毛翼 張海煥 張磊

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

汽車安裝空調(diào)是為了在任何時(shí)候和行駛條件下，能為乘員提供舒適的車內(nèi)環(huán)境，并預(yù)防和去除附在擋風(fēng)玻璃上面的霧、霜或冰雪，以確保駕駛員的視野清晰與行駛安全[1]。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)汽車空調(diào)節(jié)能越來(lái)越重視，功耗大戶壓縮機(jī)自然成為各種節(jié)能方案的焦點(diǎn)。汽車空調(diào)的壓縮機(jī)根據(jù)排量是否可以調(diào)節(jié)分為定排量壓縮機(jī)和變排量壓縮機(jī)。對(duì)于裝備變排量壓縮機(jī)的系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)學(xué)者不僅對(duì)零部件進(jìn)行較多的優(yōu)化研究[2-3]，而且在控制算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面也做了較多工作[4-6]，達(dá)到節(jié)能的目的。而對(duì)于汽車定排量壓縮機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能關(guān)注較少，文章基于車用空調(diào)箱溫度調(diào)節(jié)的原理，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)裝備定排量壓縮機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 定排量壓縮機(jī)的使用環(huán)境和問(wèn)題

由于成本優(yōu)勢(shì)，定排量空調(diào)壓縮機(jī)在經(jīng)濟(jì)型轎車的手動(dòng)電動(dòng)空調(diào)和自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)上都被廣泛應(yīng)用。定排量空調(diào)壓縮機(jī)的開關(guān)控制，除了和常規(guī)的環(huán)境溫度、用戶操作、空調(diào)高壓及節(jié)氣門的開度相關(guān)外，還有一個(gè)重要的傳感器EAT sensor（蒸發(fā)器熱敏電阻）來(lái)測(cè)量蒸發(fā)器出風(fēng)溫度，空調(diào)控制器或ECM（發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊）或BCM（車身控制模塊）根據(jù)EAT sensor采集到溫度信號(hào)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

圖1示出定排量壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)示意圖。從圖1可以看出，在控制過(guò)程中，蒸發(fā)器表面的溫度信號(hào)傳入ECC（空調(diào)控制器），經(jīng)過(guò)計(jì)算之后輸出壓縮機(jī)開關(guān)信號(hào)至ECM，并由ECM實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)開關(guān)控制和保護(hù)，壓縮機(jī)關(guān)閉時(shí)蒸發(fā)器表面的溫度為結(jié)霜溫度點(diǎn)。

圖1 定排量壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)壓縮機(jī)控制策略通常將定排量壓縮機(jī)的結(jié)霜溫度點(diǎn)設(shè)置為固定值，壓縮機(jī)恢復(fù)運(yùn)行的溫度通常比結(jié)霜點(diǎn)溫度高2℃，即也是固定值，這樣會(huì)迫使壓縮機(jī)在各種負(fù)荷下，都能工作直到蒸發(fā)器溫度低于結(jié)霜點(diǎn)溫度。在無(wú)陽(yáng)光、低負(fù)荷工況下，汽車空調(diào)出風(fēng)口溫度需求一般在10～30℃，蒸發(fā)器吹出的冷風(fēng)需要通過(guò)空調(diào)箱加熱芯體加熱，才能滿足出風(fēng)口的要求。這一過(guò)程會(huì)造成壓縮機(jī)長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，使壓縮機(jī)功耗增加。

2 節(jié)能原理和控制策略

圖2示出空調(diào)箱溫度控制的原理圖。來(lái)自汽車外部的空氣（外循環(huán)）或內(nèi)部的空氣（內(nèi)循環(huán)），溫度為Tin，首先經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器芯體進(jìn)行降溫到2℃，然后根據(jù)出風(fēng)口溫度需要加熱到Tout（出風(fēng)口溫度），在低負(fù)荷工況下，汽車空調(diào)出風(fēng)口目標(biāo)溫度一般在10～30℃，當(dāng)出風(fēng)口目標(biāo)溫度恒定時(shí)，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器芯體出口的空氣溫度越低，越不利于節(jié)能，圖2中虛線溫度曲線為傳統(tǒng)定排量壓縮機(jī)控制溫度表現(xiàn)，實(shí)線是蒸發(fā)器溫度為10℃的定排量壓縮機(jī)控制溫度表現(xiàn)。當(dāng)定排量壓縮機(jī)控制溫度曲線工作在上述實(shí)線和虛線之間時(shí)，就可以節(jié)省壓縮機(jī)的功耗。節(jié)約的能量為壓縮機(jī)控制溫度曲線和圖2中虛線（2℃的控制溫度）間的積分面積。

圖2 空調(diào)箱混風(fēng)和節(jié)能原理圖

壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的主要功耗部件，為了達(dá)到節(jié)能目的，在不影響出風(fēng)口溫度的前提下，提高蒸發(fā)器出口溫度是可以探究的方向，為了更好地說(shuō)明定排量壓縮機(jī)節(jié)能策略的原理，圖3示出空氣流經(jīng)空調(diào)箱的焓-濕變化示意圖[7]。

圖3 空氣流經(jīng)空調(diào)箱的混風(fēng)焓-濕圖（相對(duì)濕度100%）

傳統(tǒng)的壓縮機(jī)控制策略，Tes（蒸發(fā)器設(shè)定溫度）為固定值，流經(jīng)空調(diào)箱的空氣狀態(tài)必須經(jīng)過(guò)狀態(tài)2，對(duì)應(yīng)遷移路線為1-2-3，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷為ma（h1-h2）；新的定排量壓縮機(jī)控制策略根據(jù)出風(fēng)口溫度目標(biāo)值調(diào)節(jié)Tes，流經(jīng)空調(diào)箱的空氣狀態(tài)不一定會(huì)經(jīng)過(guò)狀態(tài)2，對(duì)應(yīng)遷移路線為1-5-4，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷為ma（h1-h5）；新的定排量壓縮機(jī)控制策略相對(duì)于傳統(tǒng)的控制策略，空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷減少ma（h5-h1）。對(duì)于狀態(tài)5是根據(jù)用戶設(shè)定溫度計(jì)算得出。其中：ma/（kg/s）為流經(jīng)空調(diào)箱的空氣質(zhì)量流量 ；h1，h2，h3，h4，h5為空氣狀態(tài)點(diǎn) 1，2，3，4，5 焓值（kJ/kg）。

為了不影響客戶的舒適度，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的，必須有相應(yīng)的控制邏輯協(xié)調(diào)壓縮機(jī)和溫度風(fēng)門的工作。圖4示出控制算法的概要流程。不同于傳統(tǒng)控制邏輯的Tes是固定不變的，新的控制算法的Tes是根據(jù)用戶設(shè)定溫度和環(huán)境溫度的不同進(jìn)行計(jì)算，然后和當(dāng)前測(cè)量的蒸發(fā)器空氣側(cè)出口溫度進(jìn)行比較，進(jìn)而控制壓縮機(jī)開關(guān)；用戶可以直接感知的空調(diào)箱出風(fēng)口溫度的控制，是根據(jù)用戶設(shè)定溫度和環(huán)境溫度計(jì)算出空調(diào)箱出風(fēng)口目標(biāo)溫度，然后和當(dāng)前測(cè)量的空調(diào)箱出風(fēng)口溫度進(jìn)行比較，通過(guò)PID（比例、積分、微分運(yùn)算）控制器計(jì)算出溫度風(fēng)門的位置，進(jìn)而在最短的時(shí)間內(nèi)，完成空調(diào)箱出風(fēng)口溫度的控制。

3 試驗(yàn)方法和結(jié)果分析

為了更好地分析和驗(yàn)證上述定排量壓縮機(jī)節(jié)能控制策略，對(duì)某款使用定排量壓縮機(jī)的手動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的汽車進(jìn)行道路測(cè)試，道路環(huán)境選擇在國(guó)內(nèi)具有典型意義的海南進(jìn)行。選擇空調(diào)負(fù)荷相對(duì)較低的試驗(yàn)工況：環(huán)境溫度為27～30℃、車速為80 km/h、陽(yáng)光強(qiáng)度為100～800 W/m2、鼓風(fēng)機(jī)擋位為3擋、吹面模式、壓縮機(jī)開啟、外循環(huán)。

為了更好地對(duì)比新定排量壓縮機(jī)控制策略和傳統(tǒng)壓縮機(jī)控制策略的不同，在不同的用戶設(shè)定溫度下，分別使用恒定的蒸發(fā)器溫度設(shè)定值和變化的蒸發(fā)器溫度設(shè)定值，如表1和圖5所示。

表1 恒定和可變蒸發(fā)器目標(biāo)溫度策略 ℃

圖5 蒸發(fā)器溫度跟隨目標(biāo)溫度變化曲線

在上述設(shè)定工況下，分別對(duì)2種定排量壓縮機(jī)控制策略進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中設(shè)定溫度分別為16，17，18，19，20 ℃，每個(gè)溫度擋位穩(wěn)定 30 min，測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 恒定和改變蒸發(fā)器目標(biāo)溫度測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，在保證出風(fēng)口溫度相同的情況下，傳統(tǒng)定排量壓縮機(jī)控制策略的蒸發(fā)器出口溫度穩(wěn)定在3.5℃左右，壓縮機(jī)的工作時(shí)間占比為71%；而對(duì)于新的定排量壓縮機(jī)控制策略，蒸發(fā)器出口溫度隨用戶設(shè)定溫度的變化而變化（見表1），壓縮機(jī)的工作時(shí)間占比也隨用戶設(shè)定溫度的變高而明顯下降，對(duì)于本試驗(yàn)工況，壓縮機(jī)工作時(shí)間占比下降23%（見表2）。壓縮機(jī)工作時(shí)間減少了，汽車油耗相應(yīng)的也降低了。

定排量壓縮機(jī)改變蒸發(fā)器溫度的控制策略，對(duì)降低空調(diào)系統(tǒng)能耗提供了很大的幫助，但同時(shí)又存在以下缺點(diǎn)。

1）蒸發(fā)器溫度越高，混風(fēng)出來(lái)的空氣出現(xiàn)異味幾率越大。試驗(yàn)證明，當(dāng)蒸發(fā)器的設(shè)定溫度高于10℃，車內(nèi)乘客很容易嗅到出風(fēng)口空氣的潮味。

2）蒸發(fā)器溫度越高，壓縮機(jī)吸合斷開的頻次就會(huì)增加，壓縮機(jī)吸合斷開時(shí)離合器產(chǎn)生的噪聲，會(huì)對(duì)車內(nèi)乘客產(chǎn)生影響。新的定排量壓縮機(jī)控制策略，因?yàn)檎舭l(fā)器設(shè)定溫度的升高，定排量壓縮機(jī)開啟、關(guān)閉的次數(shù)會(huì)有所上升，從而引起噪聲的增加。工程上，一般接受小于3次/min的開關(guān)循環(huán)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在Tmas為12℃時(shí)，改變Tes，壓縮機(jī)開關(guān)次數(shù)是2.5次/min，新控制策略下的壓縮機(jī)沒(méi)有超過(guò)工程的經(jīng)驗(yàn)值。

3）蒸發(fā)器溫度越高，壓縮機(jī)吸合斷開的頻次就會(huì)增加，當(dāng)頻次超出某一個(gè)值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間吸合壓縮機(jī)工作產(chǎn)生的累積能耗，比長(zhǎng)時(shí)間帶動(dòng)壓縮機(jī)工作更耗能，并且會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成損傷。

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)定排量壓縮機(jī)控制中，一直都是恒定蒸發(fā)器目標(biāo)溫度的控制策略，沒(méi)有與用戶的需求進(jìn)行銜接，以至于出現(xiàn)能量的浪費(fèi)。文章的控制策略突破了傳統(tǒng)思維局限，引入機(jī)電控制中的有效工作負(fù)載周期控制思想，使改進(jìn)后的定排量壓縮機(jī)控制策略達(dá)到了變排量壓縮機(jī)的控制效果。此控制策略使定排量壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)具有了變排量系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。但為了發(fā)揮該策略的最優(yōu)功效，同時(shí)最大限度的避開其缺點(diǎn)，需要在標(biāo)定過(guò)程中注意以下2點(diǎn)。

1）壓縮機(jī)吸合斷開頻次，在標(biāo)定蒸發(fā)器溫度目標(biāo)值時(shí)，要求不能超過(guò)3次/min。當(dāng)壓縮機(jī)吸合斷開頻次超出3次/min時(shí)，產(chǎn)生的噪聲對(duì)車內(nèi)影響比較明顯，此時(shí)就需要降低蒸發(fā)器溫度目標(biāo)值。

2）蒸發(fā)器溫度升高，出風(fēng)口空氣產(chǎn)生的潮氣越明顯。新的定排量壓縮機(jī)控制策略，蒸發(fā)器設(shè)定溫度隨用戶設(shè)定溫度而變，但最大值不宜超過(guò)10℃，超出10℃潮氣將會(huì)影響乘客的舒適性。

為了使空調(diào)系統(tǒng)能耗和乘客舒適性達(dá)到最佳狀態(tài)，在標(biāo)定Tes時(shí)，需要固定Tmas，然后選取壓縮機(jī)吸合斷開頻次≤3次/min，且蒸發(fā)器溫度≤10℃的點(diǎn)，此時(shí)的Tmas就是最佳值。