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汽车空调论文|轿车空调用斜盘式变排量压缩机的发展
【关键词】压缩机
【论文摘要】对轿车空调用摇板式和斜板式变排量压缩机的发展进行了回顾，并对最新推出的CVC压缩机和外部控制斜板式变排量压缩机进行了介绍。
1引言
轿车空调压缩机是由发动机直连驱动的，对于定排量压缩机汽车空调系统，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，系统的频繁开停的不可逆损失使系统能耗增加等缺点外，最大的一个问题是压缩机的周期性离合对汽车发动机引起的干扰，这种情况在汽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，其中斜盘式变排量压缩机目前应用最多。斜盘式变排量压缩机有摇摆斜盘式（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。本文对摇板式和斜板式变排量压缩机的发展进行回顾，并介绍其最新的发展情况。
2发展回顾
2.1摇板式变排量压缩机
1960年美国人P.B.Loomis申请了可变角度摇板的专利。二十多年后，美国GM公司Harrison散热器部(现在的Delphi Automotive systems公司)于1983年研制成功了首台无级变排量摇板式压缩机----V5变排量压缩机， 并于1985年8月在高级轿车上使用［1］。
图1为V5变排量压缩机的结构图。它共有5个气缸，是摇摆斜盘结构，其中摇摆斜盘用双向球形连杆与活塞连接，它的基本元件主要有轴和驱动凸耳部件、滑动轴套、旋转轴颈、和将轴劲旋转运动转换成活塞直线运动的摇板等。内部控制阀在压缩机的后盖中（见图2），它主要由锥阀和球阀构成；锥阀控制摇板箱与吸气腔（波纹管室）之间的通道，球阀控制排气腔与摇板箱之间的通道，锥阀和球阀通过阀杆建立联系，从而使两个阀的开度呈互补关系；排气压力影响控制阀设定值的变化，承受着排气压力的升高，设定值降低；吸气压力与设定值比较,推动控制阀杆运动，改变锥阀和球阀的开度，进而改变摇板箱与排气腔间及其摇板箱与吸气腔间的流通阻力从而改变摇板箱压力与吸气压力之差；该压力差推动摇摆斜盘的倾斜角的变化，从而改变压缩机制活塞行程，使压缩机的排量改变。可见V5变排量压缩机根据车内负荷变化改变空调系统的制冷量，改变了传统的离合器启闭压缩机的调节方式，实现了系统平稳连续运行，不会引起汽车发动机周期性的负荷变化。但是其空调系统仍保留了电磁离合器，在汽车空调系统停止使用时离合器脱离可以使压缩机停止运转，这样压缩机为部分连续运转。V5变排量压缩机的最大排量为156cm3，最小排量为10cm3，即最小排量可以降到最大排量的6%。
在V5变排量压缩机开发研究和推广应用的基础上，Delphi Automotive systems 公司又相继推出了V6、V7变排量压缩机。V6变排量压缩机是6缸压缩机，最大排量为184cm3，最小排量为10cm3；V7变排量压缩机是7缸压缩机，最大排量为179cm3,最小排量为10cm3，即这两种机型的最小排量约为最大排量的6%。V6和V7变排量压缩机与V5压缩机除气缸数量和大小有区别外，主体结构与V5变排量压缩机基本相同，内部控制阀结构和变排量控制机理也与其一样。
1985年日本Sanden公司开始开发摇板式变排量压缩机<2>，图3为该公司推出的SDV710变排量压缩机结构，该压缩机是以技术成熟的定排量压缩机SD7系列为基础根据变排量原理研制而成。与V5机型相比，简化了变摇板角度机构和摇板防旋转机构，且内部控制阀的结构和控制原理也不同。排气通过一个固定管径的节流短管从排气腔到摇板箱，从而改善了低排量情况下的控制阀的动作反应。内部控制阀安装在阀板的中心（见图4），波纹管伸缩由摇板箱压力控制，控制阀的开关受波纹管（即摇板箱压力Pc）、排气压力Pd、以及吸气压力Ps共同作用的控制。采用排气压力推杆可以调节波纹管阀的开阀压力，这样可以补偿大负荷时压缩机吸入管道的压力降增大引起的蒸发温度增高，使蒸发温度保持一个合适的温度。SDV710变排量压缩机最大排量161cm3，摇板角度可以从1.5°到24°，使排量从6%到100%变化。
另外，日本柴油机器公司等其他公司也生产变排量摇板式压缩机。
2．2 斜板式变排量压缩机
日本电装公司1983年研制成10P-V型两级变容量10缸机，该压缩机是各有相同的气缸布置在斜板两侧，即为双作用型式。可以通过打开后部气缸的排气阀，使排气腔与吸气腔相通，以此实现50%的气缸卸载。该机可实现50%载荷下起动，并可在高速下节能30%<3>。1983年8月以后开始用在Toyota轿车上。
Ｄenso公司开发了７ＳＢ１６斜板式变排量压缩机，其结构见图５<4>。这种压缩机只在一侧布置气缸，为单作用型式。在主轴上装有回转斜板，当主轴旋转时，斜板回转，通过滑盘推动活塞作往复运动。变排量原理同摇板式变排量压缩机，即仍是利用斜板箱压力与吸气压力之差推动斜板的倾斜角的变化，从而改变压缩机的活塞行程，使压缩机的排量改变。内部控制阀结构与V5变排量压缩机类似。
3 最新进展
3．1 CVC压缩机
CVC（Compact Variable Compressors）压缩机是近两年Delphi Automotive systems公司推出的新一代变排量压缩机，现在法国、匈牙利、日本、美国和巴西均有厂家生产，使用用户有Opel、Nissan、BMW、Volkswagen、Renault等。
图6为CVC斜板式变排量压缩机结构。这种压缩机也是单作用型式，变排量原理同摇板式变排量压缩机，内部控制阀结构与V5变排量压缩机类似。该压缩机采用斜板机构的简谐运动，优化了吸排气口布置，采用了低噪音离合器，降低了振动和噪声。由于压缩机性能和控制得到改善，使得CVC压缩机使用转速比原变排量压缩机提高了15%，连续最大转速为8000r/min，短时最大转速可达9200r/min。该机型结构紧凑，具有目前最高的压缩机单位质量和单位体积排气量，对于越来越紧凑化汽车的用户提供了较大的使用可能性。据称Delphi Automotive systems公司近几年要在美国用CVC压缩机来替代V5、V6、V7摇板式变排量压缩机。
CVC斜板式变排量压缩机目前共有4个规格：CVC125、CVC135、CVC165和CVC185，其中VCV125和CVC135是6缸机CVC165和CVC185是7缸机，最小排量可达7cm3
3．2 外部控制变排量压缩机
世界首台外部控制变排量压缩机6SE12于1999年在Denso公司产生<4>。6SE12压缩机基于传统的内部控制斜板式变排量压缩机7SB16，为单作用斜板式压缩机（见图7）。它采用外部控制阀（见图8），由外部电信号来控制压缩机的排量。内部控制变排量压缩机用内部控制阀使吸气压力保持在一个较低的恒定温度（一般保持蒸发温度为0℃），往往用再热方式提高送风温度来保持车内的舒适性。而外部控制变排量压缩机汽车空调系统根据环境温度、发动机转速、太阳辐射强度、车内温度、送风温度、送风风流以及空调模式设定等参数由汽车的控制板或者计算机来确定控制信号，再由外部（电磁）控制阀来控制压缩机合适的排量（见图9），这样可以根据当时的冷负荷情况确定一个合适的吸气压力，不需要再热，因此达到节能的目的。
该机型可以使排量最小变化到零，所以不需要电磁离合器对系统开启和停止，因此采用结构简单的新型阻尼限幅皮带轮取代原来的电磁离合器皮带轮（图7），去掉了原来的电磁线圈，减轻了压缩机重量。但是这样不论汽车空调系统是开还是关，压缩机一直随发动机一起运转，为全部连续运转。针对这种情况，该压缩机在轴封结构和材料上进行了改进，使得该压缩机全部连续运行时轴封使用寿命和传统变排量压缩机部分连续运行时使用寿命相同。
4 结束语
斜盘式变排量压缩机与定排量压缩机相比，改变了传统的离合器启闭压缩机的调节方式，压缩机运行连续平稳，不会引起汽车发动机周期性的负荷变化；空调送风温度波动小，有利于提高国内环境的热舒适性；可以保持几科恒定的且略高于结霜温度的蒸发温度，防止了蒸发器表面结霜；降低能耗，节能燃油。斜盘式变排量压缩机已经在欧美、日本等国家得到了广泛的应用，近几年我国一些厂家也开始引进生产摇板式变排量压缩机，并且用于一些中高档车型，相信变排量压缩机将会在我国轿车空调中得到越来越多的应用。我们也需要对目前最先进的CVC压缩机和外部控制变排量压缩机进行技术引进和研制开发，以缩小我国汽车空调技术与欧美、日本等发达国家的差距。
参考文献
1 Timothy J Skinner, Robert L Swadner. V-5 Automotive Variable Displacement Air Conditioning Compressor. SAE Congress Paper 850040
2 Kazuhiko Takai, Shigemi Shimizu, Kiyoshi Terauchi. A 7-Cylinder IVD Compressor for Automotive Air Conditioning. SAE Congress Paper 890309
3 Nishimura Y et al. Development of Two-Stage Variable Displacement Compressor for Automotive Air Conditioning. SAE Congress Paper 850039
4 Akira Kishibuchi, Michiyasu Nosaka, Tetsuhiko Fukanuma. Development of Continuous Running, Externally Controlled Variable Displacement Compressor. SAE Congress Paper 1999-01-0876
作者简介：
田长青，男，1965年生，副教授，在读博士，研究方向为制冷系统动态特性研究及系统优化配置。通讯地址：100084 北京市清华大学建筑学院建筑技术科学系
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