Задача охлаждения салона автомобиля появилась сразу, как только пропала возможность непрерывно двигаться, обдувая пассажиров забортным воздухом. Первые экзотические конструкции быстро исчезли, поскольку примерно в это же время была изобретена система кондиционирования компрессорного типа, которая применяется и до сих пор. Принцип работы кондиционера автомобиля именно такой конструкции и будет рассмотрен.
Используемые законы физики
Известно, что при расширении газов и падении их давления температура также уменьшается. Следовательно, если любое физическое тело в состоянии, близком к газовой фазе, сжать, то оно нагреется, после чего можно часть тепла отобрать, используя обмен энергией с окружающей средой, и снова дать теплоносителю расшириться. Результатом станет снижение температуры газа относительно исходной. Останется только организовать тепловой канал с салоном автомобиля — и кондиционер теоретически готов.
Практическая реализация идеи
На охлаждение воздуха в салоне надо затратить энергию, в этом отношении процесс не отличается от его обогрева. Источником её логично назначить двигатель автомобиля, который развивает достаточную мощность, часть её можно потратить для нужд комфорта водителя и пассажиров. Поэтому основным узлом системы стал газовый компрессор с приводом от коленчатого вала. Сформировался также набор всех прочих элементов системы самого простого автомобильного кондиционера:
Каждый из узлов имеет своё функциональное назначение, из чего и станет понятно, как работает кондиционер в автомобиле.
Компрессор и электромагнитная муфта
Постоянное вращение ротора компрессора было бы слишком расточительным, поэтому при помощи ремня от коленчатого вала вращается только шкив его привода, а сам компрессор подключается по мере необходимости. Для этого и нужна муфта компрессора, работающая по принципу электромагнита.
При включении кондиционера на муфту подаётся питание, после чего в ней происходит замыкание фрикционной пары дисков. Если в исходном состоянии шкив муфты вращался свободно на отдельном подшипнике, то теперь он жёстко связан со ступицей ротора и весь механизм компрессора приходит в движение.
Сами компрессоры могут использовать разные принципы работы, но чаще всего применяется аксиально-поршневой. Он имеет несколько цилиндров, расположенных по окружности вокруг оси ротора, поршни которых приводятся от вращающегося наклонного диска. Когда одни из них утоплены в цилиндрах, противоположные выдвинуты, каждый полный ход поршня соответствует одному обороту. Хладоагент всасывается в цилиндры, а затем нагнетается в напорную магистраль.
Скорость вращения ротора компрессора примерно соответствует оборотам двигателя, что определяется соотношением диаметров шкивов. Естественно, при таком вращении потребуется качественная смазка, для чего в хладоагент (фреон) добавляется специальное жидкое масло. Оно обновляется при каждой заправке кондиционера в строго определённом количестве.
Работа компрессора нормируется датчиками, которые отключают его при наступлении заданных условий, таких как:
Отключение производится снятием питания с электромагнитной муфты, после чего возвратная пружина отбросит фрикционный диск, и шкив перейдёт на свободный ход.
Конденсатор и осушитель
Обычно оба этих устройства компонуются в виде единого блока. Можно встретить разные названия радиатора, это и конденсатор, и конденсор, и конденсер. Суть устройства не меняется. Его задача равномерно распределить нагретый фреон по своей сердцевине и обеспечить быстрое охлаждение, передав тепло в набегающий поток воздуха.
В состав радиатора входят входной и выходной штуцеры, трубки, по которым проходит газ, алюминиевые ленты, повышающие эффективную площадь теплообмена и цилиндрический ресивер, снабжённый фильтрующим элементом, часто съёмным. Всё это должно быть абсолютно герметичным и выдерживать довольно высокое давление, доходящее до десятка атмосфер.
Сюда же можно отнести и вентилятор обдува, хотя он же охлаждает и основной радиатор двигателя. Обычно их два, один из них принудительно включается на малую скорость при любом задействовании кондиционера. А по мере разогрева переходит на полную мощность.
Клапан-регулятор
С точки зрения реализации физического принципа работы кондиционера автомобиля, его можно считать основным узлом системы, хотя он относительно прост и компактен. Однако на него завязана не только подводящая фреон к испарителю магистраль, но и выходная. Таким образом, контроль температуры происходит с обратной связью.
Работая по принципу механического термостата, клапан изменяет своё проходное сечение в зависимости от температуры выходящего из испарителя теплоносителя. Если выходная температура растёт, значит хладоагента недостаточно и сильфонная конструкция клапана приоткрывает распыляющее отверстие, увеличивая расход жидкости в газообразную фазу.
Принцип действия, таким образом, подразумевает наличие у клапана четырёх штуцеров, одного высокого давления и трёх низкого. Располагается он вблизи салонного испарителя, достаточно надёжен, выходя из строя чаще всего по вине владельца, редко и с низким качеством меняющего хладоагент.
Испаритель
Конструктивно радиатор салона схож со всеми прочими теплообменниками, это система трубок и алюминиевых лент, имеющая большую эффективную площадь передачи тепла между воздухом и фреоном. Особенностью его работы является выделение конденсата, поскольку при охлаждении воздуха в салоне из него выделяется избыток влаги. Для отвода жидкости приняты отдельные меры, её вытекание из дренажа является признаком нормальной работы.
Радиатор продувается салонным вентилятором климатической системы, поскольку естественный обдув здесь отсутствует. Скорость работы вентилятора регулируется вручную или в автоматическом режиме, так же задаются и направления преимущественного обдува по салону.
Испаритель кондиционера может входить в комплексную систему климат-контроля автомобиля. Её роль отличается от обычного принципа работы автомобильного кондиционера наличием автоматических функций управления температурой. Водителю достаточно задать её желаемое значение, после чего электроника сама определит, включать её отопитель или кондиционер, куда направлять потоки и какую интенсивность выставлять. При этом возможно многозонное регулирование, когда для каждого пассажира или их групп задаются индивидуальные условия.
Управление системой и организация сервиса
Простейший пульт кондиционера представляет собой регулятор температуры, переключатель потоков воздуха и скоростей работы вентилятора. В более сложных климатических системах задаётся температура с отображением на цифровых дисплеях. Обеспечивают работу управления контроллер климата и многочисленные датчики штатных и аварийных режимов, входящие в устройство кондиционера автомобиля. Автоматика избавляет водителя от слежения за режимами работы и нештатными ситуациями.
Для технического обслуживания кондиционера предусмотрены штуцеры на магистралях в подкапотном пространстве. К ним можно подключить автоматическую заправочную машину, которая после ввода в неё данных о марке и модели автомобиля сама выберет нужное количество фреона, масла, и последовательно проведёт все операции по очистке системы (вакуумированию), заправке и оценке состояния. Проследить придётся только за герметичностью, для чего имеется целый ряд методик. Иногда во фреон добавляется индикаторный краситель, видимый в ультрафиолетовом свете, или используются другие принципы работы течеискателей.
Эксплуатация
Для безотказной работы техники надо соблюдать несколько простых требований:
Несмотря на некоторую опасность простудных явлений из-за перепада температур, современный автомобиль трудно себе представить без климатической системы. Она достаточно надёжна. Принцип работы кондиционера автомобиля, за исключением компрессора, не подразумевает тяжело нагруженных, быстро изнашиваемых деталей. В среднем обслуживание потребуется с периодичностью около двух лет, а внеплановые отказы могут быть связаны только со старением и износом в достаточно поработавших машинах.