Когда 10 лет назад начали в массовом порядке появляться ВАЗы с кондиционерами, владельцы стали замечать, что машины с кондиционерами хуже разгоняются и не такие приемистые, как без них. Молодежь в импровизированных гонках по прямой подтвердила этот факт: машина с включенным кондиционером заметно медленнее машины без кондиционера.
Дело в том, что при работе кондиционер отнимает мощность у двигателя, так как напрямую соединен с ним по средствам ремни. Кондиционер отнимает от 10 до 15% мощности автомобиля при работе на максимуме. И если на высоких оборотах, разница не так заметна, так как на высоких оборотах двигатель выдает больше мощности, то на оборотах в районе 2000 машина действительно ощущается вялой. Особенно заметна потеря мощности из-за кондиционера на малолитражках, таких как ВАЗ и аналогичных иномарках с невысокой мощностью до 100 л.с.
На таких машинах на подъемах или обгонах с полной нагрузкой иногда даже имеет смысл на время выключить кондиционер.
Как следствие того, что кондиционер отнимает у двигателя мощность, у машины с включенным кондиционером повышается расход топлива. Примерно на 0,5-0,8 л/ч, то есть опять-таки это примерно 10% от среднего расхода топлива.
По этим причинам многие водители ездят летом с открытыми окнами, но сэкономить топливо это никак не поможет, потому что из-за ухудшившейся аэродинамики расход топлива так же увеличится. Примерно на 5% на скорости 60 км/ч и на 10% на скорости 90-100 км/ч.
В современных машинах (пока это в основном касается дорогих машин премиум брендов) проблема уменьшения мощности из-за кондиционера решена электронно: при сильном продавливании педали газа, электроника отключает кондиционер, а потом снова включает. Впрочем, на мощных машинах разница в работе с кондиционером и без него почти не заметна. К тому же климат-контроли во многих случаях экономичнее кондиционеров, так как в стационарном режиме они лишь поддерживают нужную температуру, а не гонят холодный воздух постоянно.
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.
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.
Для регулирования температуры и распределения воздуха в соответствии с входными сигналами и выбором водителя/переднего пассажира блок управления в первую очередь должен управлять серводвигателями воздушных заслонок, вентилятором, двумя водяными клапанами для нагрева теплообменника и компрессором кондиционера. Серводвигатели, теплообменники, испаритель и вентилятор объединены в один агрегат отопления и кондиционирования.
Пример расположения отдельных компонентов представлен на рисунках.
Рисунок. Агрегат отопления и кондиционирования:
Датчик температуры наружный
Вентиляция спереди
Обогрев
Электрический сервопривод
Вентиляция сзади
Отопитель
Электрический сервопривод
Датчик температуры, отопителя
Пространство для ног сзади
Датчик температуры испарителя
Электроника управления
Выходной каскад
Пространство для ног спереди
Электрический сервопривод
Испаритель
Циркулирующий воздух
Приточный (свежий) воздух
Вентилятор
Перфорированная заслонка
Заслонка для темперируемой вентиляции
Обратная заслонка
Рисунок. Агрегат отопления и кондиционирования в разрезе
Питание вентилятора (18) регулируется блоком управления со стороны массы. Подача питания от «плюса» выполняется посредством реле. Цепь управления реле от клеммы 15 закрыта.
Управление вентилятора можно проверить путем измерения напряжения. Скорость вращения вентилятора не обязательно должна совпадать со значением, настроенным переключателем режимов вентилятора; например, при выбранной программе обогрева на вентилятор будет подаваться ток максимального значения.
Водяные клапаны (электромагнитные клапаны) находятся,в моторном отсеке перед входом в агрегат отопления и кондиционирования. В обесточенном состоянии они в целях безопасности открыты. Со стороны «плюса» они запитаны от клеммы 15; сигнал массы поступает от блока управления. В зависимости от заданной температуры воздуха в салоне и температуры охлождающей жидкости блок управления координирует работу водяных клапанов, которые обеспечивают подачу в теплообменник (6) необходимого количества охлождающей жидкости двигателя. Если прохождения жидкости через теплообменник при низких наружных температурах недостаточно, блок управления посредством реле включает дополнительный электрический водяной насос, встроенный в контур системы охлаждения двигателя.
Для проверки работоспособности водяных клапанов переключатель температуры устанавливается в положение «максимально холодно» (водяные клапаны под током и закрыты) и на водяных клапанах измеряется напряжение. При медленном повышении температуры водяные клапаны должны сработать; в положении «максимально тепло» они должны быть открыт. Работоспособность водяного насоса проверяется путем измерения напряжения, в положении переключателя «максимально тепло» при частоте вращения двигателя на холостом ходе.
Электромагнитная муфта компрессора кондиционера непосредственно соединяется с клеммой 30 через реле. Питание на реле со стороны управления осуществляется от массы через блок управления. Питание стороны управления от «плюса» осуществляется через клемму 15 при помощи предохранительного выключателя на баллоне осушителя. Однако управление реле может выполняться также при помощи блока управления системы управления двигателем. Для этого на блок управления двигателем блоком управления системы отопления, вентиляции и кондиционирования должен быть передан сигнал массы. На основании этого сигнала блок управления двигателем повышает частоту вращения на холостом ходе во время работы компрессора кондиционера.
Компрессор кондиционера может быть включен не только при нажатом выключателе кондиционера, но и в режиме рециркуляции воздуха и при активной программе обогрева. Включение/отключение компрессора осуществляется на основании сигнала датчика температуры испарителя (температура испарителя <2 °С -> компрессор кондиционера отключается, >3°С -> компрессор кондиционера включается).
При включенном кондиционере дополнительный вентилятор, установленный перед радиатором, всегда работает на ступени «один». На ступень «два» он переходит, когда температура охлождающей жидкости дввигателя составляет >99 °С или выключатель на баллоне осушителя срабатывает при давлении свыше 17 бар.
Управление серводвигателями воздушных заслонок блоком управления определяет, зональное распределение воздуха и температур. Серводвигатели представляют собой шаговые электродвигатели, управляемые цифровыми импульсами с возможностью точного пошагового перемещения и фиксирования в нужном положении. На рисунках представлено условное графическое обозначение, альтернативное изображение и временная зависимость сигналов.
Рисунок. Управление шаговыми электродвигателями:
а) условное графическое обозначение шагового электродвигателя
б) принципиальная схема шагового электродвигателя
в) альтернативное изображение шагового электродвигателя
г) временная зависимость сигналов при управлении шаговым электродвигателем
Шаговый электродвигатель — это электродвигатель постоянного тока, состоящий из ротора с постоянным магнитом и несколькими парами обмоток статора. Вращение ротора осуществляется в результате воздействия электромагнитных токопроводящих обмоток статора. На основании соответствующей последовательности сигналов (= импульсы тока) обмоток статора обеспечивается необходимое вращение (направление вращения). Шаговый электродвигатель может удерживаться в любом положении и снова приводиться в движение. Количество пар обмоток статора и их механическое расположение определяют количество импульсов за один оборот двигателя и величину угла поворота за один шаг (обычно от 2° до 15°).
Поскольку в описанной системе с шаговыми электродвигателями обратной связи с предоставлением информации о положении не выполняется, то после прерывания электропитания двигатели автоматически устанавливаются в определенное положение (нулевое), после чего приводятся в нужное положение.
Возможности настроек, условия окружающей среды и разные исполнения в зависимости от производителя обуславливает ряд вариантов время, степень и продолжительность открывания воздушных заслонок. На упрощенной функциональной схеме распределения воздуха, изображенной на рисунке, представлены взаимосвязи системы отопления, вентиляции и кондициционирования.
Рисунок. Распределение воздуха:
Заслонка приточного воздуха
Заслонка циркулирующего воздуха
Вентиляционные заслонки со стороны водителя/переднего пассажира
Вентилятор
Испаритель
Компрессор кондиционера
Водяной клапан со стороны водителя
Водяной клапан со стороны переднего пассажира
Теплообменник со стороны водителя
Теплообменник со стороны переднего пассажира
Радиатор
Заслонки зонального распределения
Заслонка для пространства для ног
Заслонка для обогрева
Запорная заслонка в решетке
Воздух салона
В результате установки испарителя перед теплообменником обеспечивается постоянная очистка и осушение наружного воздуха испарителем при работающем кондиционере. В результате температура воздуха в салоне определяется только путем координирования водяных клапанов теплообменника. Особенно важно при включении программы обогрева и режима рециркуляции воздуха, поскольку при этих программах из воздуха должна удаляться влага. В режиме рециркуляции воздуха заслонка притока наружного (свежего) воздуха (1) закрыта, а через открытую заслонку циркулирующего воздуха всасывается воздух салона.
Следующими системами, которые могут управляться системой отопления, вентиляции и кондиционирования, являются системы обогрева ветрового и заднего стекол. На систему обогрева ветрового стекла при ее наличии ток подается автоматически при температуре ниже 5 °С. Это происходит за счет реле, при этом питание от массы обеспечивается блоком управления. Система обогрева заднего стекла активируется только при включении выключателя обогрева заднего стекла. Питание подается также через реле, при этом блок управления обеспечивает питание цепи управления от массы.
Если предусмотрены функции отопления или вентиляции при неработающем двигателе, то блок управления включается таймером и на стороне выхода активирует вентилятор, заслонки и т.п. по четко установленной программе в соответствии с заданной температурой, как в обычном режиме работы.
В качестве входных сигналов для блока управления являются данные выбора водителя и переднего пассажира. Водитель и передний пассажир на панели управления при помощи поворотных потенциометров или переключателей выбирают желаемые программы комфорта. Заданную температуру слева/справа и настройку вентилятора блок управления определяет по падению напряжения на потенциометре. Для этого через контакт 20 подается напряжение прибл. 5 В. Контакт 16 — общее соответствующее соединение с массой через блок управления.
Проверить потенциометры можно путем измерения сопротивления или измерения падения напряжения. Если переключатель вентилятора повернут до упора в положение 0, то вся система отопления, вентиляции и кондиционирования отключена. Другие возможности настроек для водителя/переднего пассажира представляют программные кнопки, изображенные на рисунке. С их помощью включаются различные программы зонального распределения воздуха и температур.
Рисунок. Функции программных кнопок:
Распределение воздуха (сторона водителя) на уровне головы и ног
Распределение воздуха (сторона водителя) только на уровне ног
Автоматическое управление (сторона водителя) распределением воздуха вверху/внизу
Распределение воздуха (сторона переднего пассажира) на уровне головы и ног
Распределение воздуха (сторона переднего пассажира) только на уровне ног
Автоматическое управление (сторона переднего пассажира) распределением воздуха вверху/внизу
Функция обогрева лобового стекла (максимальный приоритет отключает все остальные функции)
Рециркуляция воздуха (циркуляция воздуха внутри салона при закрытых заслонках притока наружного воздуха)
Кнопка кондиционера (включает кондиционер)
Обогрев заднего стекла
Блок управления в определенной последовательности с разной частотой передает на соответствующий переключатель сигналы прямоугольной формы. Эти сигналы могут быть измерены на основании скважности импульсов или частоты на входе и выходах. Работоспособность переключателей может проверяться измерением сопротивления.
Условия окружающей среды фиксируются датчиками температуры (в основном, NTC). Датчик температуры наружного воздуха, датчик температура в салоне, датчик температуры испарителя и два датчика температуры теплообменников (слева и справа) контролируются измерением сопротивления. Датчик температуры в салоне обдувается небольшим вентилятором на который при включенной системе отопления, вентиляции и кондиционирования подается напряжение аккумуляторной батареи. Работа вентилятора должна всегда проверяться при поиске неисправностей, поскольку обдувание датчика температуры в салоне необходимо для определения текущей температуры воздуха в салоне. В противном случае в результате «застоя тепла» будут определяться неправильные значения температуры. Кроме того, в блок управления с разной частотой поступает еще сигнал спидометра в виде сигнала прямоугольной формы. На основании этого сигнала, начиная со скорости прибл. 60 км/ч, выполняется постепенное закрывание заслонок притока наружного воздуха из-за увеличения скоростью напора на высокой скорости.
Сигнал переключателя света (габоритного огня) при активной системе отопления, вентиляции и кондиционирования включает подсветку символов панели управления.
Отопление/вентиляция при неработающем двигателе включается блоком управления при помощи выключателя. Если выключатель замкнут, блок управления по отдельному кабелю передает сигнал прямоугольной формы (может быть измерен скважностью импульсов).
Как и на любую электронную систему, на систему отопления, вентиляции и кондиционирования также должен подаваться ток, клеммы 30,15, Заявляются основными входами.
Принцип действия кондиционера основывается на поглощении или передаче так называемым хладагентом (как любым химическим элементом) энергии при изменении его агрегатного состояния (твердое, жидкое, газообразное). При переходе из жидкого в газообразное состояние хладагенту необходима энергия, которую он поглощает в форме тепла из окружающего воздуха. И наоборот, при переходе из газообразного в жидкое состояние хладагент отдает тепло.
В качестве хладагента должно использоваться вещество, обладающее максимально низкой точкой кипения (жидкое -> газообразное). Точку кипения можно сместить путем воздействия давлением; при этом также происходит нагрев. Точка кипения используемого хладагента R134a (тетрафторэтан) составляет прибл. -26°С при атмосферном давлении. При увеличении давления на 15 бар точка кипения R134a составляет уже прибл. 55 °С. Вышеописанные химические / физические правила используются в автомобильных кондиционерах следующим образом.
Рисунок. Контур хладагента в кондиционере: 1 — Электромагнитная муфта 2 — Компрессор 3 — Конденсатор 4 — Баллон осушителя 5, 6 — Комбинированный предохранительный выключатель (высокое и низкое давление) 7 — Расширительный клапан 8 — Испаритель 9 — Датчик температуры 10 — Высокое давление газообразный 11 — Высокое давлен ие жидкий 12 — Низкое давление жидкий 13 — Низкое давление газообразный
Компрессор (2), приводимый в движение двигателем посредством электромагнитной муфты (1), всасывает газообразный хладагент (13) и сжимает его (15 бар). Температура находящегося под давлением пара хладагента повышается при этом прибл. на 70 °С. Посредством конденсатора (3) он отдавать эту температуру окружающему воздуху. При охлаждении находящийся под давлением хладагент (11) переходит в жидкое состояние, поскольку точка кипения при давлении 15 бар составляет прибл. 55 °С. Затем жидкий хладагент попадает в баллон осушителя / ресивер для хладагента (4), где очищается через фильтр и осушается.
При превышении давления открывания хладагент через расширительный клапан (7) из зоны высокого давленияможет попасть в зону низкого давления (12). При этом точка кипения в результате снижения давления опускается и жидкий хладагент переходит в газообразное состояние. В испарителе (8) он поглощает тепло окружающего воздуха, вследствие чего наружный воздух, нагнетаемый вентилятором и проходящий мимо охлаждающих ребер испарителя, охлаждается.
Влага, содержащаяся в наружном воздухе, конденсируется путем охлаждения на испарителе и выводится наружу. Снижения температуры на испарителе ниже 2 °С приводит к его замерзанию. Для предотвращения этого на испарителе устанавливается датчик температуры (9), на основании сигнала которого блок управления отсоединяет электромагнитную муфту на компрессоре, прерывая контур. Положительным эффектом при конденсации влаги воздуха является, с одной стороны, подача в салон свежего воздуха с пониженной влажностью, с другой стороны, — выведение частиц грязи, содержащихся во влаге.
Вместе с хладагентом одновременно циркулирует и так называемое низкотемпературное масло, предназначенное для смазывания компрессора и расширительного клапана. В целях безопасности питание электромагнитной муфты может дополнительно отключаться прессостатом низкого и высокого давления (5, 6). При возможных неисправностях (например расширительный клапан не открывается) прессостат высокого давления защищает систему от слишком высоких давления. Прессостат низкого давления размыкает электрическую цепь электромагнитной муфты, если давление опустилось ниже допустимого значения, поскольку в этом случае предполагается негерметичность системы. В результате слишком слабой циркуляции хладагента (в том числе смазочного масла) будет обеспечиваться недостаточное смазывание.
Вместо электромагнитной муфты на компрессоре, которая включается и выключается по мере необходимости, все чаще используется компрессор (с качающимися шайбами) с регулированием объема. В новых компрессорах с регулированием объема подачи от 0 % до 100 % электромагнитная муфта не нужна.
Использовавшийся ранее хладагент R12 содержит фторхлоруглеводороды (ФХУВ), разрушающие озоновый слой атмосферы. Поэтому с 1991 года используется R134a (без соединений хлора). С 1995 г. производство веществ с содержанием ОХУВ в Германии вообще запрещено.
Поскольку при использовании R134а трубопроводы, уплотнения и т.п. системы кондиционирования должны быть выполнены из других материалов, то кондиционеры должны заполняться только тем хладагентом, для которого они предусмотрены. Заполнение кондиционера неправильным хладагентом приводит к таким нарушениям, как разгерметизация, недостаточное смазывание компрессора и т.п. Поэтому в старых кондиционерах, предусмотренных для R12 (больше не существует в продаже и не разрешен), которые должны заново заполняться хладагентом, необходимо заменить некоторые детали в соответствии с инструкциями производителя. То же самое касается смазочного масла.
Тип смазочного масла зависит от используемого хладагента, и только при его правильном выборе обеспечивается бесперебойная работа оборудования.
При помощи системы отопления, вентиляции и кондиционирования в салоне автомобиля обеспечивается и поддерживается выбранная температура. Существует возможность автономного регулирования температуры зоны водителя и зоны переднего пассажира. Для создания комфортной температуры система нагревает или охлаждает всасываемый наружный воздух, распределяя его на приятные воздушные потоки (теплые ноги, холодная голова). Кроме того, система отопления, вентиляции и кондиционирования очищает воздух и регулирует его влажность.
Для выполнения этих функций блок управления системы отопления, вентиляции и кондиционирования также использует разные входные сигналы для учета условий окружающей среды. Основными входными сигналами, являются настройки, выбранные водителем (и передним пассажиром) при помощи переключателей или путем введения цифровых значений. Однако выбранная температура слегка корректируется блоком управления в зависимости от температуры наружного воздуха (макс, отклонение прибл. ± 2 °С) для создания в салоне приятного микроклимата. Например, при низких температурах на улице температура в салоне слегка повышается, в результате чего компенсируется излучение холода от ветрового и боковых стекол.
Система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха включает до 20 различных серводвигателей, два водных клапана для системы обогрева, компрессор кондиционера для охлаждения и снижения влажности, а также вентилятор. Дополнительно блок управления может управлять подогревом ветрового и заднего стекол. Существуют системы, блок управления которых имеет до 104 контактов для входных и выходных сигналов.
Отзыву подлежат автомобили 2012-2013 модельного года, предназначенные для реализации на территории Америки (847 тысяч) и стран Ближнего Востока (около трех тысяч). Дефекты выявлены в моделях Camry и Venza (обычные и гибридные версии), а также Avalon. Отзывная кампания планируется и для Европы. Информации относительно России пока никакой нет.
Выявленная неисправность кондиционера приводила к протеканию жидкости из конденсатора на электрические цепи системы безопасности. В результате нарушения работы контроллеров, возросла вероятность ложного срабатывания или, наоборот, несрабатывания подушек безопасности. Возникающее замыкание также приводило к постоянному срабатыванию индикатора неполадок в электронике автомобиля.
Отдельные СМИ сообщают, что выявленный дефект уже послужил причиной нескольких происшествий (произошли ложные срабатывания ПБ при движении машины), в результате которых водители получили незначительные ранения. Случаев с отказом системы безопасности при серьезной аварии зафиксировано не было.
Напомним, что совсем недавно Toyota уже отозвала около 780 тыс. машин (внедорожники RAV4 и гибридные Lexus HS 250h) на территории США для ремонта подвески. Еще об одной проблеме с качеством своих автомобилей японский автоконцерн сообщил в конце сентября. Тогда было отозвано почти 700 тыс. автомобилей Sienna (также в Америке) в связи с некорректной работой КПП.
Увеличенная потребность в электроэнергии способствует сдвигу внимания производителен автомобилей в сторону систем с питанием 42 В. Этот переход позволяет надеяться, что в поисках возможностей достижения лучшего комфорта с меньшим потреблением энергии и меньшей эмиссией когда-нибудь будут рассматриваться и другие возможные устройства к принципы. Устройства контроля климата будут играть важную роль в этом отношении. Некоторые малые компоненты систем кондиционирования воздуха, используемые в системах 42 В, могут использоваться и в системах 14 В. Однако два главных агрегата вынудят перейти на питание 42 В с учетом их расхода энергии. Это:
электромотор наддува
резистор-нагреватель с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient-resistance- RTC-R)
Максимальная мощность мотора наддува может достигать 400 Вт, то есть в системе 14 В он будет потреблять ток примерно 30 А. Если в автомобиле не будут использоваться генераторы переменного тока на 14 В, потребуется конвертер постоянного тока 47/14 В. Кабельная сеть в этом случае должна быть особенно продуманной. Мощность, потребляемая электронагревателями, лежит между 500 и 1500 Вт. Следовательно, они еще более критичны к переходу на 42 В. По этим причинам компрессоры систем кондиционирования практичны только в системах 42 В. При использовании PTC-R электронагревателей (маленьких электрических печек!), тепло не отбирается от системы охлаждения двигателя. В целом, правильное решение состоит в том, чтобы перевести все компоненты непосредственно на питание 42 В.
Использование управления на основе широтно-импульсной модуляции для мотора наддува — один из способов увеличить диапазон регулирования скорости. Потребление тока у моторов на 42 В составит лишь одну треть от тока моторов на 14 В. Это также приводит к повышению эффективности работы электронных компонентов системы транспортного средства. Другое главное устройство — компрессор кондиционирования воздуха.
Изготовители уже заметно улучшили механические компрессоры. Однако использование электрического компрессора позволит сделать шаг в направлении дальнейшего повышения эффективности его работы и управления им. Электрические компрессоры потребляют приблизительно 3-4 кВт, поэтому их использование в сети 14 В непрактично. Более того, по сравнению с низкой эффективностью 14-вольтовых генераторов переменного тока (около 50%), 42-вольтовые машины будут работать намного лучше и с эффективностью около 80%. Изменение питания на 42 В означает также, что максимальный ток электрического компрессора будет ниже 100 А.
Понятно, что компрессор с электрическим приводом — ключевой элемент для обеспечения эффективности электрических систем кондиционирования в целом. Компрессор системы электрического кондиционирования воздуха (electrical air conditioning — Е-АС) будет комбинацией двух основных технологий:
спиральная конструкция — она увеличивает объемную эффективность системы
бесщеточный мотор — с высокой электрической эффективностью
Эти две технологии позволят системе очень быстро адаптировать свой термодинамический цикл к изменению внешних условий. Есть четыре ключевых эксплуатационных и/или экологических преимущества, которые появляются в результате этого объединения. Вот они:
функциональность в режиме старг-стоп
контроль температуры батареи
повышение эффективности
сокращение/устранение утечки хладагента
Основное сокращение потребления топлива в 42-вольтовых транспортных средствах появляется в результате использования регенеративного торможения и функции «старт-стоп». Это особенно заметно в городском цикле движения, потому что торможения и остановки очень часты. Эта функция оказывает небольшой или ничтожный эффект на комфорт в салоне, если снаружи умеренная температура. Однако в горячих, холодных или особо влажных условиях обычные компоненты HVAC могли бы создать проблемы вследствие того, что отъем тепловой энергии от двигателя на обогрев салона и механической энергии через ременный привод на компрессор могут оказать существенное влияние на работу двигателя. Конечные пользователи будут, конечно, также ожидать уменьшение потребления топлива, особенно если иметь в виду более высокие цены на 42-вольтовые распределители мощности. По этим причинам электрический обогрев и кондиционирование воздуха — существенный шаг в процессе развития данных систем.
Для функции «старт-стоп» использование электрического компрессора является единственным выбором для того, чтобы поддерживать уровень комфорта во время остановки двигателя. Другое преимущество для конечных пользователей состоит в том, что можно будет избежать плохой работы охлаждения на холостом ходу, потому что скорость компрессора будет независима от скорости двигателя. Е-АС также позволит более эффективно бороться с запотеванием стекол, что улучшит видимость с самого начала движения. В обычных автомобилях медленный прогрев может помешать эффективному удалению запотевания после холодного старта.
Новые электрические устройства HVAC будут использовать регенеративную энергии торможения, так же как и произведенную генератором энергию, которая будет накапливаться в батарее. Новые батареи типа никель-металл-гидрид (NiMH) или на базе лития являются очень эффективными, но нуждаются в тепловом контроле, чтобы гарантировать их адекватную работу. Батареи NiMH работают лучше всего при температурах выше 10 «С — они также чувствительны к коррозии, которая значительно возрастает при температурах выше 35 «С. Для поддержания температуры батареи в идеальном диапазоне становятся существенными электрический обогрев и кондиционирование воздуха, потому что система нагревания/охлаждения все еще будет работать, даже когда транспортное средство остановлено.
Эффективность механических систем кондиционирования была улучшена за счет использования методов, которые позволяют регулировать их эффективность охлаждения. Удалось минимизировать и оптимизировать давление испарения, что, в целом, приводит к лучшему балансу между необходимой и произведенной мощностями охлаждения.
Часто предполагается, что обычная система кондиционирования должна повторно заправляться каждые три или четыре года в связи с утечками хладагента. Есть три идентифицированных источника утечки (кроме очевидных неисправностей):
некачественные соединения
гибкие проницаемые шланги
уплотнение фланцев компрессора
Поскольку в электрическом компрессоре не используются уплотнения фланцев, полная утечка уменьшается примерно на 30%. Кроме того, так как электрический компрессор не будет крепиться на двигатель, вместо гибких шлангов будет использоваться больше алюминиевых труб. Поэтому обслуживание системы кондиционирования могло бы быть почти устранено, если использовать улучшенные соединения с двойным уплотнителем.
Потребности в повышении эффективности работы системы А/С и уровня комфорта дают надежду, что стандартная Е-АС-технология — дело не слишком далекого будущего.
Электрический привод насоса системы кондиционирования воздуха мог бы обеспечить следующие преимущества:
герметичный узел мотора и насоса
меньший по размерам и менее сложный компрессор
гибкое расположение компрессора (нет ременного привода)
полная мощность охлаждения на любой скорости двигателя
возможен более полный контроль над работой системы
Выходная мощность мотора, необходимая для электрического привода автомобильной системы кондиционирования воздуха, зависит от охлаждающей способности системы, ее эффективности и граничных условий (температуры). Все эти факторы накладывают свои требования на мотор, к тому же они меняются во время эксплуатации транспортного средства. Следующие оценки «стандартных» условий полезны для определения максимальных уровней мощности.
Вождение в режиме старт-стопа при интенсивном трафике
В режиме старт-стопа высокие перепады давления компрессора могут перегружать мотор. Что-бы устранить эту проблему, в режиме холостого хода должен быть ограничен доступ свежего воздуха, чтобы уменьшить нагрузку на испаритель и, если возможно, вентилятор конденсатора должен работать на повышенной скорости. Во время холостого хода мотор компрессора должен работать на более низкой скорости, чтобы предотвратить перегрузку и, следовательно, он не будет развивать максимальную мощность.
Снижение температуры в салоне в знойный день
Это испытание проводится в жаркий солнечный день с повышением температуры в кабине до 65 «С. Автомобиль в этом случае движется со скоростью примерно 50 км/ч с максимальными настройками контроля кондиционирования и скорости вентилятора. Электрическая система кондиционирования, работающая на половине своей максимальной скорости, настроена на снижение температуры в салоне эквивалентно обычной системе кондиционирования. Если система в течение теста работает на максимальной мощности, может быть достигнуто существенное сокращение времени на достижение в салоне приемлемых температур.
Выполнение круиза с полным забором свежего воздуха
В этом эксплуатационном режиме требуется, чтобы система А/С (air conditioning) поддерживала комфортную температуру в салоне, охлаждая большое количество свежего воздуха. Так определяется уровень максимальной способности охлаждения системы, который, в свою очередь, определяется мощностью мотора и характеристиками управляющей электроники. Для обычных систем А/С двигатель на 3,75 кВт — разумная оценка в этих условиях. При поступления в салон свежего воздуха используется около 70% полной нагрузки системы. Сокращение или прекращение поступления свежего воздуха на высоких скоростях оказывает прямое влияние на необходимую мощность электропривода.
Была проведена серия работ по компьютерному моделированию для исследования возможностей уменьшения требуемой мощности мотора. Использование двухступенчатого цикла охлаждения с 25-процентным поступлением свежего воздуха приводит к нагрузке в 1,5 кВт на мотор. В обычном цикле при использовании высокоэффективного компрессора и 20-процентном ограничении доли свежего воздуха необходимая мощность также получается в размере 1,5 кВт. Мотор на 1,5. кВт — реалистический выбор для системы кондиционирования воздуха и автомобиле.
Суммарная стоимость электродвигателя и электроники управления значительно снижает привлекательность электрических автомобильных систем А/С. Стоимость заметно увеличивается по мере роста необходимой мощности мотора. Тем не менее, развитие более эффективных систем А/С продолжается, также успешно идет внедрение этих разработок. Система кондиционирования с электрическим приводом в 1.5 кВт кажется вполне реальной, она будет в состоянии обеспечить качество работы равное или лучшее, чем сегодняшние системы.
В применении к этим системам бесщеточные моторы постоянного тока, как ожидают, достигнут к.п.д. 85-90%, когда будут разработаны конструкции специально дли герметичных автомобильных систем А/С. От системы питания при этом потребуется 1,7 кВт мощности при работе электрического привода А/С в режиме максимального охлаждения.
Исследования в этой области продолжаются, и, как для многих других разработок, дополнительные затраты на систему в скорой будущем могут быть перевешены преимуществами от дополнительных возможностей управлении системой.
Ha рисунке представлена компоновка системы кондиционирования воздуха, на которой показаны все ее главные компоненты.
Рис. Компрессор системы кондиционирования воздуха
Компрессор, показанный на рисунке приводится в действие ремнем от коленчатого вала двигателя и обеспечивает циркуляцию хладагента через систему. На рисунке показан компрессор поршневого типа с пластинчатым клапаном. Когда хладагент втягивается в цилиндр под действием поршня, клапан выхода закрыт высоким давлением с другой сторона. Когда же поршень начинает такт сжатия, клапан входного отверстия закрывается, а выходной клапан открывается. Этот компрессор управляется через электромагнитную муфту сцепления которой может управляться вручную или электроникой в зависимости от типа системы.
Рис. Конденсатор системы кондиционирования воздуха
На рисунке показан конденсатор, установленный перед радиатором транспортного средства. Он очень похож по конструкции на радиатор и выполняет похожую роль. Тепло отводится через алюминиевые трубы и ребра в поток набегающего воздуха или конвекцией. К напору воздуха при движении автомобиля при необходимости добавляется давление, создаваемое вентиляторами.
Рис. Ресивер-осушитель
На рисунке показан модуль ресивера-осушителя. Он установлен на стороне высокого давления между конденсатором и клапаном термостатического расширения. Это устройство характеризуется четырьмя особенностями:
модуль имеет резервуар, в котором накапливается хладагент в периоды малой нагрузки;
модуль снабжен фильтром, улавливающим циркулирующие в системе загрязнения;
пар хладагента находится в этом модуле до тех пор, пока, наконец, не преобразуется обратно в жидкость под действием давления, создающегося насосом;
осушающий агент удаляет любую влагу из системы. Вещество, используемое в системах с хладагентом R134A — цеолит. Некоторые изготовители рекомендуют, чтобы этот модуль был заменен, если система была открыта для доступа атмосферного воздуха.
В некоторых конструкциях ресивера-осушителя имеется смотровое стекло, чтобы через него следить за состоянием хладагента и работой системы. Хладагент, как правило, кажется прозрачным, если все в порядке.
Рис. Испаритель и клапан термостатического расширения
Клапан термостатического расширения показан на рисунке вместе с модулем испарителя. Он должен выполнять две функции:
контролировать поток хладагента в зависимости от требований системы;
уменьшать давление хладагента в испарителе.
Клапан термостатического расширения — простой шаровой клапан, управляемый через пружину с диафрагмой. Газ, давление которого сильно меняется в диапазоне регулирования (это может быть, например, углекислота), действует на диафрагму. Газ находится в закрытой системе, включающей капиллярную трубу и чувствительный элемент. Этот элемент закреплен на испарителе. Если температура испарителя растет, давление газа в элементе увеличивается и действует на диафрагму таким образом, чтобы шаровой клапан приоткрывался и обеспечивал больший поток хладагента. Если испаритель станет слишком холодным, то давление газа в чувствительном элементе уменьшится, и шаровой клапан закроется. Таким образом контролируется поток хладагента, и температура испарителя поддерживается достаточно постоянной при переменных условиях воздушного потока.
Модуль испарителя по конструкции похож на конденсатор, оребрение трубок увеличивает теплопередачу. Модуль устанавливается в автомобиле под приборной панелью и является частью полной системы обогрева и вентиляции. Хладагент изменяет состояние в испарителе с жидкого на парообразное. Так как воздух, проходящий через него, охлаждается, испаритель также удаляет влагу из воздуха. Это происходит потому, что влага из воздуха салона осаждается на ребрах испарителя и может быть выведена наружу. Действие испарителя в этой части походит на процесс осаждение влаги от теплого дыхания на холодном оконном стекле. На некоторых системах к испарителю крепится термистор, чтобы контролировать его температуру. Если температура падает ниже 3 или 4 «С, компрессор переходит в циклический режим работы, чтобы предотвратить замерзание влага на испарителе, что помешало бы воздушному потоку.
Обратите внимание на следующие моменты:
существует связь между блоком управления кондиционированием воздуха и блоком управления двигателем. Это делается для того, чтобы можно было выключать компрессор при очень тяжелом ускорении и чтобы обеспечить лучшее управление холостым ходом двигателя;
для охлаждения конденсатора используются сдвоенные вентиляторы. Они могут эксплуатироваться на двух скоростях при использовании реле — для медленной скорости их включают последовательно, для работы на полной скорости — параллельно;
в системе используется ряд элементов, обеспечивающих безопасность, типа выключателей дуального давления.
Системы полного управления температурой обеспечивают комфортную внутреннюю температуру в соответствии с входным сигналом, задаваемым водителем. Электронный блок управления полностью контролирует скорость вентилятора, распределение воздуха, температуру воздуха, соотношение между наружной и рециркулируемой частью воздуха и насос кондиционирования воздуха. Электронные системы скоро будут в состоянии управлять автоматическим устранением запотевания и размораживанием стекол, если станут доступны надежные датчики. Единственная кнопка в этом случае будет устанавливать систему в режим полного размораживания или антизапотевания.
Ряд датчиков используется, чтобы обеспечить входные сигналы к ECU:
датчик температуры окружающей среды, установленный снаружи транспортного средства, позволит компенсировать чрезмерные температурные изменения. Это устройство — обычный термистор
датчик солнечного света может быть установлен на солнцезащитном щитке. Это устройство — фотодиод, который позволяет измерить поток прямого солнечного света, на основании чего блок управления может решить, увеличить ли поток воздуха от вентиляторов, направляющих воздух на лица водителя и пассажиров
датчики температуры внутри автомобиля — простые термисторы, но для большей точности измерений могут быть использованы небольшой мотор и вентилятор для направления струи внутреннего воздуха на чувствительные элементы
датчик температуры охлаждающей жидкости используется, чтобы контролировать температуру жидкости в отопителе. Этот датчик используется для предотвращения включения системы до того момента, пока температура охлаждающей жидкости не станет достаточно высокой, чтобы нагреть внутреннюю часть транспортного средства;
выключатели входного контроля у водителя
ECU собирает информацию от всех вышеупомянутых источников и регулирует систему на максимальную эффективность в соответствии с заданным алгоритмом. Контроль створок может осуществляться или соленоидом, управляющим вакуумными приводами, или маленьким моторчиком. Главный мотор наддува управляется схемой на основе мощного транзистора, скорость мотора обычно постоянно меняется. Эти системы в состоянии обеспечить комфортную внутреннюю температуру в автомобиле, когда внешние условия находятся в диапазоне температур от-10 до +35 ‘С даже при ярком солнечном свете.
Система кондиционирования работает непрерывно. Компрессор всасывает пар низкого давления, несущий тепло от испарителя, сжимает его и закачивает как перегретый пар под высоким давлением в конденсатор. Температура хладагента на данном этапе намного выше, чем температура наружного воздуха; следовательно, он отдает свое тепло в атмосферу через стенки и ребра конденсатора, одновременно меняя свое состояние обратно из газообразного в жидкое.
Рис. Вариант расположения системы кондиционирования в автомобиле: 1 — компрессор; 2 — конденсатор; 3 — место расположения испарителя; 4 — ресивер-осушитель; 5 — трубопровод всасывающий (до компрессора); 6 — трубопровод нагнетающий (после компрессора); 7 — место расположения радиатора отопителя; 8 — место расположения вентилятора; 9 — блок управления; 10 — воздухораспределительный блок
Эта жидкость под давлением далее передается на приемник-осушитель, где удерживается некоторое количество пара, которое не превратилось в жидкость, одновременно осушитель задерживает воду, загрязняющую хладагент. Теперь хладагент под высоким давлением проходит через клапан термостатического расширения и попадает в зону низкого давления испарителя. Клапан управляет потоком хладагента и, следовательно, мощностью охлаждения. В испарителе жидкость превращается в газ, забирая тепло из окружающей среды, в данном случае воздуха, который продувается через оребрение испарителя. Пар низкого давления откачивается насосом.
Если температура хладагента увеличивается сверх определенных пределов, в дополнение к потоку встречного воздуха могут быть включены вентиляторы конденсатора.
В большинстве систем на стороне высокого давления устанавливается выключатель безопасности. Его часто называют выключателем дуального давления, поскольку он выключит компрессор, если давление окажется слишком высоким из-за неисправного компонента системы, или если давление станет слишком низким из-за утечки хладагента — таким образом защищается компрессор.
Для описания принципа охлаждения, применяемого в системах кондиционировании, используются следующие термины и определения:
тепло — форма энергии
температура означает степень теплосодержания объекта;
тепло распространяется только от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой
количество тепла измеряется в «калориях» (чаще килокалориях, ккал)
количество тепла в 1 ккал изменяет температуру 1 кг волы на 1 «С
термин «изменение состояния вещества» используется, чтобы описать переход от твердого тела к жидкости, от жидкости к газу, от газа к жидкости или от жидкости к твердому телу
термин «испарение» используется, чтобы описать изменение состояния от жидкости к газу
термин «конденсация» используется, чтобы описать изменение состояния от газа к жидкости
термин «скрытая теплота» описывает энергию, требуемую для испарения жидкости без изменении ее температуры (энергия тратится на разрыв молекулярных связей) или количество выделяемого тепла, когда газ конденсируется обратно в жидкость при постоянной температуре (при образовании связей между молекулами выделяется тепло)
Скрытая теплота в процессе изменения состояния хладагента — ключ к принципу работы системы кондиционирования воздуха. Простым примером скрытой теплоты может служить ощущение холода на коже, если вы смочите ее жидкостью, например, спиртом. Это ощущение возникает потому, что жидкость испаряется, и изменение ее состояния (от жидкости к газу) приводит к поглощению тепла из окружающей среды, в данном случае от вашего тела. Вот почему этот процесс чаше рассматривают как «ненагревание», нежели как охлаждение.
Хладагент, используемый во многих системах кондиционирования воздуха, известен как R134A. Это вещество переходит из жидкого в газообразное состояние при минус 26,3 «С. Хладагент R134A создан на базе гидрофторуглерода (hydrofluorocarbon — HFC), а не хлорфторуглерода (chlorofluorocarbon — CFC), из-за проблем с атмосферным истощением озонового слоя, связанным с хладагентами на базе CFC. Отметим, что новый тип хладагента не совместим со старыми системами кондиционирования.
Ключом к пониманию процесса охлаждении является тот факт, что хладагент при низкой температуре имеет низкое давление, а при высокой температуре — высокое давление.
Рис. Принцип работы системы кондиционирования воздуха
Рис. Компоненты системы нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC)
На рисунке показан базовый принцип Функционирования системы охлаждения (кондиционирования) воздуха. Основные компоненты системы — испаритель, конденсатор и насос (компрессор). Испаритель расположен внутри автомобили, конденсатор — вне автомобиля, обычно в воздушном потоке. Компрессор приводится в действие двигателем.
Работающий насос уменьшает давление на стороне испарителя, что вызывает испарение хладагента в испарителе, при испарении тепло отбирается из салона автомобиля. Насос со стороны высокого давления соединен с конденсатором. Высокое давление приводит к конденсации хладагента в конденсаторе, и, таким образом, он нагревается при изменении своего состояния из газообразного в жидкое, отдавая тепло в атмосферу вне транспортного средства.
Устройства для искусственного охлаждения воздуха в кабине ТС получили общее название кондиционеров, хотя они значительно различаются по принципу действия и создаваемым в кабине условиям.
Независимо от конструкции и принципа действия к кондиционерам предъявляется целый ряд общих требований, в том числе:
надежность и непрерывность работы в течение продолжительного времени;
высокая эффективность в широком диапазоне температур наружного воздуха;
низкий уровень шума;
отсутствие вредного влияния на электронные устройства и радиоаппаратуру;
простота обслуживания;
низкая стоимость.
По принципу действия системы кондиционирования воздуха (СКВ) можно разделить на парокомпрессионные, абсорбционные, испарительные и термоэлектрические. Кратко рассмотрим основные особенности этих систем на примере отдельных конструкций.
Наряду с СКВ, которые служат только для охлаждения воздуха, применяются комплексные парокомпрессионные системы, используемые как для охлаждения, так и для нагрева воздуха в кабине. Основной компоновочной схемой таких СКВ является схема размещения в моторном отсеке ТС: конденсатор располагается рядом с радиатором системы жидкостного охлаждения двигателя и обдувается потоком воздуха от вентилятора этой системы (рис. а).
Устройство содержит компрессор 11, который приводится в действие двигателем ТС через клиноременную передачу 12 и муфту 13 сцепления. Компрессор передает сжатый хладагент по трубопроводу 16 в конденсатор 14, помещенный вперед радиатором автомобиля, а также по трубопроводу 19 к реверсивному клапану 7.
Клапан 17 закрывает трубопровод 16 и препятствует проходу газа к конденсатору, когда система служит для подогрева воздуха в салоне.
Рефрижераторный газ, охлаждаясь в конденсаторе, превращается в жидкость, которая проходит в ресивер 15, а оттуда через клапан 22 в змеевик-испаритель 23, контактирующий с воздухом, проходящим в салон от вентилятора 2. Змеевик является испарителем во время охладительного процесса. При этом образовавшийся в испарителе газ возвращается к компрессору 77 по трубопроводу 18, в котором размещен реверсивный клапан.
Для подогрева воздуха в салоне клапан 17 закрывают, а клапан 22 и реверсивный клапан открывают таким образом, чтобы сжатый горячий газ от компрессора проходил по трубопроводу 19 в змеевик, который в этом случае служит конденсатором и отопителем. Образующаяся в змеевике жидкость направляется далее в трубопровод 21, в котором имеется клапан 20, регулирующий давление, а затем поступает в ресивер 5 и расширительный клапан 8, который через трубопровод 9 регулирует поток жидкости в теплообменнике 4, являющемся испарителем в зимнее время. Вода из системы охлаждения двигателя направляется в кожух теплообменника через трубопровод 7 и возвращается к двигателю через трубопровод 10, отдав теплоту рефрижераторной жидкости. Теплота от воды системы охлаждения служит для испарения рефрижераторного вещества, которое, превратившись в газ, возвращается к компрессору через трубопровод 3, реверсивный клапан и трубопровод 18.
Имеется клапан 6, который служит для направления потока рефрижераторного вещества в обход теплообменника. Ресивер можно размещать внутри кожуха теплообменника для контакта с водой системы охлаждения двигателя.
К достоинствам парокомпрессионных систем кондиционирования воздуха относится высокая эффективность в различных условиях эксплуатации, а к их недостаткам — повышенная опасность в случае разгерметизации системы (из-за утечки хладагента) и сложность эксплуатации. Опасность этих систем кондиционирования воздуха повышается при использовании в качестве хладагента фреона (из-за наличия в нем хлора), который обладает большой текучестью и оказывает вредное воздействие на людей и окружающую среду. В последние годы фреонсодержащие хладагенты заменяют более безопасными составами.
Одна из систем кондиционирования абсорбционного типа показана на рисунке б. В этой конструкции применяется теплота отработавших газов двигателя ТС. Они нагревают теплообменник 7. Поток отработавших газов в теплообменнике регулируется вентилем 2, управляемым термостатом 3. Теплообменник соединен трубопроводом 4 со змеевиком конденсатора 5, смонтированным в трубе Вентури 6, которая установлена на крыше автомобиля. Змеевик сообщается с помощью трубопровода 7 с теплообменником испарителя 13, от которого холодильная смесь по трубопроводу 9 возвращается в теплообменник.
Центробежный вентилятор 10 подает воздух по трубопроводу 12 к теплообменнику испарителя, где он охлаждается и через трубопроводы 11 подается в салон автомобиля. В отводе трубопровода 12 помещено устройство, которое увлажняет воздух, подаваемый в автомобиль. Устройство имеет бак 8 для воды. Расход воды может регулироваться.
Абсорбционные системы кондиционирования воздуха, как правило, просты по конструкции, но недосхаточно эффективны, требуют больших энергозатрат и обладают повышенной шумностью.
В испарительных СКВ (рис. в), используемых на транспортных средствах, обычно осуществляется прямое испарительное охлаждение, т.е. увлажненный в процессе испарения воздух поступает в кабину. Образование развитой поверхности испарения жидкости в этих устройствах решается разными способами. В рассматриваемой конструкции имеется фильтрующий элемент 1 конической формы. Он вращается в корпусе и около его нижней боковой стенки частично погружается в воду. На одном конце вала мотора 2 закреплен вентилятор 3, а на другом — редуктор 6, на выходной нижней оси которого и смонтирован фильтрующий элемент. Воздух засасывается вентилятором из патрубка 4, выходящего через капот автомобиля перед ветровым стеклом. Воздух прогоняется за счет испарения воды. Охлажденный воздух через отверстие проходит в салон, минуя жалюзи 5.
Эти системы просты по конструкции и в эксплуатации, надежны в условиях повышенной вибрации, однако их эффективность в значительной степени зависит от климатических условий местности. Чем меньше влажность охлаждающего воздуха, тем выше эффект охлаждения. Другим недостатком этих систем является получение на выходе воздуха повышенной влажности, т.е. применение систем прямого испарительного охлаждения наиболее целесообразно в условиях сухого жаркого климата. В условиях повышенной влажности могут быть использованы системы косвенного испарительного охлаждения (например, осуществляющие охлаждение стенок, которые отделяют увлажненный поток воздуха от салона).
В термоэлектрических СКВ, применяемых ТС, используется эффект Пельтье, сущность которого заключается в выделении или поглощении теплоты на спаях двух разных проводников в зависимости от направления электрического тока. Одна из схем такой системы приведена на рисунок г.
Двигатель 13 приводит во вращение через клиноременную передачу 15 генератор 19 с выходной цепью 14 и контрольными цепями 16 и 18, которые могут менять напряжение и полярность выходной цепи. Один из полюсов термоэлектрической батареи (ТЭБ) 5 Пельтье соединен с цепью 14, а другой — с генератором через «массу» 8 ТС. Радиатор 6 ТЭБ расположен в канале 2, оба конца которого входят в салон, Вентилятор 7 поддерживает циркуляцию воздуха в канале 2, Воздух поступает в канал из салона транспортного средства через отверстие 3, проходит через радиатор 6 и возвращается в салон через отверстие 7. Второй вентилятор 10 предназначен для поддержания циркуляции воздуха через второй радиатор 9 ТЭБ. Этот поток воздуха либо отводит в атмосферу теплоту, выделяемую радиатором 9, когда батарея используется для охлаждения салона, либо нагревает радиатор, когда батарея служит для обогрева салона.
Сдвоенный выключатель 17 может менять полярность цепей 16 и 18 генератора. Этот выключатель присоединен к регулятору, связанному с аккумулятором 12 и электровентиляторами. Аккумулятор снабжен выключателем 11, который соединен с датчиком 4, расположенным во входном отверстии канала. В теплое время года устройство охлаждает воздух в салоне. В холодное время сдвоенный выключатель изменяет полярность электрической цепи, и устройство нагревает воздух в салоне.
Термоэлектрические СКВ характеризуются простотой и компактностью конструкции, высокой надежностью в условиях эксплуатации, возможностью преобразования системы из охлаждающей в отопительную путем изменения направления электрического тока. К недостаткам этих систем кондиционирования воздуха можно отнести снижение их эффективности при высокой температуре наружного воздуха и увеличении перепада температур горячего и холодного спаев, а также потребление значительного количества электрической энергии. Однако использование в термоэлектрических СКВ новых материалов и применение на автомобилях электрооборудования повышенного напряжения (до 42 В) способствуют более широкому распространению таких систем на ТС.
Выбор характеристик и расчет параметров СКВ производятся из условий обеспечения теплового баланса обитаемого объекта.
Обогревно-вентиляционное устройство автомоблиля спроектировано таким образом, что может быть дополнено кондиционером, смонтированным в машине, в качестве дополнительного оборудования. Кондиционер дает возможность снизить температуру внутри салона автомобиля, когда температура окружающей среды высока. Схема устройства и его работа показаны на рисунках. В подающем канале обогревно-вентиляционного устройства находится испаритель — элемент, охлаждающий воздух, поступающий внутрь автомобиля. Там же находятся следующие устройства: вентилятор, температурная заслонка, нагреватель с составными частями обогревно-вентиляционного устройства. Кондиционер состоит из следующих узлов:
компрессора, приводимого в движение клиновидным ремнем от коленвала двигателя через электромагнитную муфту, включаемую датчиком температуры;
конденсора, расположенного перед радиатором и охлаждаемого вентилятором. Конденсор превращает сжатый газ с высокой температурой в жидкость;
осушителя, который освобождает испаритель от воды и загрязнений;
Подогревно-вентиляцтонное устройство расположено под задней частью передней панели. Оно может подавать свежий воздух из окружающей среды, или из салона автомобиля (рециркуляция). Воздух, посредством регулирующего устройства, воздуховодов и каналов подается к выбранным водителем соплам. Сопла А и В, подающие воздух вдоль автомобиля, оснащены рычажками, дающими возможность регулировки количества подаваемого воздуха и его направления в вертикальной плоскости.
Лицевая панель регулирующего устройства схематически показана на рисунке. Рычажок 1 служит для регулировки количества подаваемого воздуха. В левом положении (напротив символа неподвижного вентилятора) количество подаваемого воздуха зависит только от естественного напора, т.е. от скорости автомобиля (система не работает). Передвижение рычажка вправо вызывает включение наддува, причем в первом положении количество подаваемого воздуха наименьшее, а в третьем положении наибольшее. Рычажок 2 направляет воздух к выбранному соплу. При установке рычажка напротив оного из находящихся под ним символом, происходит подача воздуха к выбранным соплам.
Рис. Схема устройства вентиляции и обогрева салона автомобиля: А — средние сопла, В — боковые сопла, С — нижние сопла, D — сопла ветрового стекла; Е — сопла боковых стекол, S — приток свежего воздуха, R — рециркуляция 2 — вентилятор, 4 — электродвигатель, 7 — подогреватель, 8 — заслонка, 9 — заслонка регулировки температуры.
Рис. Сопла, размещенные на передней панели: А — средние сопла, В — боковые сопла, С — нижние сопла, D — сопла ветрового стекла, Е — сопла боковых стекол.
Рычажок 3 служит для выбора способа вентиляции. В крайнем левом положении в салон автомобиля поступает только свежий воздух. Перемещение рычажка вправо постепенно прекращает подачу окружающего воздуха во внутренний объем автомобиля. При крайне левом положении рычажка 3 воздух, находящийся в автомобиле, подвергается полной рециркуляции. Этим режимом рекомендуется пользоваться при преодолении сильно загазованных участков дорог или туннелей, а также для быстрого обогрева салона автомобиля. Если автомобиль оснащен системой кондиционирования воздуха, система рециркуляции позволяет быстро достичь существенного снижения температуры в салоне.
Рычажок 4 регулирует температуру воздуха, поступающего из обогревателя. В левом положении обогреватель не действует. Перемещение рычажка вправо ведет к росту температуры воздуха, поступающего в салон.
Обогревно-вентиляционное устройство состоит из следующих основных узлов: нагревателя, вентилятора, приводимого в действие Электродвигателем, кожухов, заслонок и устройства управления. Нагреватель устройства подключен к системе охлаждения двигателя, т.е. эффективность подогрева воздуха, поступающего внутрь автомобиля, зависит от температуры охлаждающей жидкости.
Широкое распространение получили в настоящее время кондиционеры с электронным управлением – системы климат-контроля (HVAC – Heating, Ventilation and Air Conditioning).
Так, если обычный кондиционер работает только в режиме, который ему задает водитель (регулирует скорость потока воздуха и устанавливает интенсивность охлаждения), то автоматизированный климат-контроль с электронным блоком управления допускает как ручную, так и автоматическую настройку.
Такая система, в отличие от традиционного кондиционера, ориентирована в первую очередь на автоматическую работу, то есть на поддержание заданной температуры и режима работы независимо от внешних условий. После включения автоматизированный климат-контроль переходит в режим ожидания, считывает информацию с датчиков и если определит, что микроклимат в салоне не соответствует параметрам комфорта, заданным водителем, либо хранящимся в памяти системы характеристикам, то он начинает самостоятельно функционировать в соответствии с заданной программой.
Для поддержания комфортного микроклимата в салоне реализуются следующие основные функции климат-контроля – рассеивающая приточная вентиляция, прямоточная вентиляция, обогрев стекол с автоматическим включением при их запотевании, автоматическая или принудительная рециркуляция. Прямоточная подача свежего воздуха часто вызывает ощущение дискомфорта или сквозняка. Поэтому современные автомобили оснащаются рассеивающей системой вентиляции, которая может рассеивать воздух, поступающий в салон через высокорасходные дефлекторы.
Пример распределения воздушных потоков в салоне легкового автомобиля показан на рисунке:
Рис. Схема распределения воздушных потоков в салоне автомобиля: 1 – противопыльный фильтр; 2 – приточный вентилятор; 3 – правый теплообменник; 4 – дополнительный нагревательный элемент; 5 – дефлектор (заслонка) средней консоли; 6 – задние нижние дефлекторы; 7 – левый теплообменник; 8 – испаритель; 9 – кондиционер; 10 – поток воздуха
Под действием разрежения, создаваемого вентилятором, воздух проходит через противопыльный фильтр и поступает к испарителю. За испарителем воздушный поток, идущий через кондиционер, разветвляется в первый раз. Основная часть проходит через теплообменники, а остальная – в обход теплообменников, к заслонкам кондиционера, которые управляют подачей холодного воздуха. Конструктивная схема с двумя параллельными теплообменниками позволяет подавать воздух раздельными потоками в правую и левую зоны салона. Температуру воздуха в каждом из этих двух потоков определяют, в основном, настройки, которые задают водитель и передний пассажир. За теплообменниками воздушные потоки распределяются посредством электроприводных заслонок и направляются к дефлекторам в разных точках салона. При этом воздух, поступающий в салон через отверстия в средних стойках кузова и через задние нижние дефлекторы, может попутно подогреваться дополнительными нагревательными элементами.
Система с электронным управлением кондиционирования снабжена датчиками, клапанами, предохранителями.
Датчик низкого давления отключает компрессор при давлении в системе ниже 2 кг/см² и включает при 2,3 кг/см². Это необходимо для предотвращения заклинивания компрессора, так как при снижении давления во время аварийного сброса хладагента или его утечке нарушается циркуляция масла.
Датчик высокого давления отключает компрессор при давлении хладагента в системе 30…34 кг/см² и включает при 26 кг/см². Повышенное давление может возникнуть из-за неисправности расширительного клапана, нарушения теплообмена в конденсаторе при снижении интенсивности проходящего через него воздушного потока.
Датчик включения дополнительных электровентиляторов обдува конденсатора включает их при повышении давления в системе до 19…22 кг/см² и выключает при 14…16 кг/см².
Датчик температуры компрессора устанавливается на его корпусе, на стороне нагнетания, отключает электромагнитную муфту при температуре 90…100°С.
Электронное управление сервоприводов, определяющих положение заслонок, осуществляется по показаниям датчиков температуры, один из которых расположен в воздухопроводе, другой – на панели приборов.
Комбинированные датчики могут совмещать несколько функций, их устанавливают вместо перечисленных датчиков.
Отопитель и кондиционер обеспечивают как автоматический, так и принудительный обогрев стекол, что предотвращает запотевание стекол. Система управления микроклиматом непрерывно измеряет температуру лобового стекла, влажность воздуха и температуру в точке определения влажности. По результатам измерений определяется возможность запотевания стекла. Все три параметра измеряет психрометрический датчик. Он обычно устанавливается в основании салонного зеркала и генерирует соответствующие сигналы.
Для измерений влажности используется тонкопленочный емкостный датчик. Он работает на принципе пластинчатого электроконденсатора.
Рис. Принцип действия психометрического датчика влажности: 1 – сигнальное напряжение; 2 – электронный блок датчика; 3 – пластинчатый конденсатор; 4 – диэлектрик; 5 – водяные пары; а – без отсутствия водяных паров; б – с присутствием водяных паров
Емкость конденсатора, иначе говоря, его способность накапливать электрическую энергию, определяет площадь поверхности пластин, расстояние между ними и физические свойства наполнителя (диэлектрика), разделяющего две пластины. Диэлектрик, используемый в рассматриваемом измерительном конденсаторе, способен поглощать водяные пары. При этом изменяются его электрические свойства, а значит, и емкость конденсатора. Иными словами, измеряя емкость конденсатора, можно получить информацию о влажности воздуха. Электронный блок датчика преобразует измеренную электрическую емкость в сигнальное напряжение. Способность датчика накапливать в себе водяные пары зависит от температуры. Поэтому одновременно с влажностью необходимо определять и соответствующую температуру.
Для измерения температуры лобового стекла используются инфракрасные датчики:
Рис. Принцип действия инфракрасного датчика: 1 – поглощенное тепловое излучение; 2 – инфракрасный датчик; 3 – поглощенное тепловое излучение; 4 – электронный блок датчика; 5 – сигнальное напряжение; 6 – термометр; 7 – лобовое стекло; а – холодное лобовое стекло; б – нагретое лобовое стекло
Интенсивность инфракрасного излучения, исходящего от лобового стекла, измеряет предназначенный для этого высокочувствительный датчик. Вместе с температурой стекла изменяется и доля инфракрасных лучей в составе теплового излучения, исходящего от стекла. Датчик реагирует на такое изменение. Электронный блок датчика преобразует эту реакцию в сигнальное напряжение.
Для управления системой кондиционирования в первых управляющих системах использовались только датчики температуры в салоне, в настоящее время появились датчики качества воздуха, определяющие концентрацию оксидов углерода и азота в окружающем воздухе, чтобы при необходимости система автоматически переходила в режим рециркуляции, исключая использование забортного воздуха с повышенной концентрацией токсичных компонентов.
Рис. Принцип действия датчика воздуха: 1 – датчик; 2 – сигнальное сопротивление; 3 – электронный блок датчика; а – отсутствие вредных компонентов в воздухе; б – присутствие окисляемого газа; в – присутствие восстанавливаемого газа
Активной основой датчика является смесь окислов вольфрама или олова. Эти соединения изменяют свои электрические свойства при контакте с окисляемыми или восстанавливаемыми газами. К окисляемым газам относятся оксид углерода (CO), пары бензола и бензина, углеводороды, несгоревшие остатки топлива и продукты его неполного сгорания. Восстанавливаемыми газами являются оксиды азота NOx.
Упрощенно окислению соответствует поглощение кислорода химическим элементом, а восстановлению – выделение кислорода из химического соединения. Иными словами, окисляемые газы стремятся поглотить кислород и соединиться с ним. Восстанавливаемые газы, напротив, отдают кислород другим элементам или соединениям. Если находящаяся внутри датчика смесь оксидов вступает в контакт с окисляемым газом, последний начинает поглощать из окислов кислород. В результате изменяются электрические свойства смеси. Ее сопротивление уменьшается. Если же датчик подвергается воздействию восстанавливаемого газа, то смесь оксидов поглощает из этого газа кислород. При этом электрические свойства смеси также изменяются, но при этом сопротивление возрастает.
Используются также датчики наличия пассажиров в салоне, которые позволяют системе определять необходимый объем подаваемого воздуха. В некоторые моделях используются фотодатчики солнечного излучения, позволяющие вычислять интенсивность и угол падения солнечных лучей и, исходя из этой информации, обеспечивать подачу дополнительного прохладного воздуха в ту часть автомобиля, где воздействие прямых солнечных лучей оказывает особенно сильное влияние.
Рис. Принцип действия датчика солнечного излучения: 1 – фильтр; 2 – оптический элемент; 3 – фотодиод; а – направление солнечных лучей под углом спереди; б – направление солнечных лучей вертикально
Солнечный свет попадает через фильтр и оптический элемент на фотодиод. Фильтр предназначен для предотвращения повреждения фотодиода солнечными лучами. Фотодиод изменяет силу тока пропорционально попадающего на него потока солнечного света. Чем сильнее поток света, тем больше сила тока. Благодаря этому по повышению силы тока от датчика, блок управления опознает увеличение потока солнечного света и воздействует на систему управления кондиционированием с целью сохранения заданной температуры.
При направлении солнечных лучей под углом спереди, прямо на водителя и переднего пассажира температура в салоне повышается, при этом на светодиод попадает значительная часть светового излучения. Хладопроизводительность системы управления кондиционированием увеличивается, компенсируя нагревающее действие солнечного света.
При направлении солнечного света вертикально солнечные лучи задерживаются крышей автомобиля. В этом случае на оптический элемент света падает меньше и он направляет меньше света на светодиод. Хладопроизводительность системы управления кондиционированием уменьшается, поскольку пассажиры автомобиля не находятся под прямыми солнечными лучами.
Может также фиксироваться температура и влажность тел водителя и пассажиров через перфорированную обивку сидений.
Для поддержания комфортного температурного режима в салоне автомобиля в холодное время года при неработающем двигателе могут применяться дополнительные обогреватели. Топливо для таких устройств, которые вырабатывают тепло без помощи работы двигателя, поступает или из стандартного топливного бака автомобиля, или из специального бака для транспортных средств больших размеров. Электрический насос подает топливо к форсунке, которая впрыскивает распыленное топливо в камеру сгорания; распыленное топливо смешивается с воздухом и сгорает. Горячие отработавшие газы затем направляются к теплообменнику.
Рис. Вспомогательный воздухообогреватель (независимый от работы двигателя): 1 — воздухообогреватель с вентилятором, камерой сгорания и теплообменником; 2 — впуск воздуха; 3 — выпускное отверстие для воздуха, подаваемого в салон автомобиля; 4 — приток воздуха в камеру сгорания; 5 — подача питания: 6 — система выпуска отработавших газов; 7 — электронный блок управления; 8 — термостат и таймер для предварительного выбора продолжительности включения
Теплообменник может функционировать одним из двух способов: или с помощью непосредственного подогрева воздуха салона, или посредством передачи тепла в систему охлаждения двигателя. В последнем случае циркуляция поддерживается отдельным электрическим насосом, что предоставляет возможность использования стандартного устройства обогрева, позволяющего подогревать воздух в пассажирском салоне. Этот тип вспомогательного подогрева охлаждающей жидкости двигателя также улучшает характеристику холодного запуска в зимний период.
Система обогрева воздуха в салоне автомобиля не способна обеспечивать необходимый температурный режим. При температуре окружающего воздуха превышающей 20°С необходимо его охлаждения для создания комфортных условий водителю и пассажиров. Для решения этой задачи применяются системы кондиционирования. Схема системы кондиционирования показана на рисунке:
Система заполняется хладагентом, который в зависимости от температуры и давления может переходить из газообразного в жидкое состояние и наоборот. Хладагент — это газ, которым заполняется система. До недавнего времени хладагентом автомобильных кондиционеров был фреон R12 . После опубликования теории разрушения озонового слоя земной атмосферы хладфторуглеродами, содержащимися в хладагенте R12, его применение сократилось.
В современных системах кондиционирования используется фреон R134а (тетрафторэтан), который считается «экологически чистым». Этот хладагент относится к классу гидрофторуглеродов (HFC), не содержит хлора и не очень вреден, но эффективность его на 10-15% ниже, чем у R12, и он более текуч. Однако для эффективной работы автомобильных кондиционеров, использующих R134a, требуется более высокое рабочее давление. Применение хладагента R134а привело к усложнению систем кондиционирования. Необходимо отметить, что новый и старый хладагенты несовместимы, так как несовместимы компрессорные масла, заправляемые вместе с ними.
Ресивер
При определенной температуре и определенном давлении охлажденный хладагент конденсируется и переходит в жидкое состояние. Снизу хладагент выходит из конденсатора и в жидком состоянии поступает в ресивер-осушитель, состоящий из ресивера и осушителя, устанавливаемый на выходном трубопроводе конденсатора перед испарителем. Ресивер-осушитель не только обеспечивает хранение хладагента, но фильтрует его и удаляет влагу (иногда фильтр устанавливается отдельно от ресивера). Влага удаляется с помощью специального адсорбента, который имеет ограниченный срок службы.
Ресивер 5 служит для сглаживания колебаний потока хладагента.
В осушителе 3 происходит удаление влаги, которая проникла в контур хладагента при монтаже или из окружающей среды, а также осаждаются продукты износа частей компрессора, грязь, попавшая в контур при монтаже и прочие инородные примеси. Ресивер-осушитель может снабжаться смотровым окном для контроля за количеством хладагента. В случае выхода из строя ресивер-осушитель не ремонтируется и подлежит замене.
Редукционный клапан
После осушителя хладагент поступает к редукционному клапану. В редукционном клапане перед испарителем понижается давление жидкого хладагента, что приводит к охлаждению испарителя. Редукционный клапан находится на границе разделения сторон низкого и высокого давления контура хладагента. В клапане происходит регулирование потока хладагента к испарителю в зависимости от температуры паров хладагента на выходе из испарителя, поэтому в испарителе испаряется столько хладагента, сколько необходимо для поддержания равномерного «холода» в испарителе.
Если повышается температура хладагента, выходящего из испарителя, то хладагент расширяется в термостате 4, установленном на редукционном клапане. Мембрана 3 при этом прогибается и поток хладагента через шариковый клапан 2 к испарителю увеличивается.
Если понижается температура хладагента, выходящего из испарителя, то тогда объем хладагента в термостате уменьшается и мембрана 3 возвращается в верхнее положение. Поток хладагента через шариковый клапан к испарителю уменьшается.
Термостатический расширительный клапан функционирует под действием трех сил:
1-я давление в сенсорной трубке зависит от температуры сильно нагретого хладагента. Это давление действует в качестве силы отпирания (PFu) на мембрану
2-я давление в испарителе (PSa) действует на мембрану в противоположном направлении
3-я давление регулировочной пружины (PFe) действует в том же направлении, как и давление в испарителе
Редукционный клапан разбрызгивает охлажденную жидкость, подавая ее в испаритель.
Испаритель
Испаритель ускоряет процесс испарения. Для этого он имеет большую поверхность и является теплообменником между хладагентом и окружающим воздухом. Хладагент, прошедший через редукционный клапан, став легкоиспаряющимся с низким давлением, при прохождении в туманообразном состоянии через трубопровод алюминиевого испарителя, под действием потока воздуха от вентилятора, испаряясь превращается в газ при температуре -2°С и давлении 2,0 кг/см2. При этом рёбра трубопровода испарителя становятся холодными от теплоты парообразования, и воздух внутри автомобиля становится прохладным. Кроме того, влага, содержащаяся в воздухе, от охлаждения превращается в воду и вместе с пылью по спусковому трубопроводу стекают в поддон для конденсата и затем на землю.
Компрессор
Газообразный хладагент по трубопроводу поступает в компрессор, который приводится в действие от вала двигателя. Компрессор сжимает газ до высокого давления. Компрессор работает от муфты, которая приводится в действие шкивом коленчатого вала через приводной ремень. Если на электромагнит муфты не подается напряжение, то вращается только сам шкив муфты компрессора и не вращается вал компрессора. При подаче напряжения на магнитную муфту диск и втулка муфты перемещаются назад и соединяются со шкивом. Шкив и диск под действием сил становятся едиными и приводят во вращение вал компрессора.
С ведущим валом компрессора соединена наклонная шайба, которая при своем вращении перемещает несколько (5…7) поршней. Корпус с цилиндрами закрыт крышкой с системой клапанов. Производительность компрессора определяется заданной температурой охлаждения. У таких компрессоров может изменяться наклон шайбы, что приводит к изменению хода поршней и, следовательно, производительности. Компрессоры этих типов оказывают меньшее влияние на работу двигателя при включении муфты, что очень важно для маломощных двигателей. Кроме того, они обеспечивают большую стабильность заданной температуры.
Компрессор, в зависимости от частоты вращающегося его вала превращает газообразное состояние хладагента низкого давления, идущего от испарителя, в газ высокой температуры и высокого давления (80°С, 15 кг/см2). Газообразное состояние хладагента необходимо для компрессора, поскольку жидкий хладагент нельзя сжать, и это привело бы к разрушению компрессора. Компрессор уплотняет хладагент и нагнетает его в виде горячего газа в конденсатор (сторона высокого давления контура хладагента). Таким образом, компрессор представляет собой место разделения сторон низкого и высокого давления контура хладагента.
Смазка компрессора производится специальным компрессорным маслом, циркулирующим по всей системе вместе с хладагентом. В системах, работающих с фреоном R12, применяются минеральные масла, с R134а – полиалкиленово-гликолевое (PAG). При смешивании этих масел образуется мутная густая масса, приводящая к выходу из строя системы кондиционирования, и в первую очередь компрессора. При дозаправке кондиционера хладагентом и доливке масла используются только те компоненты, которые предназначены для данной системы. Как правило, в моторном отсеке автомобиля есть наклейки, указывающие тип хладагента, его количество и соответствующий ему тип и количество масла (наклейки для R134а – зеленого цвета, для R12 – желтого).
Конденсатор
От компрессора горячий газообразный хладагент с температурой около 50…70° C подается в конденсатор, который служит для превращения газообразного высокотемпературного хладагента, идущего от компрессора в жидкое состояние выделением тепла в атмосферу. Конденсатор состоит из изогнутых трубок, которые соединены перегородками и имеет большую поверхность охлаждения, чем достигается высокая теплопередача. Трубки и ламели конденсатора воспринимают тепло хладагента. Количество выделяемого хладагентом тепла в конденсаторе определяется количеством поглощенного испарителем тепла из окружающей среды и работой компрессора, необходимой для сжатия газа. Для конденсатора результат теплоотдачи прямо влияет на эффект охлаждения холодильной установки, поэтому, обычно он устанавливается на самой передней части автомобиля и принудительно охлаждается воздухом вентилятора системы охлаждения двигателя или дополнительным вентилятором и потоком воздуха, возникающим при движении автомобиля. Холодный наружный воздух проходит через конденсатор, забирает тепло, благодаря чему хладагент охлаждается.
Датчики давления
Система кондиционирования снабжается датчиками давления 5 и 7, которые не позволяют включать работу системе при давлении хладагента в системе ниже определенной величины. Для контроля температурного режима работы системы предусмотрены температурные датчики 8 и 13.
Видео: Общие сведения о системе кондиционирования воздуха
