3.4.1 Wentylacja i ogrzewanie Zadaniem układu wentylacji i ogrzewania jest zapewnienie we wnętrzu pojazdu, w każdych warunkach atmosferycznych panujących na zewnątrz, przyjemnego klimatu, odpowiedniej widoczności przez wszystkie szyby i właściwego poziomu czystości powietrza w kabinie. Realizacja tych celów ma znaczenie nie tylko dla komfortu, ale i dla bezpieczeństwa jazdy. Układ wentylacji i ogrzewania musi zapewnić użytkownikowi możliwość regulacji trzech podstawowych wielkości:

- temperatury powietrza - intensywności wymiany powietrza (wydatek) - dystrybucji powietrza (kierunek nadmuchu).

Zmiana temperatury wewnętrznej w zależności od temperatury zewnętrznej wymaga różnych wartości natężenia przepływu powietrza (wydatku).

Przyjmuje się, że temperatura na wysokości głowy powinna być o kilka oC niższa, niż na poziomie nóg, niezależnie od pory roku. Taki rozkład temperatur zapobiega narastaniu uczucia senności i zmęczenia kierowcy, a więc sprzyja zachowaniu koncentracji. Komfort termiczny ma sens nie tylko subiektywny, ale wpływa na szybkość reakcji i zdolność właściwej oceny sytuacji na drodze. Trudno określić go w sposób bezwzględny, różni użytkownicy mają bowiem pod tym względem indywidualne preferencje, stwarza to jednak wymóg szybkiego i skutecznego ochładzania wnętrza latem i nagrzewania zimą. Przy temperaturze otoczenia –10o C uzyskanie na poziomie nóg temperatury +15o C wymaga, aby układ ogrzewania był zdolny dostarczać 1500÷4000 kcal energii cieplnej w ciągu godziny. Intensywność wymiany powietrza powinna pozwalać na zaspokojenie jego zapotrzebowania rzędu 30 m3/h na osobę. Ta przybliżona wielkość warunkuje zarówno wydatek dmuchawy, jak i zdolność odprowadzania zużytego powietrza na zewnątrz. Wrażenie chłodu potęguje ponadto wzrost prędkości ruchu powietrza.

Symulacja komputerowa prędkości przepływu powietrza (Ford)

Dystrybucja powietrza musi być zróżnicowana w celu uzyskania wspomnianego rozkładu temperatur, jak również zapewnienia nadmuchu na szybę przednią i boczne oraz, w miarę możliwości, także do strefy tylnych siedzeń. Wymaga to zastosowania systemu kanałów rozprowadzania i odprowadzania powietrza oraz otwieranych i zamykanych dysz (nawiewów powietrza) rozmieszczonych w odpowiednich miejscach tablicy przyrządów, konsoli środkowej, tunelu centralnego i słupków drzwiowych.

Nawiewy i panel sterowania dla pasażerów tylnych siedzeń

Do ogrzewania wnętrza pojazdu wykorzystuje się ciepło odbierane od silnika podczas jego pracy przez płyn, krążący w układzie chłodzenia. Dotyczy to powszechnie stosowanych we współczesnych samochodach osobowych jednostek napędowych chłodzonych cieczą. Świeże powietrze, przepływające przez wymiennik ciepła (nagrzewnicę), ogrzewa się i jest kierowane do kabiny. Sterowanie (obecnie coraz częściej przy użyciu elementów elektronicznych) następuje poprzez regulację przepływu płynu chłodzącego za pomocą zaworu dławiącego lub poprzez regulację przepływu powietrza, dzielonego na dwa strumienie o różnej temperaturze, mieszające się ze sobą w ustalanej za pomocą przepustnicy proporcji.

Do intensyfikowania ruchu doprowadzanego z zewnątrz powietrza służą dmuchawy, zwykle z wirnikami o budowie promieniowej, napędzane silnikiem elektrycznym. Są one źródłem hałasu o natężeniu rzędu 60 ÷ 70 dB(A).

natężenie hałasu w zależności realizowanej funkcji układu wentylacyjno grzewczego (Ford)

Umieszczone w kanałach dolotowych filtry zatrzymują zanieczyszczenia i zapobiegają przedostawaniu się do środka nieprzyjemnych zapachów. Rozmieszczenie zarówno wlotów, jak i wylotów powietrza musi uwzględniać rozkład ciśnień na powierzchni nadwozia podczas jazdy. Tzw. obieg zamknięty (recyrkulacja) umożliwia chwilowe odcięcie dopływu powietrza z zewnątrz (np. w wypełnionym spalinami tunelu) i wymuszanie jego cyrkulacji tylko przez pracę dmuchawy Sterowanie funkcjonowaniem układu wentylacji i ogrzewania odbywa się poprzez stopniową (rzadziej bezstopniową) regulację temperatury, prędkości obrotowej dmuchawy (intensywności nadmuchu) i kierunków dystrybucji powietrza za pomocą pokręteł oraz poprzez ręczne ustawianie wylotów dysz nadmuchu, ewentualnie ich otwieranie i zamykanie. Działanie konwencjonalnych urządzeń grzewczych jest uzależnione od pracy silnika. Dopóki silnik nie osiągnie właściwej temperatury źródłem dodatkowej energii cieplnej może być też elektryczny element grzejny, o mocy rzędu 0,5 do 2 kW, umieszczony za nagrzewnicą.

Podwyższenie temperatury wnętrza z minus15 na plus10oC, przy temperaturze zewnętrznej minus18 oC, wymaga pół godziny pracy urządzenia grzewczego z dodatkowym elektrycznym elementem grzejnym (Ford).

Oprócz nich bywa stosowane ogrzewanie niezależne („powietrzne” lub „wodne”), zasilane paliwem, spalanym w komorze spalania i wyposażone w termostat, niejednokrotnie także z możliwością zdalnego programowania początku pracy. Rozwiązanie takie spotyka się w krajach o zimnym klimacie oraz w samochodach napędzanych nowoczesnymi silnikami wysokoprężnymi o dużej sprawności, z bezpośrednim wtryskiem paliwa, w których straty cieplne są zbyt małe, by wykorzystać je do efektywnego ogrzewania wnętrza, jak również w mikrobusach oraz pojazdach i przyczepach kempingowych. Przyjmuje się, że przy temperaturach otoczenia powyżej 20oC tradycyjny układ wentylacji nie jest w stanie zapewnić odpowiednio wydajnego przewietrzania i niezbędne jest stosowanie urządzeń klimatyzacyjnych.

Obniżenie temperatury wnętrza z 60 na 25 oC, przy temperaturze zewnętrznej 49 oC i nasłonecznieniu 1000W/m2 wymaga jednej godziny pracy urządzenia klimatyzacyjnego (Ford)

3.4.2 Klimatyzacja Temperatura powietrza i wilgotność względna panujące we wnętrzu pojazdu mają istotny wpływ na komfort i bezpieczeństwo jazdy. Przyjmuje się, że wielkości te powinny wynosić odpowiednio 22÷27o C i 30÷60% (rys.).

Duże znaczenie ma ponadto rozdział temperatury, która na wysokości głowy winna być o ok. 7o C niższa, niż na poziomie stóp. Uzyskanie takich warunków klimatycznych już przy temperaturach otoczenia rzędu 15÷20o C staje się nierealne tylko przy wykorzystaniu tradycyjnych systemów grzewczo-wentylacyjnych. Do ich spełnienia konieczne są urządzenia klimatyzacyjne, umożliwiające ponadto odraszanie i odszranianie szyb oraz oczyszczanie powietrza z kurzu, pyłków, bakterii i nieprzyjemnych zapachów dzięki odpowiednim filtrom (fot.)

Samochodowe urządzenia klimatyzacyjne pojawiły się w USA w latach 50., jako wyposażenie dodatkowe. Konstrukcyjnie są one zintegrowane z układem przewietrzania i ogrzewania . Ich głównym zadaniem jest chłodzenie przepływającego przez instalację powietrza, skutek uboczny stanowi jego osuszanie poprzez odbiór wilgoci.

Instalacja składa się ze sprężarki, skraplacza, osuszacza, parownika i zaworów regulacyjnych. Jako medium robocze, krążące w zamkniętym obiegu urządzenia i podlegające przemianom termodynamicznym, od 1995 r. ze względów ekologicznych stosuje się zamiast freonu R12 (CCl2F2) pochodną etanu R134a (CF3CH2F). Sprężarka (kompresor), napędzana od silnika spalinowego poprzez pasek klinowy i sprzęgło elektromagnetyczne, tłoczy czynnik pod ciśnieniem rzędu 0,1-0,25 MPa do skraplacza. Sprężaniu medium towarzyszy wzrost jego temperatury. Oprócz sprężarek tłokowych używane są łopatkowe i śrubowe, także o zmiennym wydatku, co uniezależnia je od chwilowej prędkości obrotowej jednostki napędowej. W skraplaczu (kondensatorze) następuje przejście czynnika z fazy gazowej w ciekłą, połączone z oddawaniem przezeń ciepła do otoczenia. Skraplacz jest umieszczony w pobliżu chłodnicy silnika, naturalny przepływ powietrza przez jego rurki wspomaga elektryczny wentylator. Następne ogniwo instalacji stanowi osuszacz, wiążący cząsteczki wody i wyposażony w zatrzymujący zanieczyszczenia filtr oraz w zawór bezpieczeństwa, gromadzący ponadto nadmiar czynnika roboczego. Medium trafia dalej poprzez zawór dławiący, który rozpręża je do ciśnienia parowania, do parownika (chłodnicy), zblokowanego we wspólnej obudowie z urządzeniem grzewczo-wentylacyjnym. Ma tu miejsce odparowanie czynnika, połączone z odebraniem przezeń ciepła i wilgoci od powietrza, omywającego rurki parownika i kierowanego za pomocą dmuchawy do kabiny pojazdu. Medium w postaci gazowej powraca do sprężarki i cykl rozpoczyna się od nowa.

Podobnie jak w przypadku klasycznych układów przewietrzania i ogrzewania wielkościami podlegającymi regulacji są tu temperatura, ilość (wydatek) i rozdział (dystrybucja) powietrza kierowanego do kabiny, ale we wzajemnym powiązaniu. W przypadku sterowania ręcznego (tzw. schładzacz) użytkownik jedynie włącza i wyłącza przyciskiem sprężarkę. Tzw. klimatyzacja automatyczna pozwala na dokładne ustawienie żądanej temperatury wnętrza, zwykle z dokładnością do 0,5o C. System musi być wówczas wyposażony w czujniki temperatury parownika, powietrza wlotowego, intensywności nasłonecznienia i panującej w kabinie. Różnica pomiędzy wartościami zadanym a rzeczywistymi, określana w elektronicznym sterowniku, jest parametrem regulacyjnym dla układu. W celu uniknięcia nadmiernego obciążania instalacji zazwyczaj tylko ok. 20% powietrza jest zasysane z otoczenia, reszta cyrkuluje w cyklu zamkniętym (recyrkulacja). Wraz ze wzrostem prędkości jazdy zmniejszeniu ulega prędkość obrotowa dmuchawy i ilość napływającego powietrza. Funkcja DEF pozwala na szybkie odmrożenie lub osuszenie szyby przedniej poprzez skierowanie na nią całości silnie ogrzewanego (i ewentualnie osuszanego) powietrza przy maksymalnej wydajności jego strumienia. Blokada dmuchawy zapobiega z kolei intensywnemu napływowi zimnego powietrza przy niskich temperaturach otoczenia. W układzie sterowania są stosowane zawory elektromagnetyczne o czasie zadziałania rzędu 150 ms.

a wlot powietrza z zewnątrz b recyrkulacja c odszranianie d bypas (ominięcie nagrzewnicy) e nawiewy górne f nawiewy dolne g odprowadzenie skroplin 1 dmuchawa 2 parownik 3 czujnik temperatury na parowniku 4 nagrzewnica 5 zawór elektromagnetyczny 6 czujnik temperatury powietrza na wyjściu 7 pokrętło wyboru/nastawu temperatury 8 czujnik temperatury powietrza we wnętrzu 9 moduł elektroniczny sterujący 10 kompresor

Schemat ideowy sterowania zespołu wentylacyjno-grzewczego z klimatyzacją [„climatronic”]

W USA 90% nowych samochodów jest wyposażanych w urządzenia klimatyzacyjne. W Europie analogiczny odsetek wynosi ok. 50%, jednak już wkrótce zwiększy się zapewne do 65%. Jedną z przyczyn tej tendencji, istotną z punktu widzenia problematyki nadwoziowej, jest zwiększanie się powierzchni przeszklonych, powodujące silne nagrzewanie wnętrza samochodu. W tej chwili proste, tanie schładzacze można zamawiać nawet do najmniejszych pojazdów segmentu A.* Z kolei w samochodach droższych pojawia się klimatyzacja strefowa, z wielosegmentową nagrzewnicą, umożliwiająca odrębne sterowanie działaniem urządzenia przez kierowcę i jego towarzysza, a także przez podróżujących na tylnym siedzeniu (np. BMW 7) lub siedzeniach (np. Renault Espace IV).

schemat strefowej klimatyzacji z pojedynczym wymiennikiem

schemat strefowej klimatyzacji z dwoma wymiennikami

Dodatkowe czujniki natężenia i kąta padania promieni słonecznych oraz jakości powietrza przy pomocy serwomotorków regulują funkcjonowanie układu w ogóle bez udziału użytkownika, włączając i wyłączając w razie potrzeby sprężarkę i uaktywniając funkcję recyrkulacji (np. w tunelu). Indywidualnie dobrane nastawy (temperatura, intensywność i kierunek nadmuchu) mogą być przechowywane w pamięci mikroprocesora i wywoływane przez poszczególne osoby, korzystające z auta. Na postoju lub w “korku” możliwe bywa używanie baterii słonecznych jako źródła energii odciążającego akumulator (np. Mercedes klasy E, Lancia Thesis). System jakości powietrza (AQS) składa się z separatora zanieczyszczeń stałych (np. pyłków kwiatowych) i filtra z wkładem z węgla aktywowanego (zatrzymującego nieprzyjemne zapachy) oraz czujnika, wykrywającego obecność tlenków azotu, tlenku węgla i węglowodorów w napływającym do wnętrza powietrzu. Funkcja recyrkulacji zostaje włączona automatycznie po stwierdzeniu ich stężenia powyżej dopuszczalnego poziomu (fot.)

Kwestią czasu jest wprowadzenie czujników zaparowania lub zalodzenia szyb i urządzeń reagujących na polecenia wydawane głosem. Zdalne sterowanie pozwoli na stopniowe schładzanie kabiny przed podróżą, a nowej konstrukcji wymienniki ciepła z pośrednim czynnikiem na utrzymywanie przyjemnego mikroklimatu przez pewien czas po jej zakończeniu. Filtry nowej generacji są zdolne pochłaniać zawarte w doprowadzanym do kabiny powietrzu węglowodory i tlenki azotu, które następnie trafią odpowiednio do komory spalania silnika i układu oczyszczania spalin. Trwają prace nad poprawą sprawności urządzeń klimatyzacyjnych aby zredukować zużycie paliwa podczas jazdy z włączoną klimatyzacją (zużycie wzrasta obecnie o ok. 5÷10%).

3.4.3 Slajdy ilustrujące rozwiązania techniczne Modułowy zespół wentylacyjno-grzewczy dla zastosowania w samochodach różnych koncernów [Delphi]

Komponenty konstrukcyjne układu wentylacyjno-grzewczego Calsonic [Polonez Truck]

Rózne koncepcje rozmieszczenia nawiewów klimatyzacji dwustrefowej [VW/Mac (Tuareg) i Porsche/E1 (Cayane)]

Uwarunkowania ekonomiczne i konstrukcyjne uwzględniane przy projektowaniu wspólnej klimatyzacji dwustrefowej [dla VW/Mac i Porsche/E1 (Colorado)]

Packaging dotyczący zabudowy wymiennika klimatyzacji dwustrefowej w tylnej części ściany boku wewnętrznego nadwozia [ VW/Mac i Porsche/E1 (Colorado)]

Packaging dotyczący zabudowy kanałów nawiewu w tylnej części nadwozia z uwzględnieniem przewodów, wiązek elektrycznych i mechanizmu składania tylnego siedzenia [ VW/Mac i Porsche/E1 (Colorado)]

Symulacja komputerowa rozkładu temperatur wnętrza nadwozia [Ford] a) grzanie, b)chłodzenie