據(jù)最小二乘法由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的二次擬合曲線；上面一組數(shù)據(jù)為外平衡管壓力從大到小的開(kāi)度變化，下面一組為外平衡管壓力從小至大的開(kāi)度變化。從圖中可心看出，隨著外平衡管壓力的不斷增加，使得熱力膨脹閥受到的過(guò)熱度越來(lái)越小，則開(kāi)度越變?cè)叫?。曲線的斜率稱為熱力膨脹閥的增益，表示為單位外平衡管壓力的開(kāi)度變化。兩組曲線的水平距離是膨脹閥的滯環(huán)，可以看出滯環(huán)在閥開(kāi)度的中間較大，在關(guān)閉或開(kāi)啟處較小。

圖4開(kāi)度和滯環(huán)（感溫包溫度為0℃）

研究表明，熱力膨脹閥的增益是影響制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，增益越大，系統(tǒng)越容易引起振蕩；在一定的增益范圍內(nèi)，膨脹閥的滯環(huán)也會(huì)引起系統(tǒng)的振蒎；振蕩的幅度與增益和滯環(huán)的大小成正比，所以減少膨脹閥的增長(zhǎng)率益和滯環(huán)可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3．3感溫包時(shí)間常數(shù)

閥后壓力P2隨感溫包溫度突降突升時(shí)的變化過(guò)程見(jiàn)圖5，時(shí)間常數(shù)為閥后壓力變化至其全變化量的63.2%的時(shí)間。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出，感溫包溫度突然上升時(shí)的時(shí)間常數(shù)是12s，而感溫包溫度突然下降時(shí)的時(shí)間常數(shù)是5s，因此可以看出感溫包溫度突然上升的時(shí)間常數(shù)經(jīng)感溫包溫度突然下降時(shí)的時(shí)間常數(shù)要大得多。

圖5感溫包溫度突變時(shí)P2的變化過(guò)程

熱力膨脹閥感溫包時(shí)間常數(shù)這種動(dòng)態(tài)特性是由于在感溫包中放置了一種能延滯充注工質(zhì)的氣化但對(duì)充注工質(zhì)的冷凝并無(wú)太大影響的物體，使得感溫包感受溫度由高向低變化時(shí)，其中的充注工質(zhì)在物體表面迅速液化，而在感溫包受溫度由低向高變化時(shí)，蒸發(fā)氣化較慢。在蒸發(fā)器出口過(guò)熱度突然降低時(shí)，感溫包的突降時(shí)間常數(shù)使得熱力膨脹閥很快關(guān)?。ɑ蜿P(guān)閉），避免較大的時(shí)間滯后使得有濕蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)；而當(dāng)蒸發(fā)器出口過(guò)熱度升高時(shí)，感溫包較大的上升時(shí)間常數(shù)使得熱力膨脹閥動(dòng)作滯后，起到抑制閥的調(diào)節(jié)振蕩的作用。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某一車型變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的熱力膨脹閥的試驗(yàn)研究，得出了該膨脹閥靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值、增益及滯環(huán)、感溫包時(shí)間常數(shù)等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。為了消除或減輕小制冷劑流量時(shí)的系統(tǒng)振蕩問(wèn)題，該膨脹閥采用負(fù)靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)定值；而熱力膨脹閥的增益和滯環(huán)的得出可用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性；在蒸發(fā)器出口過(guò)熱度突然降低時(shí)，感溫包溫度突然下降時(shí)的較小時(shí)間常數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)的保護(hù)，而感溫包溫度突然上升時(shí)的較大時(shí)間常數(shù)可以抑制閥的調(diào)節(jié)振蕩。本研究結(jié)果為分析變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。