Microsoft Word - INSTRUKCA 15.doc

Ćwiczenia nr 15

Temat: Zdjęcie charakterystyki poboru mocy w funkcji ω silnika dla ∆t = const
oraz obliczenie zuŜycia paliwa silnika samochodu VW Golf 1600
wyposaŜonego 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 takŜe łatwo uwalniają ciepło, prowadzi do
tego, Ŝe 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 słuŜy do utrzymania temperatury i wilgotności
powietrza na poŜądanym poziomie. Połączenie działania układu chłodniczego, nagrzewnicy i
układu  wentylacji  umoŜliwia  kontrolowanie  warunków  klimatycznych  we  wnętrzu  pojazdu
oraz  utrzymywanie  określonych  wartości  parametrów  powietrza  w  granicach  tzw.  pola
komfortu, niezaleŜnie 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, niezaleŜnie od pory roku, ma poczucie komfortu.

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

samopoczuciu  kierowcy  zaleŜy  bezpieczeństwo  kierującego,  pasaŜerów  jak  i  innych
uŜytkowników  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 Ŝyczenie 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
Ŝąda właściciel. Dotyczy to czterech najwaŜniejszych komponentów:
- zaworu rozpręŜnego, dysza dławiąca;
- spręŜarki;
- skraplacza;
- parownika;
Jak równieŜ
- 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;
- spręŜarka;
- skraplacz;
- zawór rozpręŜny.
Podstawową funkcją tego urządzenia jest przeniesienie ciepła z jednego ośrodka (wnętrze
pojazdu) do drugiego (na zewnątrz). Przeniesienie ciepła odbywa się za pomocą krąŜącego w
urządzeniu czynnika chłodniczego, który podlega przemianom termodynamicznym ze
skokowymi zmianami ciśnienia dzięki spręŜarce i zaworowi rozpręŜnemu. 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.

Rys.2. Schemat urządzenie klimatyzacyjnego:
1 – parownik, 2 – spręŜarka, 3 – skraplacz, 4 – zawór rozpręŜny, 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

) był czynnikiem o największym zakresie zastosowań.

Normalna temperatura wrzenia

= -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
spręŜania są niskie, w związku z tym nie jest konieczne dodatkowe chłodzenie korpusu
spręŜarki. Zgodnie z obowiązującą wersja Protokołu Montrealskiego stosowanie tego
czynnika w nowych urządzeniach jest zabronione od 1996 roku. Spowodowane jest to tym, iŜ
stosowany R12 jako czynnik chłodniczy w duŜym stopniu przyczyniał się do niszczenia
warstwy ozonowej.
Jego jednorodnym zamiennikiem jest R134a (czterofluoroetan C H

F – C F

)

Normalna temperatura wrzenia

= -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.

SpręŜarki, wykorzystywane w chłodnictwie, pracują jako urządzenia wyporowe. Spośród
spręŜarek uŜywanych do klimatyzacji samochodowych moŜemy wyróŜnić oprócz spręŜarki
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.

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

2.3.1. SpręŜarka łopatkowa

SpręŜarki 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 spręŜona rysunek 4.
Szczelność między łopatkami zapewnia siła odśrodkowa działająca na ruchome łopatki i olej
dlatego nie stosuje się uszczelnień.

Rys.4. Zasada działania spręŜarki łopatkowej.

Bardzo waŜnym elementem spręŜarki jest sprzęgło elektromagnetyczne, które odłącza
spręŜarkę od napędowego koła pasowego, gdy nie ma zapotrzebowania na czynnik

chłodniczy. Sprzęgło jest obsługiwane przez układ sterowania klimatyzacji. W niektórych
układach sprzęgło jest stale włączane i wyłączane, a w innych spręŜarka pracuje bez przerwy,
gdy klimatyzacja jest włączona. W środku takiego sprzęgła znajduje się cewka magnetyczna,
która łączy lub rozłącza spręŜarkę 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 spręŜarki.

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, spręŜona para czynnika chłodniczego dociera do skraplacza od strony wysokiego
ciśnienia spręŜarki. 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.

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 moŜe znajdować się przed blokiem parownika lub za blokiem; przed jest
dmuchawą nadmuchową, natomiast za jest wyciągową dmuchawą. W przypadku dmuchawy
zamontowanej przed blokiem parownika waŜne jest dobre uszczelnienie obudowy parownika
za blokiem oraz wzdłuŜ 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 teŜ na wymianę ciepła.
Filtr ten to cylindryczny zbiornik metalowy wyposaŜony dwa przyłącza czynnika i trzecie
przyłącze dla zaworu serwisowego, czujnika ciśnienia itp. oraz nie zawsze w wziernik.
Wewnątrz zbiornika znajduje się wkład filtrująco-osuszający, złoŜony z warstwy
higroskopijnego materiału sprasowanego pomiędzy dwoma warstwami materiału filtrującego
którym moŜe być włókno szklane. Całość włoŜona jest pomiędzy dwa perforowane metalowe
krąŜki. Higroskopijny (osuszający) materiał uŜywany w filtrach dobiera się tak, aby była

chemiczna zgodność z czynnikiem chłodniczym i olejem spręŜarkowym, miał odpowiednią
wytrzymałość mechaniczną i zdolność pochłaniania i utrzymywania wody. Do tego celu
stosowane są takie materiały jak: Ŝel 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 niepoŜądanymi

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

Filtr wyłapuje równieŜ wszelkie cząstki stałe o średnicy większej niŜ 0,015 mm,

poniewaŜ mogły by spowodować wadliwą pracę zaworu rozpręŜnego, a co mogło by
przejawić się zatarciem spręŜarki.

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.

3. Zasady bezpieczeństwa w czasie wykonywania ćwiczenia

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

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

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

3. Samodzielnie nie załączać do sieci ani nie włączać Ŝadnych urządzeń;
4. W przypadku zauwaŜenia jakiegokolwiek zagroŜenia 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 zuŜycia paliwa silnika samochodu VW Golf 1600 wyposaŜonego w
klimatyzację na podstawie charakterystyki uniwersalnej.

5. Przebieg ćwiczenia

5.1. Uruchomienie stanowiska oraz przebieg pomiarów

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

przypadkowemu przemieszczeniu się stanowiska zahamować hamulcami kół w które
jest wyposaŜone 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 (połoŜenie „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 spręŜarka nie
jest aktywna dzięki elektromagnetycznemu sprzęgłu tzn. obraca się tylko koło pasowe
na łoŜysku tocznym. Na wyświetlaczu falownika u samej góry pojawia się prędkość
obrotowa silnika zadana np. minimalna prędkość obrotowa F

= 0300 rpm min.,

poniŜej pod gwiazdkami ukazana jest prędkość ustalona F

= 0300 rpm oraz J

= 0,01

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

, L

oraz łączną sumę tych

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

7. Gdy mamy juŜ załączony przełącznik „pierwszy” to moŜemy włączyć przełącznik

drugi. Przełącznik drugi nie działa jeśli przełącznik pierwszy jest w połoŜeniu „0”.
Przełącznik drugi załączony (połoŜenie „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 spręŜonego – zielona;
•  Temperatura spręŜarki – czerwona.

Rys.8. Konsola sterownicza stanowiska klimatyzacyjnego.

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

klimatyzacji. Przycisk ten uruchamia:

•  sprzęgło elektromagnetyczne spręŜarki (spręŜarkę),
•  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 juŜ mamy stanowisko gotowe do dokonania pomiaru tzn. podłączone do źródła napięcia
oraz oba przełączniki w połoŜeniu „1” (znajdujących się poniŜej konsoli sterowania
stanowiska klimatyzacyjnego) i załączony przycisk „przycisk klimatyzacji” dokonujemy
pomiarów:

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 kaŜdą fazę i sumę tych mocy i mnoŜymy przez 1,82

+ L

) * 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]

[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

+ L

)*1,82

…

M = N/ω [Nm]

…

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

dla danych samochodu:

= 0,34

F = 2,17 m

m = 1505 kg
f = 0,015
i

= 3,6

= 0,74

= 2,66

η = 0,91
r

= 0,290 m

V [m/s]

[Nm]

ω [1/s]

⋅

(

)

⋅

646

V ⋅

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

8. Dodać do momentów oporu ruchu M

moment klimatyzacji M i nanieść na

charakterystykę uniwersalną;

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

160

465

100

140

120

300

270
265

275

285

350

ge [g/KWh]

520

M [Nm]