CN104564636B - 一种可变排量汽车空调压缩机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变排量汽车空调压缩机系统及控制方法，属于可变排量汽车空调压缩机技术领域。本发明通过在现有压缩活塞机构的对应压缩腔另外一端设置控制活塞，该控制活塞与压缩活塞机构中的压缩活塞将压缩腔分为三个腔室，将控制活塞与压缩活塞之间的中间腔室通过排气管路与冷凝器的进气口连接，控制活塞通过传动机构连接步进电机，步进电机由发动机ECU控制，发动机ECU根据所需制冷量控制步进电机带动控制活塞移动，使压缩腔气体体积变化，在排气压力不变时可改变排气量，从而实现按需求改变制冷量。本发明在原有固定排量的基础上只把压缩腔端部作了些许改变，又省掉了目前大部分变排量压缩机复杂的斜盘机构和电子阀控制系统，机构简单。

Description

一种可变排量汽车空调压缩机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种可变排量汽车空调压缩机系统及控制方法，属于可变排量压缩机技术领域。

背景技术

随着人民生活水平的提高，人们对乘坐舒适性的要求的也越来越高，汽车空调是汽车上的一个重要装置，直接决定了汽车舒适性的好坏，汽车空调的智能化、自动化、舒适化的发展是汽车发展的一项重要内容，压缩机是空调的核心部件，直接控制着整个空调的性能。并影响着汽车整件的经济型，动力性和舒适性。

目前汽车上各类非独立式汽车空调，其压缩机由发动机经皮带轮直接驱动，很多使用的仍是固定排量的压缩机，排气量随转速增加而增加，严重影响舒适性，同时会有离合器频繁启闭，蒸发器结霜等很多弊端，现在很多小轿车已装上的可变排量压缩机，可以根据车速和内部环境调节排气量，进而调节合适的车内温度，变排量压缩机可分为内控式和外控式，其中内控式变排量压缩机通过气动控制阀控制动力调节的执行机构控制容量，表现出一定的滞后性，而常见外控式变排量压缩机的核心控制部件电子阀长期受国外技术封锁，国内此类压缩机还难以做到对温度的精准控制，如何实时精确控制制冷量是目前空调系统急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变排量汽车的空调压缩机系统及控制方法，以解决现有可变排量汽车的空调压缩机系统结构负载，温度控制不准的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：一种可变排量汽车空调压缩机系统，包括发动机、冷凝器、蒸发器和压缩活塞机构，所述压缩活塞机构对应压缩腔另外一端设置有控制活塞，该控制活塞与压缩活塞机构中的压缩活塞将压缩腔分为三个腔室，所述控制活塞与压缩活塞之间的中间腔室通过排气管路与冷凝器的进气口连接，中间腔室还通过进气管路连接至蒸发器的输出端口，所述控制活塞通过传动机构由电机驱动，所述压缩活塞通过活塞杆由发动机驱动，所述中间腔室的进气口和排气口设置有压强传感器，所述蒸发器和冷凝器表面设置有温度传感器，所述控制活塞上设置有位移传感器，各传感器的输出端与发动机ECU的输入端连接，所述发动机ECU的输出端通过驱动装置连接电机。

所述的可变排量汽车空调压缩机系统，所述的电机和控制活塞之间的传动机构采用联轴器和丝杠螺母，所述丝杠螺母的一端与控制活塞固定连接，另一端通过联轴器与电机连接。

所述的可变排量汽车空调压缩机系统，所述的控制活塞与传动机构所在腔室设置有泄气阀，该泄气阀通过管路连接至进气管路，所述泄气阀由发动机ECU控制。

所述的可变排量汽车空调压缩机系统，所述的发动机ECU还连接有人机交互模块，该人机交互模块采用触摸屏，用于进行信息显示和参数输入。

所述的发动机ECU还连接有故障检测与报警模块。

该控制方法包括以下步骤：

1)采集车内温度、蒸发器表面温度、冷凝器表面温度、控制活塞位移、压缩腔的排气口和进气口压力；

2)根据温度实测值和设定值的偏差采用模糊处理确定所需控制活塞位移，判断控制活塞的实际位移与所需位移是否相等，若不相等，控制电机进行正转或反转，

3)若控制活塞的实际位移与所需位移相等，则判断车内的实际温度与设定温度，若车内的实际温度与设定温度不相等时，控制电机进行正转或反转。

所述步骤2)中当实际位移小于所需位移时，控制电机正转，当实际位移大于所需位移时，控制电机反转。

本发明的有益效果是:本发明通过在现有压缩活塞机构的对应压缩腔另外一端设置控制活塞，该控制活塞与压缩活塞机构中的压缩活塞将压缩腔分为三个腔室，将控制活塞与压缩活塞之间的中间腔室通过排气管路与冷凝器的进气口连接，控制活塞通过传动机构连接步进电机，步进电机由发动机ECU控制，发动机ECU根据所需制冷量控制步进电机带动控制活塞移动，使压缩腔气体体积变化，在排气压力不变时可改变排气量，从而实现按需求改变制冷量。本发明在原有固定排量的基础上只把压缩腔端部作了些许改变，又省掉了目前大部分变排量压缩机复杂的斜盘机构和电子阀控制系统，机构简单。本发明采用ECU全自动控制模式，自动化程度高，通过步进电机控制压缩腔体积，转过的角度与控制脉冲的个数呈严格的正比关系，精度高，同时系统运行的稳定性和可靠性大大提高。

附图说明

图1是可变排量空调压缩机系统原理图；

图2是ECU模糊全自动控制原理图；

图3是本发明所采用的控制方法流程图；

图4是本发明压缩机活塞控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种可排量汽车空调压缩机系统的实施例

如图1所示，本实施例中的可排量汽车空调压缩机包括发动机、发动机ECU、步进电机2、压缩活塞机构、冷凝器、储液罐和蒸发器，压缩活塞机构对应压缩腔另外一端设置有控制活塞5，该控制活塞与压缩活塞机构中的压缩活塞6将压缩腔分为三个腔室，控制活塞与压缩活塞之间为中间腔室，中间腔室中的排气口通过排气管路与冷凝器的进气口连接，中间腔室的进气口通过进气管路连接至蒸发器的输出端口，冷凝器的处理口和蒸发器的进气口分别通过管路连接至储液罐，通过管路连接到储液罐中，冷凝器的出气口和储液罐之间的管路上还设置有膨胀阀11，压缩活塞右边为右腔室，压缩活塞上固定有活塞杆3，该活塞杆3由发动机通过皮带轮直接驱动，控制活塞5左边为左腔室，该腔室设置有泄气阀9，该泄气阀通过管路连接至进气管路，控制活塞通过传动机构与步进电机2连接，由步进电机带动传动机构实现对控制活塞5的驱动，本实施例中传动机构采用联轴器4和丝杠螺母10，丝杠螺母10的一端与控制活塞5固定连接，另一端通过联轴器4与步进电机2连接，步进电机的控制端通过驱动装置1连接至发动机ECU，由发动机ECU控制步进电机。

发动机ECU采用模糊全自动控制原理，如图2所示，发动机ECU输入端通过抗干扰处理模块与信号采集模块连接，信号采集模块用于采集发动机的转速、车内温度、中间腔室的排气口和进气口压强以及控制活塞的位移，发动机上设置有用于采集发动机转速的霍尔转速传感器15，控制活塞上设置有用于检测控制活塞的位移的位移传感器7，中间活塞腔室的进气口和排气口均设置有压强传感器8，用于检测中间活塞腔室进气口和排气口的压力，冷凝器表面设置有热电偶12，用于采集冷凝器的温度，蒸发器表面设置有铂电阻温度传感器13，用于检测蒸发器的温度，还设置有用于检测车内温度的车内温度传感器14，上述霍尔转速传感器15、位移传感器7、压强传感器8、热电偶12、铂电阻温度传感器13和车内温度传感器14的输出端与发动机ECU连接，发动机ECU通过各个传感器监测车内温度、蒸发器表面温度、冷凝器表面温度、活塞进气口和排气口压力和风量以及汽车车速，根据所采集的信号计算出作为脉冲控制模块的温度设定值，然后根据实测值与设定值的偏差，采用模糊PID分析处理计算出脉冲数的调节值，并将脉冲送入步进电机驱动电路中，使步进电机输出设定步距角，通过机械传动转换装置实现控制活塞的轴向位移。

发动机ECU还连接有人机交互模块，该人机交互模块采用触摸屏，用于进行信息显示和参数输入，显示的信息主要有系统运行状态、车内外温度、活塞进出口气体压强、控制活塞的位移以及车速，参数输入主要有车内温度设置和制冷模式。

发送机ECU连接有故障检测与报警模块，该模块通过软件系统的定时巡检模块进行，一旦出现硬件故障，系统将调用中断程序进行处理，故障出现后，系统一方面利用显示屏和扬声器进行报警，另一方面调用内置的故障处理中断将系统状态信息，如故障码和各部件状态等信息显示在触摸屏上以便处理。

发动机ECU接收各传感器采集的数据信号，经过模糊PID分析处理，给步进电机一定的脉冲数，控制步进电机通过丝杠螺母带动控制活塞移动，改变压缩腔体积，而压缩活塞行程是不变的，排气量也会跟着变化，当控制活塞左端腔室压强过大时，会通过泄压阀联通到进气管泄压。当所需制冷量比当前制冷量要小时，根据制冷量改变的大小，步进电机带动控制活塞向左移动相应的位移，减小排气量，是温度升高；当所需制冷量比当前制冷量要大时，步进电机带动控制活塞向右移动相应的位移，增大排气量，降低温度。

本发明的一种可变排量汽车空调压缩机系统控制方法的实施例。

本实施例中的可变排量汽车空调压缩机系统采用活塞式压缩机，在原有固定排量的活塞压缩腔的基础上进行改进，使原来与活塞对应的压缩腔另外一端也通过控制系统自由移动，而活塞行程不变，压缩腔空气体体积变化，从而实现在排气压力不变时可相应的改变排气量，实现按需求改变制冷量，其结构如图1和图2所示，这里不再赘述，该系统采用的控制方法流程如图3所示，具体控制过程如下。

1.首先采集各传感器的数据，包括发动机转速、车内温度、车外环境温度、控制活塞位移、冷凝器和蒸发器的表面温度，根据其采集数据由ECU计算出当前状态下控制活塞所需位移。

由于空调压缩机的排量与制冷量成正比，制冷量与发动机转速，制冷剂性质，温度相关，因此在发动机转速及制冷剂性质基本不变的情况下，可以得到所需温度与所需排量的一一对应关系，进而通过所需排量与当前排量的差值计算得出控制活塞所需位移。如图4所示，控制活塞左移排量增加，右移排量减小，当压缩活塞压缩至最大行程时压缩完毕，当需求排量改变Q时，通过压缩机排量公式

Q＝π/4*D2*S*N*λ1*λ2*λ3*λ4,可以得出控制活塞所需位移S。其中；D是气缸缸径，S是控制活塞所需位移，N是发动机转速，λ1，λ2，λ3，λ4分别为压力系数，容积系数，温度系数和泄露系数。

2.判断实际位移与所需位移之间的关系，通过位移进行判断控制步进电机进行PID反馈调节。

当实际位移大于所需位移时，ECU控制步进电机反转，当实际位移小于所需位移时，ECU控制步进电机正转。ECU采用模糊PID分析处理计算出脉冲数的调节值，并将脉冲送入步进电机驱动电路中，使步进电机输出设定步距角,通过机械传动转换装置实现控制调节端活塞的轴向位移。

3.通过温度进行判断控制步进电机进行进一步的PID反馈调节，如此反复循环，进而准确自动调节所需温度。

若实际位移等于所需位移时，判断实际温度与所需温度之间的关系，当实际温度大于所需温度时，控制电机反转，当实际温度小于所需温度时，控制电机反转。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可变排量汽车空调压缩机系统，包括发动机、冷凝器、蒸发器和压缩活塞机构，其特征在于，所述压缩活塞机构对应压缩腔另外一端设置有控制活塞，该控制活塞与压缩活塞机构中的压缩活塞将压缩腔分为三个腔室，所述控制活塞与压缩活塞之间的中间腔室通过排气管路与冷凝器的进气口连接，中间腔室还通过进气管路连接至蒸发器的输出端口，所述控制活塞通过传动机构由电机驱动，所述压缩活塞通过活塞杆由发动机驱动，所述中间腔室的进气口和排气口设置有压强传感器，所述蒸发器和冷凝器表面设置有温度传感器，所述控制活塞上设置有位移传感器，各传感器的输出端与发动机ECU的输入端连接，所述发动机ECU的输出端通过驱动装置连接电机；所述的电机和控制活塞之间的传动机构采用联轴器和丝杠螺母，所述丝杠螺母的一端与控制活塞固定连接，另一端通过联轴器与电机连接。

2.根据权利要求1所述的可变排量汽车空调压缩机系统，其特征在于，所述的控制活塞与传动机构所在腔室设置有泄气阀，该泄气阀通过管路连接至进气管路，所述泄气阀由发动机ECU控制。

3.根据权利要求2所述的可变排量汽车空调压缩机系统，其特征在于，所述的发动机ECU还连接有人机交互模块，该人机交互模块采用触摸屏，用于进行信息显示和参数输入。

4.根据权利要求3所述的可变排量汽车空调压缩机系统，其特征在于，所述的发动机ECU还连接有故障检测与报警模块。

5.一种如权利要求1所述可变排量汽车空调压缩机系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

1)采集车内温度、蒸发器表面温度、冷凝器表面温度、控制活塞位移、发动机转速、压缩腔的排气口和进气口压力；

2)根据空调压缩机的排量与制冷量成正比，制冷量与发动机转速，制冷剂性质，温度相关，在发动机转速及制冷剂性质不变的情况下，得到所需温度与所需排量的一一对应关系，进而通过所需排量与当前排量的差值计算出控制活塞所需位移，按照压缩机排量公式

Q＝π/4*D2*S*N*λ1*λ2*λ3*λ4,

得出控制活塞所需位移S，并判断控制活塞的实际位移与所需位移是否相等，若不相等，控制电机进行正转或反转；

其中，Q为空调压缩机所需排量与当前排量的差值，D是气缸缸径，S是控制活塞所需位移，N是发动机转速，λ1，λ2，λ3，λ4分别为压力系数，容积系数，温度系数和泄露系数；

3)若控制活塞的实际位移与所需位移相等，则判断车内的实际温度与设定温度，若车内的实际温度与设定温度不相等时，控制电机进行正转或反转。

6.根据权利要求5所述的可变排量汽车空调压缩机系统的控制方法，其特征在于，所述步骤2)中当实际位移小于所需位移时，控制电机正转，当实际位移大于所需位移时，控制电机反转。