汽车空调详解(⼆)可变排量压缩机结构原理
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压缩机
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。
空调压缩机可变排量实现⽅式:
  (1)旁通式:⾼压侧通过旁通阀向低压侧泄压⽅式,这种变排量⽅式牺牲压缩机功率,所以在汽车上不
能采⽤;
  (2)改变压缩机转速实现排量可变,现在的家⽤空调采⽤变频技术实际上即是变化压缩机的转速实现排
量的变化。但是对于汽车来说,压缩机由发动机驱动,不可能实现发动机转速随空调压缩机⼯作需要⽽改
变。
  (3)真正的压缩机本⾝变排量,不关乎发动机的转速,⽽是依据空调的负荷⾃动改变排量,调节制冷能
汽车辐射⼒。应⽤于汽车的可变排量压缩机。
  所谓的变排量压缩机,结构是基于传纺的斜盘式或摇板式压缩机,传统的斜盘式或摇板式压缩机中,斜
盘或摇板的偏转⾓度是固定不变的,即活塞的最⼤⾏程是固定的。⽽升级为可变排量压缩机后,调节斜盘或
摇板的⾓度,从⽽调节活塞的最⼤⾏程,改变压缩机的排⽓量。
  相对于传统的定排量压缩机系统,需要有在压缩机前端安装电磁离合器控制压缩机间歇⼯作,以调节制
冷量。可变排理压缩机取消了电磁离合器,通过活塞⾏程的⽆级连续调节,调节制冷量。,车内环境热舒适
性好,降低能耗!
三电可变排量压缩机
  可变排量压缩机变排量的控制⽅式有两种:⼀种是机械式可变排量,即在压缩机内部有调节阀,依据空
调的管路压⼒⾃适应的改变压缩机的排量;另⼀种是电控可变排量,在原机械调节阀的基础上增加了⼀个电
磁调节阀,空调控制单元从蒸发器出风温度传感器获得信号,对压缩机的功率进⾏⽆级调节。
可变排量压缩机结构图
  注意三个压⼒:⼀个是压缩机的吸⼊低压的制冷剂;另⼀个是压缩机排出的⾼压制冷剂;第三个是斜盘或摇板所在的曲轴箱的压⼒;这个曲轴箱内的压⼒基本是⼤于或等于压缩机的吸⼊压⼒,⽽远⼩于压缩机的排⽓压⼒。
  控制阀⽤于调节曲轴箱内的压⼒,当曲轴箱压⼒等于压缩机的吸⽓压⼒时,压缩机处于最⼤排量;当控制曲轴箱压⼒⾼于吸⽓压⼒后,斜盘或摇板⾓度减⼩,压缩机的排量减⼩。
可变排量压缩机⼯作原理图
  控制阀由机械元件和电磁单元组成。机械元件按照低压侧的压⼒关系借助于⼀个位于控制阀低压区的压⼒敏感元件来控制调节过程。电磁单元由操纵和显⽰单元通过500 Hz的通断频率进⾏控制。
  电控可变排量压缩机在⽆电流的状态下,调节阀阀门开启,压缩机的⾼压腔和压缩机曲轴箱相通,⾼压腔的压⼒和曲轴箱的压⼒达到平衡。满负荷时,阀门关闭,曲轴箱和⾼压腔之间的通道被隔断,曲轴箱的压⼒下降,斜盘的倾斜⾓度加⼤直⾄排量达到100%;关掉空调或所需的制冷量较低时,阀门开启,曲轴箱和⾼压腔之间的通道被打开,斜盘的倾斜⾓度减⼩直⾄排量低于2%。当系统的低压较⾼时,真空膜盒被压缩,阀门挺杆被松开,继续向下移动,使得⾼压腔和曲轴箱被进⼀步隔离,从⽽使压缩机达到100%的排量。当系统的吸⽓压⼒特别低时,压⼒元件被释放,使挺杆的调节⾏程受到限制,这就意味着⾼压腔和曲轴箱不再能完全被隔断,从⽽使压缩机的排量变⼩。
  新结构⽪带轮离合器,电控调节变排量压缩机采⽤了新结构⽪带轮。⽪带盘由⽪带轮和随动轮组成,通过⼀橡胶元件将⽪带轮和随动轮有⼒地连接起来。当压缩机因损坏⽽卡死时,随动轮和⽪带轮之间的橡胶元件的传递⼒急剧增⼤,⽪带轮在旋转⽅向将橡胶元件挤压到卡死的随动轮上,橡胶元件产⽣变形,对随动轮产⽣的压⼒增⼤,随动轮随之产⽣变形直⾄随动轮和⽪带轮之间脱离连接,从⽽避免了⽪带传动的损坏。
随动轮的变形量取决于橡胶元件温度的⾼低,橡胶元件的弹性取决于结构件的温度。由于橡胶元件和随动轮的形变,避免了发动机⽪带传动的损坏,同时防⽌了诸如⽔泵和发电机的损坏,起到了动⼒的过载保护的作⽤。
  电控调节的变排量压缩机的优点:压缩机⼀直运转,⽆接合冲击,提⾼了舒适性;通过调节蒸发器的温度使制冷量和热负荷及能量消耗完美匹配,减少了再加热过程,使出风⼝的温度、湿度恒定调节;由于排量可以降低到近0%,省去离合器的电磁线圈和减少⽪带轮质量可使质量减轻20%(约500~800g);压缩机的功率消耗下降,燃油消耗下降;新结构的⽪带轮⽤于⽪带传动和空调压缩机之间的⼒传递,消除了扭矩波动并同时起到过载保护的作⽤。
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
  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,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%。
  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。
  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。
可变排量压缩机最新进展
  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
  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。