油循環(huán)率對電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)性能的影響

陶 宏 張 婷 吳生禮 程英男 繆 劍 邵昕宏

(上海海立新能源技術(shù)有限公司 上海 201206)

空調(diào)系統(tǒng)的油循環(huán)率(oil circulation rate，OCR)會(huì)影響換熱器的流動(dòng)換熱，由于油的黏度遠(yuǎn)大于液態(tài)制冷劑，導(dǎo)致制冷劑側(cè)的流阻增加、傳熱系數(shù)減??；由于蒸發(fā)器中制冷劑的溫度比冷凝器低，油的黏度較大，導(dǎo)致?lián)Q熱流阻增加較多(最大可達(dá)25%)、熱量衰減較大(最大可達(dá)5%)[1]，當(dāng)熱泵在低溫制熱模式下運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)溫度更低、油的黏度更大，影響更嚴(yán)重。汽車空調(diào)系統(tǒng)的OCR通常高于家用空調(diào)或商用空調(diào)系統(tǒng)，為3%～6%，最高可達(dá)10%，制冷量衰減最高可達(dá)10%、出風(fēng)溫度上升可達(dá)3～4 K[2-3]，因此OCR越低，熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能越好。

壓縮機(jī)需要適中的OCR以保證：1)可靠的潤滑以降低磨耗和磨損；2)高度密封以減小壓縮過程的制冷劑泄漏；3)有效冷卻以保障適宜的工作溫度、同時(shí)改善壓縮過程[4]。

陳志明等[5]對電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)(R22)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，研究了OCR對壓縮過程、容積效率、功耗、排氣溫度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)OCR介于5%～12%時(shí)，壓縮機(jī)的容積效率、功耗最佳，OCR偏低則泄漏增加、潤滑不良，OCR偏高則占有吸氣容積、油攪拌增加，均會(huì)影響壓縮機(jī)性能；OCR增加1%，壓縮機(jī)排氣溫度降低1.8 ℃。

胡青等[6]對斜盤式汽車空調(diào)壓縮機(jī)(R12)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，由于沒有采用油分離器方法測量OCR，計(jì)算壓縮機(jī)性能時(shí)采用制冷劑和油混合物物性修正計(jì)算；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明OCR<2%時(shí)，油對測量誤差的影響小于1%，但當(dāng)OCR約為10%時(shí)，油對測量誤差的影響達(dá)到8%～10%；當(dāng)OCR介于5%～8%時(shí)，壓縮機(jī)的性能最佳。

楊傳波等[7]對渦旋式汽車空調(diào)壓縮機(jī)(R134a)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，研究了不同工況、轉(zhuǎn)速條件下OCR對容積效率、功耗、排氣溫度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)OCR介于7%～9.1%時(shí)，不同轉(zhuǎn)速和工況下，均可獲得較佳的工作性能；OCR<6%，泄漏是影響容積效率和壓縮機(jī)軸功率的主要因素，當(dāng)OCR>10.7%時(shí)，油占有一定工作容積并溶解部分制冷劑是影響容積效率的主要原因，功率損失的增加是由于排氣流動(dòng)損失和相對運(yùn)動(dòng)部件間摩擦增加造成；OCR增加，排氣溫度降低，兩者之間約呈線性變化關(guān)系。

王楓等[8]研究了活塞式冷凍壓縮機(jī)(R22)，壓縮機(jī)排氣后設(shè)置油分離器，以確保制冷循環(huán)中壓縮機(jī)吸入純制冷劑，同時(shí)將分離出來的潤滑油及時(shí)送回壓縮機(jī)油箱，采用取樣法測量OCR。在一定范圍內(nèi)，OCR隨壓縮機(jī)注油量的增加而升高，存在性能最佳的OCR(0.4%～0.5%，對應(yīng)最佳的壓縮機(jī)注油量)。

R.Ossorio等[9]實(shí)驗(yàn)研究了變頻渦旋壓縮機(jī)(R290)的OCR，結(jié)果表明，影響OCR的主要因素是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和蒸發(fā)溫度，OCR隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增加，高轉(zhuǎn)速時(shí)OCR可達(dá)5%。

電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)既不同于傳統(tǒng)汽車用皮帶輪驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，增加了電動(dòng)機(jī)部分；也不同于家用或商用的立式變頻渦旋空調(diào)壓縮機(jī)，采用臥式結(jié)構(gòu)。因此，本文采用壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)及OCR測量裝置，研究電動(dòng)汽車空調(diào)用變頻臥式渦旋空調(diào)壓縮機(jī)(R134a)的容積效率、電效率、排氣溫度、殼體溫度等隨OCR的變化。

1 壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1.1 壓縮機(jī)性能測量裝置

實(shí)驗(yàn)采用GB/T 5773—2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》[10]中定義的第二制冷劑量熱器法。

壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，壓縮機(jī)(1)排氣進(jìn)入油氣分離儲(chǔ)油罐(13)，經(jīng)過油氣分離后的氣相制冷劑依次流向冷凝器(4)冷凝、高壓儲(chǔ)液罐(5)、過冷器(6)冷卻為過冷液，質(zhì)量流量計(jì)(20)測量制冷劑質(zhì)量流量、膨脹閥(7)節(jié)流、蒸發(fā)器(10)內(nèi)吸收氣相第二制冷劑冷凝熱而蒸發(fā)，最后流回壓縮機(jī)(1)的吸氣口；而經(jīng)過油氣分離后的液相油依次流向油流量計(jì)(21)測量油質(zhì)量流量、油流量控制閥(15)調(diào)節(jié)油流量，最后也流回壓縮機(jī)(1)的吸氣口。

第二制冷劑量熱器是一個(gè)隔熱的密閉壓力容器(9)，充注有第二制冷劑(11)，下部為液相區(qū)，通過浸沒的電加熱器(12)調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，上部為氣相區(qū)，懸置蒸發(fā)器(10)；第二制冷劑被電加熱器加熱沸騰蒸發(fā)為氣體上升到氣相區(qū)，在蒸發(fā)器表面放熱后又被冷凝為液體滴落回下部液相區(qū)。為使量熱器的漏熱損失最小，調(diào)節(jié)量熱器室(8)的室溫與量熱器內(nèi)第二制冷劑的溫度相等。

被測壓縮機(jī)(1)置于壓縮機(jī)室(3)內(nèi)，壓縮機(jī)室內(nèi)環(huán)境空氣溫度可調(diào)節(jié)，并可通過風(fēng)扇(2)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)周邊空氣流速。

1壓縮機(jī);2風(fēng)扇;3壓縮機(jī)室;4冷凝器;5高壓儲(chǔ)液器;6過冷器;7電子膨脹閥;8量熱器室;9量熱器;10蒸發(fā)器;11第二制冷劑;12電加熱器;13油氣分離儲(chǔ)油罐;14電加熱器;15油流量控制閥;16閥前;17量熱器出口;18壓縮機(jī)吸氣口;19壓縮機(jī)排氣口;20制冷劑質(zhì)量流量計(jì);21油質(zhì)量流量計(jì)。圖1 壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.1 Principle of compressor performance test installation

壓縮機(jī)運(yùn)行工況如排氣壓力、吸氣壓力、閥前溫度、吸氣溫度等參數(shù)設(shè)定完成后，本實(shí)驗(yàn)裝置按照圖2中對應(yīng)的(a)～(d)控制回路分別自動(dòng)調(diào)節(jié)。主要測量儀器參數(shù)如表1所示。

表1 主要測量儀器參數(shù)Tab.1 Parameters of principal measuring instruments

圖2 壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)裝置主要調(diào)節(jié)回路框圖Fig.2 Key regulation loops block diagram for compressor performance test installation

(1)

而蒸發(fā)器的制冷量等于直接測量的電加熱功率Pheater與量熱器漏熱量Φloss的代數(shù)和：

Φe=Pheater+Φloss

(2)

式中：Pheater為電加熱功率，W；Φloss為量熱器漏熱量，W，根據(jù)量熱器室與量熱器內(nèi)部的溫差大小修正[9]。

膨脹閥入口制冷劑比焓hVi通過當(dāng)?shù)貕毫Vi和溫度TVi計(jì)算；量熱器出口制冷劑比焓heo通過當(dāng)?shù)貕毫eo和溫度Teo計(jì)算。

壓縮機(jī)在一定吸氣壓力ps、吸氣溫度Ts、排氣壓力pd和膨脹閥前溫度TVi時(shí)，壓縮機(jī)的制冷量Φ0按照式(3)修正了從量熱器出口到壓縮機(jī)吸氣口之間連接管路的冷量損失。

(3)

式中：Φ0為壓縮機(jī)的制冷量，W；Φe為蒸發(fā)器的制冷量，W；hs為壓縮機(jī)吸氣口制冷劑比焓，J/kg。

壓縮機(jī)容積效率ηV定義為：

(4)

式中：WRef為直接法制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；ρs為壓縮機(jī)吸氣口制冷劑密度，kg/m3；Vd為壓縮機(jī)排量，m3；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

壓縮機(jī)電效率ηe定義為：

ηe=WRefΔhis/Pcomp

(5)

式中：ηe為壓縮機(jī)電效率；WRef為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；Δhis為等熵焓差，J/kg；Pcomp為壓縮機(jī)功率，W。

1.1.2 油分離式OCR測量裝置

為了減少實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中的制冷劑含油量對流量測量、制冷劑物性計(jì)算的影響[11]，如圖1所示，壓縮機(jī)排氣先經(jīng)油氣分離儲(chǔ)油罐(Temprite 925R，分離效率99.9%)分離制冷劑氣體和油，被分離出的油流入底部儲(chǔ)油罐；儲(chǔ)油罐的油中浸沒電加熱器，與油溫傳感器組成控制回路調(diào)節(jié)儲(chǔ)油罐中油溫至100 ℃，以盡量減少油中溶解制冷劑的量，油池溫度調(diào)節(jié)回路如圖3(b)所示，儲(chǔ)油罐中有油位傳感器測量儲(chǔ)油罐中油位，與儲(chǔ)油罐出口管路上的流量調(diào)節(jié)閥組成控制回路，調(diào)節(jié)儲(chǔ)油罐中油位；儲(chǔ)油罐出口管路上的流量調(diào)節(jié)閥與油流量計(jì)組成控制回路，調(diào)節(jié)OCR，OCR調(diào)節(jié)回路如圖3(a)所示；流量調(diào)節(jié)閥流出的油與量熱器出口的制冷劑匯合回到壓縮機(jī)吸氣口。

圖3 OCR實(shí)驗(yàn)裝置主要調(diào)節(jié)回路框圖Fig.3 Key regulation loops block diagram of OCR test installation

質(zhì)量流量計(jì)(21)位于儲(chǔ)油罐出口，直接測量油的質(zhì)量流量Woil，OCR定義為：

(6)

式中：OCR為油循環(huán)率，%；Woil為油的質(zhì)量流量，kg/s。

1.2 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)采用海立(HIGHLY)電動(dòng)汽車用臥式變頻渦旋空調(diào)壓縮機(jī)，制冷劑為R134a，冷凍油HAF68(POE)，壓縮機(jī)排量Vd為3.4×10-5m3。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況參照GB/T 22068—2018《汽車空調(diào)用電動(dòng)壓縮機(jī)總成》[12]選定，為了對比轉(zhuǎn)速、工況的影響，選擇轉(zhuǎn)速分別為3 000、4 500、6 000 r/min，以及C1、C2兩個(gè)高負(fù)荷工況(如表2所示)。

表2 測試工況Tab.2 Test operating conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 容積效率

圖4所示為容積效率隨油循環(huán)率的變化。由圖4可知，當(dāng)OCR減小時(shí)，渦旋壓縮腔密封效果減弱，泄漏量增加，壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量隨OCR的減小而降低，壓縮機(jī)容積效率為0.80～0.93，整體隨OCR的減小而降低,當(dāng)OCR從10%降至1%，容積效率降低約0.02～0.05。

泄漏量：

(7)

式中：mLeak為泄漏量，kg；Cd為泄漏系數(shù)；A為泄漏面積，m2；ρ為密度，kg/m3；Δp為壓差，Pa；t為時(shí)間，s。

由式(7)可知，當(dāng)Cd、A、ρ、Δp一定時(shí)，mLeak與泄漏時(shí)間成正比。轉(zhuǎn)速越低，渦盤轉(zhuǎn)過一定角度的時(shí)長t越長，每轉(zhuǎn)內(nèi)mLeak越多。由圖4可知，整體上，容積效率隨轉(zhuǎn)速降低而降低；在C1工況下，6 000 r/min與4 500 r/min時(shí)壓縮機(jī)的容積效率接近，3 000 r/min時(shí)壓縮機(jī)容積效率明顯低于4 500 r/min，說明在中高轉(zhuǎn)速時(shí)泄漏影響的差異較小，而在中低轉(zhuǎn)速時(shí)泄漏影響的差異較大；而C2工況的容積效率明顯高于C1工況，主要是因C2工況的壓比(≈5.1)小于C1工況的壓比(≈7.3)。

圖4 容積效率隨油循環(huán)率的變化Fig.4 Volume efficiency varies with oil circulation rate

在C1工況轉(zhuǎn)速為4 500、6 000 r/min，C2工況轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時(shí)，當(dāng)OCR>5%時(shí)，容積效率隨OCR的變化較小，OCR<5%時(shí)，容積效率隨OCR的變化較大，說明中高轉(zhuǎn)速時(shí)OCR≈5%，既能保證渦旋壓縮機(jī)的有效密封，也可盡可能減小對空調(diào)系統(tǒng)的影響。在C1工況轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，容積效率隨OCR的變化大于轉(zhuǎn)速為4 500、6 000 r/min時(shí)，且OCR在1%～10%范圍內(nèi)變化時(shí)，容積效率隨OCR約呈線性變化。

2.2 電效率

圖5所示為電效率隨油循環(huán)率的變化。由圖5可知，壓縮機(jī)電效率ηe介于0.45～0.62，整體上ηe隨OCR的減小而降低，當(dāng)OCR從10%降至1%，ηe降低約0.02～0.05。這是因?yàn)殡SOCR減小，潤滑變差導(dǎo)致機(jī)械效率ηme降低，同時(shí)隨著OCR減小，泄漏量增加、冷卻減弱導(dǎo)致指示效率ηi也降低，壓縮機(jī)電效率ηe隨之降低。

圖5 電效率隨油循環(huán)率的變化Fig.5 Electrical efficiency varies with oil circulation rate

壓縮機(jī)電效率：

ηe=ηivtηmoηmeηi

(8)

式中：ηe為壓縮機(jī)電效率；ηivt為變頻器效率；ηmo為電機(jī)效率；ηme為機(jī)械效率；ηi為壓縮過程指示效率。

在C1工況，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min和4 500 r/min時(shí)壓縮機(jī)的電效率相近，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)壓縮機(jī)電效率明顯低于4 500 r/min時(shí)。當(dāng)OCR從10%降至1%，C1、C2工況排氣溫度分別上升近15 ℃、10 ℃。這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)泄漏量較大、ηi降幅更大，且ηmo在低轉(zhuǎn)速時(shí)也較低。而C2工況時(shí)電效率明顯高于C1工況時(shí)的電效率，主要是因C2工況的壓比(≈5.1)小于C1工況的壓比(≈7.3)。

2.3 排氣溫度

圖6所示為排氣溫度隨油循環(huán)率的變化。由圖 6可知，整體上壓縮機(jī)排氣溫度隨OCR減小近似呈線性上升，當(dāng)OCR從10%降至1%，C1、C2工況排氣溫度分別上升近15 ℃、10 ℃。這是因?yàn)闈櫥椭腥芙獾囊合嘀评鋭臍庀嘀评鋭┲形鼰岫舭l(fā)，降低了氣相制冷劑的溫度；隨OCR減小，潤滑油/制冷劑混合溶液流量也減少,從氣相制冷劑中吸收的熱量減少，導(dǎo)致排氣溫度上升。

圖6 排氣溫度隨油循環(huán)率的變化Fig.6 Discharge gas temperature varies with oil circulation rate

C1工況下，轉(zhuǎn)速為4 500 r/min和6 000 r/min時(shí)排氣溫度曲線很接近，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)排氣溫度明顯高于4 500 r/min時(shí)，說明在中低轉(zhuǎn)速(或中小流量)時(shí)油的冷卻效果更顯著。

而C2工況的排氣溫度整體上顯著低于C1工況的排氣溫度，主要是因C2工況的壓比(≈5.1)小于C1工況的壓比(≈7.3)。

2.4 殼體溫度

圖7所示為殼體溫度隨油循環(huán)率的變化。由圖 7可知，整體上壓縮機(jī)殼體(電機(jī))溫度隨OCR減小近似呈線性上升，當(dāng)OCR從10%降至1%，各工況下殼體溫度上升約5～10 ℃。因?yàn)殡SOCR減小，油氣兩相傳熱系數(shù)α減小，根據(jù)電機(jī)與制冷劑之間傳熱公式，壓縮機(jī)殼體(電機(jī))溫升增大。

圖7 殼體溫度隨油循環(huán)率的變化Fig.7 Shell temperature varies with oil circulation rate

忽略電機(jī)與壓縮機(jī)周圍空氣之間的換熱，電機(jī)與制冷劑流體之間對流換熱：

Φ(n，Ip)mo=αA(Tmo-Ts)

(9)

式中：Φmo為電機(jī)發(fā)熱量，W；Ip為電機(jī)相電流，A；α為制冷劑流過電機(jī)表面的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；Tmo為電機(jī)溫度，℃；Ts為壓縮機(jī)吸氣溫度，℃。

在C1工況，壓縮機(jī)殼體溫度隨著轉(zhuǎn)速降低而升高，一方面因低轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)效率較低，電機(jī)發(fā)熱量增加，另一方面，因低轉(zhuǎn)速時(shí)制冷劑流量減小，油氣兩相傳熱系數(shù)減小，故油對電機(jī)的冷卻效果在中低轉(zhuǎn)速(或中小流量)時(shí)更顯著。

3 結(jié)論

本文通過第二制冷劑法壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)裝置和油分離法OCR測量裝置，在轉(zhuǎn)速分別為3 000、4 500、6 000 r/min下，實(shí)驗(yàn)研究了油循環(huán)率對電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)性能的影響，得到結(jié)論如下：

1)油循環(huán)率在1%～10%范圍內(nèi)，同一工況下，壓縮機(jī)容積效率整體隨油循環(huán)率減小而降低約0.02～0.05，隨轉(zhuǎn)速升高(3 000～6 000 r/min范圍內(nèi))而上升。

2)同一工況下，壓縮機(jī)電效率隨油循環(huán)率減小而降低約0.02～0.05，轉(zhuǎn)速為4 500、6 000 r/min時(shí)壓縮機(jī)電效率接近，而轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)壓縮機(jī)電效率明顯低于4 500 r/min時(shí)。

3)同一工況下，壓縮機(jī)的排氣溫度隨油循環(huán)率減小而近似呈線性上升10～15 ℃，轉(zhuǎn)速為4 500、6 000 r/min時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度接近，而轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度明顯高于4 500 r/min時(shí)。

4)同一工況下，壓縮機(jī)殼體溫度隨油循環(huán)率的減小而近似呈線性上升5～10 ℃，整體上隨著轉(zhuǎn)速升高(3 000 ～6 000 r/min范圍內(nèi))而降低。

5)總體而言，OCR<5%時(shí)OCR對壓縮機(jī)性能的影響比OCR>5%時(shí)顯著。