Автомобильный кондиционер — инновации системы охлаждения

Автомобильный кондиционер - инновации системы охлаждения

Кондиционирование воздуха внутри салона автомобиля теперь уже не исключение из правил. Система охлаждения занимает законное место в одном ряду с другим стандартным оборудованием легкового авто. Традиционно современной холодильной установкой служит система, действующая на фреоне R134A. Установки подобного типа используются широко и уже достаточно долгое время (практически с 1980 года). Поэтому естественным событием видится момент инновации автомобильных кондиционеров на современном этапе развития техники. Рассмотрим, какие тенденции к переменам назрели в этом плане, и какие решение уже частично применяются.

Автомобильные кондиционеры и тенденции к совершенству

Система кондиционирования воздуха обеспечивает климатический комфорт внутри пассажирского салона автомобиля. Кроме того, автомобильный кондиционер – эффективный инструмент против запотевания окон. Следовательно, холодильная система автомобиля увеличивает степень активной безопасности транспортного средства.

Автомобильное оборудование под кондиционирование воздуха заметно отличается от подобных установок бытового назначения. Обусловлены эти отличия условиями эксплуатации зданий и автомобилей, которые значительно различаются во времени и пространстве.

Автомобиль с кондиционером на хладагенте типа СО2
Mercedes-Benz уже применяет установки, которые соответствуют новым требованиям директивы ЕС по системам кондиционирования легковых транспортных средств

Поэтому тенденции совершенства бытовых и автомобильных кондиционеров – это совершенно разные направления.

Среди наиболее выраженных новых тенденций в производстве автомобильных кондиционеров, инновацией отмечается использование альтернативных хладагентов на замену привычного Тетрафторэтана (R-134A). Также приоритетными задачами видятся:

  1. Использование физиологически контролируемого автомобильного кондиционера.
  2. Создание многозонных систем кондиционирования воздуха внутри автомобиля.

Претензии к применению фреона R134A понятны. Слишком весомый вклад этого вещества в дело формирования парникового эффекта. Поэтому более удачным кандидатом для замены R134a в качестве хладагента автомобильных кондиционеров видится Диоксид углерода (CO2), а также фреон R1234YF.

Однако цикл охлаждения, проходящий при использовании диоксида углерода (CO2), является критическим по причине более высоких рабочих давлений холодильной системы. Поэтому некоторые детали автомобильного кондиционера на CO2 требуют специальной конфигурации.

Большая часть полностью автоматических систем кондиционирования воздуха, используемых в автомобилях, регулируется измерениями температуры в области салона непосредственно рядом с водителем.

В плане управления техникой, инновации направлены на так называемое физиологически контролируемое кондиционирование воздуха, когда оптимальный тепловой микроклимат достигается применением широких наборов датчиков.

Датчиками измеряется климатическое состояние внутренней области салона автомобиля. Такая форма регулирования, кроме всего прочего, подключает датчики, измеряющие степень загрязнения окружающей среды, а также системы зонального климата (индивидуально для каждого пассажира).

Новый автомобильный кондиционер и конструктивные требования

Основными компонентами контура хладагента автомобильного кондиционера традиционно остаются:

  • компрессор,
  • конденсатор,
  • предохранительный клапан,
  • фильтр-осушитель,
  • терморегулирующий вентиль,
  • испаритель.

Компрессор автомобильного кондиционера должен обеспечивать циркуляцию хладагента так, чтобы давление и температура поддерживались на требуемых уровнях. Также необходима стабильная циркуляция хладагента в контуре охлаждения автомобильного кондиционера.

Схема автомобильного кондиционера
Схема автомобильного кондиционера: 1 — холодильный компрессор; 2 — электромагнитная сцепка; 3 — конденсатор; 4 — вентилятор конденсатора; 5 — заправочная ёмкость хладагента; 6 — испаритель; 7 — вентилятор подачи воздуха в салон; 8 — терморегулирующий вентиль

Учитывая, что компрессор автомобильного кондиционера эксплуатируется двигателем транспортного средства, это устройство необходимо  адаптировать под широкий диапазон изменения скорости вращения вала, что сказывается на уровнях производительности.

Современные компрессоры автомобильных кондиционеров, обладающие переменной пропускной способностью, позволяют изменять привод от транспорта в диапазоне 0 — 100%, тем самым удовлетворяя требования по расходу топлива.

Конденсатор автомобильного кондиционера охлаждается либо встречным воздушным потоком, либо воздухом, нагнетаемым вентилятором. Ёмкость с жидким хладагентом служит одновременно уравнительным и резервным блоком.

Объём хладагента, который потребуется в любой момент холодильного цикла, напрямую привязывается к условиям эксплуатации кондиционера автомобиля.

Фильтр-осушитель абсорбирует из хладагента любое количество влаги или примесей, образование которых не исключено в процессе работы автомобильного кондиционера.

Защитным устройством подключается вспомогательный вентилятор конденсатора на случай избыточной температуры хладагента.

Или же вспомогательный вентилятор автомобильного кондиционера отключается при избыточном давлении на выходе (или при падении давления ниже допустимого уровня на входе).

Терморегулирующим вентилем снижается давление жидкого хладагента и ограничивается расход хладагента, обеспечиваются условия для полного испарения жидкости внутри испарителя.

Здесь оптимальный вариант — термостатический регулирующий вентиль (TXV — Thermostatic Expansion Valve) или капиллярная трубка. Для работы TXV необходим сепаратор, отделяющий пары хладагента от жидкости и предотвращающий попадание в систему влаги и грязи.

Схема вентиляции автомобильного кондиционера

Вентиляционная схема предполагает три различных рабочих состояния:

  • полностью открытый внешний контур,
  • полностью закрытый внешний контур,
  • частично открытые внешний и внутренний контуры.

Воздушный клапан управляет регулированием забора свежего воздуха при полностью открытом внешнем контуре. Воздух проходит через воздушный фильтр, поступает на панель испарителя, где охлаждается с одновременной конденсацией влаги.

Схема распределения воздуха в салоне авто
Схема распределения потоков в салоне: 1 — клапан забора свежего воздуха; 2 — клапан внутренней циркуляции; 3 — заслонка смешения; 4 — вентилятор; 5 — фильтр; 6 — испаритель; 7 — нагреватель; 8 — впускной клапан противообледенителя ветровых стекол; 9 — центральный воздуховод; 10 — выпускной клапан; 11 — передний выпускной клапан; 12 — боковой выпускной клапан

Затем осуществляется подогрев воздуха в теплообменнике до соответствующей (заданной) температуры. Далее подогретый поток выводится через распределительные клапаны и выходы в требуемых местах внутренней части кабины транспортного средства.

При работе автомобильного кондиционера в режиме замкнутого внешнего контура, львиная доля воздуха забирается непосредственно из салона транспортного средства.

Если же включен режим частично замкнутого внешнего и открытого внутреннего контуров, соответственно используется смесь внутреннего и наружного воздуха.

Системы управления кондиционером автомобиля

Автомобильная система управления оборудованием кондиционирования воздуха обеспечивает желаемую температуру внутри салона, контролирует количество забора, а также распределение потоков по зонам.

В системах автомобильного кондиционера с ручным управлением, требуемая температура воздуха, распределение потоков и уровень забора устанавливаются при помощи соответствующих ручных органов управления (заслонок, клапанов).

В системах с полуавтоматической регулировкой температуры, установленное значение климата поддерживается автоматически, а распределение воздуха и забор контролируются вручную.

Полностью автоматическое управление автомобильным кондиционером на основе программируемых параметров, независимо обеспечивает желаемую температуру внутреннего воздуха, объём забора и распределения воздуха.

Схема управления автомобильного кондиционера
Схема управления: A — свежий поток; B — выход на ветровое стекло; C — верхний выпуск; D — внутренняя циркуляция; E — вывод через байпас; F — нижний выход

Требуемая температура поддерживается либо режимом обработки воздуха, либо режимом обработки воды. Свежий воздух, втягиваемый вентилятором (1), либо охлаждается испарителем (2), либо нагревается нагревателем (4) до желаемой температуры. Затем, в зависимости от положения клапанов, обработанный поток перемещается в отдельные области салона автомобиля (B, C, F).

Электронный блок управления автомобильного кондиционера (8) регистрирует температуру, измеренную датчиками (3, 5, 7), и температуру, параметр которой установлен на селекторе (6). Желаемая температура сравнивается с фактической температурой, а разница преобразуется блоком управления в переменные:

  • регулирования нагрева (4, 11) и охлаждения (2, 10),
  • управления объёмом поступающего воздуха (1)
  • регулирования распределения потока (по положению клапанов B, C, D, D, E, F).

На высоких скоростях движения транспорта динамическое давление воздуха, перемещаемого вентилятором, увеличивается, равно как и объём потока. Поэтому с увеличением скорости работу вентилятора регулирует специальное устройство.

Управление работой вентилятора и другими опциями

Первоначально обороты вентилятора автомобильного кондиционера снижаются, если необходимо до нулевого уровня. Если и этого недостаточно, ограничивается забор воздуха дроссельным клапаном, чтобы поддерживать, таким образом, постоянную скорость потока.

Для защиты стёкол автомобиля от запотевания применяется режим размораживания. Этот режим позволяет за короткий промежуток времени очистить окна салона авто. Как только температура в салоне поднимается выше 0°C, автомобильный кондиционер обеспечивает подачу сухого воздуха.

Большинство полностью автоматических систем кондиционирования воздуха легкового автомобиля функционируют исключительно на основе температуры, измеренной только в зоне присутствия водителя.

Новой тенденцией здесь выступает так называемое физиологически контролируемое кондиционирование воздуха, которым обеспечивается оптимальный микроклимат с использованием дополнительных переменных.

Основная часть такой системы автомобильных кондиционеров оснащена массой датчиков, непрерывно измеряющих температуру, скорость и уровень влажности в процессе езды. Также измеряется тепловой поток, создаваемый солнечной радиацией.

На основе полученной информации система рассчитывает и автоматически выбирает оптимальные настройки температуры салона.

Двухзональный климат контроль
Двухзональный климат контроль системы кондиционирования на примере салона автомобиля Subaru BRZ Interior. Однако это ещё далеко не та инновация, на которую делается ставка

Новая система способна обеспечить идеальную относительную влажность в автомобильном салоне (около 40%). Достигается такой параметр за счет регулирования температуры испарителя, от которой зависит степень осушения атмосферы салона.

Кроме того, физиологически регулируемое кондиционирование воздуха использует внешние датчики загрязнения. Циркуляция переключается от внешней схемы на внутреннюю схему, в зависимости от измеренных концентраций оксида азота и диоксида углерода.

Большая часть современных автоматических систем кондиционирования воздуха являются однозональными. Регулировки поступающего воздушного потока ограничиваются общим распределением по салону.

Инновационные автомобильные кондиционеры позволяют контролировать климат в нескольких зонах (обычно четыре). Настройки температуры для отдельных пассажирских позиций поддерживаются микроконтроллером.

Программируемый микроконтроллер отвечает за регулирование, настройку и регулировку температуры посредством сервомотора, которым организуются и создаются несколько воздушных потоков.

Уникальный микроклимат может быть создан отдельно для каждого человека, находящегося в салоне автомобиля. Оптимальное распределение потока осуществляется в области от головы до ног.

Некоторые модели автомобилей предусматривают организацию четырёх климатических зон путём установки отдельных кондиционеров для пассажиров непосредственно на автомобильных передних и задних сиденьях.

Анализ систем кондиционирования, работающих на CO2 и R134A

Автомобильные кондиционеры старого образца используют хладагент R134A. Под инновационные системы кондиционирования ведутся интенсивные исследования и разработки по альтернативным хладагентам. Одним из таких является диоксид углерода CO2.

Для системы охлаждения, построенной на хладагенте CO2, является характерным высокий уровень давления — 7,38 МПа и выше. Поэтому теплопередача происходит при условии сверхкритических температур, и весь цикл, по сути, является сверхкритическим.

Другими словами, процесс имеет докритическую сторону низкого давления и сверхкритическую сторону высокого давления. При сверхкритических давлениях условия насыщения исключаются, а давление не зависит от температуры.

Сравнение термодинамических циклов
Сравнение термодинамических циклов диоксида углерода и фреона R134A: 1 — увеличение потерь при дросселировании; 2 — увеличение потерь тепла

При заданной температуре испарения и минимальной температуре отвода тепла на выходе из охладителя, цикл характеризуется высокими термодинамическими потерями по отношению к циклу конденсации.

Вследствие более высокой медианной температуры отвода тепла в охладителе CO2 и больших потерь тепла в канале дросселирования, теоретический цикл работы для CO2 увеличивается по сравнению с обычным хладагентом, подобным R134A.

Между тем использование двухступенчатого сжатия и цикла с переохлаждённым жидким хладагентом во внутреннем теплообменнике, приводит к повышению коэффициента производительности и уменьшению размера деталей кондиционера автомобиля.

Также двухступенчатая система предотвращает попадание влажного пара в дроссельный вентиль. Хладагент переохлаждается парами, выходящими из испарителя, которые таким образом перегреваются, чем предотвращается «влажный ход» компрессора.

Проект системы под работу с диоксидом углерода

Системы на CO2 отличаются тем, что работа компрессора автомобильного кондиционера проходит под высоким средним эффективным давлением, а отношение давления (давление нагнетания к давлению всасывания) относительно невелико.

Соотношение давлений для обеспечения идентичной холодильной мощности составляет  3,1 при использовании CO2 и равно 5 в случае с работой на R134A. Работа холодильного компрессора становится более эффективной при условии тенденции отношения давлений к снижению.

Для сверхкритического цикла холодильный компрессор требует более толстых стенок, но по размерам аппарат получается меньше конструкции, которой обеспечивается равная производительность на R134A.

Для систем охлаждения CO2 разрабатываются поршневые и роторные компрессоры (с ротационными лопастями, качающимися поршнями, прокрутки, спиральные), как одноступенчатые, так и двухступенчатые. Использование двухступенчатых компрессоров улучшает коэффициент производительности до 20%.

Охладитель диоксида углерода обладает улучшенным теплообменом в результате большей конвективной теплопередачи вблизи критической точки и в результате высокого давления, что позволяет обеспечить более высокие скорости потока хладагента.

По причине высоких давлений используется вентилятор с плоскими микроканальными трубками, снабженный радиатором с латунными рёбрами. Внутренний теплообменник, где хладагент, поступающий из охладителя, переохлаждается паром, выходящим из испарителя, повышает эффективность цикла охлаждения на CO2 до 25%.

Пример конфигурации микро-каналов внутреннего теплообменника показан выше. Такая конфигурация, по сравнению с обычными конструкциями концентрических труб, снижает требования к материалу на 50% и повышает эффективность на 10%.

Итак, технология на основе диоксида углерода, по всей видимости, обещает массу преимуществ. Так, если сравнить холодильные системы на CO2 и R134A с теплообменниками одинаковых размеров, установка на диоксиде углерода покажет большую холодопроизводительность. Это позволит оптимизировать температуру в салоне автомобиля, одновременно сокращая потребность в топливе на 25 до 30%.


По материалам: Brno University of Technology


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *