ZAKŁAD POJAZDÓW

KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I

POJAZDÓW

AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA

W BIELSKU-BIAŁEJ

Ćwiczenie nr 15

Określenie charakterystyki poboru mocy i
powiększenia zużycia paliwa w przypadku

stosowania klimatyzacji

1

1

Ćwiczenia nr 15

Temat: Zdjęcie charakterystyki poboru mocy w funkcji ω silnika dla ∆t = const
oraz obliczenie zużycia paliwa silnika samochodu VW Golf 1600
wyposażonego w klimatyzację na podstawie charakterystyki uniwersalnej.

1. Wprowadzenie.

Stały dopływ do wnętrza pojazdu ciepła z zewnątrz (np. promieni słonecznych przez
powierzchnie przeszklone) oraz ciepło absorbowane przez tapicerkę i inne materiały wnętrza
pojazdu, które nie tylko dobrze tłumią hałas, lecz także łatwo uwalniają ciepło, prowadzi do
tego, że temperatury panujące we wnętrzu pojazdu, zwłaszcza wraz z wysoką wilgotnością są
czasem trudne do zniesienia. Problem rozwiązuje wymuszone odprowadzenie ciepła i wilgoci
za pomocą urządzenia klimatyzacyjnego, które służy do utrzymania temperatury i wilgotności
powietrza na pożądanym poziomie. Połączenie działania układu chłodniczego, nagrzewnicy i
układu wentylacji umożliwia kontrolowanie warunków klimatycznych we wnętrzu pojazdu
oraz utrzymywanie określonych wartości parametrów powietrza w granicach tzw. pola
komfortu, niezależnie od warunków zewnętrznych rysunek 1.

Rys.1. Pole komfortu.

Pole komfortu, zimą i latem, to zbiór wartości temperatury i wilgotności względnej powietrza,
w której człowiek, niezależnie od pory roku, ma poczucie komfortu.

Urządzenia klimatyzacyjne pojazdów zyskują coraz większą popularność rozumianą jako
zwiększenie komfortu, a co za tym idzie także i bezpieczeństwo, gdyż zapewnienie
dogodnych warunków we wnętrzu pojazdów znacznie podwyższają zdolność koncentracji
kierowcy. Kilka lat wstecz komfort postrzegany był jako zbytek ponad konieczne potrzeby,
dzisiaj rozumiemy to pojęcie jako spełnienie niezbędnych wymagań w pojazdach. Duże
prędkości ruchu oraz jego natężenie powodują, że kierujący pojazdem podlega ciągłym
stresom. Można się spodziewać, że od zwiększonej koncentracji uwagi i dobremu

2

2

samopoczuciu kierowcy zależy bezpieczeństwo kierującego, pasażerów jak i innych
użytkowników drogi i nie tylko. Dlatego zapewnienie właściwych warunków „pracy”
kierowcy jest pierwszorzędnym zadaniem, które stawiają sobie konstruktorzy urządzeń
klimatyzacyjnych.
Współczesne urządzenia klimatyzacyjne odznaczają się zwartą budową. Jeszcze do niedawna
urządzenia klimatyzacyjne były montowane na specjalne życzenie kierowcy, jednak w coraz
większym stopniu ich stosowanie wymusza ustawodawstwo techniczne.



2. Budowa i działanie urządzenia klimatyzacyjnego.

Urządzenie klimatyzacyjne w samochodach składają się z następujących urządzeń bez
których urządzenie to nie mogło by poprawnie działać i spełniać wszystkich funkcji które
żąda właściciel. Dotyczy to czterech najważniejszych komponentów:
- zaworu rozprężnego, dysza dławiąca;
- sprężarki;
- skraplacza;
- parownika;
Jak również
- dmuchawy elektrycznej;
- wentylator elektryczny;
- filtr-osuszacz, zbiornik-odwadniacz;
- czynnika chłodniczego;
- filtra;
- rur;
- złączek;
- tłumiki drgań etc.

2.1. Opis obiegu czynnika chłodzącego.

Najprostszy układ chłodniczy składa się z czterech części połączonych ze sobą:
- parownik;
- sprężarka;
- skraplacz;
- zawór rozprężny.
Podstawową funkcją tego urządzenia jest przeniesienie ciepła z jednego ośrodka (wnętrze
pojazdu) do drugiego (na zewnątrz). Przeniesienie ciepła odbywa się za pomocą krążącego w
urządzeniu czynnika chłodniczego, który podlega przemianom termodynamicznym ze
skokowymi zmianami ciśnienia dzięki sprężarce i zaworowi rozprężnemu. Oraz towarzyszące
przy tym zmianom stanu skupienia, które uzyskujemy za pomocą wymienników ciepła w
postaci parownika i skraplacza. Schemat takiego prostego urządzenia ukazuje rysunek 2.

3

3

Rys.2. Schemat urządzenie klimatyzacyjnego:
1 – parownik, 2 – sprężarka, 3 – skraplacz, 4 – zawór rozprężny, 5 – elementy łączące (rurki).

W urządzeniach klimatyzacyjnych czynnik chłodniczy spełnia rolę nośnika, który odbiera
ciepło z parownika – z powietrza kabiny – i przenosi je do skraplacza, gdzie jest odbierane
przez powietrze zewnętrzne.
Do niedawna w urządzeniach klimatyzacyjnych stosowany był czynnik chłodniczy R12
(dwuchlorodwufluorometan, C Cl

2

F

2

) był czynnikiem o największym zakresie zastosowań.

Normalna temperatura wrzenia

t

on

= -29,8 ºC

Masa cząsteczkowa

120,9 kg/kmol

Temperatura krytyczna

112 ºC

Ciśnienie krytyczne

41,58 bar

Czynnika R12 jest stabilny termicznie do temperatury 450 ºC. Jego końcowe temperatury
sprężania są niskie, w związku z tym nie jest konieczne dodatkowe chłodzenie korpusu
sprężarki. Zgodnie z obowiązującą wersja Protokołu Montrealskiego stosowanie tego
czynnika w nowych urządzeniach jest zabronione od 1996 roku. Spowodowane jest to tym, iż
stosowany R12 jako czynnik chłodniczy w dużym stopniu przyczyniał się do niszczenia
warstwy ozonowej.
Jego jednorodnym zamiennikiem jest R134a (czterofluoroetan C H

2

F – C F

3

)

Normalna temperatura wrzenia

t

on

= -26,5 ºC

Masa cząsteczkowa

102,03 kg/kmol

Temperatura krytyczna

101,15 ºC

Ciśnienie krytyczne

40,64 bar

Czynnik R134a jest zamiennikiem R12 w małych i średnich urządzeniach chłodniczych i
klimatyzatorach samochodowych. Jest to substancja z grupy HFC, a zatem jego cząsteczka
nie zawiera atomów chloru, czyli czynnik R134a nie niszczy warstwy ozonowej
Rysunek 3 przedstawia utajone ciepło parowania czynnika.

4

4

Rys.3. Utajone ciepło parowania w funkcji temperatury
dla czynnika R134a.

Podstawowe własności fizyczne czynnika chłodniczego R134a to:

• niska temperatura wrzenia -26,1 ºC przy ciśnieniu równym 1 bar;
• umiarkowane ciśnienie 21 bar dla wysokiej temperatury wrzenia +70 ºC;
• wysoka wartość utajonego ciepła parowania i skraplania dla różnych temperatur i

ciśnień.

2.2. Zawór rozprężny

Zawór ten umieszczony jest pomiędzy filtrem odwadniaczem i parownikiem. Jego zadaniem
jest regulacja dopływu czynnika chłodniczego do parownika. Zawór rozprężny obniża
ciśnienie (i temperaturę) czynnika chłodniczego do poziomu umożliwiającego jego całkowite
odparowanie w parowniku i odebranie ciepła w z wnętrza pojazdu.
Zawór rozprężny składa się z:

• sprężyna;
• płytka i kulka zaworu;
• popychacze;
• membrana;
• bańka czujnika temperatury;
• rurka kapilarna;
• dyszy;
• kanał wyrównania ciśnienia;

2.3. Sprężarka

Sprężarka zasysa czynnik chłodniczy w postaci pary z parownika poprzez przewód ssawny,
spręża go i dostarcza do skraplacza. Sprężenie powoduje wzrost temperatury i ciśnienia
czynnika chłodniczego na tyle, że ciepło pobrane w parowniku może z kolei zostać oddane w
skraplaczu.

5

5

Sprężarki, wykorzystywane w chłodnictwie, pracują jako urządzenia wyporowe. Spośród
sprężarek używanych do klimatyzacji samochodowych możemy wyróżnić oprócz sprężarki
rotacyjnej łopatkowej, której poświęcimy więcej uwagi takie jak:

• tłokowe

1) z tłokami poruszającymi się prostopadle do osi silnika
2) z tłokami poruszającymi się równolegle do osi silnika:

a) stałej wydajności z tłokami pojedynczego działania oraz z tłokami

podwójnego działania

b) o zmiennej wydajności

• rotacyjne

1) łopatkowe
2) spiralne.

Sprężarki zwykle są napędzane od silnika za pomocą paska klinowego lub wielorowkowego.
Takie rozwiązanie konstrukcyjne napędu nazywane jest rozwiązaniem otwartym.





2.3.1. Sprężarka łopatkowa

Sprężarki łopatkowe składają się wirnika z kilkoma łopatkami i odpowiednio dokładnie
ukształtowanej obudowy. Łopatki i obudowa tworzą komory, których pojemność zmienia się
podczas obrotu wirnika. Czynnik chłodniczy zasysany jest do komór przez króciec ssawny.
Króciec wylotowy znajduje się w miejscu, w którym komory mają najmniejszą pojemność i
para jest najmocniej sprężona rysunek 4.
Szczelność między łopatkami zapewnia siła odśrodkowa działająca na ruchome łopatki i olej
dlatego nie stosuje się uszczelnień.

Rys.4. Zasada działania sprężarki łopatkowej.

Bardzo ważnym elementem sprężarki jest sprzęgło elektromagnetyczne, które odłącza
sprężarkę od napędowego koła pasowego, gdy nie ma zapotrzebowania na czynnik

6

6

chłodniczy. Sprzęgło jest obsługiwane przez układ sterowania klimatyzacji. W niektórych
układach sprzęgło jest stale włączane i wyłączane, a w innych sprężarka pracuje bez przerwy,
gdy klimatyzacja jest włączona. W środku takiego sprzęgła znajduje się cewka magnetyczna,
która łączy lub rozłącza sprężarkę ze sprzęgłem znajdującym się wewnątrz koła pasowego i
obraca się razem z nim. Z chwilą włączenia klimatyzacji przez cewkę przepływa prąd.
Wytworzone pole magnetyczne przyciąga tarczę napędową do koła pasowego, które przenosi
napęd do sprężarki.


2.4. Skraplacz

Skraplacz zwykle z miedzi lub aluminium jest wymiennikiem ciepła znajdującym się zwykle
bezpośrednio przed chłodnicą silnika, czyli działa na nią pełny strumień powietrza
wytwarzany podczas jazdy samochodu rysunek 5.

Rys.5. Skraplacz i chłodnica.

Gorąca, sprężona para czynnika chłodniczego dociera do skraplacza od strony wysokiego
ciśnienia sprężarki. Para czynnika wpływa przez wlot znajdujący się w górnej części
skraplacza i przepływa w rurkach oddając ciepło drogą przewodzenia rurkom i lamelom, skąd
ciepło odbierane jest przez atmosferę.
Podczas przepływu czynnika przez skraplacz para stopniowo się skrapla w ciecz.

2.5. Parownik

Tak samo jak skraplacz, parownik jest podobny do chłodnicy układu chłodzenia silnika.
Zazwyczaj parownika jest umiejscowiony w obudowie za deską rozdzielczą. Ma odbierać jak
najwięcej ciepła i mieć jak najmniejsze rozmiary. Podczas pracy układu klimatyzacji ciepłe
powietrze omywa rurki i lamele parownika rysunek 6.

7

7

Rys.6. Blok parownika z płyt:
1 – płyty, 2 – kolumny zaburzające przepływ czynnika chłodniczego, 3 – kolektor wlotowy,
4 – kolektor wylotowy, 5 – przyłącze wlotowe , 6 – przyłącze wylotowe, 7 – lamele,
8 – owiewki lameli,

Do parownika dopływa rozpylony czynnik chłodniczy o niskiej temperaturze i małym
ciśnieniu. Podczas przepływu chłodnego czynnika przez rurki parownika ciepło przechodzi z
cieplejszego powietrza do chłodniejszego czynnika chłodniczego. Po otrzymaniu dostatecznej
ilości ciepła czynnik odparowuje, zmieniając swoją postać z cieczy o niskim ciśnieniu na parę
o niskim ciśnieniu.

2.6. Dmuchawa elektryczna

Dmuchawa elektryczna wymusza przepływ powietrza przez parownik. Dmuchawę
elektryczną tworzą takie podzespoły jak:

• silnik elektryczny o małej mocy z jednostronnym lub dwustronnym wałkiem;
• jeden lub dwa wentylatory;
• obudowa wentylatorów z otworami na wlot i wylot powietrza.

Dmuchawa może znajdować się przed blokiem parownika lub za blokiem; przed jest
dmuchawą nadmuchową, natomiast za jest wyciągową dmuchawą. W przypadku dmuchawy
zamontowanej przed blokiem parownika ważne jest dobre uszczelnienie obudowy parownika
za blokiem oraz wzdłuż obwodu samego bloku.

2.7. Filtr osuszacz

Filtr osuszacz jako element układu znajdujący się na drodze czynnika chłodniczego nie ma
wpływu na zmiany stanu skupienia czynnika, ani też na wymianę ciepła.
Filtr ten to cylindryczny zbiornik metalowy wyposażony dwa przyłącza czynnika i trzecie
przyłącze dla zaworu serwisowego, czujnika ciśnienia itp. oraz nie zawsze w wziernik.
Wewnątrz zbiornika znajduje się wkład filtrująco-osuszający, złożony z warstwy
higroskopijnego materiału sprasowanego pomiędzy dwoma warstwami materiału filtrującego
którym może być włókno szklane. Całość włożona jest pomiędzy dwa perforowane metalowe
krążki. Higroskopijny (osuszający) materiał używany w filtrach dobiera się tak, aby była

8

8

chemiczna zgodność z czynnikiem chłodniczym i olejem sprężarkowym, miał odpowiednią
wytrzymałość mechaniczną i zdolność pochłaniania i utrzymywania wody. Do tego celu
stosowane są takie materiały jak: żel silikonowy, tlenek glinu oraz sito molekularne.
Sita molekularne są najczęściej stosowanym materiałem ze względu na bardzo dobre
właściwości pochłaniania wilgoci.

Podstawowym zadaniem filtra jest zabezpieczenie układu przed niepożądanymi

składnikami, które z różnych przyczyn mogły się pojawić w czynniku chłodniczym czy też w
oleju. Filtr spełnia także rolę zapasowego zbiornika dla ciekłego czynnika chłodniczego, który
przebywa w nim do chwili, aż będzie potrzebny w parowniku – zapotrzebowanie parownika
na czynnik jest zmienne i zależne od warunków pracy układu klimatyzacji.

Filtr wyłapuje również wszelkie cząstki stałe o średnicy większej niż 0,015 mm,

ponieważ mogły by spowodować wadliwą pracę zaworu rozprężnego, a co mogło by
przejawić się zatarciem sprężarki.

Rys.7. Filtr – osuszacz:
1 – zbiornik, 2 – zespół przyłączy, 3 – przyłącze wejściowe, 4 – przyłącze wyjściowe,
5 – wziernik, 6 – rurka wyjściowa, 7 – materiał higroskopijny, 8 – wkład filtrujący,
9 – perforowana osłona.

9

9

3. Zasady bezpieczeństwa w czasie wykonywania ćwiczenia

Podczas wykonywania ćwiczenia należy postępować zgodnie z ogólnymi zasadami BHP,
które zostały szczegółowo omówione na zajęciach wprowadzających (organizacyjnych).
Ponadto w trakcie ćwiczenia należy:

1. Postępować zgodnie z zaleceniami prowadzącego;
2. Nie wykonywać żadnych czynności regulacyjnych (mechaniczno-naprawczych) w

celu uniknięcia skaleczeń lub innych obrażeń ciała oraz nie spowodować uszkodzeń
stanowiska;

3. Samodzielnie nie załączać do sieci ani nie włączać żadnych urządzeń;
4. W przypadku zauważenia jakiegokolwiek zagrożenia wypadkowego niezwłocznie

zgłosić prowadzącemu.

4. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania urządzenia
klimatyzacyjnego oraz przeprowadzeniem badań poboru mocy w funkcji ω silnika dla
∆t = const i obliczenie zużycia paliwa silnika samochodu VW Golf 1600 wyposażonego w
klimatyzację na podstawie charakterystyki uniwersalnej.

5. Przebieg ćwiczenia

5.1. Uruchomienie stanowiska oraz przebieg pomiarów

1. Ustawić stanowisko na płaskim twardym równym podłożu. Aby zapobiec drganiom i

przypadkowemu przemieszczeniu się stanowiska zahamować hamulcami kół w które
jest wyposażone stanowisko.

2. Zabezpieczyć urządzenie elektrycznie bezpiecznikami 3 x 25A oraz wyprowadzić

gniazdo siłowe 16A typu 3F + N + Z.

3. Umieścić pusty pojemnik pod rynną parownika na skroploną parę.
4. Włączenie kabla z końcówką siłową do gniazda zasilającego.
5. Z przodu stanowiska znajdują się dwa przełączniki 0/1 oraz pomiędzy tymi

przełącznikami zielona kontrolka.

6. Pierwszy przełącznik (położenie „1”) uruchamia trójfazowy silnik elektryczny o mocy

4,0 kW, który dla celów badawczych zastępuje silnik spalinowy samochodowy (VW
Golf 1600).Przełącznik ten włącza silnik, watomierz oraz falownik, którego zadaniem
jest zmienianie prędkości obrotowej silnika elektrycznego (imitacja jazdy
samochodem). Przełącznik włącza te urządzenia i choć silnik się kręci to sprężarka nie
jest aktywna dzięki elektromagnetycznemu sprzęgłu tzn. obraca się tylko koło pasowe
na łożysku tocznym. Na wyświetlaczu falownika u samej góry pojawia się prędkość
obrotowa silnika zadana np. minimalna prędkość obrotowa F

z

= 0300 rpm min.,

poniżej pod gwiazdkami ukazana jest prędkość ustalona F

o

= 0300 rpm oraz J

o

= 0,01

A. Na falowniku ustawiamy prędkość przyciskami „+” w górę (wchodzimy na
obroty), „-„ w dół (schodzimy z obrotów). Przyciski te trzeba trochę przytrzymać, aż
prędkość obrotowa zacznie spadać, lub wzrastać w zależności od przytrzymanego
przycisku. Maksymalna prędkość obrotowa silnika ustawiona na falowniku to 3000
obr/min. Watomierz wskazuje moce na każdą fazę L

1

, L

2

, L

3

oraz łączną sumę tych

10

10

mocy 3L, które później będziemy mnożyć przez 1,82 za sprawą przetworników
prądowych znajdujących się pod skraplaczem na szynach mocujących kółka.

7. Gdy mamy już załączony przełącznik „pierwszy” to możemy włączyć przełącznik

drugi. Przełącznik drugi nie działa jeśli przełącznik pierwszy jest w położeniu „0”.
Przełącznik drugi załączony (położenie „1”) włącza konsolę klimatyzacji; załącza trzy
termometry dwupunktowe. Kontrolki sygnalizujące zaczynając od lewej strony:

• Temperatura za parownikiem – zielona;
• Temperatura za skraplaczem – czerwona;
• Temperatura otoczenia – zielona;
• Temperatura przegrzania – czerwona;
• Temperatura gazu sprężonego – zielona;
• Temperatura sprężarki – czerwona.

Rys.8. Konsola sterownicza stanowiska klimatyzacyjnego.

8. Podnosimy prędkość obrotową silnika jeśli jest minimalna i załączamy przycisk

klimatyzacji. Przycisk ten uruchamia:

• sprzęgło elektromagnetyczne sprężarki (sprężarkę),
• dmuchawę parownika,
• wentylatory skraplacza „A” i „B”,
• manometry wysokiego i niskiego ciśnienia
• wyłącznik dmuchawy parownika w dowolnym zakresie od 0 do 4.

5.2. Przebieg pomiaru

Gdy już mamy stanowisko gotowe do dokonania pomiaru tzn. podłączone do źródła napięcia
oraz oba przełączniki w położeniu „1” (znajdujących się poniżej konsoli sterowania
stanowiska klimatyzacyjnego) i załączony przycisk „przycisk klimatyzacji” dokonujemy
pomiarów:

11

11

1. Ustawiamy prędkość obrotową silnika od której chcemy rozpocząć pomiary

(700 obr/min);

2. Ustawiamy pokrętło intensywności nadmuchu wentylatora parownika na zadaną

pozycję (od „0” do „4”);

3. Odczytujemy pobory mocy na każdą fazę i sumę tych mocy i mnożymy przez 1,82

(L

1

+ L

2

+ L

3

) * 1,82;

4. Odczytujemy temperaturę otoczenia i temperaturę wyjściową;
5. Sterując falownikiem („+”, „-„) zmieniamy prędkość obrotową silnika [ω = (π *n)/30]

prędkość obrotowa

obr/min ω [1/s]

L

1

[kW]

L

2

[kW]

L

3

[kW]

3L
[kW]

t.otocz.
[º C]

t.wyjść.
[º C]

700

73,3

1000

104,7

1500

157,0

2000

209,3

2500

261,7

3000

314,0

6. Do następnej tabeli wpisujemy:

ω [1/s]

73,3

104,7

157,0

209,3

261,7

314,0

N [kW] (L

1

+ L

2

+L

3

)*1,82

N

1

…

…

…

…

N

6

M = N/ω [Nm]

M

1

…

…

…

…

M

6

7. Naniesienie na charakterystykę uniwersalną silnika krzywej momentu oporu ruchu M

s

dla danych samochodu:

C

x

= 0,34

F = 2,17 m

2

m = 1505 kg
f = 0,015
i

g

= 3,6

i

z

= 0,74

i

c

= 2,66

η = 0,91
r

d

= 0,290 m

V [m/s]

10

15

20

25

30

35

40

M

s

[Nm]

ω [1/s]

12

12

p

f

c

s

M

M

i

M

+

=

⋅

⋅

η

(

)

z

g

x

d

s

i

i

V

F

C

f

g

m

r

M

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

η

2

646

,

0

d

c

r

i

V ⋅

=

ω

Na charakterystyce uniwersalnej liczbami (265, 270, 275, 285, 300, 350, 465, 520) jest
wyrażone jednostkowe zużycie paliwa w [g/KWh].

8. Dodać do momentów oporu ruchu M

s

moment klimatyzacji M i nanieść na

charakterystykę uniwersalną;

9. Obliczyć przebiegowe zużycie paliwa z/i bez klimatyzacji.

160

465

20

40

60

80

100

140

120

300

270
265

275

285

350

ge [g/KWh]

520

M [Nm]