电子膨胀阀在轿车空调制冷系统中的
动态特性研究!
上海交通大学唐双波仲华陈芝久
上海德尔福汽车空调系统有限公司刘维华沈军
摘要研究了电子膨胀阀用于轿车空调制冷系统的动态特性，即电子膨胀阀开度
变化引起的蒸发器进、出口温度及过热度动态响应。
关键词轿车空调电子膨胀阀动态响应
2 前言
轿车空调常由于气候、路况、热负荷等剧烈变
化而工作在非设计工况，达不到系统的优化运行。
轿车空调制冷系统一般采用的节流元件———节流
短管、( 型和8 型膨胀阀，不太适应这种剧烈的工
况变化，如在车速很高而负荷不是太大的情况下，
制冷系统的蒸发器容易凝露或进一步结霜，使制
冷系统工作在很恶劣的工况，这样既不能保证车
室内人体舒适性要求，更可能破坏制冷系统。而
电脑型节流元件———电子膨胀阀，可由适当的控
制程序对其随意地进行调节，如将电子膨胀阀引
入轿车空调制冷系统，有望解决这一工程难题。
电子膨胀阀在其它制冷装置中的应用并不少
见。9:;< (& 把步进电机驱动型的电子膨胀阀用于
变频控制的热泵型房间空调器。他认为电子膨胀
阀可以用于控制压缩机电机温度，从而省去压缩
机喷射冷却装置；他还提出，在空调器中，除了控
制向蒸发器的供液，电子膨胀阀的第二个主要作
用是实现“化霜不停机”［2］。采用电子膨胀阀能够
降低冷凝温度，从而减少压缩机能耗，其幅度较
大。=<>?@?0 A& B& 称电子膨胀阀改善了流量特性，
使冷凝压力可以降低而不会使系统发生振荡。他
用仿真模型计算出：压缩机的能量消耗因此约减
少27! $ "7!［#］。(A- 曾报道：新建成的一艘冷
藏货船由于采用电子膨胀阀（步进电机型），降低
了冷凝温度，节能达4%!［"］。C.;D?@@,;0E1 B0F,0??.G
,0F 则称：欧洲科学家改进的电磁阀型电子膨胀阀
使超市陈列柜减少了"7! 的电耗［4］。我国西安
交通大学、清华大学以及天津大学都一直在进行
电子膨胀阀的研究工作。上海交通大学在这方面
也作了较多的研究，孙文吉吉等人主要以超市冷柜
为对象，从实验和理论两方面对应用电子膨胀阀
的系统进行了动态特性研究，并进行了实时控制，
取得了比较满意的效果。不过将电子膨胀阀应用
于轿车空调领域几乎未见报道。H,:@>1 考虑汽车
空调开停频繁，且在开机阶段蒸发器的换热性能
恶化，提出采用电磁阀型电子膨胀阀替代传统的
热力膨胀阀，他认为电磁阀型电子膨胀阀能够对
制冷剂流量的突然变化作出迅速反应［!］。
鉴于国内外对于电子膨胀阀应用于轿车空调
制冷系统的研究很少，本文尝试着进行这一工作，
! 收稿日期：#777—7#—2#
万方数据
在研究电子膨胀阀在轿车空调制冷系统动态响应
特性时发现，蒸发器过热度变化有时受蒸发器进
口温度的影响较大，有时受出口温度的影响较大，
本文从系统辨识的数学模型和制冷系统运行的实
际情况出发，分析这一变化的原因归结于制冷系
统对其的影响，从而得出过热度变化在电子膨胀
阀开度较小时，可能忽略系统的影响；在开度较大
时，电子膨胀阀开度变化引起的系统之间相互耦
合关系不可忽略。
! 实验装置
本实验的管路及蒸发器总成为通用汽车公司
别克（"#$%&）皇朝（’()*+）型整套轿车空调制冷系
统，压缩机为相同排量的普通压缩机，该压缩机由
,-./0的三相异步电机通过皮带拖动，电机通过
1-./0的变频器与三相电源连接。通过测试，变
频器输出频率为234 时，压缩机转速约为25.6 7
89:；输出频率为;234 时，压缩机转速约为!<<16 7
89:；输出频率为!234 时，压缩机转速约为5!;!6 7
89:；输出频率为5234 时，压缩机转速为,,5.6 7
89:。当然，在电子膨胀阀开度变化时压缩机转速
会有一定幅度的变化（约= ;<<6 7 89: 内）。
图; 实验台装置
节流元件为>#?$&@&$ 公司AB C .<<,.., C
<! 型电子膨胀阀，该电子膨胀阀为, 相2 拍，; C !
相励磁步进电机驱动，励磁速度为5< D E<FFG，电
子膨胀阀的最小动作为2 个脉冲。实验的采样系
统是用两个铂电阻（HI;<<<）安置于蒸发器制冷剂
进出口的管路上，并进行保温。经校验，铂电阻测
温精度可以精确到<-!.J。计算机内安插一块
自制的采样控制卡，应用汇编语言与% 语言联合
编程，实现采样、电子膨胀阀的控制、监控界面及
实验数据的记录。实验装置见图;。
为保持实验过程中制冷系统有一定的热负
荷，特在蒸发器进口风道上安装! 台功率各为
;.<<0的电加热器，别克皇朝轿车空调制冷系统
’;5,* 的充注量为2.<)，在实验系统中多! 条连
接管道，’;5,* 的充注量略有增加，为E<<)。
5 电子膨胀阀开度变化引起的动态响应
5-; 实验方法
采用简单的反应曲线法来研究电子膨胀阀开
度引起蒸发器及系统的动态响应特性，即当电子
膨胀阀开度增大或减小时，研究蒸发器及系统的
动态反应特性。从控制的观点来看，研究的对象
电子膨胀阀—蒸发器系统处于开环系统。对制冷
系统本身而言，制冷系统循环运行时，各参数之间
是相互耦合、相互影响的。本文的研究主要针对
蒸发器—电子膨胀阀开环系统，同时分析在系统
阶跃响应的动态过程中，制冷系统作为一个强干
扰量对开环对象的影响。
图! 电子膨胀阀开度由2, 个脉冲关小到1K 个脉冲时
蒸发器进出口温度及过热度的动态响应
实验一：在保证热负荷恒定的前提下，待系统
启动稳定后，将电子膨胀阀的开度从2, 个脉冲减
小到1K 个脉冲，即减小2 个脉冲时，采样测量蒸
发器的进、出口温度，由此计算其过热度（蒸发器
出口温度实测值与进口温度实测值之差），所得实
验曲线如图! 所示。
实验二：在保证热负荷恒定的前提下，待系统
启动稳定后，将电子膨胀阀的开度从;;K 个脉冲
的位置减小到K2 个脉冲，即减小,2 个脉冲时，采
.< 流体机械!<<< 年第!2 卷第K 期
万方数据
样测量蒸发器的进、出口温度，并由此计算其过热
度，实验所得曲线如图! 所示。
图! 电子膨胀阀开度由""# 个脉冲关小到#$ 个脉冲时
蒸发器进出口温度及过热度的动态响应
!%& 实验数据辨识处理
对实验动态响应的实验数据，采用计算过程
相当简单、同时能保持相当精度的随机搜索法
（’(）对电子膨胀阀开度变化引起的蒸发器进、出
口温度动态响应过程进行辨识。各个辨识系统参
数均采用! )! *
+
"&（
#）,# 为误差积分指标。各个
动态响应过程的时间延迟都在&+ - !+.，在不加入
时间延迟的情况下，蒸发器—电子膨胀阀系统动
态响应辨识所得的数学模型如下：
（"）电子膨胀阀开度从$/ 个脉冲减小到0#
个脉冲时：
蒸发器进口：
$（ %）) +%++#/
%& 1 +%2"&3% 1 +%+"!# ! ) +%/"&3
蒸发器出口：
$（ %）) 1 +%+3&&% 1 +%+"+2
%& 1 "%"!//% 4 +%&+#" ! ) "/%+#/2
（&）电子膨胀阀开度从""# 个脉冲减小到#$
个脉冲时：
蒸发器进口：
$（ %）) +%++++"$30!
%& 1 "%2"!2% 4 +%2"#3 ! ) !+%2!"#
蒸发器出口：
$（ %）) 1 +%++$$% 1 +%++0/
%& 1 +%&3!3% 1 +%!!$$ ! ) "0%#"#3
从上述数学模型中可以看出，在保证辨识精
度的前提下，上述各个过程均可用二阶模型较好
地辨识，从而说明该过程可以较好地用二阶惯性
加纯迟延形式加以近似。另外，从两种开度变化
的动态传递函数看，其系统的阻力比! 明显不一
样，开度小时，系统的阻力比!""，响应无超调；
开度较大时，系统的阻力比!5 "，响应有超调，实
验曲线也明显地表明了这一点：当电子膨胀阀脉
冲开度从""# 个脉冲减小到#$ 个脉冲时，其进口
温度的变化有一个先下降后回升的过程。
!%! 结果分析
从图中可以看出，在电子膨胀阀的开度减小
后，大约经过&+ - !+. 的延迟时间，蒸发器进口温
度开始下降，出口温度开始上升，过热度逐渐增
大，约经过几百秒的动态过程后达到稳定。
从电子膨胀阀开度变化对蒸发器进、出口温
度的影响来看，对于关阀这一动作的响应，过热度
总的来说是增大的，不过增大过程中的变化不尽
相同。在电子膨胀阀的开度变化较小时，蒸发器
过热度的增大过程是平稳的（如图& 所示）。而在
电子膨胀阀开度变化较大时，蒸发器的过热度变
化却是有超调的过程（如图! 所示），这在一般热
工对象的动态响应实验中是很少见的。这可从过
热度的定义本身来分析其原因，从图中可清楚地
看出，当开度变化较小时，蒸发器进口温度略有下
降（如图& 所示）；而开度变化较大时，蒸发器进口
温度有一个先降低而后回升的过程（如图! 所
示），蒸发器出口温度则稳定上升，因而引起过热
度变化的波动，这主要是蒸发器进口温度的影响。
蒸发器出口过热度的变化是以下几个因素相
互作用的结果：（"）电子膨胀阀开度大小，即蒸发
器供液量；（&）空气侧与制冷剂之间的传热量；（!）
系统冷凝器的干扰。虽然这里研究的对象是开环
系统，但由于制冷系统的存在，制冷剂通过压缩机
压缩到冷凝器或电子膨胀阀的前端供液是冷凝
器，因而这种闭环反馈的影响一直存在，只是这种
反馈作用在有些情况下可忽略而已。在蒸发器过
热度变化前，热负荷（制冷剂与空气侧的传热量）
未发生变化，蒸发器过热度的波动主要决定于电
子膨胀阀开度的变化。当电子膨胀阀开度关小
时，蒸发器的制冷剂流量减小，而此时压缩机容积
排量保持不变，这样引起蒸发器蒸发压力降低，制
冷剂饱和温度降低，从而引起进口温度降低。由
于电子膨胀阀开度变化的不一样，即关小脉冲数
不一样，引起制冷剂流量的变化也不一样，这样由
流量引起的蒸发器压力的改变程度也不一样。流
量变化大时，蒸发器压力变化也较大，从而进口温
度降低得很多，如图!；流量变化较小时，蒸发压
力变化也较小，因而进口温度变化就很微弱，如图
6789&$，:79#，&+++ ;’<=> ?@AB=:CDE 3"
万方数据
! 所示。
蒸发器过热度变化幅度的大小也可以得到较
为满意的解释：由于电子膨胀阀不同开度变化引
起的蒸发器进口温度变化的不一样，在开度变化
较小（" 个脉冲）时，蒸发器的进口温度出现较为
平稳的下降；在开度变化较大（#" 个脉冲）时，蒸
发器进口温度出现较为明显的缓慢波动。从电子
膨胀阀开度变化引起压力波动这方面而言，如果
压力变化十分迅速，应该是较为稳定的；另一方面
如果压力波动较大、较快，进口温度也该随之变
化。而从实验数据分析可知，进口温度的波动是
个缓慢的过程，且有一个向下的超调过程。这主
要是制冷系统相互影响的结果，即系统对这一开
环研究对象的干扰。电子膨胀阀的开度变小，使
得蒸发器出口温度升高，这样经压缩机压缩后的
气体制冷剂温度相应较高，这样和冷凝器的相互
影响是间接的，相对来说是一个时间过程。另一
方面是直接影响，即通过电子膨胀阀这一联系纽
带来实现。从冷凝器经过电子膨胀阀节流流入蒸
发器，可视为等焓节流过程，因而蒸发器进口状态
的变化可以映射出冷凝器出口状态的变化，即过
冷制冷剂状态的变化。当流量较大时，冷凝器的
过冷度相对较小；当流量较小时，冷凝器的过冷度
相对较大。这种直接的影响是随即的，由于直接
和间接的相互影响在时间上的长短不同，于是就
有了蒸发器进口温度先下降后上升的一个超调过
程。这样就不难理解，电子膨胀阀开度变化的不
同，对蒸发器进口温度的影响是不一样的。比较
而言，当阀开度不大（相对于热负荷来说）时，过热
度主要由蒸发器出口温度来决定的，此时可以仅
考虑蒸发器的动态响应而忽略系统对其的干扰，
由此带来的误差不大。反之不能忽略冷凝器动态
响应对蒸发器过热度的影响。
# 结论
在轿车空调制冷系统中引入电子膨胀阀后，
在热负荷稳定时，研究了电子膨胀阀开度变化引
起的蒸发器进、出口温度及过热度动态响应特性，
从其动态响应辨识数学模型和制冷系统相互耦合
的动态关系中分析得出，蒸发器出口过热度不仅
与电子膨胀阀的开度有关，而且在流量较大时，过
热度还与制冷系统各参数有关，系统对过热度的
干扰影响较大。
值得一提的是，实验用的$% & ’((#’’# & (!
型电子膨胀阀是专为家用热泵系统设计的。从实
验结果来看，该阀并不适用于轿车空调系统蒸发
器的特殊运行条件，今后拟专门设计专用轿车空
调电子膨胀阀。
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作者简介：唐双波，男，!# 岁，硕士研究生，主要研究方向为轿
车空调微机控制系统。通讯地址：!(((P( 上海市上海交通大学制
冷与低温工程研究所。
’! 流体机械!((( 年第!" 卷第H 期