Принцип работы и устройство автокондиционера

Погодными аномалиями сегодня никого не удивишь. Сообщения о температурных рекордах регистрируются в разных уголках планеты практически ежедневно. Жара становится обыденностью в широтах, которые всегда считались умеренными. В таких условиях многие граждане вынуждены минимизировать пребывание на открытом воздухе, где температура за 40º С становится нормой. Но что делать автомобилистам, ведь машина по своей природе является своеобразным парником? Выход – использование кондиционера, которым в последнее время оснащаются даже бюджетные модели.

Комфортный микроклимат

Интуитивно все мы примерно понимаем, какими должны быть температура и влажность, чтобы наше самочувствие не страдало. Между тем понятие комфортного микроклимата оперирует вполне определёнными характеристиками, основанными на многочисленных исследованиях. Оптимальные для человеческого организма условия – не константа, поскольку показатели температуры/влажности внутри салона зависят от внешних условий, а также длительности предстоящей поездки. Для одних людей оптимальным будет обдув прохладным воздухом верхней части тела, другие чувствуют себя намного лучше, если в первую очередь охлаждаются ноги.

Неблагоприятная среда сказывается и на безопасности: если водителю жарко, его скорость реакции и ясность мышления заметно снижаются. Многим нашим читателям будет интересно ознакомиться с таким документом, как сервисное пособие от Audi с описанием значений неблагоприятных условий для водителя и пассажиров, требующих включения кондиционера (которое один к одному совпадает с оценками специалистов Volkswagen):

• если снаружи температура воздуха опускается до -20º C;
• если при обеспечении воздухообмена в салоне на уровне 8 кг./минуту температура остаётся высокой (28º C и выше);
• при температуре снаружи более 35º C;
• если в салоне при воздухообмене 10 кг./минуту температура составляет от 23º C;
• когда температура в салоне – 10º C или ниже;
• если в салоне при воздухообмене 4 кг./минуту температура составляет 2/15º C.

Автомобили, которые оснащены только системой вентиляции (а таковыми является многочисленное семейство ВАЗов), летом оказываются бессильными перед изнуряющим зноем. Обеспечить достаточное охлаждение воздуха в салоне и избавить его от избыточной влажности в состоянии только кондиционер. Так что этот климатический прибор становится стандартом де-факто для практически всех конфигураций новых автомобилей.

История появления автомобильных кондиционеров

Повышение комфортности при езде на автомобиле – задача, которая стояла уже перед первыми их конструкторами. Многие направления, считавшиеся приоритетными, развивались достаточно активно, а вот с обеспечением нормального микроклимата у конструкторов долго не ладилось. Хотя идей хватало, но все они оказывались либо недостаточно эффективными, либо технически нереализуемыми. Можно вспомнить попытки охлаждения температуры в салоне с помощью льда, кубики которого хранились на специальном поддоне, установку дополнительных принудительных воздухозаборников или скрытых вентиляторов, монтаж сложных систем воздуховодов и другие технические решения, которые в итоге по тем или иным причинам не прижились.

Одной из первых более-менее удачных систем оказалось решение, которое использовалось на машинах Паккард в 1939 году. Именно в то время были изобретены системы охлаждения компрессорного типа, которые и легли в основу новой системы охлаждения. Конструктивно она оказалась очень сложной, а потому – ненадёжной. Чтобы привести её в действие, нужно было сначала остановиться, при выключенном двигателе подключить прообраз кондиционера, завести мотор, произвести манипуляции с настройкой силы и направления воздушного потока, подождать, пока автомобиль охладится, выключить систему охлаждения и только после этого продолжать движение.

Идея была заимствована, и по мере совершенствования технологий кондиционер становился всё более похожим на современный. В 1941 голу американская компания Кадиллак выпустила первую небольшую партию автомобилей, оснащённых системой кондиционирования, работавшей по той же схеме, что и сейчас. В 60-х годах количество установленных на легковые автомобили кондиционеров исчислялось уже тысячами, а в 80-х счёт пошёл на миллионы.

Связь самочувствия водителя и микроклимата в салоне

Вопросам обеспечения комфортных условий пребывания в автомобиле уделяют внимание все производители. По результатам многочисленных исследований установлено, что наиболее комфортными климатическими показателями для водителя/пассажиров является температура в диапазоне 18 – 20° С при уровне влажности 40 – 70%. Понижение температуры до 10 – 15° С приводит к переохлаждению организма и замедлению мыслительных и физиологических процессов. Повышение температуры до 25° С и выше приводит к повышенной утомляемости, снижению концентрации, появлению признаков сонливости. Дальнейшее повышение температуры до 30° С становится опасным – у водителя нарушается координация движений, реакция становится замедленной, способности адекватно оценивать дорожную обстановку резко снижаются.

Система вентиляции в принципе не способна контролировать микроклимат – в жаркую погоду при движении на малых скоростях (например, в городском потоке) она становится вообще бесполезной. Спасти может только кондиционер, поэтому водители, машины которых не оснащены современной системой кондиционирования, задумываются об её установке. Поскольку их транспортное средство не рассчитано на это, потребуются как минимум базовые знания о том, как устроен и работает это устройство.

Принцип работы автомобильного кондиционера

Основная функция автомобильной климатической системы – формирование и поддержание параметров влажности и температуры воздуха в салоне на уровне, комфортном для водителя и пассажиров. Кроме того, в задачи автокондиционера входят оптимизация и оптимальное распределение воздушных потоков, их фильтрация и по возможности – устранение неприятных запахов. Принципиальная схема функционирования автокондиционера один в один копирует принцип работы бытового холодильника.

Почему важно знать и понимать, как работает кондиционер в автомобиле? Обладая такими знаниями, владелец автомобиля может самостоятельно и вовремя диагностировать все возникающие неполадки в климатической системе, проводить необходимые регламентные работы по обслуживанию узлов и агрегатов системы кондиционирования (чистку, продувку, дезинфекцию), тем самым продлевая её жизнь.

Итак, автокондиционер представляет собой герметичную систему замкнутого типа, в которой в качестве хладагента используется газ, имеющий низкую температуру конденсации (в настоящее время для этих целей используют фреон). Система кондиционирования включает несколько основных узлов, а также множество дополнительных, расширяющих функционал кондиционера. Климатическая система работает по следующей схеме:

• в начальном сегменте контура под воздействием компрессора хладагент уплотняется, что приводит к увеличению температуры газа (см. законы термодинамики из школьного курса физики);
• под давлением горячий фреон выталкивается по системе трубопроводов в конденсор, где, подчиняясь тем же законам термодинамики, конденсируется, переходя в жидкое состояние;
• дальнейший путь жидкого фреона протекает через ресивер-осушитель, являющийся одновременно фильтром. Здесь хладагент очищается от мусора и по трубопроводам следует в направлении салона;
• проходя через расширительный клапан, фреон охлаждается и опять переходит в газообразное состояние;
• после терморегулирующего вентиля хладагент попадает в испаритель, который и является тем местом, где осуществляется полезная работа кондиционера. Здесь тёплый воздух из салона контактирует с очень холодными трубками, охлаждается и подаётся обратно в салон;
• после испарителя фреон подается на компрессор, замыкая тем самым цикл.

Участок системы кондиционирования от компрессора до расширительного клапана – это область высокого давления (рабочие показатели могут колебаться в пределах 5 – 30 бар). Участок от клапана до компрессора, проходящий через испаритель, является областью низкого давления, которое здесь не превышает значения в 4 атмосферы. Поскольку контур хладагента является полностью замкнутым, даже при заглушённом силовом агрегате фреон находится под давлением, которое в состоянии покоя равномерно распределяется по всему контуру до значения порядка 5 бар.

Безопасную и безаварийную работу системы кондиционирования обеспечивают различные датчики, которые при недостаточном/избыточном давлении или перегреве производят действия, направленные на приведение этих показателей в норму. Ознакомившись с тем, как работает автомобильный кондиционер, вы сможете не только самостоятельно диагностировать многие его неисправности, но и выполнять мелкий ремонт без необходимости посещать СТО.

Связка хладагент + масло

Когда мы называли в качестве используемого хладагента фреон, мы были одновременно и правы, и допустили неточность. Дело в том, что работы над поисками более совершенного, безопасного и эффективного хладагента не прекращаются. Самым распространённым в недалёком прошлом был фреон R12. Но в результате серии экспериментов и исследований было доказано, что он вносит весомый вклад в образование так называемого парникового эффекта, что способствует изменению климата в сторону потепления. Поэтому от его использования решили отказаться.

На замену R12 пришёл хладагент R134а, который считается более безопасным с точки зрения экологии. При этом его текучесть меньше, чем у предшественника, что снижает его общую эффективность примерно на 10 – 15%. Использование новой разновидности фреона заставило производителей внести определённые изменения в конструкцию автокондиционеров, которая усложнилась ещё больше.

Следует отметить, что R12 и R134а являются несовместимыми друг с другом, как и используемые совместно с ними компрессорные масла.

Учёные и исследователи активно работают над доведением до кондиций хладагента R744, который характеризуется ещё меньшей степенью влияния на экологию, но платой за это является необходимость поддерживать более высокий уровень рабочего давления, что ещё больше усложнит систему кондиционирования. Тем не менее, в среднесрочной перспективе ожидается массовый переход именно на этот хладагент.

До сих пор мы не упоминали, что фреон используется в связке со специальным компрессорным маслом, обеспечивающим смазку всех трущихся частей автокондиционера. Как уже отмечалось выше, для разных типов хладагентов используются разные масла. В частности, R12 смешивается с маслами на минеральной основе, в то время как смазку в системах, заправленных фреоном R134а, обеспечивают полиалкиленово-гликолевые масла. Добавление масла, предназначенного для одного типа хладагента, в неподходящий недопустимо – это неизбежно приведёт к поломке системы кондиционирования в силу неодинаковых физико-механических характеристик масел.

При выполнении всех видов ремонта и техобслуживания климатических систем не ошибиться при выборе заправочных материалов помогут информационные таблички (стикеры), расположенные обычно в моторном отсеке (иногда их дублируют и в салоне – на дверях или под приборной панелью). В них указывается тип масла и хладагента, задействованного в системе.

Обозначение может быть как буквенным, так и цветовым. Фреон R12 на цветовых схемах имеет жёлтый цвет, хладагент R134а – зелёный. На случай, когда информационные таблички отсутствуют, производители кондиционеров комплектуют их разными заправочными узлами. Такая «защита от дурака» просто не позволит заправить систему с фреоном R12 его антагонистом. Рассмотрим теперь устройство автомобильного кондиционера на примере его основных узлов.

Компрессор

Один из самых сложных узлов системы кондиционирования, обеспечивающий требуемый уровень сжатия хладагента, находящегося в газообразном состоянии. В настоящее время наибольшее распространение получили компрессоры аксиально-поршневого и роторно-лопастного типа. Источником энергии для компрессора является двигатель автомобиля. Связь между компрессором и силовым агрегатом осуществляется с помощью шика, приводных ремней, электромагнитной муфты и приводного диска компрессора.

При включении кондиционера питание подаётся на электромагнитную муфту, которая вступает в зацепление с валом компресса, приводя его в движение. Выключение системы кондиционирования выполняет обратную задачу – муфта выходит из зацепления, шкив продолжает вращаться, но компрессор при этом не работает.

Конденсор

Самый большой по габаритам узел, обеспечивающий быстрое охлаждение фреона. Представляет собой змеевик, по которому протекает горячий и сжатый фреон. Большая протяжённость трубок, а также помощь одного или нескольких вентиляторов и набегающий при движении транспортного средства встречный поток воздуха способствуют охлаждению хладагента на выходе конденсора, где он из газообразного состояния из-за остывания переходит в жидкое. Это самый уязвимый узел кондиционера – расположенный спереди, он больше других подвержен риску получения различных механических повреждений. К тому же именно здесь обычно начинается распространение коррозии.

Ресивер-осушитель

Эта деталь климатической системы является фильтровальным узлом, где происходит очистка фреона от целого спектра амортизационных загрязнителей, неизбежно появляющихся в любом механизме (грязь, песок, мелкая металлическая стружка, различные примеси). Обычно конструкция ресивера-осушителя предполагает наличие специального смотрового прозрачного лючка, через который можно визуально оценить как объём хладагента в системе, так и его состояние. В частности, появление мутной взвеси молочно-белого цвета вместо прозрачной жидкости свидетельствует о существенной утечке фреона или о возникновении других проблем с кондиционером, требующих незамедлительного реагирования.

Терморегулирующий вентиль

Второе распространённое название узла – расширительный клапан. Представляет собой температурный регулятор, назначение которого – контролировать и изменять в случае необходимости скорость движения хладагента по магистрали, тем самым регулируя объём его подачи в испаритель. Входит в число самых важных элементов климатической системы, поскольку от его работы зависит соблюдение требуемого температурного режима в контуре.

Испаритель

По внешнему виду не сильно отличается от конденсора. Представляя собой змеевик из трубок, по которым протекает сильно охлаждённый (практически ледяной на ощупь) хладагент. Именно здесь происходит формирование потока охлаждённого воздуха, поступающего из салона и под действием вентилятора подающегося обратно, но уже в осушенном виде, с заданной температурой и скоростью. Можно утверждать, что принцип работы кондиционера автомобиля заключается именно в охлаждении тёплого воздуха из салона, что и происходит в испарителе.

Редукционный клапан

Устройство для аварийного стравливания чрезмерного (критичного) давления в патрубках. Обычно срабатывает, если уровень давления в системе превышает 32 атмосферы.

Датчик высокого давления

Штатное устройство, контролирующее уровень давления в магистрали и срабатывающее, когда оно превышает заданный критический порог (30 атмосфер). В случае выхода из строя датчика его функции берёт на себя редукционный клапан.

Датчик низкого давления

Его задача – противоположная: следить, чтобы уровень давления в системе не падал ниже 2 атмосфер, а если такое случается – отключает компрессор. В противном случае вероятность его заклинивания возрастает по мере нехватки смазки.

Дополнительные датчики

Современные модели климатических систем комплектуются интеллектуальной электроникой и датчиками, позволяющими собирать дополнительную информацию о работе кондиционера, улучшая эффективность его использования. Например, передавая данные о температуре нагрева корпуса компрессора, о попадании в салон прямых солнечных лучей и т. д.

Правила эксплуатация автокондиционера

Продлить жизнь устройству, которое незаменимо в жаркое время года, достаточно просто. Приводим список рекомендаций, который позволит вам максимально отложить момент, когда вам придётся заниматься ремонтом этой сложной техники:

1. Если на улице – жара, перед включением системы кондиционирования желательно открыть все 4 двери автомобиля, создавая благоприятные условия для полного проветривания салона. 3 – 5 минут достаточно, чтобы продолжить движение с включённым кондиционером.
2. Никогда не опускайте стёкол при включенном автокондиционере (это касается и верхнего люка при его наличии, и дверей автомобиля). Дело в том, что поток встречного воздуха, попадая в салон, существенно снижает эффективность кондиционирования, заставляя кондиционер работать на полную мощность, увеличивая износ его деталей. Кроме уменьшения ресурса климатической системы, вы столкнётесь и с повышенным расходом топлива.
3. Если по уважительным причинам автомобиль длительное время простаивает, или внешние условия не предполагают использования системы кондиционирования, следует еженедельно включать кондиционер, давая ему возможность поработать на протяжении 8 – 10 минут. Это необходимо для заполнения маслом всех деталей устройства – в противном случае металлические детали автокондиционера начнут корродировать, а эластичные прокладки – разрушаться.