外部控制閥
外部控制閥設計
外部控制閥研制思路為保持五缸搖板式變排量壓縮機主體結構，在原有內部控制閥基礎上進行開發。保留原內部控制閥閥體流道、閥桿、球閥、錐閥及密封組件，將原有內部控制閥的真空波紋管改用外部動力驅動裝置，通過傳動桿將外部驅動力傳遞給閥桿。
根據驅動方式不同，外部控制閥可選用電磁式和電動式兩種方式。電磁式外部控制閥是通過控制電磁線圈上的電流大小，改變鐵芯傳動桿的推力及作用在傳動桿上的彈簧力，從而改變控制閥的開度;電動式外部控制閥則是通過改變步進電機的脈沖數，使傳動桿向上或向下運動，從而改變控制閥的開度。電動式外部控制閥的驅動元件是步進電機，它具有足夠驅動力，可控制范圍寬，且脈沖信號與開度之間的線性關系良好，反應速度快，可實現細微控制，工質回路呈密閉結構且與電氣回路分離，安全可靠，因此本文采用電動式外部控制閥方案。
對于外部控制閥的驅動裝置，利用微電腦產生脈沖，將脈沖送入驅動電路中，分別給各相線圈施加驅動電壓。利用研制的驅動電路，可根據汽車空調外部參數變化通過微電腦模擬計算出需要脈沖數或手動調節脈沖數，驅動步進電機改變控制閥開度。
外部控制閥特性研究
實驗系統
為了研究外部控制閥特性及驗證其數學模型，建立了外部控制閥實驗裝置。采用與實際壓縮機吸氣腔、搖板箱和排氣腔相同容積的三個容器來模擬控制閥實際工況，排氣壓力和吸氣壓力由各自單獨的氣源加上恒壓閥分別進行調節。通過控制器改變步進電機脈沖數來控制外部控制閥開度。排氣腔壓力Pd、吸氣腔壓力Ps和搖板箱壓力Pw分別采用電壓輸出型壓力傳感器測量，其測壓精度為±0.1%。利用建立的數學模型和實驗裝置，對外部控制閥特性進行了模擬分析和實驗研究，詳細內容見文獻[8]。
外控式變排量壓縮機
將開發的外部控制閥及其驅動裝置安裝于五缸搖板式變排量壓縮機本體中，就組成了外控式五缸搖板式變排量壓縮機。
模擬分析
建立外控式變排量壓縮機數學模型，對開發的外控式變排量壓縮機進行穩態特性分析。
(1)數學模型
傳統定活塞行程壓縮機數學模型，由于其活塞行程不變，所以模型建立主要側重于壓縮過程的變化規律;對于定活塞行程變頻壓縮機模型僅需增加頻率對壓縮機性能的影響。而汽車空調用搖板式變排量壓縮機，由于壓縮機轉速作為外擾量不可控而采用活塞行程調節來實現壓縮機無級變容，所以搖板式變排量壓縮機模型比傳統定活塞行程壓縮機模型復雜。
通過分析外控式搖板式變排量壓縮機的控制機理，本文提出其數學模型由控制閥模型、運動部件動力學模型和壓縮過程模型三部分有機組成?？刂崎y數學模型用于根據脈沖數N、排氣壓力Pd和吸氣壓力Ps確定搖板箱壓力Pw;壓縮機運動部件動力學模型根據排氣壓力、吸氣壓力、搖板箱壓力和壓縮機轉速Nc確定活塞行程Sp;壓縮過程模型則是根據排氣壓力、吸氣壓力、吸氣溫度Ts、活塞行程和壓縮機轉速來確定壓縮機制冷劑流量Mr和排氣溫度Td。在建模過程中側重于活塞行程變化這個關鍵問題，對與活塞行程變化有關的控制閥模型和壓縮機運動部件模型采用理論分析加實驗驗證的方法重點分析，對壓縮過程采用實驗方法簡單建模。詳細數學模型及其實驗驗證見文獻[9]。
(2)性能模擬分析
利用建立的數學模型，對外控式五缸搖板式變排量壓縮機在定轉速變行程和變轉速變行程兩種情況下的活塞行程和制冷劑流量變化規律進行模擬分析。形成調節滯區的原因是運動部件存在摩擦力(主要是軸套同主軸之間的摩擦力)，由于其在行程增大和減小時方向不同，則造成在相同的壓縮機轉速和活塞行程情況下活塞行程增大時的臨界脈沖數小于活塞行程減小時的臨界值，即Ncu
活塞行程的調節滯區也就引起壓縮機其它參數的調節滯區，圖5(b)表示了外控式搖板式變排量壓縮機制冷劑質量流量Mr的調節滯區。對于某一確定行程(如最大行程)，壓縮機的制冷劑流量為一條曲線，相當于定轉速定行程壓縮機的制冷劑流量特性。不同行程流量曲線組合就形成了制冷劑質量流量的一個區域，這樣由于變行程的原因，使得原來定轉速定行程制冷劑質量流量一條曲線的一一對應關系，變成了一個多值對應關系。
對于外部控制壓縮機，控制閥開度調節由外部輸入脈沖數確定，而不依靠吸氣壓力，這樣吸氣壓力就可以在更大范圍內變化。例如可以在車內空調熱濕負荷較小時，采用較高的吸氣壓力，在保證室內舒適性的同時可節省油耗。
動態特性實驗研究
建立了外控式變排量壓縮機的實驗系統，對壓縮機活塞行程和制冷劑流量等參數隨外部控制閥開度、壓縮機轉速、排氣壓力和吸氣壓力的動態變化進行觀測。
(1)外部控制閥開度突然變化
圖7(a)表示了當壓縮機轉速2000r/min時，外部控制閥脈沖突然從40到50，再由50到60，然后從60脈沖回到40脈沖時的變化情況。從圖7(a)可以看出，當外部控制閥脈沖數和開度增大時，排氣壓力Pd下降,搖板箱壓力Pw和吸氣壓力Ps上升,活塞行程Sp減小(從19.1mm減少到16.8mm)，制冷劑質量流量Mr先突降然后又回升。當外部控制閥脈沖數和開度減小時，排氣壓力上升,搖板箱壓力和吸氣壓力下降,活塞行程增大，制冷劑質量流量先突升然后又降低,活塞行程從16.8mm增加到18.75mm。
當脈沖數增加時，傳動桿推動閥桿開大球閥，關小錐閥，這樣使得搖板箱壓力升高，從而減小了活塞行程，活塞行程的減小使得制冷劑質量流量下降，這樣吸氣壓力上升。當脈沖數減少時的情況正相反。在變行程情況下制冷劑流量有一定的回調現象。
(2)壓縮機轉速突然變化
圖7(b)表示了當外部控制閥脈沖數為20時，壓縮機轉速Nc先從1550r/min突降到1110r/min，然后又突升到2000r/min時的變化情況。當Nc突降時，排氣壓力Pd和搖板箱壓力Pw下降，活塞行程Sp增加，制冷劑質量流量Mr先突降然后又回升，吸氣壓力Ps先升后降，行程Sp從25.4mm增加到27.6mm。轉速突升時，Pd、Pw上升，Sp減少，Mr先突升然后又降低，Ps先降后升，行程Sp從27.6mm減少到23.19mm。
當壓縮機轉速突降時，制冷劑質量流量會突然降低，使得吸氣壓力升高，排氣壓力和搖板箱壓力下降。由于外部控制閥開度保持不變，這樣使得搖板箱和吸氣腔壓力差減小，從而增加了活塞行程;活塞行程的增加又使突降的制冷劑流量回升，這樣吸氣壓力回落，所以出現制冷劑質量流量先降后升，而吸氣壓力先升后降的情況。壓縮機轉速突升時情況正相反。
(3)排氣壓力突然變化
采用開關排氣調節閥的方法來實現排氣壓力的階躍變化。圖7(c)為當外部控制閥脈沖數為40和壓縮機轉速1550r/min時排氣調節閥先關后開的一個變化過程。當關小排氣調節閥時，Mr降低，同時Pd和Ps上升，Pw與Ps的差值減少，活塞行程增大，這樣又使得Mr回升，Pd和Ps降低，Pw升高，所以Pd和Ps經歷了一個先升后降的過程，而Pw和Mr經歷了一個先降后升的過程，制冷劑流量同樣出現有較大回調的現象。開大排氣調節閥時情況正好相反。
(4)吸氣壓力突然變化
采用開關吸氣調節閥的方法來實現吸氣壓力的階躍變化。圖7(d)為當外部控制閥脈沖數為40和壓縮機轉速1600r/min時吸氣調節閥先關再開的變化過程，可以看出各參數沒有純滯后和漸變過程，幾乎隨著吸氣調節閥的開大關小一起變化。
從圖7(a)～圖7(d)可知，當影響壓縮機行程變化的輸入參數外部控制閥開度、壓縮機轉速、排氣壓力和吸氣壓力突然變化時，變排量壓縮機活塞行程、排量等參數幾乎沒有純滯后和漸變過程。
總結：本文提出變排量壓縮機電動式外控驅動方案，以五缸搖板式變排量壓縮機本體為基礎，研制開發出外部控制閥及其外控式變排量壓縮機。建立了外部控制閥的數學模型和實驗裝置，在此基礎上建立了外控式搖板式變排量壓縮機的數學模型。模擬結果發現外控式變排量壓縮機存在由于運動部件摩擦力引起的行程調節滯區。采用實驗方法對外控式搖板式變排量壓縮機動態特性進行了研究。動態實驗結果表明，活塞行程和制冷劑質量流量等參數隨壓縮機外部參數突變的動態響應時間很短，可以忽略不計。下一步研究工作需要提出變排量壓縮機汽車空調制冷系統的外部控制策略，開發出變排量壓縮機汽車空調系統的外部控制系統，為該系統的推廣應用奠定基礎。
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