新能源汽車空調(diào)電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究

方金湘

摘要：電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)可靠性好、效率高，具有無極調(diào)速的優(yōu)勢，是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的核心部件。目前，電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)技術(shù)在新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展迅速，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分考慮電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的使用需求，潤滑與回油對(duì)電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)有著作用。針對(duì)電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的潤滑與回油問題進(jìn)行研究，從而提高電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)技術(shù)的可靠性與穩(wěn)定性。

Abstract： The electric scroll compressor has good reliability， high efficiency， and has the advantages of stepless speed regulation. It is the core component of the new energy automobile industry. At present， the application of electric scroll compressor technology in the heat pump air conditioning system of new energy vehicles is developing rapidly. The system design must fully consider the use requirements of the electric scroll compressor. Lubrication and oil return have an effect on the electric scroll compressor system. Research on the lubrication and oil return of the electric scroll compressor， so as to improve the reliability and stability of the electric scroll compressor technology.

關(guān)鍵詞：新能源汽車空調(diào);電動(dòng)渦旋壓縮機(jī);技術(shù)應(yīng)用

Key words： new energy vehicle air conditioner;electric scroll compressor;technology application

中圖分類號(hào)：U472.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0196-02

0? 引言

環(huán)境危機(jī)與能源危機(jī)的陸續(xù)出現(xiàn)，使新能源汽車保有量逐年增加。對(duì)于新能源汽車而言，由于成本限制與能源密度的諸多限制，導(dǎo)致其對(duì)各系統(tǒng)的節(jié)能需求與傳統(tǒng)汽車相比更高。新能源汽車空調(diào)制冷可使用電動(dòng)壓縮機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的離合式壓縮機(jī);而制熱方面，由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱可利用，目前只能依靠PTC電加熱與熱泵空調(diào)。與PTC材料電加熱相比，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果更好，目前國內(nèi)外許多車輛生產(chǎn)廠家都在積極進(jìn)行熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研發(fā)，電動(dòng)壓縮機(jī)作為新能源汽車制熱、制冷的核心部件，也逐漸成為了重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目。而電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)因其構(gòu)造簡單、噪聲小、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，已大量應(yīng)用于裝設(shè)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的新能源汽車。鑒于電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的特點(diǎn)，在應(yīng)用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)因低溫潤滑特性與質(zhì)量降低，需要更為關(guān)注回油問題。

1? 新能源汽車

新能源汽車指的是使用高效環(huán)保能源的汽車，包括電能驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、太陽能驅(qū)動(dòng)、氫能驅(qū)動(dòng)等多種形式。因?yàn)樾履茉雌囆枰鼮槭孢m的駕駛與乘坐環(huán)境，所以在開發(fā)過程中必須對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)完善。目前，電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)這種壓縮機(jī)形式最為符合新能源汽車，僅有少數(shù)廠商具有生產(chǎn)能力。新能源汽車與傳統(tǒng)汽車相比具有顯著的節(jié)能降耗特點(diǎn)，大力發(fā)展新能源汽車有助于我國擺脫對(duì)原油的過度依賴，對(duì)于國家戰(zhàn)略安全具有重要價(jià)值。為了更好地促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，我國政府已經(jīng)發(fā)布了新能源汽車的發(fā)展規(guī)劃，環(huán)?；c電動(dòng)化已逐漸成為發(fā)展方向。

2? 新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)

2.1 新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)概況

新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等設(shè)備構(gòu)成，研發(fā)新能源汽車時(shí)，需要對(duì)配套的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的差異目前主要集中在驅(qū)動(dòng)、壓縮機(jī)、制冷調(diào)節(jié)以及優(yōu)缺點(diǎn)等方面。

2.2 新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)

與普通制冷空調(diào)相比，熱泵空調(diào)系統(tǒng)增加了電磁閥、電子膨脹閥以及各連接管路。對(duì)于電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)而言，應(yīng)用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有顯著的特點(diǎn)：其一，熱泵空調(diào)系統(tǒng)所需的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍大，為了保證潤滑效果，潤滑油與制冷工質(zhì)的比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通制冷空調(diào)壓縮機(jī);其二，熱泵系統(tǒng)使用溫度一般低于-10℃，潤滑油與冷媒的溶解度不斷降低，冷媒比容開始增加，吸氣質(zhì)量與潤滑油質(zhì)量逐漸降低，因此電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)就需要更多的潤滑油量;其三，制熱時(shí)的吸氣壓力更小，電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的壓比不斷增加，因此排氣溫度也隨之提高，由此就可能導(dǎo)致潤滑油炭化效果不理想，嚴(yán)重則可能出現(xiàn)電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)損壞的情況。

如圖1所示，制冷回路中的電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)①排氣進(jìn)入到冷凝器⑥中，并陸續(xù)經(jīng)過電子膨脹閥⑤、⑩，節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器⑨中，隨后經(jīng)過吸氣管進(jìn)入到氣液分離器⑧再回到電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)內(nèi)。在該回路中，排氣管路與出液管路中的流速較快，潤滑油不容易積累;由于冷凝器中的冷凝液一般為微通道結(jié)構(gòu)，油液會(huì)出現(xiàn)附著，因此冷凝器流程分配的隔板上應(yīng)進(jìn)行回油孔設(shè)置，在冷凝器進(jìn)出口壓差的影響下，從而順利排出油液;制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥⑩，節(jié)流降壓之后流速逐步降低，隨后進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)，制冷劑開始以氣態(tài)、液態(tài)兩種形式并存，但潤滑油依然表現(xiàn)為液態(tài)，尤其是制冷劑過熱的階段，這種油氣分離現(xiàn)象更為顯著。因此，電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)吸氣管就應(yīng)該采取合理的回油方法。制熱工況中的電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)①排氣進(jìn)入到冷凝器③中，該冷凝器設(shè)計(jì)要與⑥相同，但一般室內(nèi)冷凝器的尺寸小于室外冷凝器，集油效果不顯著，回油孔可能對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生一定影響，所以對(duì)其可以不進(jìn)行相關(guān)處理;之后經(jīng)過兩通電磁閥④并進(jìn)入電子膨脹閥⑤，待節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器⑥內(nèi)容，該蒸發(fā)器尺寸較大，同時(shí)在蒸發(fā)溫度過低的情況下油氣分離效果更為顯著，因此需要格外關(guān)注電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)吸氣管路的回油設(shè)計(jì)。對(duì)于熱泵空調(diào)系統(tǒng)而言，由于差異化的換熱量需求與管路數(shù)量的變動(dòng)，制熱時(shí)需要的制冷劑充注量往往高于制冷工況，此時(shí)就應(yīng)在系統(tǒng)中進(jìn)行氣液分離設(shè)置。氣液分離既可保證液體不會(huì)大量進(jìn)入電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)，同時(shí)也能使回油結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理化。需要強(qiáng)調(diào)的是，合理設(shè)計(jì)應(yīng)包含進(jìn)出氣管位置與回油孔位置，回油孔位置合理，能夠保證一定的制冷劑與油液持續(xù)不斷地回到電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的吸氣管路上面。要關(guān)注的是，液態(tài)制冷劑此時(shí)處于低溫低速氣體狀態(tài)，潤滑油極其容易析出，因此管路要盡可能短些。而設(shè)置有氣液分離時(shí)，蒸發(fā)器可以考慮設(shè)置適當(dāng)?shù)目装?，以此使制冷劑流速增加并減緩集油速度。

由此可見，換熱器在制冷時(shí)為冷凝器，而在制熱時(shí)便轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)器，考慮到能夠同時(shí)兼顧制冷與制熱的換熱功效，換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能與傳統(tǒng)設(shè)置有所差異，這里更應(yīng)對(duì)換熱器的回油問題進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

3? 新能源汽車空調(diào)電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)技術(shù)應(yīng)用

研發(fā)適用于新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的新型電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)已成為產(chǎn)業(yè)迫切所需。如圖2所示，新能源汽車空調(diào)電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)具有四方面特點(diǎn)，其一般構(gòu)成包括靜渦旋盤、電機(jī)定轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)控制器、滾動(dòng)軸等部件。在這之中，騾動(dòng)塔負(fù)責(zé)與ECU通訊將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?動(dòng)靜盤、滾動(dòng)軸、曲軸等組成壓縮泵;電機(jī)定轉(zhuǎn)子需要將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能由此驅(qū)動(dòng)壓縮泵，通過電機(jī)傳遞驅(qū)動(dòng)將低溫低壓氣體吸入動(dòng)靜盤中壓縮為高溫高壓氣體。

在電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)之中，主要包括7個(gè)摩擦副，壓縮時(shí)7個(gè)摩擦副都需要進(jìn)行潤滑，此時(shí)潤滑油主要發(fā)揮減少摩擦、導(dǎo)熱、降噪的功能;另外在壓縮中，潤滑油還可進(jìn)行徑向密封。因而，若壓縮機(jī)內(nèi)缺少潤滑油，那么就會(huì)導(dǎo)致摩擦副的摩擦損耗與動(dòng)靜盤間的密封性欠佳，壓縮機(jī)的性能將會(huì)顯著下降。電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)方面可分為高壓腔與低壓腔，新能源汽車空調(diào)普遍采用的是低壓腔，潤滑油在主軸作用下提供離心力到達(dá)需要潤滑的表面。雖然潤滑油對(duì)電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)的導(dǎo)熱與潤滑非常重要，但油從排氣離開壓縮機(jī)后，其本質(zhì)就是氣體污染。制冷劑中含有油分，不僅會(huì)損耗壓縮機(jī)自身性能，同時(shí)也會(huì)在制冷系統(tǒng)內(nèi)部各部件中集油，弱化換熱器效能。因?yàn)橹评鋭┡c油之間存在較好的互溶性，所以油液在運(yùn)行時(shí)必定會(huì)隨著制冷劑流動(dòng)而流動(dòng)。為了分離油液，部分壓縮機(jī)會(huì)在后蓋部位進(jìn)行油氣分離設(shè)計(jì)，該原理充分利用了離心力。但無論何種措施，油氣都不能完全分離，而對(duì)于新能源汽車空調(diào)而言，鑒于空間限制極少安裝氣液分裂裝置。由此可知，新能源汽車空調(diào)與系統(tǒng)相比，其含油率較高。

除此之外，制冷量與能效比是新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的核心評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。制冷量與電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)能耗隨著轉(zhuǎn)速提高而提高，而能效比則隨著電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降。由此可知，轉(zhuǎn)速高時(shí)能夠得到較多制冷量，有利于減少車內(nèi)降溫時(shí)間，但對(duì)能效提高沒有較大幫助，所以還要從各方面進(jìn)行充分考慮。

4? 結(jié)語

綜上所述，與傳統(tǒng)制冷空調(diào)相比，電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車熱泵空調(diào)時(shí)，其系統(tǒng)回油問題格外關(guān)鍵，從電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)、氣液分離部件、芯體管路等方面在設(shè)計(jì)初期就要考慮回油問題。一方面，電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)在潤滑之后排氣之前可進(jìn)行適量的油氣分離，從而保證一定的油循環(huán)，為保證回油率，冷凝器流程隔板需進(jìn)行回油孔設(shè)置。在熱泵工作時(shí)，蒸發(fā)器因制冷劑蒸發(fā)而出現(xiàn)的油氣分離需重點(diǎn)關(guān)注孔板設(shè)計(jì)，從而加快制冷劑流速并減少集油;另一方面，結(jié)合蒸發(fā)器制冷量、出風(fēng)溫度以及電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)能耗等方面因素，高轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)快速降溫的目的，但對(duì)整體效能提高而言較為不利，所以電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不應(yīng)盲目增加。

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