随着汽车大量进入寻常百姓家, 人们对室内生活环境的各种需求就延续到汽车中, 汽车空调便成为满足人们对车厢环境要求的装置。压缩机是空调器的心脏, 其寿命直接影响汽车空调的有效使用时间^[1], 其性能影响能量的使用效率。压缩机综合性能试验台可用来评价汽车空调压缩机的好坏。对于长时间的耐久性试验, 节能型试验设备就显得尤为重要。

目前国外很多公司和科研机构都有专门的压缩机耐久性试验台和性能试验台, 但对于综合性能的试验台很少有研究^[2]。国内试验台大都沿用传统的测量方法(如第二制冷剂量热器法)将性能和耐久性试验分开测试。王磊等^[3]、方大伟等^[4]、王晓燕^[5]都利用第二制冷剂量热器法研制了相应的压缩机性能试验台; 傅琦等^[6]在考察了国内和国外的耐久性试验台(主要包括上海易初公司、奥迪汽车公司、日产汽车公司、天津三电汽车空调公司等)的基础上, 自行设计了一套试验台。该试验台能够在较大范围内满足压缩机耐久性测试的要求, 并且使用了当时比较先进的X86计算机等控制仪器。张中秀等^[7]、温彩霞等^[1]和林子良等^[8]都在前人的研究基础上对耐久性试验台进行了设计和优化, 分别得出系统分块、工况的合理调节和压力调节时的优化方案。

本试验台根据GB/T 21360—2008《汽车空调用制冷压缩机》^[9]和GB/T 5773—2004《容积式制冷压缩机性能试验方法》^[10], 并结合企业要求, 提出将压缩机排气管道量热器法和制冷剂气体冷却法作为本试验台的试验方法。对于压缩机耐久性试验, 利用被测压缩机旁通热气的热量消耗经过冷凝器的制冷剂得到的冷量, 无需其他热量来消耗被测压缩机系统的制冷量, 故其能量消耗少于传统测量方法, 实现节能设计; 压缩机性能试验中, 制冷剂气体冷却法为主要测量方法(主测), 压缩机排气管道量热器法为辅助测量方法(辅测)。

1 设计基本要求 1.1 技术要求

本试验台依据相关国家标准及企业要求, 应具有压缩机转速可调、吸排气温度压力控制、环境箱温度控制、恒温水控制、压差保护及自检报警控制系统等功能。测试压缩机性能时应能准确计算或测量空调压缩机的制冷量(最主要参数)、功率、容积效率、等熵效率和制冷系数, 并为汽车空调系统设计提供可参考的制冷量和能量效率, 最终为产品开发、优化设计和计量检测提供实际支持。

1.2 性能指标

试验性能指标分别为:压缩机最大制冷量为8 kW; 被测压缩机排量范围为60~240 cm³·r^-1; 试验台适用的制冷剂为R134a。

测试项目分别为耐久性试验和性能试验, 各试验工况分别如表 1、2所示。

试验台工况调节范围及精度分别为:吸气压力为(0~0.6)MPa±0.50%FS(%FS指满量程的百分比); 排气压力为(1.0~3.0)MPa±0.25%FS; 被测压缩机环境温度为(40~150)℃±1.0 ℃; 被测压缩机转速为(0~8 000)r·min^-1±20 r·min^-1; 离合器通断时间为(0~999)h±0.5 s。

2 试验台的系统组成和工作特点

本试验台包括五大部分:被测压缩机系统、制冷剂回收和抽真空系统、恒温箱系统、恒温水系统和控制系统。其中被测压缩机系统为该试验台的主要部分, 其余为实现测试功能和方便测试的辅助部分。抽真空系统在被测压缩机安装好后对试验台整个系统回路进行抽真空, 为系统充注制冷剂做准备; 恒温箱系统是为被测压缩机模拟实际运行环境; 恒温水系统为试验台的冷却提供充足的冷源; 制冷剂回收系统用于测试结束后回收系统中的制冷剂, 为下一次试验做好准备。控制系统主要为数据的实时采集和通讯、试验工况切换和调整、自检和报警等。总体系统结构示意图如图 1所示。

本试验台设计时遵照实用可靠、节能合理、准确高效的原则, 其最大的工作特点是节能、功能多、部件模块化、零部件利用率高。当进行汽车空调压缩机耐久性试验时, 试验台转换至耐久模式, 利用被测压缩机排出的部分高温制冷剂加热剩余部分的经系统冷凝节流的低温制冷剂, 从而不需要额外的外部热源来抵消系统制冷量, 以实现节能目的。本试验台还可以在不拆除被测压缩机的情况下, 完成性能试验后直接进行耐久性试验, 节省了研发工程量。系统部件的模块化包括水泵模块、抽真空和回油模块、环境箱模块、节流模块、测量头模块等。当系统抽真空结束后, 制冷剂回收系统的压缩机即可用作恒温箱系统的压缩机, 一个部件多种用途, 减少了设备初始投资。

2.1 主要系统工作原理

为了设计多功能测试试验台, 通过对压缩机各性能测试方法进行研究, 选用一种压缩机性能测试方法, 并和用于耐久性试验台的测试方法融合在同一个系统中。耐久性试验时, 试验台为被测汽车空调压缩机提供运行条件, 即吸气压力和温度、排气压力和温度、制冷剂质量流量、转速等参数即可。性能试验时, 则需要根据测量数据计算出被测汽车空调压缩机的额定制冷量, 并确保用主测、辅测测得的数据偏差在4%以内。故又兼顾节能要求选择制冷剂气体冷却法作为性能试验和耐久性试验的主测; 出于最大设备利用率和节约投资的考虑, 试验台选配压缩机排气管道量热器法作为性能试验时的辅测。该试验台的工作原理如图 2所示, 图中0~7均为制冷剂的状态点。

对应测点的压焓图如图 3所示, 图中:p为压力; h为焓; 点3′为制冷剂分两路引起压力降低后的状态点; f_l代表压缩机排气压力对应的制冷剂饱和液体的状态点; 下标f表示制冷剂为液体状态; 下标g表示制冷剂为气体状态; 各数字分别对应图 2中的各状态点。

制冷剂气体冷却法主要利用由压缩机排气口分出的部分热制冷剂气体加热另一部分被冷凝器冷却节流后的低温制冷剂, 两者在混合器中混合后达到压缩机吸气状态, 重新回到压缩机完成循环; 压缩机排气管道量热器法是利用经过排气管道上电加热器的加热量与被测压缩机的制冷量成比例的原理, 即系统中制冷剂质量流量不变。

被测压缩机性能和耐久性试验中需测量的参数有:被测压缩机吸气和排气口制冷剂气体压力、温度; 量热器进口和出口制冷剂气体压力、温度; 量热器电加热功率ϕ′; 混合器进口和出口制冷剂气体压力、温度; 膨胀阀前制冷剂液体压力、温度; 环境箱温度t_a; 电加热量热器的表面平均温度t_c; 混合器中制冷剂的平均饱和温度t_r; 被冷凝的制冷剂质量流量q_ml; 电机输入功率W。

为保证试验台正常工作, 需监控的参数有:恒温箱中水温和液位高度; 混合器的漏热量ϕ₁; 电加热量热器的漏热量ϕ₂; 取样器测得的含油量(质量分数)。

测量及监控的参数所用的仪器有:温度测量选用千野公司的Pt100系列铂电阻, 测试范围为-70~500 ℃; 压力测量采用通用公司旗下的德鲁克PTX5072型压力传感器, 精度等级为±0.2%;转速控制采用三垦VM06系列变频器; 转速传感器采用倍加福公司的ML100光电传感器, 并配合爱模集团的M5PA型型号转换器; 流量计采用Micro Motion生产的DS025S113SB质量流量计, 其量程为0.18~680 kg·h^-1, 测量精度为±0.15%;PID调节器采用UT550, 精度等级为±0.1%;数据采集器采用横河(YAKOGAWA)DARWIN系列的DA100, 支持PC机(带有RS232通讯口), 采集高速(300信道/500 ms); 电参数测试仪采用日本横河功率计WT330, 其基本精度为读数的0.1%。

利用制冷剂气体冷却法和排气管道量热器法得出的被测压缩机制冷量计算式如表 3所示, 其中:F₁、F₂分别为混合器和电加热量热器的漏热系数; ν_ga、ν_gl分别为进入压缩机的制冷剂蒸汽实际比容、与规定基本试验工况时相对应的吸入工况时制冷剂蒸汽的比容。

综上所述, 由测量参数即可得出被测汽车空调压缩机的制冷量及其他所需参考量。制冷剂回路中被测压缩机排出的高温高压气体进入电加热量热器被加热, 再从量热器出来分成两路:一部分经冷凝器、流量计节流喷入混合器; 另一部分经旁通阀直接节流进入混合器, 冷量和热量达到中和成为低压气体, 从而重新被压缩机吸气口吸入。主、辅测相结合便形成了本试验台的工作原理。根据能量守恒, 单位时间内冷却水从冷凝器中带走的热量在数值上等于压缩机的输入功率和电加热量热器的功率及单位时间内各处漏热量之和。其中测试汽车压缩机性能试验时主、辅测两种方法同时使用, 制冷剂气体冷却法为校核测量; 当进行耐久性试验时, 关闭电加热量热器, 只利用制冷剂气体冷却法, 以实现节能目的。

2.2 辅助系统设计原理

整个系统的设计主要是为了实现上述工作过程, 故除被测系统外, 还应有满足主系统要求的辅助系统。被测压缩机应便于安装, 要满足运行前的条件, 试验台的控制精度以及必要的检修维护等均需考虑。本试验台的设计要点为:

(1) 被测压缩机的环境箱温度由恒温箱系统提供。其主要组成部分为一套制冷装置、电加热装置、风机和相应的风箱。当系统进行排气阀泄漏率试验和制冷剂泄漏量试验时, 恒温箱中的风机又可充当排风机。

(2) 将抽真空系统和制冷剂回收系统做成一个模块, 可方便设备安装和系统调试。

(3) 对测量装置进行集成, 如温度计和压力计及相应的转换器集成为测量头, 使安装更为方便, 减少了现场工程安装量。

(4) 整个试验台的冷凝器以及过冷器中的水都由一个恒温水系统提供^[8]。采用三通阀调节被冷却对象的温度。恒温水系统还包括一套制冷装置、电加热装置和循环水泵及二次泵。

(5) 试验的被测对象具有强耦合、大惯性等特点^[5]。为了削弱耦合并提高试验台的测试精度, 故增加过冷器并结合电加热器来决定过冷度大小^[3-4]。另外, 在被测压缩机吸气管道上的涡旋流量计前、后均应加设脉动缓冲器, 以降低测量误差^[11]。

结合试验台的工作原理、设计原则以及上述设计要点, 节能型汽车空调压缩机综合性能试验台系统流程如图 4所示。

3 关键部件设计及选型

试验台设计过程中, 根据被测汽车空调压缩机的理论排气量初步选定试验台的其他部件时, 需要考虑压缩机的容积效率η_ν的影响。陈汝东^[12]指出:影响容积效率的因素很多, 即使对于结构形式和使用制冷剂都已知的压缩机, 其值通常也很难用公式进行计算, 只能通过试验求得。傅烈虎等^[13]通过试验研究拟合出开启式压缩机在变转速情况下的汽车空调压缩机容积效率η_ν公式, 即

(1)

(2)

式中:常数c=2.5 × 10^-2; 常数m=1.0;压比ε=2~10;λ为压缩机容积系数; n为压缩机转速。

结合各运行工况分别得出的容积效率系数如表 4、5、6所示, 其中“-”表示不适用此速度工况。

初步计算制冷剂质量流量q_mf为

(3)

式中:Q_h、ν分别为被测压缩机理论排量和吸气压力下的比容。

结合各状态点计算系统最大的制冷剂质量流量q_mfmax为321.60 kg·h^-1, 其所在的工况条件为:压缩机理论排量为240 cm³·r^-1; 吸气压力为450 kPa; 排气压力为2 510 kPa; 转速为1 500 r·min^-1。该工况下压比为5.58, 吸气容积效率η_ν为0.716, 该工况下的冷凝器负荷为3.34 kW。

冷凝器最大负荷出现的工况为:压缩机排量为240 cm³·r^-1; 吸气压力为450 kPa; 排气压力为2 860 kPa; 转速为1 500 r·min^-1。该工况下压比为6.36, 吸气容积效率η_ν为0.693, 冷凝器负荷为3.47 kW。根据满足本试验台技术要求的热力计算, 冷凝支路套管式冷凝器负荷最大为3.47 kW, 乘以富余系数1.15, 即为3.99 kW, 取整即为4 kW。因此采用杭州某公司定制加工的套管式冷凝器, 其换热量为4 kW, 满足本试验台的要求。

为实现本试验台运行过程中制冷剂质量流量的自动调节, 从而实现混合器中温度、压力的自动调节, 同时为了保证系统精度的要求, 本试验台选择富士金公司生产的SR100系列电子膨胀阀, 并结合压缩机类型、不同排量和节流压力差, 选择的具体型号为S2TR-115WD-E15-R3, 流通能力值C_v为0.025, 安装过程中并联世伟洛克针阀, 以配合后期调试及调节使用。

混合器由一容器构成, 在此用一个特制的气液分离器代替。制冷剂液体从侧面管口喷入, 以便吸收旁通管路中经节流阀过来的从底部进入混合器的制冷剂的热量。选取原则为

(4)

式中:D_ef为气液分离器的直径; G为经过气液分离器的供液量; ω为制冷剂气体的流速, 一般取ω=0.5 m·s^-1。

混合器的高度约为直径的3~4倍。再对比各公司系列产品型号, 选择合适的产品并进行试验验证。本试验台选用艾默生生产的A-AS 3105, 直径为76.2 mm, 高度为254.0 mm的气液分离器。

热气旁通支路承担着调节和控制压缩机吸气压力的任务, 其优良特性有:①防止系统吸气压力过低; ②防止制冷循环短路; ③防止蒸发器结冰; ④回油性能良好。在压缩机排出端管路上, 经过分流三通后, 旁通阀将一部分温度和压力均较高的气体直接旁通至蒸发器的前部管路^[14]。热气旁通阀的制冷量主要由所选用的旁通阀的流通能力R决定, 然而R的大小最终由该旁通阀在调节状态下的开度P₀和其初始状态下开度Z的差值P₀决定。本试验台使用Parker公司生产的SDR系列电子热气旁通阀, 具体型号为SDR-3, 使用时并联世伟洛克针阀, 以配合后期调试及调节使用。

4 工况调节

(1) 被测压缩机的排气压力可以通过冷凝器中冷却水流量调节, 即调节水系统中回水管路三通阀的开度。通过改变冷凝器的进水温度进而改变冷凝换热量, 使得被测系统的冷凝压力得到控制。

(2) 被测压缩机的吸气压力是通过调节膨胀阀和热气旁通阀的开度来实现控制。过冷器的使用使得节流前的压力得到控制, 并结合膨胀阀的调节使得混合器中的压力基本得到控制。当经旁通阀的制冷剂气体进入混合器时, 与节流后的低压制冷剂混合达到压缩机的吸气压力。

(3) 被测压缩机的吸气温度主要由热气旁通阀的开度调节。被旁通的高温制冷剂气体与节流后的低温制冷剂混合得到压缩机吸气温度下的制冷剂气体。

(4) 恒温箱温度是由空调柜中的蒸发器和电加热器共同控制。其中蒸发器是由恒温箱系统的制冷装置提供。

(5) 被测压缩机转速的调节是通过光电开关测得脉冲信号并送入转换器, 并通过变频器改变电动机的电压频率, 从而达到调节被测压缩机转速的目的。当进行耐久性试验时, 被测压缩机的启停主要由电磁离合器控制, 使得压缩机轮跟随或隔离外部带轮。其通断时间和次数主要由多功能计时计数器调节。

5 结论

本文研制了一种基于制冷剂气体冷却法和排气管道量热器法的节能型汽车空调压缩机综合试验台。该试验台能够进行汽车空调压缩机的性能测试和耐久性测试。该试验台满足国家标准要求和企业要求, 并顺利通过企业验收。本试验台响应迅速、波动小、耗能低、控制精度高, 温度控制精度达±0.2 ℃。两种方法的测量结果偏差小于4.0%。

基于制冷剂气体冷却法的试验台的设计为汽车空调压缩机耐久性试验节约了大量的能耗; 初次尝试一个部件兼顾多种用途, 实现零部件的高效利用, 节约了试验台的初始投资。同时也为工程设计人员提供了节能的新思路。

本试验台可以满足汽车空调压缩机的多种测试需要, 测量精度满足要求, 为国内其他相关公司的相关研究提供了新的案例, 并且能够为国内关于汽车空调压缩机类产品的研发提供借鉴。