第四章汽车空调制冷系统主要部件

第四章汽车空调制冷系统主要部件(参考文献：张蕾主编，汽车空调.)4.1汽车空调制冷压缩机4.1.1汽车空调制冷压缩机概况汽车空调压缩机是汽车制冷系统的心脏，是推动制冷剂在制冷系统中不断循环的动力源，变排量压缩机还起着根据热负荷大小调节制冷剂循环量的作用。一、汽车空调对配置制冷压缩机的要求汽车空调制冷压缩机主要采用容积式压缩机。汽车空调压缩机的动力，大部分来自汽车发动机。因此根据汽车本身的特点，对应用的压缩机提出如下要求：1)汽车低速行驶时，应具有较强的制冷能力；在高速时，有较低的功率消耗。其目的是同时满足汽车空调低速时的舒适性和汽车高速时的动力性要求。2)体积小、重量轻。目的是减轻汽车自重，提高汽车的动力性和经济性。3)经久耐用、耐寒、耐高温、易损零件少。因为汽车是在恶劣环境下运行的机器，且压缩机又靠近发动机，因此有上述要求。4)工作稳定、噪声小。既要求压缩机起动转矩小，不破坏发动机的稳定工况，又要求压缩机本身的震动小，噪声小。5)制造容易，价格低廉。二、汽车空调制冷机的性能指标在压缩机的性能指标中，主要有排气量、制冷量、输入功率、净重和容积效率。压缩机的排气量是指在单位时问里，所排出的蒸气量转换成吸气状态时输出的体积大小。单位用m3或L／h表示。对于汽车空调压缩机而言，由于发动机工况不断变化，压缩机的转速亦不断变化，所以用每一个循环的排气量作为排气量指标，即Vh=ΠD2SZ／4(2-3)式中Vh——压缩机一个循环的排气量，单位为cm3／r；D——气缸直径，单位为cm；S——活塞行程，单位为cm；Z——气缸数。由于实际的排气量受到排气阀门的阻力、余隙容积、等熵指数、制冷剂泄漏及运行工况等因素影响，实际排气量永远小于理论值。这样可用容积效率来表示二者的关系λ=V'h／Vh(2-4)式中λ——压缩机的容积效率，又称输气系数；V'h——实际排气量。压缩机的制冷量Q为Q=Meγ=AλVhγ／CV(2-5)式中Q——每转的制冷量，单位为w／r；Me——每转的排气质量，单位为kg；γ——制冷剂每lkg的汽化潜热，单位为J／kg；λ——压缩机的输气系数；CV——制冷剂在吸气状态的比体积，单位为m3／kg；Vh——理论排气量，单位为m3／h。要计算汽车空调压缩机每小时的制冷量，必须规定空调压缩机的标准工况。对汽车空调压缩机而言，其标准工况为：压缩机转速1800r／min，冷凝器表面温度为55℃，冷凝器进口干球温度为67℃，湿球温度为59．5℃，风扇高速转动。三、汽车空调制冷压缩机应用概况目前正式应用在汽车空调上的压缩机不少于30多种，按其运动形式和主要零部件形状，压缩机分类如下：各类压缩机的应用情况如下：1)曲轴连杆式压缩机是使用时间最早、最长的第一代产品。中型曲轴连杆式压缩机仍在公共汽车和旅游客车上大量应用。2)翘板式和斜板式活塞压缩机是第二代产品。它的优点是没有连杆，主轴上惯性较小、结构紧凑。从1953年至今，汽车空调仍以它为主。3)径向活塞压缩机虽然20世纪70年代便已问世，但在应用过程中，遇到了回转式压缩机的竞争，所以这种压缩机至今没有得到应有的重视。以上这几种压缩机均属于往复活塞式压缩机。往复活塞式压缩机共同的特点是活塞作往复运动。所以运动惯性力大，转速的提高受到了限制。在相同体积下与其他制冷机比较，其制冷量小、振动大、容积效率较低。特别是惯性力对转速的限制，是它们可能被旋转式压缩机所取代的根本原因。4)旋叶式、滚动活塞式、三角转子式和螺杆式压缩机可以称为第三代产品。它们的共同特点是容积系数较高，都需要大量的粘度较高的冷冻油润滑和密封，所以润滑系统较复杂。5)涡旋式压缩机为第四代。其特点是基本具备了汽车对空调压缩机提出的要求和特性，是一种最有前途的压缩机。目前应用在轿车上的一些型号已全面地显示了其优越性，但其在大型客车上的应用还有一段距离。为了保护地球的有限资源、减少环境污染，各国对汽车的每100km耗油量都作出严格的限制。加装空调后，汽车油耗增加7％～10％，因此节能型汽车空调压缩机是今后的发展方向。很显然，在高速下，调节压缩机的制冷输出量、降低发动机的能量消耗、保证汽车具有优良的动力性和车内的舒适性，以及降低油耗，是当今各类型压缩机开发研制的方向。变容量压缩机便是根据上述要求提出来的。它可以根据发动机的转速、车内的温度自动调节压缩机的容量。4.1.2汽车空调定容量压缩机结构及工作原理压缩机的理想工作过程可用如图2-8所示的P-V图来表示。纵坐标表示压力P，横坐标表示活塞移动时在气缸中形成的容积V。在图2-8中：4-l表示吸气过程。活塞从上止点开始向右移动，吸气阀打开，在压力p1下吸入制冷剂。此时，压力为p1的制冷剂对活塞作功，其值等于面积4-1-6-0-4。1-2表示压缩过程。活塞从下止点向左移动，制冷剂从压力p1被绝热压缩到p2。此时，活塞对制冷剂做的机械功可用面积l-2-5-6-l表示。2-3表示排气过程。当活塞左行到点2位置时排气阀打开，活塞继续左移，在压力p2条件下将制冷剂全部排出。此时活塞对制冷剂作功等于面积2-3-0-5-2。由于假设不存在余隙容积，排气终了时气缸中没有残留的制冷剂。当活塞再一次向右移动时重复4-l吸气过程。压缩机的实际工作过程与理想工作过程有很大不同。实际工作过程存在余隙容积、吸排气阀有阻力、工作时存在压力损失、气缸壁与制冷剂之间有热交换、有漏气损失等情况。1．曲轴连杆式压缩机图2-9所示为曲轴连杆式压缩机断面图，主要由曲轴、活塞、连杆、气缸体、气缸盖、曲轴箱、吸排气阀片和阀板等零件构成。该压缩机是立式，机体为箱型。机体就是压缩机的机身，由气缸体、曲轴箱和缸盖等部件组成。机体的几何形状复杂、加工面多，在工作时承受较大的流体压力和运动部件的惯性力。氟里昂制冷剂的渗透性极强，故必须采用强度高和密封性好的灰铸铁铸造。小型压缩机的机体一般都采用把气缸体和曲轴箱铸成一体的整体结构，称为气缸体曲轴箱结构。该结构的优点是整个机体的刚度好，工作时变形小，因此压缩机的磨损和耗功有所减少；其次，机体的配合面少，可以改善压缩机的密封性。大、中型压缩机的气缸工作面不是直接和机体铸造在一起，而是另配有可单独装卸的气缸套，这样做主要有以下优点：1)气缸套耗材少，可以采用优质材料或表面镀铬，提高气缸面的耐磨性。2)如气缸面磨损到超过允许范围，只要更换气缸套就可以，既可节省修理费用，又简单省时。3)可以简化气缸体曲轴箱结构，便于铸造。当发动机带动曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞在气缸内作上下往复运动，在吸、排气阀的配合下，完成对制冷剂气体的吸人、压缩和输送的任务。压缩机的活塞在气缸内不断地运动，改变了气缸的容积，从而在制冷系统中起到了压缩和输送制冷剂的作用。压缩机的工作，可分为压缩、排气、膨胀、吸气等四个过程，如图2-10所示。(1)压缩过程活塞在曲轴的带动下在气缸内运动，当活塞运行到缸内最低点(下止点I—I)时，气缸内充满了由蒸发器吸入的制冷剂气体。活塞再上行时，吸气阀被关闭，而排气阀因缸内压力降低而不能顶开。因此，活塞上行，缸内体积缩小，即气缸工作容积不断变化，密闭在缸内的制冷剂气体的压力和温度不断升高。当活塞向上移动到一定位置(Ⅱ—Ⅱ)，即缸内气体压力略高于排气阀上部的压力时，排气阀便被打开，开始排气。制冷剂气体在气缸内从进气时的低压升高到排气乐力的过程称为压缩过程。(2)排气过程活塞继续向上运行，气缸内的制冷剂气体压力不再升高，而是不断地经过排气阀向排气管输出，直到活塞运动到最高位置(上止点Ⅲ—Ⅲ)时，排气过程结束。制冷剂气体从气缸向排气管输出的过程称为排气过程。(3)膨胀过程当活塞运行到上止点位置时，由于压缩机的结构及工艺等原因，活塞顶部与气阀座之间存在一定的间隙，该间隙所形成的容积称为余隙容积。排气过程结束时，由于该间隙内有一定数量的高压气体，当活塞再下行时，排气阀已关闭，可进气阀并不能马上打开，吸气管内的气体不能很快进入气缸，这是因为残留的高压气体还需在气缸容积增大后膨胀，使其压力下降到气缸内的压力稍低于吸气管道内的压力时，吸气阀才能打开。活塞从上止点向下移动到吸气阀打开的位置(IV—IV)，称为膨胀过程。(4)吸气过程活塞继续下行，吸气阀打开，低压制冷剂气体便不断地由蒸发器经吸气管和吸气阀进入气缸，直到活塞下行至下止点为止，这一过程称为吸气过程。完成吸气过程后，活塞又上行，重新开始了压缩过程，如此周而复始，循环不已。目前小型曲轴连杆式压缩机已经停止生产，但在大、中型汽车上的空调压缩机仍然采用曲轴连杆式。这是因为它可以按照需要的制冷量，配置多缸制冷压缩机，既便于生产，又便于维修。它的低速性能也比其他压缩机好，所以特别适用于大、中制冷量需求的汽车空调。2．径向活塞式压缩机径向活塞式压缩机是一种往复活塞式压缩机，在一个截面上有四个气缸对置。由于采用径向十字形排列、轴向尺寸短、平衡性能好、振动小，这是往复活塞式压缩机中结构最简单、最紧凑的品种，而且低速性能好，可靠性高。径向活塞式压缩机一般都为四缸，它有两种类型：一类有四个径向活塞，四个气缸位于同一径向平面，一根连杆联接两个活塞，曲柄在连杆槽中滑动，将曲轴的旋转运动转变为活塞的直线往复运动，如图2-11a所示，称为连杆径向活塞式压缩机；另一类无连杆，称为滑环径向活塞式压缩机，气缸分别在压缩机的一端，互相间隔90º，气缸轴线垂直于压缩机曲轴。曲轴与汽车发动机的曲轴一样，有一个呈U形的曲拐，但它没有普通的连杆和活塞，而是由一个对置双活塞总成构成，如图2-llb所示。这个对置的(左和右，上和下)双活塞总成称为滑环，滑环总成中间部分装有两个活塞，相隔1800，靠轭叉相联，轭叉和曲轴相联。曲轴转动时，U形曲拐使这个对置双活塞总成前后移动，推动一个活塞在其气缸内上行，同时将与其对置的活塞向下拉。压缩机有两个对置双活塞总成，即有两个滑环。如通用汽车公司的径向式四缸压缩机，气缸布置在同一平面上，有两个滑环一前一后，使四个活塞可沿径向布置在同一圆形壳体中。当压缩机轴旋转时，它迫使每个滑环在与曲轴垂直的平面上前后运动。3．翘板式压缩机翘板式压缩机是一种轴向活塞式压缩机，图2-12所示为SD-5翘板式压缩机的结构图。各气缸以压缩机主轴为中心布置，活塞运动方向平行于压缩机的主轴，活塞和翘板用连杆相联，连杆的两端和活塞及翘板之间用球形万向节联接，使翘板的摆动和活塞的移动协调而不发生干涉。翘板中心用钢球作支承中心，并用一对固定锥齿轮来限制翘板的运动，使翘板只能沿压缩机轴线方向前后移动，但不能绕轴线转动。压缩机的主轴与传动板固定在一起，主轴转动时带动传动板一起旋转。由于传动板是楔形的，迫使翘板翘动，翘板的任何一边向后推动，相对的另一边就向前移动，就像翘翘板。通过钢球与翘板连接的连杆，活塞就进行往复运行。由于翘板式压缩机与曲柄连杆式压缩机一样，设有进、排气阀片，所以其工作循环也有压缩、排气、膨胀和吸气四个过程。当活塞向前运动时，该气缸处于膨胀、吸气两个过程；而翘板另一端的活塞作相反方向的向后运动，该气缸处于压缩、排气两个过程。主轴转动一周，一个气缸就要完成压缩、排气、膨胀、吸气一个循环。如果一个翘板上有五个活塞，对应的五个气缸在主轴转动一周就有五次排气过程。4．斜板式压缩机斜板式压缩机是一种轴向活塞式压缩机，结构如图2-13所示，其工作原理如图2-14所示，斜板压缩机的主要零件是主轴和斜板。各气缸以压缩机主轴为中心布置，活塞运动方向与压缩机的主轴平行，以便活塞在气缸体中运动。活塞制成双头活塞，如果是轴向六缸，则三个气缸在压缩机前部，另外三个气缸在压缩机后部；如果是轴向十缸，则五个气缸在压缩机前部，另外五个气缸在压缩机后部。双头活塞的两活塞各自在相对的缸(一前一后)中滑动，活塞一头在前缸中压缩制冷剂蒸气时，活塞的另一头就在后缸中吸入制冷剂蒸气，反向时互相对调。各缸均备有高低气阀，另有一根高压管，用于联接前后高压腔。斜板与压缩机主轴固定在一起，斜板的边缘装合在活塞中部的槽中，活塞槽与斜板边缘通过钢球轴承支承在一起。当主轴旋转时，斜板也随着旋转，斜板边缘推动活塞作轴向往复运动。如果斜板转动一周