ZAKA
AD POJAZDÓW
KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I
POJAZDÓW
AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
Ćwiczenie nr 15
Określenie charakterystyki poboru mocy i
powiększenia zu\
ycia paliwa w przypadku
stosowania klimatyzacji
 1
Ćwiczenia nr 15
Temat: ZdjÄ™cie charakterystyki poboru mocy w funkcji É silnika dla "t = const
oraz obliczenie zu\
ycia paliwa silnika samochodu VW Golf 1600
wyposa\
onego w klimatyzacjÄ™ 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 tak\
e łatwo uwalniają ciepło, prowadzi do
tego, \
e 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 słu\
y do utrzymania temperatury i wilgotności
powietrza na po\
ądanym poziomie. Połączenie działania układu chłodniczego, nagrzewnicy i
układu wentylacji umo\
liwia kontrolowanie warunków klimatycznych we wnętrzu pojazdu
oraz utrzymywanie określonych wartości parametrów powietrza w granicach tzw. pola
komfortu, niezale\
nie 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, niezale\
nie od pory roku, ma poczucie komfortu.
Urządzenia klimatyzacyjne pojazdów zyskują coraz większą popularność rozumianą jako
zwiększenie komfortu, a co za tym idzie tak\
e i bezpieczeństwo, gdy\
zapewnienie
dogodnych warunków we wnętrzu pojazdów znacznie podwy\
szają zdolność koncentracji
kierowcy. Kilka lat wstecz komfort postrzegany był jako zbytek ponad konieczne potrzeby,
dzisiaj rozumiemy to pojęcie jako spełnienie niezbędnych wymagań w pojazdach. Du\
e
prędkości ruchu oraz jego natę\
enie powodujÄ…, \
e kierujący pojazdem podlega ciągłym
stresom. Mo\
na się spodziewać, \
e od zwiększonej koncentracji uwagi i dobremu
1
 2
samopoczuciu kierowcy zale\
y bezpieczeństwo kierującego, pasa\
erów jak i innych
u\
ytkowników 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 \
yczenie 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
\
ąda właściciel. Dotyczy to czterech najwa\
niejszych komponentów:
- zaworu rozprÄ™\
nego, dysza dławiąca;
- sprÄ™\
arki;
- skraplacza;
- parownika;
Jak równie\

- 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;
- sprÄ™\
arka;
- skraplacz;
- zawór rozprę\
ny.
Podstawową funkcją tego urządzenia jest przeniesienie ciepła z jednego ośrodka (wnętrze
pojazdu) do drugiego (na zewnątrz). Przeniesienie ciepła odbywa się za pomocą krą\
Ä…cego w
urządzeniu czynnika chłodniczego, który podlega przemianom termodynamicznym ze
skokowymi zmianami ciśnienia dzięki sprę\
arce i zaworowi rozprÄ™\
nemu. Oraz towarzyszÄ…ce
przy tym zmianom stanu skupienia, które uzyskujemy za pomocą wymienników ciepła w
postaci parownika i skraplacza. Schemat takiego prostego urzÄ…dzenia ukazuje rysunek 2.
2
 3
Rys.2. Schemat urzÄ…dzenie klimatyzacyjnego:
1  parownik, 2  sprÄ™\
arka, 3  skraplacz, 4  zawór rozprę\
ny, 5  elementy Å‚Ä…czÄ…ce (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 Cl2 F2) był czynnikiem o największym zakresie zastosowań.
Normalna temperatura wrzenia ton = -29,8 ºC
Masa czÄ…steczkowa 120,9 kg/kmol
Temperatura krytyczna 112 ºC
Ciśnienie krytyczne 41,58 bar
Czynnika R12 jest stabilny termicznie do temperatury 450 ºC. Jego koÅ„cowe temperatury
sprÄ™\
ania są niskie, w związku z tym nie jest konieczne dodatkowe chłodzenie korpusu
sprÄ™\
arki. Zgodnie z obowiązującą wersja Protokołu Montrealskiego stosowanie tego
czynnika w nowych urzÄ…dzeniach jest zabronione od 1996 roku. Spowodowane jest to tym, i\

stosowany R12 jako czynnik chłodniczy w du\
ym stopniu przyczyniał się do niszczenia
warstwy ozonowej.
Jego jednorodnym zamiennikiem jest R134a (czterofluoroetan C H2 F  C F3)
Normalna temperatura wrzenia ton = -26,5 ºC
Masa czÄ…steczkowa 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 czÄ…steczka
nie zawiera atomów chloru, czyli czynnik R134a nie niszczy warstwy ozonowej
Rysunek 3 przedstawia utajone ciepło parowania czynnika.
3
 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 ciÅ›nieniu równym 1 bar;
" umiarkowane ciÅ›nienie 21 bar dla wysokiej temperatury wrzenia +70 ºC;
" wysoka wartość utajonego ciepła parowania i skraplania dla ró\
nych temperatur i
ciśnień.
2.2. Zawór rozprę\
ny
Zawór ten umieszczony jest pomiędzy filtrem odwadniaczem i parownikiem. Jego zadaniem
jest regulacja dopływu czynnika chłodniczego do parownika. Zawór rozprę\
ny obni\
a
ciśnienie (i temperaturę) czynnika chłodniczego do poziomu umo\
liwiającego jego całkowite
odparowanie w parowniku i odebranie ciepła w z wnętrza pojazdu.
Zawór rozprę\
ny składa się z:
" sprÄ™\
yna;
" płytka i kulka zaworu;
" popychacze;
" membrana;
" bańka czujnika temperatury;
" rurka kapilarna;
" dyszy;
" kanał wyrównania ciśnienia;
2.3. SprÄ™\
arka
SprÄ™\
arka zasysa czynnik chłodniczy w postaci pary z parownika poprzez przewód ssawny,
sprÄ™\
a go i dostarcza do skraplacza. SprÄ™\
enie powoduje wzrost temperatury i ciśnienia
czynnika chłodniczego na tyle, \
e ciepło pobrane w parowniku mo\
e z kolei zostać oddane w
skraplaczu.
4
 5
SprÄ™\
arki, wykorzystywane w chłodnictwie, pracują jako urządzenia wyporowe. Spośród
sprÄ™\
arek u\
ywanych do klimatyzacji samochodowych mo\
emy wyró\
nić oprócz sprę\
arki
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) Å‚opatkowe
2) spiralne.
SprÄ™\
arki zwykle są napędzane od silnika za pomocą paska klinowego lub wielorowkowego.
Takie rozwiązanie konstrukcyjne napędu nazywane jest rozwiązaniem otwartym.
2.3.1. SprÄ™\
arka Å‚opatkowa
SprÄ™\
arki łopatkowe składają się wirnika z kilkoma łopatkami i odpowiednio dokładnie
ukształtowanej obudowy. A
opatki 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 sprÄ™\
ona rysunek 4.
Szczelność między łopatkami zapewnia siła odśrodkowa działająca na ruchome łopatki i olej
dlatego nie stosuje się uszczelnień.
Rys.4. Zasada działania sprę\
arki Å‚opatkowej.
Bardzo wa\
nym elementem sprÄ™\
arki jest sprzęgło elektromagnetyczne, które odłącza
sprÄ™\
arkę od napędowego koła pasowego, gdy nie ma zapotrzebowania na czynnik
5
 6
chłodniczy. Sprzęgło jest obsługiwane przez układ sterowania klimatyzacji. W niektórych
układach sprzęgło jest stale włączane i wyłączane, a w innych sprę\
arka pracuje bez przerwy,
gdy klimatyzacja jest włączona. W środku takiego sprzęgła znajduje się cewka magnetyczna,
która łączy lub rozłącza sprę\
arkę 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 sprę\
arki.
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.
GorÄ…ca, sprÄ™\
ona para czynnika chłodniczego dociera do skraplacza od strony wysokiego
ciśnienia sprę\
arki. 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.
6
 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 mo\
e znajdować się przed blokiem parownika lub za blokiem; przed jest
dmuchawÄ… nadmuchowÄ…, natomiast za jest wyciÄ…gowÄ… dmuchawÄ…. W przypadku dmuchawy
zamontowanej przed blokiem parownika wa\
ne jest dobre uszczelnienie obudowy parownika
za blokiem oraz wzdłu\
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 te\
na wymianę ciepła.
Filtr ten to cylindryczny zbiornik metalowy wyposa\
ony dwa przyłącza czynnika i trzecie
przyłącze dla zaworu serwisowego, czujnika ciśnienia itp. oraz nie zawsze w wziernik.
Wewnątrz zbiornika znajduje się wkład filtrująco-osuszający, zło\
ony z warstwy
higroskopijnego materiału sprasowanego pomiędzy dwoma warstwami materiału filtrującego
którym mo\
e być włókno szklane. Całość wło\
ona jest pomiędzy dwa perforowane metalowe
krÄ…\
ki. Higroskopijny (osuszający) materiał u\
ywany w filtrach dobiera się tak, aby była
7
 8
chemiczna zgodność z czynnikiem chłodniczym i olejem sprę\
arkowym, miał odpowiednią
wytrzymałość mechaniczną i zdolność pochłaniania i utrzymywania wody. Do tego celu
stosowane są takie materiały jak: \
el 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 niepo\
Ä…danymi
składnikami, które z ró\
nych przyczyn mogły się pojawić w czynniku chłodniczym czy te\
w
oleju. Filtr spełnia tak\
e rolę zapasowego zbiornika dla ciekłego czynnika chłodniczego, który
przebywa w nim do chwili, a\
będzie potrzebny w parowniku  zapotrzebowanie parownika
na czynnik jest zmienne i zale\
ne od warunków pracy układu klimatyzacji.
Filtr wyłapuje równie\
wszelkie cząstki stałe o średnicy większej ni\
0,015 mm,
poniewa\
mogły by spowodować wadliwą pracę zaworu rozprę\
nego, a co mogło by
przejawić się zatarciem sprę\
arki.
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.
8
 9
3. Zasady bezpieczeństwa w czasie wykonywania ćwiczenia
Podczas wykonywania ćwiczenia nale\
y postępować zgodnie z ogólnymi zasadami BHP,
które zostały szczegółowo omówione na zajęciach wprowadzających (organizacyjnych).
Ponadto w trakcie ćwiczenia nale\
y:
1. Postępować zgodnie z zaleceniami prowadzącego;
2. Nie wykonywać \
adnych czynności regulacyjnych (mechaniczno-naprawczych) w
celu uniknięcia skaleczeń lub innych obra\
eń ciała oraz nie spowodować uszkodzeń
stanowiska;
3. Samodzielnie nie załączać do sieci ani nie włączać \
adnych urządzeń;
4. W przypadku zauwa\
enia jakiegokolwiek zagro\
enia wypadkowego niezwłocznie
zgłosić prowadzącemu.
4. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania urządzenia
klimatyzacyjnego oraz przeprowadzeniem badaÅ„ poboru mocy w funkcji É silnika dla
"t = const i obliczenie zu\
ycia paliwa silnika samochodu VW Golf 1600 wyposa\
onego w
klimatyzacjÄ™ na podstawie charakterystyki uniwersalnej.
5. Przebieg ćwiczenia
5.1. Uruchomienie stanowiska oraz przebieg pomiarów
1. Ustawić stanowisko na płaskim twardym równym podło\
u. Aby zapobiec drganiom i
przypadkowemu przemieszczeniu się stanowiska zahamować hamulcami kół w które
jest wyposa\
one 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 (poło\
enie  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 sprę\
arka nie
jest aktywna dzięki elektromagnetycznemu sprzęgłu tzn. obraca się tylko koło pasowe
na Å‚o\
ysku tocznym. Na wyświetlaczu falownika u samej góry pojawia się prędkość
obrotowa silnika zadana np. minimalna prędkość obrotowa Fz = 0300 rpm min.,
poni\
ej pod gwiazdkami ukazana jest prędkość ustalona Fo = 0300 rpm oraz Jo = 0,01
A. Na falowniku ustawiamy prędkość przyciskami  + w górę (wchodzimy na
obroty),  - w dół (schodzimy z obrotów). Przyciski te trzeba trochę przytrzymać, a\

prędkość obrotowa zacznie spadać, lub wzrastać w zale\
ności od przytrzymanego
przycisku. Maksymalna prędkość obrotowa silnika ustawiona na falowniku to 3000
obr/min. Watomierz wskazuje moce na ka\
dÄ… fazÄ™ L1, L2, L3 oraz Å‚Ä…cznÄ… sumÄ™ tych
9
 10
mocy 3L, które póz
niej będziemy mno\
yć przez 1,82 za sprawą przetworników
prądowych znajdujących się pod skraplaczem na szynach mocujących kółka.
7. Gdy mamy ju\
załączony przełącznik  pierwszy to mo\
emy włączyć przełącznik
drugi. Przełącznik drugi nie działa jeśli przełącznik pierwszy jest w poło\
eniu  0 .
Przełącznik drugi załączony (poło\
enie  1 ) włącza konsolę klimatyzacji; załącza trzy
termometry dwupunktowe. Kontrolki sygnalizujÄ…ce zaczynajÄ…c od lewej strony:
" Temperatura za parownikiem  zielona;
" Temperatura za skraplaczem  czerwona;
" Temperatura otoczenia  zielona;
" Temperatura przegrzania  czerwona;
" Temperatura gazu sprÄ™\
onego  zielona;
" Temperatura sprÄ™\
arki  czerwona.
Rys.8. Konsola sterownicza stanowiska klimatyzacyjnego.
8. Podnosimy prędkość obrotową silnika jeśli jest minimalna i załączamy przycisk
klimatyzacji. Przycisk ten uruchamia:
" sprzęgło elektromagnetyczne sprę\
arki (sprÄ™\
arkÄ™),
" dmuchawÄ™ 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 ju\
mamy stanowisko gotowe do dokonania pomiaru tzn. podłączone do z
ródła napięcia
oraz oba przełączniki w poło\
eniu  1 (znajdujÄ…cych siÄ™ poni\
ej konsoli sterowania
stanowiska klimatyzacyjnego) i załączony przycisk  przycisk klimatyzacji dokonujemy
pomiarów:
10
 11
1. Ustawiamy prędkość obrotową silnika od której chcemy rozpocząć pomiary
(700 obr/min);
2. Ustawiamy pokrętło intensywności nadmuchu wentylatora parownika na zadaną
pozycjÄ™ (od  0 do  4 );
3. Odczytujemy pobory mocy na ka\
dÄ… fazÄ™ i sumÄ™ tych mocy i mno\
ymy przez 1,82
(L1 + L2 + L3) * 1,82;
4. Odczytujemy temperaturę otoczenia i temperaturę wyjściową;
5. SterujÄ…c falownikiem ( + ,  - ) zmieniamy prÄ™dkość obrotowÄ… silnika [É = (Ä„ *n)/30]
prędkość obrotowa L1 L2 L3 3L t.otocz. t.wyjść.
obr/min É [1/s] [kW] [kW] [kW] [kW] [º C] [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:
É [1/s] 73,3 104,7 157,0 209,3 261,7 314,0
N [kW] (L1 + L2 +L3)*1,82 N1 & & & & N6
M = N/É [Nm] M1 & & & & M6
7. Naniesienie na charakterystykÄ™ uniwersalnÄ… silnika krzywej momentu oporu ruchu Ms
dla danych samochodu:
Cx = 0,34
F = 2,17 m2
m = 1505 kg
f = 0,015
ig = 3,6
iz = 0,74
ic = 2,66
· = 0,91
rd = 0,290 m
V [m/s] 10 15 20 25 30 35 40
Ms [Nm]
É [1/s]
11
 12
M Å"· Å" ic = M + M
s f p
2
rd (m Å" g Å" f + 0,646 Å" Cx Å" F Å"V )
M =
s
· Å" ig Å" iz
V Å" ic
É =
rd
Na charakterystyce uniwersalnej liczbami (265, 270, 275, 285, 300, 350, 465, 520) jest
wyra\
one jednostkowe zu\
ycie paliwa w [g/KWh].
8. Dodać do momentów oporu ruchu Ms moment klimatyzacji M i nanieść na
charakterystykÄ™ uniwersalnÄ…;
9. Obliczyć przebiegowe zu\
ycie paliwa z/i bez klimatyzacji.
ge [g/KWh]
520
465
350
300
285
275
270
265
20 40 60 80 100 120 140 160
M [Nm]
12