Кондиционирование воздуха. Система отопления и вентиляции. Устройство кондиционера автомобиля

Правильное кондиционирование воздуха в салоне уменьшает усталость водителя и поэтому является важным элементом безопасности. Воздухообмен, подогрев и охлаждение воздуха являются непременными условиями создания комфорта в салоне. Кроме того, система отопления и вентиляции должна устранять запотевание окон при сильных колебаниях температуры и влажности воздуха. Выполнить перечисленные задачи в постоянно изменяющихся условиях движения автомобиля при очень различных требованиях и чувствительности пассажиров к комфорту очень трудно. В связи с этим ниже рассмотрены важнейшие принципы конструирования системы отопления и вентиляции, так как они оказывают существенное влияние на конструкцию кузова.

Система отопления и вентиляции и кондиционер (вентиляция, отопление, охлаждение, контроль влажности) различаются между собой.

Требования, предъявляемые к системе вентиляции и отопления

Микроклимат салона определяют следующие факторы:

• поступление свежего воздуха, в основном для поддержания в салоне требуемого количества кислорода;
• скорость перемещения воздуха в салоне и его распределение;
• температура воздуха в салоне;
• относительная влажность воздуха;
• загрязненность воздуха (пыль, запахи, отработавшие газы);
• температура стенок, ограничивающих салон.

Согласно общим требованиям к системам вентиляции минимальное количество поступающего воздуха на одного человека должно составлять 0,5 м3/мин, т. е. 2—2,5 м3/мин, для четырех-, пятиместного автомобиля, в котором заняты все места, независимо от того, стоит автомобиль на месте или движется. Обеспечить прохождение достаточного количества воздуха через салон за счет динамического напора можно только при движении автомобиля с большой скоростью, поэтому необходимым элементом системы является вентилятор. В действительности, чтобы обеспечить удовлетворительную вентиляцию в солнечный летний день, поступление воздуха должно быть существенно большим, чем указано выше, а именно: 4—6 м3/мин для небольших, и 8—10 м3/мин для больших автомобилей. Во избежание неприятного ощущения сквозняка средняя скорость поступления воздуха не должна превышать 0,5 м/с. Кроме того, расположение отверстий, предназначенных для поступления воздуха, должно быть согласовано с положением отверстий выхода воздуха таким образом, чтобы в салоне автомобиля при любой скорости существовало небольшое избыточное давление, предотвращающее проникновение в салон отработавших газов, пыли и т. д. При закрытых окнах через вытяжные отверстия удаляется только 50—70% воздуха, поступающего в салон, а остальное количество его просачивается через неподдающиеся контролю дефекты уплотнений окон, дверей и других элементов. Требуемая малая «средняя скорость поступления воздуха» (в некоторых зонах она может быть больше среднего значения) должна достигаться путем соответствующего распределения общего потока воздуха.

Напомним, что забор воздуха должен осуществляться в зоне избыточного давления, а выброс воздуха — в зоне разрежения. Хорошего распределения воздуха можно добиться только путем правильного размещения многочисленных регулируемых отверстий для поступления воздуха в салон. Эти отверстия, расположенные вдоль панели приборов, предназначены для регулирования количества и направления потока воздуха, поступающего в салон, в зависимости от условий эксплуатации автомобиля. В любом случае необходимо наличие следующих потоков:

• потока воздуха вдоль боковин, который может направляться через дверные каналы назад (боковые дефлекторы);
• прямого потока свежего воздуха по центру салона автомобиля, с поступлением воздуха примерно на уровне пруди (центральные дефлекторы);
• потока воздуха в зону ног и к ветровому стеклу (по обеим сторонам автомобиля), при низкой температуре окружающей среды этот поток должен хорошо прогреваться;
• в боковые и центральные дефлекторы также должен подаваться теплый воздух.

Упоминавшаяся ранее скорость воздушного потока, поступающего в салон, оказывает влияние не только на ощущение сквозняка, но и на восприятие температуры. Вследствие охлаждения поверхности тела в результате повышенной теплоотдачи при перемещении воздуха человек способен выдерживать более высокие температуры, при этом температура окружающей среды кажется человеку более низкой. Первое используют летом для «охлаждения ветерком», последнее следует принимать во внимание при проектировании системы отопления автомобиля. Хорошее самочувствие при температуре 20°С и неподвижном воздухе соответствует примерно 26°С при скорости воздуха 1 м/с.

Работа системы вентиляции и охлаждения

Проблема температуры в салоне — отопление и вентиляция. Для обеспечения необходимого температурного комфорта температура воздуха в салоне должна находиться в интервале 18—22°С. Проведенные измерения и эксперименты показывают, что перепад температур благоприятен для человека: на уровне головы температура должна быть на 5—8° ниже, чем в области ног как летом, так и зимой. Чтобы обеспечить такой тепловой режим, необходимо произвести расчет системы вентиляции и отопления. Добиться требуемого перепада температур можно путем продуманного распределения воздушных потоков и подогрева воздуха зимой. Установившийся температурный режим в салоне в стационарном состоянии определяется балансом между количеством теплоты, поступающим извне (солнечное излучение) и изнутри (двигатель, отопление, тепловыделение от сидящих в автомобиле людей) и теплообменом через поверхность кузова и за счет уноса теплоты вентиляционным воздухом.

Работа системы вентиляции и охлаждения особенно затруднена летом в условиях прямого действия солнечных лучей. Плотность поступающего теплового потока составляет в этих условиях примерно 990 ккал/(м2ч) и зависит от качества теплоизоляции кузова. При площади облучаемой поверхности салона автомобиля среднего размера 2,5 м2 тепловой поток составляет приблизительно 2300 ккал/ч, большая часть которого проникает через окна. Путем применения эффективной термоизоляции (прежде всего крыши), окраски кузова и салона в светлые (отражающие) цвета, а также использования тонированных стекол можно уменьшить этот тепловой поток.

Цвет обусловливает изменение температуры в салоне (если сравнивать кузова белого и черного цвета) по сравнению с температурой внешней среды в зависимости от размеров автомобиля на 8—15%. Обычные (нетонированные) стекла пропускают световое и тепловое излучение почти беспрепятственно, поэтому общепринятые в настоящее время большие окна в этом отношении не являются удачным решением. При движении автомобиля воздух, обтекающий кузов, оказывает некоторое охлаждающее действие, но если не применяются дополнительные охлаждающие устройства, температура в салоне постоянно выше температуры внешней среды на 3—4°С в основном по следующим причинам.

В результате выделения теплоты двигателем, трансмиссией и системой выпуска отработавших газов, несмотря на хорошую изоляцию, происходит подогрев воздуха салона. К этому можно добавить теплоту, выделяемую людьми, находящимися в автомобиле, которая в состоянии покоя составляет примерно 100 ккал/ч. Летом выделение указанной теплоты должно компенсироваться проветриванием таким образом, чтобы в салоне поддерживалась температура, приемлемая для людей. Столь желанная летом отдача теплоты поверхностью кузова вследствие слишком малого перепада температур в салоне и снаружи очень невелика. Поэтому, если невозможно получить приемлемую температуру в салоне посредством естественной вентиляции, то необходимо предусмотреть дополнительное охлаждение воздуха, поступающего в салон с помощью охлаждающей системы. Она может устанавливаться в автомобиль независимо от существующей системы отопления и вентиляции, однако лучше их объединять, тогда получается система кондиционирования. С помощью такой системы можно регулировать не только температурный режим в салоне, но и влажность воздуха.

Ниже приведены некоторые общие данные из области теплотехники.

Дополнительное охлаждение воздуха салона необходимо при температуре внешней среды выше 35°С и интенсивном солнечном излучении. В этом случае температура воздуха в салоне во избежание опасности переохлаждения не должна быть ниже температуры внешней среды более чем на 10°, причем температура холодного воздуха, поступающего из теплообменника, не должна быть ниже 5°С. Целесообразно охлаждать только часть свежего воздуха (примерно 30%), остальное количество поступающего воздуха следует использовать для освежения воздуха в салоне, тогда возрастает эффективность использования воздуха и уменьшаются конструктивные затраты на кондиционер. Конечно, окна автомобиля (с тонированными стеклами) должны оставаться закрытыми. Тем не менее для охлаждения воздуха потребляется большая мощность, поскольку нужно не только охладить воздух, но и компенсировать нагрев его от солнечного излучения и внутренний «подогрев» салона. По данным Фиала для среднего легкового автомобиля этот нагрев составляет примерно 4500 ккал/ч. Большое преимущество дополнительного охлаждения заключается в том, что с ним уменьшается относительная влажность воздуха в салоне. Она уменьшается примерно на 35% вследствие охлаждения конденсационной влаги в теплообменнике, что при высокой температуре внешней среды и высокой влажности воспринимается особенно приятно.

По-другому выглядят требования, предъявляемые к кондиционеру, когда необходимо повысить температуру воздуха в салоне в условиях зимней эксплуатации. Необходимую для этого тепловую энергию лучше всего получать от системы охлаждения двигателя. Система отопления от отработавших газов, применяемая на автомобилях с двигателями с воздушным охлаждением, вследствие присущих ей недостатков (сильной зависимости от реализуемой мощности двигателя, малой теплоемкости, повышенного шума по сравнению с жидкостной системой отопления) не рассматривается. При проектировании системы отопления следует учитывать, что во время проветривания, т. е. выброса нагретого воздуха через предусмотренные для этого отверстия и имеющиеся в уплотнениях щели, происходит потеря теплоты вентиляционным воздухом. Это существенно уменьшает КПД системы отопления. КПД зависит от многих параметров, часть из которых определена ниже.

В этом примере не учтена потеря теплоты через поверхность кузова (излучение, конвекция, теплопередача), а также нагрев воздуха в салоне от двигателя, системы выпуска отработавших газов и находящихся в салоне людей. Потеря теплоты зависит от разности температур воздуха в салоне и снаружи автомобиля, которая в свою очередь зависит от количества воздуха, поступающего в салон, следовательно, от скорости движения, а также от качества термоизоляции салона (крыша, двери, боковины). Поэтому обобщенные формулы привести невозможно. В приведенном выше примере потеря теплоты составила примерно 1800 ккал/ч, что можно использовать в качестве ориентировочных данных. При расчете системы отопления следует учитывать только 60% максимального притока воздуха в условиях летней эксплуатации (все отверстия для поступления воздуха открыты), поэтому в рассмотренном примере взято 3,5 м3/ч вместо 6,0 м3/ч (при полностью открытых отверстиях для поступления воздуха).

Эффективность системы отопления можно резко увеличить путем повышения температуры воздуха, поступающего из отопителя, а также температуры охлаждающей жидкости двигателя с помощью термостатов, отрегулированных на более высокую температуру воды («зимний» термостат), кроме того, посредством предусматривания нелинейной регулировки количества поступающего воздуха, позволяющей компенсировать увеличение скоростного напора воздуха с ростом скорости автомобиля.

Скорость прогрева воздуха в салоне

Особенно важным с точки зрения потребительной ценности системы отопления является время прогрева холодного салона, причем прогреваться должен не только воздух в салоне, но и кузов вместе с остеклением (соответственно, должно устраняться обледенение стекол), для чего необходимо большое количество теплоты. В процессе размораживания окон стекла должны стать прозрачными, причем сначала должно оттаивать ветровое стекло, а затем боковые. Ввиду того, что скорость оттаивания окон важна для безопасности движения, в США введено испытание автомобилей на соответствие федеральному стандарту 103, согласно которой на размораживаемом ветровом стекле в течение заданного времени должны быть получены определенные прозрачные зоны: это касается и боковых стекол. Для размораживания заднего стекла не используется поток теплого воздуха системы отопления автомобиля, поэтому в настоящее время совершенно оправдано использование электрообогреваемого заднего стекла в качестве стандартного оснащения.

Скорость прогрева воздуха в салоне зависит от того, как быстро прогревается контур системы отопления (охлаждающая жидкость двигателя) до рабочей температуры (80—85°С), а это в свою очередь зависит от мощности двигателя. Путем регулировки термостата и дополнительного подогрева воды в системе отопления с помощью отработавших газов период прогрева может существенно уменьшиться. Автомобиль среднего класса обычно прогревается за 12—15 мин при включенной третьей или четвертой передаче (скорость автомобиля 40—60 км/ч).

Значительно уменьшить время прогрева салона можно с помощью дополнительного бензинового подогревателя, включаемого вручную или автоматически с помощью реле времени. Такой подогреватель можно использовать только для подогрева воздуха в салоне автомобиля. Если подогреватель включить в контур системы охлаждения двигателя, то его можно применять и для предпускового прогрева.

Проблема влажности воздуха

Из многолетней практики и результатов исследований известно, что наиболее приятно воспринимается воздух, влажность которого в зависимости от температуры находится в интервале 30—70%. Относительно высокое (но в пересчете на обсолютные значения довольно низкое) содержание влаги в воздухе при низкой температуре приводит к тому, что по мере прогревания холодного воздуха относительная влажность уменьшается примерно до 20—25%. Это явление носит положительный характер, поскольку предотвращается запотевание окон. Конечно, человек, находящийся в автомобиле, выделяет в воздух в течение 1 ч 40—100 г влаги в результате испарения, дыхания, высыхания влажной одежды и т. д., поэтому при отоплении салона воздух не становится слишком сухим. Кроме того, приемлемую влажность воздуха можно получить, смешивая прогретый воздух из отопителя с холодным свежим воздухом. Удачным распределением потоков воздуха вдоль окон можно предотвратить запотевание стекол и высушить их. И напротив, при дополнительном охлаждении воздуха кондиционером из-за конденсации влаги и дополнительного подогрева автомобиля относительная влажность сильно уменьшается.

Типы конструкций систем отопления и вентиляции, кондиционеров, управление ими

Ниже рассмотрены типичные системы отопления и вентиляции, кондиционеры, их общие свойства и схемы управления ими.

Каждая система отопления и вентиляции состоит из:

• корпуса с воздуховодами и воздухораспределительными каналами;
• теплообменника с вентилятором;
• органов управления температурой, поступлением и распределением воздуха.

В кондиционер кроме перечисленных выше узлов входит установка, охлаждающая воздух, состоящая из компрессора, конденсатора и испарителя. Основной проблемой для всех систем является управление поступлением воздуха и температурой, а также распределением воздушного потока.

В результате прироста скоростного напора и работы вентилятора поступление воздуха увеличивается в большей мере, чем скорость движения. Поступление воздуха можно относительно просто регулировать с помощью заслонки воздухопритока, которая всегда имеется (она также требуется для того, чтобы предотвратить проникновение токсичных отработавших газов при транспортном заторе). Это возможно только в том случае, если управление заслонкой воздухопритока не зависит от других регулировок, кроме включения вентилятора. Для того чтобы летом можно было обеспечить поступление большого количества воздуха в салон, дополнительно предусматривают крышку воздухопритока, управляемую вручную. Путем соответствующего проектирования системы воздухопритока можно получить подачу воздуха, нарастающую медленнее, чем скорость. В целях отделения крупных частиц пыли и влаги во впускном канале следует предусматривать резкий разворот потока воздуха.

Регулировка температуры воздуха в салоне может осуществляться тремя способами:

• регулировкой количества горячей воды, поступающей в радиатор отопителя (водяная регулировка);
• смешиванием свежего воздуха с горячим, прошедшим через теплообменник (воздушная регулировка);
• комбинированием обоих способов (смешанная регулировка). Вентилятор имеет два-три режима работы;
• возможно объединение работы вентилятора с регулировкой количества поступающего воздуха.

В случае движения автомобиля с малой скоростью (городское движение) это особенно необходимо. При очень жаркой погоде такой вентилятор обеспечивает эффективную работу системы вентиляции па всем скоростном диапазоне автомобиля. В системах отопления и вентиляции могут использоваться осевые вентиляторы, которые имеют небольшие габаритные размеры и относительно дешевы, а также радиальные вентиляторы, которые имеют более высокие показатели по расходу, т. е. количество воздуха, поступающего в салон, меньше зависит от скоростного напора. Радиальные вентиляторы работают с меньшим шумом, однако имеют большие размеры. Вентилятор устанавливают преимущественно в воздушном потоке перед теплообменником таким образом, что летом свежий воздух, прошедший через теплообменник, непосредственно подается в салон. Все типы регулировки имеют свои особенности, преимущества и недостатки.

При регулировке количеством горячей воды, поступающей в теплообменник (водяная регулировка), температура регулируется с помощью специального крана, изменяющего количество воды, поступающей в теплообменник. Очень трудно получить линейную зависимость между регулировочным ходом органов управления и температурой выходящего горячего воздуха, так как для получения небольшой производительности отопителя через радиатор должно пройти предельно малое количество воды. Производительности системы отопления, равной 50% соответствуют 2—3% максимально возможного потока воды. Кроме того, запорный клапан должен иметь герметичное уплотнение и легко открываться после длительного перерыва.

Разработано два типа кранов: мембранный и поршневой. Недостатком водяной регулировки является то, что необходимая температура воздуха устанавливается с большим опозданием после поворота крана, так как сначала должна прогреться (или охладиться) вода, находящаяся в системе отопления. Производительность системы отопления в большой степени зависит от количества поступающего воздуха и циркулирующей воды, даже при открытом кране. Несмотря па это, регулировку такого типа вследствие ее простоты часто применяют на дешевых автомобилях.

Путем разделения теплообменника на несколько отдельных блоков, регулируемых краном по отдельности, можно устранить основной недостаток водяной регулировки — сложность регулировки.

При регулировке путем смешивания холодного и горячего воздуха (воздушная регулировка) требуются большие конструктивные затраты и большее пространство для размещения дополнительных заслонок и каналов. Равномерное смешивание холодного и горячего воздуха осуществить сложно, поэтому можно примириться с некоторым расслоением потоков, т. е. с тем, что холодный воздух пойдет вверх, как это происходит в некоторых системах. Так как поток воды в таких системах не регулируется, то в жаркую погоду он сильно зависит от герметичности управляющей заслонки, поэтому хотя бы для летней эксплуатации автомобиля следует предусматривать возможность отключения горячей воды, чтобы предотвратить подогрев свежего воздуха.

Преимуществами описываемого типа регулировки являются:

• быстрая реакция на регулировочные воздействия;
• независимость от поступления воздуха (скорости движения);
• возможность точной регулировки температуры;
• при этом кран регулировки поступления воды может отсутствовать.

Управление различными воздушными заслонками, предназначенными для поступления, смешивания и распределения воздуха, сложно и сопряжено со значительными конструктивными затратами. Управление должно осуществляться посредством механических связей, чтобы были исключены ошибки в механизме управления. Это ведет к еще большему увеличению конструктивных затрат.

Смешанная регулировка является видоизменением указанных выше способов регулировки. Она отличается тем, что управление температурой осуществляется как регулировкой количества горячей воды, поступающей в теплообменник, так и смешиванием холодного и горячего воздуха. В результате этого управление водяным краном становится менее важным, возможности регулировки и реакция системы улучшаются. Управление водяным краном и смесительной заслонкой могут быть механически связаны. Канал для поступления свежего воздуха в такой конструкции может быть небольшим, так как часть воздуха проходит через управляемый теплообменник. Поэтому для размещения такой системы требуется меньше места. Смешанное регулирование имеет много преимуществ, вследствие чего именно его в настоящее время чаще всего используют на автомобилях среднего класса.

Управление системой отопления и вентиляции (в целом довольно сложное) можно упростить, если органы управления оформить таким образом, чтобы при достижении максимальной функциональности исключались условия для совершения ошибки. Так как до настоящего времени еще не существует норм по расположению, конструктивному исполнению и обозначению таких органов, то ниже предложены с соответствующим обоснованием некоторые критерии по данному вопросу. Органы управления системой отопления и вентиляции необходимо располагать поблизости от продольной оси автомобиля, выполняя следующие требования:

• максимально возможная простота, т. е. небольшое число органов управления;
• логичные и четко различимые символы назначения сарганов управления;
• легкость управления и хорошая видимость положения органов управления;
• исключение возможности удара человека об органы управления (предписание по безопасности);
• совершение однородных и одинаково направленных действий при пользовании органами управления.

Эти требования могут быть выполнены применением комбинации из трех рычажков:

• первый рычаг должен служить для регулировки количества поступающего воздуха и включения вентилятора;
• второй рычаг должен служить для регулировки температуры;
• третий рычаг должен служить для распределения воздушного потока между зоной ног и ветровым стеклом.

Передвижные рычаги лучше всего подходят для органов управления системой отопления и вентиляции (большой ход, большие передаваемые усилия и хорошо заметное положение). Применяя пластически деформируемые ручки или закрепляя их таким образом, что они утапливаются под действием ударной нагрузки, можно в достаточной степени защитить человека и соблюсти требования безопасности.

Путем установки испарителя перед радиатором отопителя (теплообменником), компрессора на двигатель, можно преобразовать систему отопления и вентиляции в кондиционерную установку (предполагается, что место, необходимое для размещения испарителя, заранее предусмотрено). Такое исполнение рационально только в том случае, когда кондиционерную установку предусматривают для большей части автомобилей данного типа. Конструктивно проще и экономичнее (без удорожания серийного оснащения), если кондиционер, предлагаемый потребителю в качестве дополнительного оборудования, устанавливается в автомобиль в виде отдельного навесного агрегата. Обычно установка кондиционера целесообразна при удовлетворении повышенных требований, предъявляемых к комфорту, и при путешествиях в жаркие страны.