小排量汽車空調(diào)控制策略研究

盧國華，金巧靈，喬福龍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

小排量汽車空調(diào)控制策略研究

盧國華，金巧靈，喬福龍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

汽車空調(diào)開啟對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力影響很大，嚴(yán)重影響了乘客的舒適性。介紹了小排量大空間的汽車開發(fā)中，對(duì)空調(diào)的控制，著重闡述空調(diào)的匹配、控制原理和典型工況的控制方法。

空調(diào)；舒適；控制；原理；動(dòng)力性

節(jié)能環(huán)保型小排量汽車已經(jīng)成為汽車發(fā)展的主流與消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)，在當(dāng)今家庭人員2+4+2的結(jié)構(gòu)下，車輛需要坐下6個(gè)人以上的大空間，這對(duì)小排量汽車的動(dòng)力要求很高。出于對(duì)乘坐舒適性的要求，小排量大空間的汽車同樣要有空調(diào)配置，然而空調(diào)對(duì)小排量大空間汽車動(dòng)力性的影響更加明顯，因此良好的空調(diào)匹配及控制技術(shù)在小排量汽車開發(fā)中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文所提到的汽車空調(diào)均指非獨(dú)立式汽車空調(diào)對(duì)于小排量汽車，尤其目前盛行的1.0T的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)汽車。受功率扭矩的限制，由于起步需要的扭矩比較大，因此空調(diào)的開啟對(duì)起步影響很大。所以汽車空調(diào)要兼顧制冷效果、車輛動(dòng)力性和駕駛的舒適性，尤其是在啟動(dòng)空調(diào)時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，在空調(diào)壓縮機(jī)功率一定的情況下，ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)對(duì)車輛整體的體驗(yàn)上起著決定性作用。本文主要介紹怠速控制器和點(diǎn)火提前角的控制方法。

1 汽車空調(diào)的基本原理

1.1 汽車空調(diào)的工作原理

汽車空調(diào)采用非獨(dú)立式空調(diào)系統(tǒng)的汽車，由發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，工作時(shí)直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)能量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生直接影響。

如圖1所示，汽車空調(diào)一般主要由壓縮機(jī)、電控離合器、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、貯液干燥器、管道、冷凝風(fēng)扇、真空電磁閥和控制系統(tǒng)等組成。

圖1 空調(diào)工作原理

利用制冷劑（冷媒）壓縮釋放的瞬間體積急劇膨脹吸收大量熱能的原理制冷。工作時(shí)從蒸發(fā)器出來的低壓氣態(tài)冷媒流經(jīng)壓縮機(jī)變成高壓高溫氣體，經(jīng)過冷凝器散熱管降溫冷卻變成高壓低溫的液體，再經(jīng)過貯液干燥器除濕與緩沖，然后以較穩(wěn)定的壓力和流量流向膨脹閥，經(jīng)節(jié)流和降壓最后流向蒸發(fā)器。冷媒一遇低壓環(huán)境即蒸發(fā)，吸收大量熱能。液態(tài)致冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器后再次變成低壓氣體，又重新被吸入壓縮機(jī)進(jìn)行下一次的循環(huán)工作。如此往復(fù)循環(huán)，車廂內(nèi)的空氣不斷流經(jīng)蒸發(fā)器，車廂內(nèi)溫度也就因此降低[1]。

1.2 汽車空調(diào)的控制原理

由于汽車空調(diào)的工作環(huán)境比較惡劣，受到很多條件的約束，因此汽車空調(diào)的控制方法也相對(duì)復(fù)雜，一般的控制流程如圖2所示。

圖2 空調(diào)的基本控制原理

如圖2所示，在駕駛員需求急加速或者大負(fù)荷爬坡，為了滿足駕駛員的意圖，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，這個(gè)時(shí)候需要臨時(shí)切斷空調(diào)，保證動(dòng)力輸出；當(dāng)有更高優(yōu)先級(jí)的功率需求時(shí)，如動(dòng)力轉(zhuǎn)向，同樣可以臨時(shí)切斷空調(diào)以保證優(yōu)先級(jí)較高的功率需求[2]。無論控制原理如何，對(duì)于小排量大空間的汽車，都要最大限度的合理分配其有限的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，以保證駕駛員的意圖需求和車輛駕駛的舒適性。

1.3 空調(diào)壓縮機(jī)功率與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)功率的匹配

采用非獨(dú)立式空調(diào)系統(tǒng)的汽車，其空調(diào)系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，空調(diào)的動(dòng)力來源發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，消耗發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生直接影響[3]。因此，必須選用適當(dāng)?shù)墓β势ヅ洌拍芗炔挥绊懫噷?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的要求，又能得到足夠的制冷能力，一般選擇的壓縮機(jī)功率消耗占發(fā)動(dòng)機(jī)功率的10%～15%[4]，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)傳動(dòng)比i=1時(shí)，其制冷能力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以用圖3所示。

圖3 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與其功耗圖

2 空調(diào)控制方法

2.1 怠速工況下，空調(diào)啟動(dòng)控制

發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)下（包括靜態(tài)怠速和動(dòng)態(tài)怠速），當(dāng)空調(diào)啟動(dòng)時(shí)，由于負(fù)荷突然增加，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（簡(jiǎn)稱ECU，下文用簡(jiǎn)稱顯示）會(huì)根據(jù)負(fù)荷的變化，通過增加怠速控制執(zhí)行器占空比（PWM）來提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而增加發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率，來彌補(bǔ)由于空調(diào)啟動(dòng)而增加的功率消耗。

壓縮機(jī)電磁離合器瞬間吸合導(dǎo)致負(fù)荷突然增大，造成發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷突然增加，怠速控制執(zhí)行器沒能來的及調(diào)整進(jìn)氣量，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。在怠速工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速比較低，例如某車企的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速是750±50 r/min，在這么低的轉(zhuǎn)速下，由于空調(diào)開啟所帶來的轉(zhuǎn)速下降會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性造成極大的擾動(dòng)，引起發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)加劇甚至熄火，而此時(shí)的乘坐舒適性也隨之變差。因此必須對(duì)空調(diào)啟動(dòng)的過程和怠速控制執(zhí)行器的控制方法加以調(diào)整以使轉(zhuǎn)速不致下跌過多來提高舒適性。

如圖4所示，當(dāng)ECU收到空調(diào)請(qǐng)求信號(hào)，ECU判斷空調(diào)達(dá)到開啟條件之后，空調(diào)開啟延遲作用使得空調(diào)啟動(dòng)的動(dòng)作相對(duì)于啟動(dòng)信號(hào)有一個(gè)延遲。在這段延遲時(shí)間內(nèi)，ECU通過發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)計(jì)算出一個(gè)穩(wěn)態(tài)輸出值以及瞬態(tài)修正值后輸出一個(gè)最終的空調(diào)損失的扭矩值，進(jìn)而計(jì)算出空調(diào)需求的扭矩儲(chǔ)備值，ECU調(diào)節(jié)節(jié)氣門的進(jìn)氣量來提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，剛好能夠彌補(bǔ)空調(diào)所消耗的扭矩[5]，此時(shí)，空調(diào)繼電器吸合，空調(diào)壓縮機(jī)離合器吸合空調(diào)就開始工作；而在空調(diào)關(guān)閉時(shí)，同樣，會(huì)有延遲，ECU會(huì)控制進(jìn)氣門開度，使空調(diào)繼電器信號(hào)的下降沿突變到原來的值，為保證由于轉(zhuǎn)速突然下降導(dǎo)致車輛的頓挫感，ECU控制器還有一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)項(xiàng)（圖4中的曲線4），最終的調(diào)節(jié)效果應(yīng)該是曲線3和曲線4的疊加，使得空調(diào)切換過程中，扭矩是個(gè)緩慢的釋放過程，保證了駕駛性的舒適性和動(dòng)力的需求。

圖3 空調(diào)開啟時(shí)的調(diào)節(jié)

2.2 行車狀態(tài)下空調(diào)啟動(dòng)的調(diào)節(jié)

行車狀態(tài)下，壓縮機(jī)離合器的突然吸合同樣會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷突然增加，轉(zhuǎn)速先下降，由于ECU的調(diào)節(jié)，隨后又上升，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動(dòng)，造成行駛中的車輛車速波動(dòng)，有明顯的頓挫和抖動(dòng)感。為抑制這種轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，通過控制點(diǎn)火提前角的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，先來了解一下點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出的影響。點(diǎn)火提前角是以曲軸轉(zhuǎn)角為單位，表示點(diǎn)火時(shí)刻提前（或滯后）于上止點(diǎn)（TDC）的時(shí)間間隔，即點(diǎn)火的早晚。在目前的汽油機(jī)管理系統(tǒng)中，點(diǎn)火提前角（以下簡(jiǎn)稱點(diǎn)火角）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩有很大影響。在行車狀態(tài)下，一般不會(huì)通過提高轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)扭矩的補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)空調(diào)開啟的舒適性，在相同轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣量下，可以通過調(diào)節(jié)點(diǎn)火角來增加扭矩的補(bǔ)償。但是過大的點(diǎn)火角會(huì)引起爆燃，損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，因此需要找出最大扭矩的最小點(diǎn)火角（即MBT）[5]。

如圖5，在行車狀態(tài)下（節(jié)氣門開啟），空調(diào)滿足啟動(dòng)條件開始啟動(dòng)，經(jīng)過一定的時(shí)間延遲后，空調(diào)繼電器接通。在延遲期間，基于空調(diào)的點(diǎn)火角修正值從零逐漸增大到最大值后保持不變，直到空調(diào)繼電器接通，壓縮機(jī)離合器吸合，隨后又開始逐漸減小到零。在進(jìn)行修正時(shí)，點(diǎn)火角減?。ㄍ七t），發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩先是降低扭矩，空調(diào)工作后再增加，穩(wěn)定了車輛行駛工況，增加了舒適性。在換擋過程中，會(huì)有一個(gè)空調(diào)維持現(xiàn)狀的時(shí)間值來標(biāo)定，在換擋期間這個(gè)變量時(shí)間內(nèi)，空調(diào)維持之前狀態(tài)，不作變化以防造成駕駛性舒適性的改變。

圖5 空調(diào)開啟時(shí)點(diǎn)火提前角修正

3 結(jié)束語

汽車空調(diào)是由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因此在其開啟或者關(guān)閉時(shí)，一定要采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ惯@種動(dòng)力上的突變轉(zhuǎn)化成漸變，特別是對(duì)小排量甚至三缸機(jī)的汽車，這種轉(zhuǎn)化帶來的駕駛性改進(jìn)更是明顯，當(dāng)然不同的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)有不同的控制策略。文中所講述的控制策略也只是某一種即預(yù)先調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，包括空調(diào)開啟的延遲、點(diǎn)火角的減小和換擋維持現(xiàn)狀時(shí)間及大負(fù)荷大油門需求時(shí)選擇性關(guān)閉空調(diào)。

[1]張巖.汽車空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].黑龍江科學(xué)，2015（6）：102.

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Research on Air Conditioning Control Strategy of Small Displacement Vehicle

LU Guo-hua，JIN Qiao-ling，Qiao Fu-long
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Automotive air conditioning open a great influence on the engine’s power，seriously affected the passengers’comfort，this article focuses on small-engine cars large space development，the control of the air conditioning，focuses on the matching of air conditioning，control principle and control method of typical working condition.

air conditioning；comfort；control；principle；dynamic

U461.2

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0181-03

2017-02-08

盧國華（1988-），男，廣西桂林人，本科，助理工程師，研究方向：汽油機(jī)整車標(biāo)定及降油耗研究。