汽车空调压缩机自带回油结构的研究论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：汽车空调系统的制冷是靠制冷剂在系统中的循环换热实现。一同参与循环的还有冷冻油，冷冻油离开压缩机进入空调系统， 会黏附在管路、冷凝器、蒸发器等流道的内壁上，影响空调系统的热交换，从而降低系统热交换的效率，所以系统中冷冻油含量越 低越好。但同时冷冻油是压缩机内部各摩擦副润滑的关键，必须要有足够的量才能更好地保护压缩机。基于此问题，设计一种新的 压缩机内部气道结构，系统循环时使更多的冷冻油留在压缩机本体内部，即空调系统中参与热交换的冷冻油含量减少，在实现整个 系统高效换热的同时又延长了压缩机的寿命，达到节能减排目的。

　　Abstract：The refrigeration of automobile air conditioning system is realized by the circulating heat exchange of refrigerant in the system.Refrigerant oil also participates in the circulation.When refrigerant oil leaves the compressor and enters the air conditioning system，it will adhere to the inner wall of pipeline，condenser，evaporator and other flow channels，affecting the heat exchange of the air conditioning system，so as to reduce the efficiency of heat exchange of the system.However，refrigerant oil is the key to the lubrication of friction pairs in the compressor and must be added.Therefore，the lower the refrigerant oil content in the system is，the better it will be，and the refrigerant oil content in the compressor should be sufficient to better protect the compressor.Based on this problem，a new internal air passage structure of the compressor isdesigned to make more refrigerant oil stay in the compressor body during system circulation，that is，the content of refrigerant oil participating inheat exchange in the air conditioning system is reduced，so as to realize the efficient heat exchange of the whole system，protect the service life of the compressor and achieve the purpose of energy conservation and emission reduction.

　　Key words：automotive air conditioning;compressor;oil return;energy conservation;airway

　　0 引言

　　汽车空调系统中的双向斜盘活塞式压缩机，其现有 结构没有回油结构和回油功能，只能依靠溶解于制冷剂 中的小部分油量和压缩机内部少量残留油量来实现润滑。 压缩机工作的循环过程为吸气→ 压缩→ 排气，经活塞压 缩后变成高温高压气体排出，同时压缩机内的大部分冷 冻油也同制冷剂一并排出，油液被排出腔体，会降低润 滑效果。压缩机正常工作时排气温度在90~100 ℃，摩擦副处的温度在100~ 110 ℃，当润滑效果不佳时，摩擦副 处的温度达120℃ 以上，会破坏冷冻油的黏度[1]，使冷冻油失去润滑能力，同时排气温度随之升高，导致排气 压力同步升高，制冷性能下降[2]，形成恶性循环，最终 导致压缩机异常磨损而失效[3]。目前的解决方案是加大压缩机冷冻油的加注量，以满足压缩机内各摩擦副的润滑。目前涉及相关汽车空调压缩机油回收的研究都在压缩机本体之外[4]，或是研究油对空调系统的影响[5-11 ]，都没有涉及压缩机自身带油量控制及回收功能的研究。

　　汽车空调压缩机及其系统要布置于空间有限的发动 机仓内，设计外形要求必须要小，所以常规的独立机构 油气分离系统在汽车中都不适用，如中央空调用油气分 离系统，其成本高、体积大。所以，本文设计一种结构 简单、部件少、寿命长、成本合适的回油结构压缩机， 以满足市场需求。

　　1 双向斜盘活塞式压缩机工作原理

　　1.1 压缩机动力传递原理

　　发动机主动轮的动力通过皮带传递至压缩机离合器 带轮，当车内打开A/C 开关后离合器线圈通电即可吸合 摩擦盘与离合器带轮合并转动，摩擦盘通过花键与主轴 相连，摩擦盘带动主轴及斜盘，主轴与斜盘通过过盈配 合连接，斜盘转动时通过对称布置的半球传递至活塞， 使均布于斜盘周向上的5 只活塞进行轴向往复运动，使 发动机的旋转运动转化成压缩机的轴向往复运动。

　　1.2 压缩机吸排气原理

　　压缩机运转后从空调系统管路吸入低温低压制冷剂 气体，从压缩机吸气口进入并到达压缩机斜盘腔，分别 通过前、后缸体上设置的气道进入前、后缸盖的低压腔， 当活塞下移时缸孔内的压力低于缸盖低压腔，此时吸气 阀片被打开，缸盖低压腔内的制冷剂气体被吸入缸孔内， 当活塞上移时制冷剂气体被压缩，此时缸孔内压力上升 并大于低压腔，吸气阀片关闭，压力再上升时排气阀片 打开，同时排出高温高压的制冷剂气体，此时压缩机内 的部分冷冻油也一并排出，制冷剂气体进入高压腔后， 再从排气口排出并进入空调系统，如图1所示。

　　1.3 空调系统制冷循环原理

　　压缩机中排出的高温高压制冷剂气体流向空调系统 中的冷凝器，冷却后变成高压中温的液体，通过储液干 燥器过滤后再流至膨胀阀，通过膨胀阀节流降压后制冷 剂变为低温低压气液混合体，流向蒸发器，蒸发后变成 低温低压气体，通过鼓风机将蒸发器外的冷气输送至车 内，实现热交换，蒸发后的制冷剂再回流至压缩机实现 循环。

　　2 自带回油结构压缩机

　　2.1 排气式回油结构

　　斜盘式汽车空调压缩机排气式回油结构，整机结构 原理不变，在原压缩机排气口部位增加油气分离结构， 此结构的主要作用是将压缩机排出的高温高压油气混合 物以螺旋路线高速流动，用气流离心力将油气分离，使 油黏附在气道壁上，通过重力作用使油往下流至油池中， 在油池底部加工一个回油孔，油液通过此孔流至压缩机 低压腔，实现油气分离后的油液回流至压缩机内部。

　　油分离器的整体是筒体结构，有进气道、分离区、 排气口、油池、回油孔组成，进气道一端与缸孔高压出 气口成轴向连接，另一端与筒体成切线方向连接，分离 区前部以螺旋式于筒体内表面并与筒体上表面连接，最 终出口在压缩机排气口，油池设置于筒体底部，上部连接筒体分离区，下部连通回油孔，回油孔垂直于筒体下表面并与筒体底部油池连接，另一端出口通入压缩机低 压腔，如图2所示[12] 。

　　压缩机缸孔内排出的高温高压制冷剂和油混合物， 进入高压腔，经过油分离器进气管沿切线方向进入筒体， 气流沿筒体呈螺旋流动，在离心力的作用下，将润滑油 从油气混合气体中分离出来，被甩向筒体内壁，在重力 作用下，沿筒体内壁下落到筒体底面，汇集于底部油池 中，再经过回油管流入压缩机低压腔，旋转的气流在筒 体内收缩向中心流动，向上形成二次涡流经分离区至顶 部出口流出，经过排气口，流向空调系统。油池中润滑 油沉积后通过回油孔流至低压腔、在吸气过程中润滑油 重新回到压缩机内部，使压缩机内润滑油进行循环流动 并保持平衡，使各摩擦副形成有效油膜，减少各摩擦副 的摩擦因数，从而降低无功功耗和零件磨损损耗，不仅 降低产品噪声、提高产品使用寿命、保证产品稳定性、 可靠性，同时降低空调压缩机润滑油参与制冷剂循环的 比例，提高空调系统中冷凝器、蒸发器的换热效率，从 而提高制冷效率。

　　此方案在实际使用中的局限性较突出，一是由于分 离机构的筒体结构较凸出和较大，整机质量会增加，布 置于引擎盖内空间不足，干涉风险较大;二是此压缩机 安装时必须使分离机构筒体轴向向上，倾角过大时会影 响油液回流，当油液不能回流时会有部分油液同高压气 体流向空调系统，降低油气分离效果。适合整车全新开 发时的同步开发，在二次开发时空间布置难度较大。

　　由于回油结构设置于整机外部，只要与整车匹配无 干涉，就可以根据压缩机排量大小来控制其大小，使回油能力与排量相匹配，所以能适应各种排量机型。

　　2.2 吸气式回油结构

　　斜盘式汽车空调压缩机吸气式回油结构，其原理与 排气式相同，都是对油气混合物进行离心运动，通过离心力作用将油液甩出，实现油气分离。但进气气路和油 分离结构、方法都不同。气流路线是从吸气口吸入油气 混合气体，进入斜盘腔(低压腔)，从斜盘两侧圆孔进 入主轴中心孔，再通往前、后缸盖低压腔，通过活塞轴 向运动吸入低压腔气体、经活塞压缩后变成高温高压气 体排出至高压腔，最后从排气口进入空调系统。

　　此结构的优势是保持了原有的紧凑结构，也无需在 排气口增加额外部件。有分离作用的主吸气孔位于斜盘 外圆柱面上周向对称布置，以减小不平衡力矩，主吸气 孔与主轴上的轴向通气孔接通并分成左右两路通道，一 端通向后缸盖低压腔，另一端通过开设在主轴上的惯通 孔连接前缸盖低压腔。主轴与斜盘为过盈配合铆压而成 一体，当动力通过主轴传递时，斜盘同步高速旋转、活 塞进行吸气、压缩、排气的运动，此时主吸气孔吸气， 同时主吸气孔内的油液混合气体形成离心作用，由于冷 冻油的密度比制冷剂气体的密度大，气体在经过主吸气 孔时，油因密度大被旋转的惯性力往斜盘周向甩出，而 制冷剂气体因密度小就从通气孔被吸入，达到了油气分 离的目的，分离后的油液依然保留在低压腔内，实现回 收功能。此结构可有效减少冷冻油的加注量，降低成本， 当空调系统少量缺油时也能有效保护压缩机;冷冻油被留在压缩机内部所产生的益处同排气式回油结构，如图 3 所示[13] 。

　　此方案在实际使用中的优势较突出，因整机外观无 需改变，对原有方案进行替换时可有效降低干涉、轻量 化不足的风险，降低与整车的匹配难度。仅需改变原压 缩机内部的缸体气流通道、斜盘和主轴上增加气流通道， 即可实现冷冻油回收功能。相较排气式回油结构，质量 轻、外形小，在同等条件下优先选择此方案。

　　由于回油结构设置于整机内部，而双向斜盘压缩机 经过几十年的优化，其内部结构非常紧凑，改变量有限。 当机型排量较大时，由于主轴、斜盘外形较小，导致油分离部分的吸气通道截面积不足，导致吸气不足而降低 缸孔容积利用率，所以需将吸气不足部分从另外吸气通 道进入缸孔，导致回油能力下降，所以更适合排量小的 机型。

　　3 自带回油结构压缩机试验对比

　　3.1 采用实车空调系统部件，进行台架试验(试验一) 试验条件和要求[14]：压缩机排量155 mL/r，系统注油量150 mL，油型号PAG 46.制冷剂加注量550 g ± 10 g，制冷剂型号R134a，排气压力1.47 MPaG，蒸发器箱环境 温度35 ℃，蒸发器箱环境湿度70%，冷凝器室环境温 度25 ℃。有回油结构(吸气式)、无回油结构压缩机各 一台(安装时压缩机内部无油，并称重)，先进行有回 油结构压缩机试验，再换上无回油结构压缩机。换压缩 机时需放制冷剂，此时会油量会随制冷气体被带走，需 要注意收集，与换下压缩机时带走油量总和需重新加入 系统，保证空调系统内油量前后一致。

　　试验结果对比如图4所示，有回油时系统含油率平 均值小1.81%，即此部分油量仍然留在压缩机内部。根 据百分比换算，制冷剂在空调系统中循环时所含油量少 约10 mL。系统中管路、冷凝器、储液干燥器、蒸发器 部件中的油量是通过制冷剂循环时带来并附着在各部件 内壁上，当制冷剂中油量减少时，各部件内壁上所能残 留的油量同比减少。

　　用同样的试验方法，相关参数不变，仅调整系统注 油量为120 mL，并采用有回油结构压缩机。根据实验测 试实际加油量在无回油结构时150 mL，有回油结构时 120 mL，压缩机内部循环润滑作用油量相当。即使用有 回油结构压缩机，每台可以节省约30 mL 油。但考虑实 际维修过程的油量损失等因素在实际加油时应控制在130~135 mL。

　　3.2 采用整车环境模拟试验(试验二)

　　试验条件和要求如下[15] 。

　　空调风速调到最大挡，压缩机排量155 mL/r，系统注油量150 mL，油型号PAG 46.制冷剂加注量550 g ± 10 g，制冷剂型号R134a，辐照强度700 W/m2.环境温度38 ± 1 ℃。压缩机转速由发动机转速通过传动比计算得出。 空调系统与试验一相同。

　　有回油结构(吸气式)、无回油结构压缩机各一台 (安装时压缩机内部无油，并称重)，先进行有回油结构 压缩机试验，再换上无回油结构压缩机，放出系统中的 制冷剂与换下压缩机时带走油量总和需重新加入系统， 保证空调系统内油量前后一致。

　　试验结果对比如表1所示，整个过程降温数据差异 最大处是试验开始的前20 min，有回油结构压缩机平均 温度低2.49 ℃。整个环模试验各阶段的总平均温度有回 油结构压缩机车内出风口温度低1.596 ℃。系统内含油 量减少后，在同一系统条件下，降温能力明显提升。其 原因在于系统内各部件的油量降低，使其换热能力得到 提升。

　　4 结束语

　　斜盘活塞式汽车空调压缩机的回油结构分为排气式 和吸气式，排气式回油结构优势是可以适用各种大、小 排量压缩机，不足是外形大、空间布置难度大、安装要 求高;吸气式回油结构优势是外形小巧、空间布置简单、 成本低，适合二次开发改进，不足是在大排量压缩机上 回油效果没有排气式优良。从“试验一”可以看出，空 调系统中使用有回油结构的压缩机，系统中含油率明显 下降;从“试验二”可以看出，空调系统中使用有回油结构的压缩机，使用同样能耗时制冷能力明显提升。综 合看，使用回油结构压缩机，可以减少压缩机加油量， 同时可以提升空调系统制冷效率，达到降低成本和节能 减排的作用。

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