Система управления климатом в салоне автомобиля

Система управления климатом в салоне автомобиля

В настоящее время все автомобили оборудуются специальными устройствами, обеспечивающими в салоне благоприятный, для водителя и пассажиров, микроклимат. Современная система управления климатом в салоне автомобиля, создает «погоду» в салоне автомобиля и представляет собой электронный комплекс, управляющий работой обогревателя, вентилятора, кондиционера и системы подачи и распределения воздуха.

  1. Требования к управлению климатом
  2. Конструкция и принцип работы кондиционера
  3. Системы управления климатом
  4. Вспомогательные отопительные системы
  5. Нагреватели воздуха
  6. Нормы и правила для вспомогательных нагревателей

 

 

Требования к управлению климатом

 

Система управления климатом в салоне легковых и грузовых автомобилей должна выполнять множество функций. В первую очередь, она должна создавать приятный кли­мат для всех пассажиров. Для этого в салон подается охлажденный или подогретый воздух (в зависимости от температуры наружного воз­духа) для удовлетворения психологических по­требностей пассажиров. Еще одна функция си­стемы управления климатом — защита салона от неприятных запахов и вредных веществ.

Система управления климатом также вы­полняет функцию, имеющую отношение к без­опасности (должны соблюдаться требования законодательств разных стран) — предотвра­щение запотевания и обледенения ветрового и боковых стекол.

Требования к комфорту и, соответственно, функциям системы управления климатом обычно растут с повышением категории ав­томобиля. Необходимо также учитывать регио­нальные требования к системам управления климатом. Например, в Европе предпочитают автомобили с более комфортной работой климат-контроля, а в США предпочтителен ощутимый поток холодного воздуха.

Конструкция и принцип работы кондиционера

 

Забор воздуха

Кондиционер устанавливается так, чтобы быть невидимым для пассажиров, под панелью при­боров. Наружный воздух обычно всасывается в основании ветрового стекла (рис.1 «Управление климатом в салоне автомобиля»). Дождевая вода и снег удаляются по пути в кондиционер. Наружный воздух всасывается радиальным вентилятором и подается по трубопроводу через отверстие в перегородке моторного отсека. Имеется также возможность рецир­куляции воздуха через второй тракт впуска. Соотношение свежего и рециркулируемого воздуха регулируется заслонками.

Управление климатом в салоне автомобиля

Свежий воздух необходим для обеспечения пассажиров кислородом. В режиме рецирку­ляции салон защищается от неприятных за­пахов и загрязнений. Кроме того, в режиме рециркуляции значительно сокращается энер­гопотребление, так как воздух не требуется подогревать или охлаждать, как в режимах обогрева и охлаждения салона. Однако иногда для предотвращения запотевания стекол из-за конденсации пара используется холодный и, следовательно, сухой свежий воздух.

Очистка воздуха

Для очистки воздуха используются высокоэф­фективные, предпочтительно прямоугольной формы, фильтрующие элементы, устанавли­ваемые перед и за вентилятором кондицио­нера. Фильтрующий элемент, в основном, рас­полагается таким образом, чтобы фильтровать не только наружный, но и рециркулируемый воздух. Фильтрующий элемент имеет огра­ниченную задерживающую способность и поэтому должен периодически заменяться. В волокна фильтра можно добавить слой акти­вированного угля (гибридный фильтр), чтобы отфильтровывать частицы пыли и другие за­грязняющие вещества.

Воздушное охлаждение

Затем очищенный воздух охлаждается на поверхности испарителя, который сегодня обычно полностью изготаливается из алюминия. Воздух рассеивает свою энергию про­порционально испаряющемуся хладагенту, проходящему через испаритель.

Поскольку холодный воздух может поглотить меньше влаги, чем теплый, по мере охлаждения воздуха из него выделяется вода и направляется вниз вдоль испарителя. Вода скапливается в под­доне под испарителем и сливается из кондицио­нера в атмосферу через конденсатную трубку.

Регулирование и распределение температуры воздуха

После испарителя нужная температура воз­духа устанавливается системой регулирующих заслонок. Для этого воздух полностью или частично направляется через радиатор (по которому протекает охлаждающая жидкость системы охлаждения двигателя при темпера­туре до 100°С) или, в режиме чистого охлаж­дения — мимо радиатора прямо в салонные воздуховоды. Воздух плавно распределяется по двум каналам с помощью одной или более регулирующих заслонок. Потоки холодного и теплого воздуха смешиваются таким образом, чтобы покрыть потребности в воздухе в нахо­дящейся далее смесительной камере и обеспе­чить комфортные ощущения «голова в холоде, а ноги в тепле». Для этого воздух выдувается через три основных уровня с разными темпе­ратурами — «зона ног», «вентиляция» (через воздуховоды в панели приборов) и «окна», при этом создается разброс температур до 15К.

Объем воздуха, выдуваемого из отдельных воздуховодов, плавно регулируется вручную или заслонками с электроприводом.

На последующих этапах расширения системы кондиционирования могут быть предусмо­трены воздуховоды для задних пассажиров либо может быть организована раздельная регулировка температуры передней и задней частей салона. Первая ступень расширения — двухзонная независимая регулировка темпе­ратуры для водителя и переднего пассажира. При трехзонном управлении климатом до­полнительно выделяется зона заднего ряда сидений, а при четырехзонном — индивиду­альная регулировка для водителя, переднего пассажира и двух задних.

Новшеством является индивидуальная адаптация температуры в зоне ног, или «ре­гулируемая стратификация». В этом случае может быть повышена выходная температура в зоне ног при неизменной базовой регулировке (например, для людей, ноги которых слишком чувствительны к холоду).



Электронагреватель

В современных ДВС с оптимизированным расходом топлива отбираемого охлаждающей жидкостью у ДВС, тепла становится меньше, соответственно, становится меньше тепла и в контуре системы отопления. В этом случае в воздушном тракте после радиатора устанавли­вается электронагреватель с положительным температурным коэффициентом (ПТК). При использовании керамических нагревательных элементов с ПТК электронагреватель автома­тически уменьшает свою тепловую мощность при определенной пороговой температуре, поскольку резко возрастает сопротивление элементов в ПТК. Поэтому электронагреватель с ПТК внутренне безопасен.

В настоящее время рассматривается воз­можность использования других источников тепла, таких как, например, рекуперация тепла из отработавших газов.

Воздушные каналы

Воздух отрегулированной температуры на­правляется по пластмассовым воздуховодам к определенным выпускным соплам. Выпускные сопла в зоне ног и для обдува стекол не регу­лируются. Направление и объем воздушного потока можно индивидуально регулировать за­слонками на выпускных соплах воздуховодов.

Дополнительные кондиционирующие блоки

В автомобилях представительского класса для задних пассажиров иногда использу­ются отдельные кондиционирующие блоки.

Они выполняются либо как основные блоки, работающие на обогрев и охлаждение, либо как блоки, работающие чисто на охлаждение, и обычно на них подается рециркулируемый воздух. Дополнительные кондиционирующие блоки устанавливаются, к примеру, в централь­ной консоли, над арками задних колес, в нише для запасного колеса или за задним сиденьем.

Альтернативные концепции кондиционирующих блоков

Описанные выше кондиционирующие блоки устанавливают желаемую температуру путем смешивания холодного и теплого воздуха и являются на сегодня стандартным реше­нием. Могут использоваться альтернативные концепции кондиционирующих блоков, в которых воздух после испарителя проходит непосредственно через радиатор. Для непре­рывной регулировки потока охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, и, соответственно, нагрева воздушного потока можно использовать клапан. Необходимость в системе заслонок для смешивания холодной и теплой охлаждающей жидкости отпадает.

Из-за тепловой инерции, заполненного охлаждающей жидкостью алюминиевого радиатора необходимые изменения темпера­туры воздуха на выходе, могут производиться лишь медленно. Для обеспечения быстрого охлаждения салона максимальной воздушной массой, в этих концепциях обычно использу­ется дополнительный обходной тракт мимо радиатора.

Преимуществом этой концепции является чуть более компактная конструкция конди­ционирующего блока и возможность перекры­вания радиатора со стороны охлаждающей жидкости, предотвращающие нежелательный нагрев воздуха в режиме охлаждения горя­чими деталями кондиционера. Недостатком являются затраты на встраивание крана.

Регулирование системы управления климатом

Управление климатом в салоне осуществля­ется через регуляторы на рабочем блоке кон­диционера путем регулировки воздуховодов и (в более дорогих автомобилях) — с помощью различных датчиков. Управление может быть с прямой механической активацией с исполь­зованием боуденовских тросиков и гибких валов, а также полностью автоматическим, с процессорным управлением, где нужно лишь задать температуру.

Регулируемыми переменными являются температура на выходе, скорость воздушного потока, влажность воздуха и распределение воздуха по отдельным воздуховодам. Вторич­ными переменными являются температура в салоне, в т.ч. послойное распределение темпе­ратуры, расход воздуха, уровень шума на каж­дом сиденье, и степень запотевания стекол.

Большинство людей считают приятными следующие конфигурации: в летнем режиме — холодный воздух из воздуховодов в панели приборов; в зимнем режиме — теплый воз­дух из нижних и верхних воздуховодов (для предотвращения запотевания и обледенения стекол). А в переходном режиме воздух с отрегулированной температурой выходит в регулируемых пропорциях из верхних, ниж­них и фронтальных воздуховодов в салоне. В автоматическом кондиционировании воздуха могут играть роль и дополнительные факторы. Солнечные датчики могут определять состоя­ние и интенсивность солнечного излучения и эти переменные могут использоваться в управлении. Датчики качества воздуха опреде­ляют наличие загрязняющих веществ и не­приятных запахов, которые могут появиться в окружающей среде, и предотвращают их проникновение в салон посредством закры­вания впусков наружного воздуха. Датчики влажности для ветрового стекла позволяют предпринять меры по предотвращению запо­тевания стекол. Желаемая температура в са­лоне сравнивается с фактической с помощью датчиков температуры.

Системы управления климатом

 

Отопительный контур

Отводимое двигателем тепло является источ­ником энергии, которую можно без больших затрат использовать для отопления салона. Горячая охлаждающая жидкость течет через радиатор в кондиционере. Воздух, проходя­щий через радиатор, нагревается.

Для поддержания температуры в салоне зимой после поездки и выключения двига­теля можно использовать электроприводную помпу, перекачивающую охлаждающую жид­кость и позволяющую использовать тепло, аккумулированное в системе охлаждения.

Контур хладагента

Функция контура хладагента состоит в по­глощении тепловой энергии охлаждаемого в испарителе воздуха и рассеянии ее в атмос­феру в другой точке, вне салона. Это делается по принципу холодных потерь в замкнутом контуре хладагента (рис.2 «Контур хладогента в системе управления климатом»). Основные компо­ненты этой цепи — испаритель с расширительным клапаном в кондиционере, конденсатор в передней части автомобиля, обычно устанав­ливаемый прямо перед радиатором системы охлаждения, и компрессор, монтируемый на двигателе и приводимый от коленчатого вала.

Контур хладогента в системе управления климатом

Компоненты соединяются металлическими трубками, которые могут содержать гибкие секции для разъединения. Компрессор вытя­гивает газообразный хладагент из испарителя и сжимает его, т.е. давление и температура сильно увеличиваются. В конденсаторе горя­чий хладагент рассеивает тепло в окружающий воздух, протекающий через конденсатор. При этом охлаждении газообразный хладагент кон­денсируется. Если воздушного потока не хва­тает для достаточного охлаждения хладагента, то вентилятор радиатора увеличивает скорость воздушного потока через конденсатор. Хла­дагент, теперь уже в жидкой форме и под высоким давлением, распыляется в расши­рительном клапане и направляется в испари­тель. Давление резко падает, в результате чего хладагент, испаряясь, сильно охлаждается и поглощает теплоту охлаждаемого кондицио­нером воздуха.

Испарившийся хладагент выходит из ис­парителя в газообразном виде и снова про­ходит через расширительный клапан, который, в зависимости от давления и температуры имеющегося хладагента, изменяет поперечное сечение на стороне впуска, чтобы в испари­тель впрыскивалось ровно столько хладагента, сколько может испариться в текущем режиме работы.

Холодный газообразный хладагент снова затягивается компрессором, и циркуляция возобновляется.

Для предотвращения обледенения с воз­душной стороны испарителя, что могло бы уменьшить сечение воздуховода в испарителе, минимальная температура воздуха не должна опускаться ниже 0°С. Для измерения темпе­ратуры воздуха после испарителя либо ис­пользуется датчик температуры воздуха, соот­ветственно регулирующий работу компрессора при падении температуры ниже определенного уровня, либо в компрессоре ограничивается минимальное давление на впуске и, соответ­ственно, температура испарителя. Выходную мощность можно регулировать от 0 кВт (хла­дагент не течет через испаритель) до макси­мальной, около 8 кВт (максимальный объем хладагента и поток воздуха).

В настоящее время в качестве хладагента используется фторуглерод 1,1,1,2-тетраф- торэтан (торговое наименование R134а). По­скольку показатель GWP (потенциал глобаль­ного потепления) этого хладагента составляет около 1400, а предписание, вступившее в силу в Европе в 2011 году для новых автомобилей, регламентирует показатель GWP менее 150, будет использоваться альтернативный хла­дагент, по крайней мере в ЕС.

Управление климатом в гибридных автомобилях и электромобилях

 

В автомобилях с функцией «пуск-стоп» не­обходимо поддерживать климат в салоне по­стоянным даже при выключенном двигателе. Для отопления можно использовать электроприводную жидкостную помпу, чтобы отби­рать остаточное тепло из контура охлажде­ния двигателя. Для охлаждения разработаны испарители с аккумулятором холода на базе материала, способного аккумулировать холод за счет изменения фазы и снова рассеивать его при остановке на светофоре с выключением двигателя. Таким образом, климат в салоне можно поддерживать на приятном уровне с выключенным двигателем в течение двух минут.

В автомобилях, частично или полностью ра­ботающих на электроприводе, используется электрический компрессор. Для отопления возможны два решения. Либо необходимая для радиатора охлаждающая жидкость элек­трически нагревается и подается в контур электроприводным насосом, либо радиатор заменяется электрическим нагревательным элементом — высоковольтным термистором с ПТК. Электронагреватель и электрический компрессор также открывают возможности для независимого управления климатом. Если аккумуляторная батарея достаточно заряжена или подключена к зарядному устройству, то автомобиль можно предварительно прогреть или остудить.

Поскольку мощность, необходимая для управления климатом, может достигать не­сколько киловатт, что значительно сокращает запас хода электромобиля, ведущиеся раз­работки акцентируются на повышении к. п. д. систем управления климатом.



Вспомогательные отопительные системы

Вспомогательные отопительные системы для выработки тепла используют топливо из то­пливного бака. Для прямого обогрева салона используются нагреватели воздуха (рис. 4). Они передают в салон тепло, создаваемое при работе двигателя. Встроенные нагрева­тели охлаждающей жидкости (рис. 5, 6, 7) подходят и для предварительного прогрева двигателей, и для отопления салона через теплообменник с вентилятором.

Особенно эффективны нагреватели воз­духа, которые благодаря прямой передаче тепла в воздух пригодны для длительного ото­пления. Нагреватели охлаждающей жидкости используют контур охлаждения двигателя и существующие воздуховоды, и поэтому осо­бенно хорошо подходят для покрытия дефи­цита тепла у двигателей с низким расходом, и для прогрева салона и двигателей легковых автомобилей.

Дополнительные преимущества вспомога­тельных отопительных систем:

  • отсутствие обледенения стекол, благодаря предварительному прогреву;
  • оптимальный комфорт отопления;
  • использование спальной кабины грузо­вика даже зимой;
  • меньше износ и вредные выбросы при за­пуске прогретого двигателя (только нагре­ватель охлаждающей жидкости);
  • быстрее достигается рабочая температура каталитического нейтрализатора (только нагреватель охлаждающей жидкости).

Все более значимым становится их исполь­зование в легковых автомобилях с недо­статочной теплоотдачей, вызванной ростом эффективности привода за счет электрифи­кации. Особенно в 100% электромобилях отопители, работающие на топливе, из-за их высокой эффективности в преобразовании химически связанной энергии в тепло, не ограничивают запас хода.

Нагреватели воздуха

 

Нагреватели воздуха — наиболее распростра­ненный тип вспомогательного отопителя в грузовиках и автобусах. Их основное преиму­щество — низкая стоимость, быстрый монтаж и более низкий расход энергии и топлива. Огромные темпы их распространения отмеча­ются в США, поскольку законодательство за­прещает работу двигателя для отопления не­подвижного автомобиля, а эти обогреватели могут отапливать салон при явно меньшем расходе топлива.

Нагреватель воздуха

Принцип работы нагревателя воздуха

Нагреватели воздуха (рис. 4) работают неза­висимо от собственного теплового баланса автомобиля. Вентилятор затягивает из ат­мосферы воздух, необходимый для сжига­ния, и гонит его в горелку. Электрический до­зирующий насос подает дизельное топливо или бензин через испаритель в горелку, где топливо смешивается с воздухом, воспла­меняется свечой предпускового подогрева с закрытым нагревателем и сгорает.

Вентилятор затягивает из атмосферы на­греваемый воздух, продувает его через те­плообменник в кабину.

В странах с холодным климатом требуется тепловая мощность около 4 кВт. В странах с умеренным климатом достаточно около 2 кВт.

Важным аспектом безопасности является необходимость полной изоляции воздуха для сжигания и отработавших газов от воздуха в кабине. Это предотвращает проникновение отработавших газов в кабину.

Тепловая мощность регулируется путем изменения количества топлива, воздуха для сжигания и свежего воздуха для обогрева. Если измеренная датчиками температура от­личается от заданной органом управления, то мощность нагревателя регулируется, пока снова не будет достигнута нужная темпера­тура. Комбинированный датчик регистрирует неприемлемую температуру из-за возникаю­щих дефектов или неисправностей (напри­мер, перегрев из-за засорения отопительных воздуховодов) и при необходимости своевре­менно выключается.

Монтаж нагревателя воздуха

Нагреватели воздуха для грузовиков и автобусов обычно можно устанавливать непосредственно в кабине. К примеру, в грузовиках предпочтительные места разме­щения — в зоне для ног второго водителя, на задней стенке кабины, под спальным местом, на стенке кабины снаружи или в отсеке для хранения. Выхлопная труба всегда проходит под полом (либо в колесную арку, либо через заднюю стенку кабины).

Большинство датчиков в топливных баках легковых и грузовых автомобилей уже имеют разъемы для подачи топлива в обогреватель. При необходимости, устанавливается допол­нительный датчик в баке. Должен быть обе­спечен резерв топлива для двигателя.

Нагреватели охлаждающей жидкости

Для использования в легковых автомобилях предпочтительны нагреватели охлаждающей жидкости мощностью примерно до 5 кВт. Для прогрева двигателя и салона они используют контур охлаждения и существующие тепло­обменники, поэтому легко модернизируются. Для предпускового прогрева двигателя у гру­зовиков используются нагреватели мощно­стью до 12 кВт. Большая площадь кузова и кубатура салона городских и туристических автобусов требуют тепловой мощности до 35 кВт.

Основными типами для легковых автомоби­лей являются вспомогательный и усиливаю­щий отопители. Эти отопители встраиваются прямо в питающую линию контура охлажде­ния между двигателем и теплообменником салона (рис.5 «Нагреватель охлаждающей жидкости, встроенный в контур охлаждения»). Они используют существую­щие устройства: теплообменник с вентилято­ром, заслонки и воздуховоды.

Нагреватель охлаждающей жидкости, встроенный в контур охлаждения

Нагреватели для быстрого запуска исполь­зуются для удовлетворения высоких требо­ваний к скорости прогрева; они выходят на полную тепловую мощность примерно через 30с. Необходимое ускорение испарения то­плива достигается путем электрического на­грева испарителя при запуске двигателя.

Вспомогательные нагреватели для предпускового прогрева двигателя и салона

При сжигания топлива выделяется тепло и передается охлаждающей жидкости, текущей между рубашкой и теплообменником (рис. 7) нагревателя.

Самый простой способ интегрировать их в систему охлаждения — последовательно соеди­нить их между двигателем и теплообменником в первичном контуре (рис. 5). Недостатком у двигателей рабочим объемом более 2,5 л явля­ется гораздо более медленный прогрев салона охлаждающей жидкостью системы охлажде­ния двигателя. В таких случаях салон можно отапливать в порядке приоритетности вторич­ным контуром (рис.6 «Раздельный охлаждающий контур для приоритетного обогрева салона»); двигатель прогрева­ется этим вторичным контуром только после открывания термостата при достижении вы­сокой температуры ОЖ. Невозвратный клапан предотвращает обход контура через термостат.

Раздельный охлаждающий контур для приоритетного обогрева салона

Помпа (рис. 7) во вспомогательных нагре­вателях подает охлаждающую жидкость на теплообменник, где она нагревается. С одной стороны, нагретая охлаждающая жидкость предварительно прогревает двигатель; с дру­гой — собственный теплообменник автомобиля (рис. 5 и 6) рассеивает тепло. Нагретый воздух контролируемо направляется через существу­ющую систему вентиляции в кабину. Работой при ручном управлении и при программиро­вании времени включения и длительности прогрева можно управлять через таймер, дис­танционное управление и даже с мобильного или стационарного телефона.

Усиливающие нагреватели для покрытия дефицита тепла в режиме движения

Более эффективные системы привода, та­кие как турбодизели с небольшим рабочим объемом и гибридные приводы, в силу своего к. п. д. генерируют недостаточно тепла для отопления салона. Для покрытия этого дефи­цита используются усиливающие нагреватели. Они работают только при наружной темпера­туре ниже +5°С и при работающем двигателе. Поэтому им не нужна своя помпа.

Усиливающий нагреватель можно модер­низировать до вспомогательного посред­ством модифицирования помпы и замены органа управления на ЭБУ.

При использовании в электромобиле ра­ботающий на топливе нагреватель может полностью покрыть потребности в тепле.

Монтаж усиливающих нагревателей

Во избежание потерь тепла из-за длинных шлангов для охлаждающей жидкости на- греватели охлаждающей жидкости обычно устанавливаются в моторном отсеке. Огра­ниченные условия монтажа требуют очень компактной конструкции. Установка упро­щается путем встраивания всех компонентов, необходимых для создания и передачи тепла, в нагревательный блок (рис.7 «Нагреватель охлаждающей жидкости»).

Нагреватель охлаждающей жидкости

Нормы и правила для вспомогательных нагревателей

 

Все вспомогательные нагреватели и рабо­тающие на топливе усилительные нагрева­тели сертифицируются согласно Директиве 2001/56/ЕС. При модификации такого серти­фицированного нагревателя, в соответствии с инструкциями изготовителя, не предусма­тривается никаких проверок экспертами или инспекциями.

Установка вспомогательных нагревателей в автомобилях, используемых для между­народных перевозок опасных грузов, регла­ментируется Европейским соглашением ADR (Европейское соглашение о международной дорожной перевозке опасных грузов). Из соображений безопасности нагреватель дол­жен выключаться перед въездом в опасную зону (например, на нефтеперегонный завод или автозаправку). Нагрев также автоматиче­ски выключается при выключении двигателя или включении вспомогательного оборудо­вания (например, вспомогательного привода откачивающего насоса).

В следующей статье я расскажу о пользовательских интерфейсах в автомобиле.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *