TOMASZ KAŁACZYēSKI, MARCIN ŁUKASIEWICZ, DOMINIK KAROLEWSKI POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH
Streszczenie
W pracy przedstawiona została problematyka diagnozowania układów klimatyza-cji. Przedstawiono moĪliwoĞü bBadania wpływu układu klimatyzacji na parametry pracy pojazdów samochodowych. W pracy przedstawiono opracowane i praktycznie zweryfikowane procedury diagnostyczne układu klimatyzacji.
Słowa klucze: układ klimatyzacji, ocena stanu, procedury diagnostyczne, parametry pracy 1. WstĊp
Klimatyzacja w samochodach jeszcze do niedawna kojarzona była z luksusem i duĪymi kosz-tami. WspółczeĞnie dziĊki rozwojowi technologicznemu układ klimatyzacji nie jest juĪ tak drogim systemem i montowany jest czĊsto standardowo do nowych aut. CzĊsto klimatyzacja kojarzona jest tylko z urządzeniem obniĪającym temperaturĊ powietrza, natomiast wiele badaĔ dowodzi, Īe układ klimatyzacji w duĪym stopniu przyczynia siĊ do poprawy bezpieczeĔstwa, a takĪe poprawia komfort podczas jazdy.
Dodatkową zaleta stosowania klimatyzacji w pojazdach jest wpływ na zdrowie człowieka, po-niewaĪ wiĊkszoĞü bakterii i wirusów wystĊpujących w kabinie samochodu lepiej rozwija siĊ w wysokich temperaturach, podczas gdy klimatyzacja jest niestosowana niĪ wówczas, gdy układ klimatyzacji jest uruchomiony i obniĪa przez to temperaturĊ powietrza. Klimatyzacja osusza teĪ powietrze co sprawia, Īe zmniejszane jest zawilgocenie powietrza i tapicerki w samochodzie, które czĊsto prowadzi do gnicia, a takĪe do rozwijania siĊ bakterii, powierzchnie zawilgocone z czasem zaczynają nieprzyjemnie pachnieü, a w okresach letnich trudno im wysychaü bez integracji klima-tyzacji [6].
Za wszystkie dobrodziejstwa niestety trzeba jednak płaciü. Oprócz wszystkich korzyĞci, jakie przynosi układ klimatyzacji, posiada ona teĪ wiele niedogodnoĞci. Pierwszą z nich moĪna zauwaĪyü juĪ przy zakupie samochodu, poniewaĪ za klimatyzacjĊ przewaĪnie trzeba dopłaciü od 3 do 5 ty-siĊcy, a układ automatyczny to kolejne 2–3 tysiące. Na rynku istnieją teĪ taĔsze układy lecz przewaĪnie wykonane są one z gorszych materiałów i co siĊ z tym wiąĪe czĊĞciej wymagają serwi-sowania napraw.
Oprócz drogiego zakupu naleĪy teĪ pamiĊtaü o wysokich kosztach utrzymania klimatyzacji. Poza kosztami serwisowania i uzupełniania czynnika układ klimatyzacji przyczynia siĊ do wiĊk-szego spalania paliwa. Jak wynika z badaĔ przeprowadzonych przez niemiecki ADAC uĪywanie klimatyzacji w terenie miejskim zwiĊksza spalanie o 0,76 do 2,11 l/100km i o 0,09 do 0,66 l/100km poza miastem [1].
NastĊpnie przez parownik przepływa czynnik chłodniczy, którego lamele omywane są przez powietrze dostarczone z wnĊtrza samochodu. Poprzez wrzenie czynnika chłodniczego ciepło wchła-niane jest z kabiny samochodu i tym samym jest ono schładzane. Opary czynnika chłodniczego unoszą ciepło z kabiny
Kolejnym etapem cyklu klimatyzacji jest usuniĊcie ciepła z pary, dalej para musi zostaü zamie-niona na płyn. Para czynnika chłodniczego zasysana jest poprzez sprĊĪarkĊ z parownika i pod duĪym ciĞnieniem przemieszcza ją do skraplacza, którego miejsce zamontowania znajduje siĊ przed chłod-nicą silnika. Poprzez zwiĊkszenie ciĞnienia w skraplaczu temperatura punktu wrzenia podnosi siĊ i jest wiĊksza niĪ temperatura powietrza na zewnątrz (rys1) [7, 8].
Rys. 1. Schemat blokowy działania klimatyzacji ħródło: [8].
3. Rodzaje układów klimatyzacji
Istnieją dwa podstawowe typy klimatyzacji. O typie układu klimatyzacji decyduje typ urządze-nia uĪytego do obniĪeurządze-nia ciĞnieurządze-nia czynnika chłodniczego. Takim urządzeniem moĪe byü zawór rozprĊĪny lub dysza dławiąca.
Układ klimatyzacji z zaworem rozprĊĪnym (rys. 2)
Rys. 2. Schemat układu z zaworem rozprĊĪnym ħródło: [4].
Podstawowymi elementami tego układu są:
–sprĊĪarka (napĊdzana poprzez pasek klinowy przez silnik samochodu), –skraplacz (zamontowany przed chłodnicą samochodową),
–filtr-odwadniacz (umieszczony wewnątrz komory silnika), –zawór-rozprĊĪny (przewaĪnie zamontowany do parownika),
–parownik (umieszczony za deską rozdzielczą wewnątrz samochodu).
Zawór rozprĊĪny zmniejsza ciĞnienie i temperaturĊ czynnika chłodniczego. DziĊki temu do pa-rownika dociera mieszanina pary i cieczy o niskim ciĞnieniu. System sterowania przepływu czynnika chłodniczego musi tak dobraü strumieĔ czynnika, aby ten całkowicie został odparowany w parowniku. W ten sposób do sprĊĪarki dociera tylko para czynnika o niskim ciĞnieniu i obieg moĪe siĊ zacząü od nowa.
Układ klimatyzacji z dyszą dławiącą (rys. 3) Podstawowymi elementami tego układu są:
–sprĊĪarka (napĊdzana poprzez pasek klinowy przez silnik samochodu), –skraplacz (zamontowany przed chłodnicą samochodową),
–dysza dławiąca (umieszczona w przewodzie czynnika chłodniczego), –parownik (umieszczony za deską rozdzielczą wewnątrz samochodu), –zasobnik czynnika chłodniczego (umieszczony wewnątrz komory silnika).
Dysza dławiąca umieszczona jest pomiĊdzy parownikiem i skraplaczem. Pełni podobną funkcjĊ co zawór rozprĊĪny. Lecz róĪni siĊ tym, Īe czynnik po opuszczeniu dyszy dławiącej jest tylko w cie-kłej postaci, natomiast w zaworze rozprĊĪnym tworzy siĊ ciecz i para.
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, 2014
Rys. 3. Schemat układu z dyszą dławiącą ħródło: [5].
Jej zadaniem jest regulacja dopływu czynnika chłodniczego do parownika. Ciecz o wysokim ciĞnieniu przepływa do dyszy dławiącej, która ogranicza przepływ i zmniejsza ciĞnienie czynnika chłodniczego.
Ze wzglĊdu na sterowanie układ klimatyzacji moĪna podzieliü na: – układ klimatyzacji sterowany manualnie,
Oznacza to, Īe w pojazdach zamontowane są oddzielnie układ ogrzewania i układ klimatyzacji. UĪytkownik takiego pojazdu musi rĊcznie dostosowywaü temperaturĊ wewnątrz Ğrodka transportu. Jest to w pewnym sensie utrudnieniem i obniĪeniem komfortu, z którym muszą siĊ borykaü uĪyt-kownicy tanich lub starych pojazdów.
WystĊpują nastĊpujące układy klimatyzacji: –układ z zaworem rozprĊĪnym,
–układ z dyszą dławiącą,
–układ z zaworem dławiącym przewodu ssawnego, –układ z zespołem zaworów w filtrze-odwadniaczu, –układ z zaworem regulacyjnym ciĞnienia parownika.
Do tej pory najczĊĞciej stosowanymi układami są: układ z zaworem rozprĊĪnym i układ z dyszą dławiącą. Pozostałe układy moĪna spotkaü w samochodach pochodzących z amerykaĔskiego rynku. Układy mogą byü przystosowane do róĪnych czynników chłodniczych, przewaĪnie są to R12 i R134a.
– układ klimatyzacji sterowany automatycznie
Elektroniczny układ sam dobiera odpowiednie czynniki aby utrzymaü wybraną przez uĪytkow-nika temperaturĊ. Na rynku istnieje wiele odmian tego układu, gdyĪ kaĪdy producent stosuje chce wprowadziü swój produkt. Choü nie ma jednolitej nazwy dla tych układów to wiele ludzi uĪywa nazwy klimatronic, która stosowana jest np.w pojazdach volkswagena.
Temperatura w pojeĨdzie regulowana jest poprzez zamykanie i otwieranie róĪnych klap w ka-nałach powietrza oraz przez zmianĊ prĊdkoĞci wentylatora, który dostosowuje prĊdkoĞü strumienia powietrza (Rys. 4). W wersji najbogatszej układy uwzglĊdniają dodatkowo np. prĊdkoĞü pojazdu (wpływającą na pracĊ wentylatorów), nasłonecznienie, otwarcie drzwi i okien itp. stany wpływające na pracĊ układu
POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZĄDZANIA WIEDZĄ Seria: Studia i Materiały, nr 68, 2014
A B
Rys. 4. Przepływ powietrza przez obudowĊ zespołu parownik-nagrzewnica ħródło: [8].
1-parownik, 2-nagrzewnica, 3-klapa zmieniająca drogĊ strumienia powietrza, 4-dmuchawa układu ogrzewania-wentylator parownika
A- ogrzewanie, B- chłodzenie
Sterowanie nawiewami potrafi uwzglĊdniaü ew. strefy, kierunki, a nawet kilka poziomów (warstw) w kabinie, róĪnicując temperaturĊ przy podłodze i suficie, itp.
4. Procedury diagnostyczne dla układu klimatyzacji
W niniejszym rozdziale przedstawiono opracowane procedury diagnostyczne uwzgledniajace czynnoĞci obsługowo-naprawcze, jakie naleĪy wykonaü podczas wystĊpowania usterek w układzie klimatyzacji.
W pracy przedstawiono wybrane procedury:
− Układ nie wytwarza strumienia chłodnego powietrza (rys. 5); − Układ nie wytwarza strumienia chłodnego powietrza (rys. 6); − StrumieĔ chłodnego powietrza jest zbyt słaby (rys. 7); − StrumieĔ chłodnego powietrza jest przerywany (rys. 8); − Układ podczas pracy hałasuje (rys. 9);
Rys. 5. Algorytm postĊpowania – układ nie wytwarza strumienia chłodnego powietrza
POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZĄDZANIA WIEDZĄ Seria: Studia i Materiały, nr 68, 2014
Rys. 7. Algorytm postĊpowania – strumieĔ chłodnego powietrza jest zbyt słaby
Rys. 9. Algorytm postĊpowania – układ podczas pracy hałasuje
5. Badania układu klimatyzacji
W tym rozdziale przedstawiono metodykĊ badania wpływu układu klimatyzacji na parametry pracy pojazdow samochodowych.
Obiekt badaĔ - Volkswagen Passat B5 FL
Badany model Volkswagena jest kontynuacją modelu passata B5 i oprócz tzw. „face liftingu”, czyli przebudowie nadwozia i wnĊtrza, dokonano takĪe zmian w jednostkach napĊdowych. Model FL charakteryzuje siĊ wysoką jakoĞcią wykonania elementów w nim zastosowanych, oprócz tego zadbano o podwyĪszenie bezpieczeĔstwa, a takĪe zamontowano ulepszony napĊd (rys 11).
Rys. 11. Obiekt badaĔ
W badanym modelu zamontowano silnik TDI o mocy 74 kW (100 KM), w którym zastosowano pompowtryskiwacze. DziĊki temu model ten zyskał na dynamicznoĞci, ela-stycznoĞci pracy silnika, a takĪe ograniczono zuĪycie paliwa. Pomimo tego, Īe samochód moĪna rozpĊdziü do 191 km/h, Ğrednie spalanie oleju napĊdowego na 100 km wynosi zaledwie 5,4–5,6 litra.
W badanym pojeĨdzie zamontowana została klimatyzacja automatyczna CLIMAtronic, która jest popularnym systemem klimatyzacji stosowanym przez koncern Volkswagena.
Automatyczny układ klimatyzacji składa siĊ z: – Ĩródeł chłodzenia,
– Ĩródeł grzania,
– wielu czynników wewnĊtrznych jak i zewnĊtrznych, – wyspecjalizowanego komputera (sterownika), – efektorów w układzie.
Zastosowanie klimatyzacji automatycznej zapewnia wyĪszy komfort jazdy, poniewaĪ tempera-turĊ ustawia siĊ tylko raz, a zadaniem systemu jest dobranie odpowiednich czynników, aby osiągnąü daną temperaturĊ.
W tym modelu sprĊĪarka klimatyzacji moĪe działaü w kilku trybach co oznacza, Īe nie pracuje ona cały czas na najwyĪszych obrotach. DziĊki temu pojazd zuĪywa mniej paliwa, a takĪe silnik jest mniej obciąĪony. W starszych rozwiązaniach układ klimatyzacji pracował na najwyĪszych obrotach i w razie koniecznoĞci mieszał schłodzone powietrze z ciepłym, aby osiągnąü daną temperaturĊ. W tym przypadku, podczas, gdy układ musi obniĪyü temperaturĊ tylko o kilka stopni, sprĊĪarka pracujĊ na niĪszych obrotach.
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, 2014
Rys. 12. Urządzenie Dynomet w walizce
Pomiar za pomocą tego urządzenia polega na dokrĊceniu tarczy widocznej na zdjĊciu do koła badanego samochodu i podłączeniu przewodu, który odczytuje impulsy układu zapłonowego. Prze-wód z drugiej strony podłączony jest do komputera przenoĞnego, na który wysyłane są zmierzone wartoĞci.
Podczas pomiaru naleĪy podaü nastĊpujące parametry: – temperaturĊ powietrza,
– cieĞnienie powietrza,
– przełoĪenia układu napĊdowego, – wymiar ogumienia.
Hamownia przenoĞno-drogowa Dynomet odzwierciedla realnie zmierzone wartoĞci, poniewaĪ pojazd badany jest w naturalnym Ğrodowisku to znaczy uwzglĊdniane są opory powietrza, a takĪe opory toczenia.
Wyniki badaĔ
Pomiar przy pomocy urządzenia Dynomet polega na dokrĊceniu tarczy dołączonej do zestawu do koła badanego samochodu i podłączeniu przewodu, który odczytuje impulsy układu zapłono-wego. Przewód z drugiej strony podłączony jest do komputera przenoĞnego, na który wysyłane są zmierzone wartoĞci (rys. 13).
Rys. 13. Przymocowana tarcza hamowni do badanego pojazdu Podczas pomiaru naleĪy podaü nastĊpujące parametry:
– temperaturĊ powietrza, – cieĞnienie powietrza,
– przełoĪenia układu napĊdowego, – wymiar ogumienia.
Po podłączeniu tarczy hamowni do koła i podłączenia sterownika. NastĊpnie po uruchomieniu programu ze stacji pogodowej zostało odczytane ciĞnienie i temperatura powietrz, które wynosiły:
– ciĞnienie powietrza: 1016, – temperatura powietrza: 18୲C.
Po wpisaniu tych wartoĞci do programu został zmierzony obwód koła, który wynosił: – obwód koła: 196 cm.
NastĊpnie samochód został zwaĪony na stacji diagnostycznej wraz z kierowcą, osobą obsługu-jącą komputer, a takĪe paliwem w baku pojazdu. Waga samochodu wynosiła:
– waga samochodu: 1720 kg.
Po wpisaniu wszystkich danych potrzebnych do przeprowadzenia badaĔ, w oprogramowaniu naleĪało wprowadziü dane ustawienia odpowiednie dla badanego samochodu. Zrzut ekranu tych ustawieĔ przedstawiono na rysunku 14.
Rys. 14. Ustawienia hamowni
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, 2014
W celu zmierzenia parametrów pracy badanego pojazdu naleĪało wcisnąü COLLECT w MENU programu włączyü 3 bieg, nacisnąü spacjĊ i rozpĊdziü siĊ od około1000–1200 obrotów do samego odciĊcia, a nastĊpnie wcisnąü pedał sprzĊgła aĪ samochód zwolni o około 30km/h. Po tej czynnoĞci program wygenerował wykres mocy i momentu obrotowego widoczny powyĪej.
Jak przedstawiono na rysunku 16 parametry pracy badanego pojazdu w najwyĪszym punkcie wynoszą:
– moc: 102,8 Hp, przy 3252 Rpm,
– moment obrotowy: 250,1 Nm, przy 2016 Rpm.
Po zmierzeniu tych parametrów przy wyłączonej klimatyzacji nastĊpnym etapem badaĔ było zbadanie pojazdu przy włączonym układzie klimatyzacji.
Rys. 15. Interpretacja graficzna pomiaru mocy i momentu obrotowego przy wyłączonej klimatyzacji
Rys. 16. Interpretacja graficzna pomiaru mocy i momentu obrotowego przy włączonej klimatyzacji Schemat postĊpowanie był taki sam jak poprzednio, róĪnica polegała na tym, Īe przed badaniem został włączony układ klimatyzacji na maksymalnym poziomie, a takĪe dmuchawa powietrza zo-stała ustawiona na najwyĪszych obrotach.
Jak widaü na powyĪszym wykresie parametry pracy badanego pojazdu w najwyĪszych punk-tach wynoszą:
– moc: 89,6 Hp, przy 3912 Rpm,
– moment obrotowy: 216,2 Nm, przy 2001 Rpm.
Na rysunku 17 przedstawiono zestawienie obu wyników pomiaru przy wyłączonym i włączo-nym układzie klimatyzacji.
Rys. 17. Porównanie parametrów pracy przy włączonej i wyłączonej klimatyzacji Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
wtryskowy wykorzystano pompowtryskiwacze. Według producenta samochód rozwijaü powinien 101 KM przy 4000 obr./min, oraz 250 Nm przy 1900 obr./min.
Badanie przeprowadzone na hamowni przenoĞno-drogowej Dynomet wykazały, Īe badany mo-del samochodu moĪe dostarczyü 102,8 KM przy 3252 obr./min, a takĪe 250,1 Nm przy 2016 obr./min. Wyniki te są bardzo zbliĪone do danych podanych przez producenta, oznacza to, Īe bada-nia wykonane na hamowni Dynomet dają prawidłowe wyniki.
Po wykonaniu badaĔ z włączonym układem klimatyzacji róĪnice w mocy i momencie obroto-wym są bardzo widoczne. Jak widaü na wykresach w poprzednim dziale moc przy włączonej klimatyzacji wyniosła zaledwie 89,6 KM, co oznacza spadek o około 13 KM. Natomiast moment obrotowy osiągnął wynik 216,2 Nm, czyli niĪszy od tego bez włączonej klimatyzacji o około 34 Nm.
W przypadku testowanego Passata badania wykazały stratĊ rzĊdu około 13% mocy i momentu obrotowego. Oznacza to, Īe układ klimatyzacji pracujący na maksymalnym poziomie w znacznym stopniu obniĪa sprawnoĞü pojazdów.
Jak widaü na wykresach spadek mocy i momentu obrotowego zaczyna siĊ juĪ od samego po-czątku i utrzymuje siĊ aĪ do 4000 obrotów. NajwiĊksza róĪnica widoczna jest od około 2000 obr./min do 4000 obr./min, co oznacza, Īe uĪywanie klimatyzacji skutkuje obniĪeniem parametrów pracy pojazdu w przedziale, którego uĪywa siĊ podczas jazdy najczĊĞciej.
NaleĪy takĪe pamiĊtaü, Īe włączenie klimatyzacji podczas jazdy powoduje nie tylko obniĪenie mocy i momentu obrotowego, ale równieĪ zwiĊksza siĊ spalanie zwłaszcza podczas poruszania siĊ w mieĞcie, a co za tym idzie wzrasta zanieczyszczenie powietrza.
7. Wnioski
Po przeanalizowaniu czĊĞci teoretycznej zawierającej podstawowe informacje o budowie, dzia-łaniu i typach układu klimatyzacji, a takĪe przeprowadzeniu badaĔ na układzie klimatyzacji za pomocą hamowni Dynomet, moĪna wysunąü nastĊpujące wnioski:
Cel pracy został osiągniĊty poprzez przeprowadzenie odpowiednich badaĔ pokazujących wpływ układu klimatyzacji na parametry techniczne wybranego pojazdu samochodowego. Doko-nano teĪ analizy wyników badaĔ. W czĊĞci teoretycznej natomiast została omówiona zasada działania układu klimatyzacji, budowa, a takĪe typy wystĊpujących układów.
Układ klimatyzacji samochodowej posiada wiele zalet, takich jak komfort podczas jazdy, po-prawienie bezpieczeĔstwa, a takĪe wpływa korzystnie na zdrowie człowieka.
Jak wynika z przeprowadzonych badaĔ układ klimatyzacji działa niekorzystnie na parametry pracy pojazdów samochodowych. Przy włączonej klimatyzacji pojazd jest znacznie obciąĪony, a co
za tym idzie obniĪa siĊ jego moc i moment obrotowy. Pogarsza siĊ takĪe przyspieszenie samochodu i zwiĊksza siĊ jego spalanie.
W samochodach z silnikami o wiĊkszej pojemnoĞci róĪnica podczas korzystania z klimatyzacji nie bĊdzie aĪ tak bardzo widoczna. Natomiast w przypadku słabszych jednostek róĪnice te bĊdą znaczące.
Spadek mocy moĪe prowadziü do niebezpieczeĔstwa na drodze na przykład podczas wyprze-dzania innych pojazdów lub w przypadku wystąpienia awaryjnych sytuacji na drodze. Dlatego przy uĪywaniu klimatyzacji naleĪy siĊ zastanowiü czy waĪniejszy jest komfort jazdy, czy parametry pracy na wysokim poziomie, a takĪe oszczĊdnoĞci wynikające z mniejszego spalania.
Bibliografia
1. Bonza Z., Butrymowicz D., TargaĔski W., Hajduk T., Nowe czynniki chłodnicze i noĞniki ciepła, IPPU MASTA, GdaĔsk 2004.
2. Deh U.: Klimatyzacja w samochodzie. WKŁ Warszawa 1999.
3. GaziĔski B. praca zbiorowa, Technika klimatyzacyjna dla praktyków, Systherm Serwis, PoznaĔ 2005.
4. Kabza Z. i in.: Regulacja mikroklimatu pomieszczeĔ. Agenda Wydawnicza PAK Warszawa 2005.
5. Katalog GAZEX: Detektory i systemy wykrywania gazów. Warszawa 2005. 6. Ogrodzki A., Technika cieplna w pojazdach, WKiŁ, Warszawa 1984.
7. Recknagel H., SPRENGER E., Honmann W., Schramek E.R., Ogrzewanie i klimatyzacja, Poradnik 94/95, EWFE, GdaĔsk 1994.
8. www.ets.com.pl/promocje/kabinowe_systemy_klimatyzacyjne.pdf
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, 2014
Keywords: air-conditioning system, assessment of the status, diagnostic procedures, vehicles parameters
Tomasz KałaczyĔski Marcin Łukasiewicz Dominik Karolewski
Zakład Pojazdów i Diagnostyki
Instytut Eksploatacji Maszyn i Transportu Wydział Inzynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy 85-789 Bydgoszcz, ul. Kaliskiego 7
