Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK) ist die Technologie für Raum- und Fahrzeugklimakomfort. HVAC erleichtert das angenehme Klima in der Kabine bei der Verwaltung durch den Grad der Schärfe / Kühle zu steuern.
Es gab Zeiten, in denen eine Klimaanlage in einem Auto als eines der großen Merkmale angesehen wurde, aber heute sind Klimaanlagen selbst in Einstiegsfahrzeugen zur Standardausstattung geworden. Der Wunsch nach noch mehr Komfort und Luxus hat zur Entwicklung der Klimatisierung in einem Automobil geführt. Der Hauptzweck der automatischen Klimatisierung besteht darin, die Temperatur eines bestimmten Bereichs für den Komfort der Passagiere an Bord zu steuern.
HVAC wurde erstmals in den frühen 1960er Jahren in Automobilen eingeführt und ist heute in den meisten High-End-Fahrzeugen verfügbar. Es ist ein komplexes System bestehend aus mechanischen/elektronischen Schaltern oder Knöpfen im Frontend. Das Backend des Systems besteht aus einem oder mehreren Gebläsemotoren, Stellantrieben (zur Frischluftzirkulationssteuerung, Luftstromsteuerung und Temperaturregelung) und einer Kühleinheit, die mit vielen Kanälen gekoppelt ist, durch die Luft in die Kabine geleitet wird.
Das Grundprinzip hinter dem Betrieb der HVAC-Einheit ist Leitung und Konvektion. Aufgrund der Druckdifferenz wird im Fahrzeug Wärme von einem Niedertemperaturbereich in einen Hochtemperaturbereich übertragen. Dieser Prozess der Wärmeübertragung wird als Kühlung bezeichnet . Abbildung 1 zeigt das Zyklusdiagramm des gesamten Kühlprozesses.
Eine Klimaanlage besteht aus fünf Hauptkomponenten:
- Verdampfer
- Kompressor
- Kondensator
- Empfänger / Trockner
- Expansionsvorrichtung
Die fünf Hauptkomponenten sind in zwei Druckbereiche unterteilt: Die Hochdruckseite ist die Kondensator- und Empfänger- /Trocknereinheit, und die Niederdruckseite ist die Luftkammer konditionierungsverdampfer. Die Trennstelle zwischen Hoch- und Niederdruck schneidet durch den Kompressor und das Expansionsventil.
Im folgenden Abschnitt werden die einzelnen Teile des HLK-Systems ausführlich erläutert (siehe Abbildung 2).
Verdampfer
Ein Verdampfer ist ein Wärmeaustauschgerät im Kältekreislauf. Das flüssige Kältemittel, das aus dem Expansionswert austritt und in den Verdampfer eintritt, hat eine niedrigere Temperatur und einen niedrigeren Druck.
Beim Durchgang durch die Verdampferschlangen nimmt das Kältemittel die Wärme aus der Luft auf, die durch die Spulen geblasen wird, und wird in Niedertemperatur-Niederdruckdampf umgewandelt. Das flüssige Kühlmittel wird gemacht, um von der Unterseite zur Spitze der Verdampferschlangen zu fließen, um zu garantieren, dass flüssiges Kühlmittel kocht, bevor es die Verdampferschlangen verlässt.
Die Aufgaben des Verdampfers lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Wärmeaufnahme
- Kochen des gesamten Kältemittels zu Dämpfen
Die vom Gebläse geblasene Luft wird wiederum kühler, überträgt die Wärme und wird durch die Lüftungsschlitze in die Kabine geleitet.
Da der Klimaanlagenverdampfer die Kühlung durch Absorption der Wärme aus dem umgebenden Medium liefert, könnte er einen doppelten Zweck erfüllen, wenn er sehr nahe am Armaturenbrett des Fahrzeugs platziert wird. Es absorbiert die Wärme aus der Luft, die durch es geleitet wird, und absorbiert auch Wärme aus dem Fahrzeuginneren, um die erforderliche Temperatur aufrechtzuerhalten.
Kompressor
Der Klimakompressor ist als Herzstück der zentralen Klimaanlagen bekannt. Der Kompressor absorbiert Dampfkühlmittel von der Saugleitung und komprimiert die Dämpfe zu hohem Überhitzungsdampf. Die Temperatur des Dampfes ist normalerweise zweieinhalb Mal höher als die Temperatur der Außenluft.
Da Wärme immer von heiß nach kalt fließt, muss das Kältemittel viel heißer sein als die Außenluft, um Wärme aus dem System ableiten zu können. Wenn das Kältemittel über den Kompressor fließt, entfernt es auch Kompressionswärme, Motorwicklungswärme, mechanische Reibung und andere in der Saugleitung absorbierte Wärme. Eine weitere wichtige Aufgabe des Klimakompressors besteht darin, den Kältemittelfluss im System zu erzeugen.
Die vom Kompressor ausgeführten Aufgaben lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Überhitzen
- Latente Wärme entfernen oder (kondensieren)
- Mehr fühlbare Wärme entfernen oder (unterkühlen)
- Kältemittelfluss erzeugen
Kondensator
Der heiße Hochdruckdampf macht seinen nächsten Halt an der Kondensationsspirale. Der Kondensator ist genau wie der Verdampfer – es ist ein Wärmetauscher. Innerhalb der Verflüssigungsschlange fließt das Kältemittel von oben nach unten.
Da das Kältemittel eine viel höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur hat, kühlt es sich beim Durchgang durch die Spule ab. Wenn das Überhitzungskühlmittel das untere Drittel der Spule erreicht, kühlt es genug ab, um sich wieder in eine Flüssigkeit zu verwandeln. Dieser Vorgang wird als Unterkühlung bezeichnet.
Da das Kältemittel durch Abgabe der Wärme zu flüssiger Form kondensiert, wird die Außentemperatur des Kupferrohrs sehr hoch und mit Hilfe des Gebläses/Kühlerlüfters wird Wärme aus dem System geblasen. Diese erwärmte Luft in einigen Fahrzeugen wird die Quelle der warmen Luft in kühleren Klimabedingungen.
Die Platzierung des Kondensators ist auch wichtig für eine bessere Effizienz, da er sehr heiß ist, sodass die maximale Oberfläche einer schnelleren Kühlung ausgesetzt werden muss.
Trockner / Empfänger
Trockner / Empfänger befinden sich im Hochdruckbereich des Systems, normalerweise in der Rohrleitung zwischen dem Kondensatorauslass und dem Einlass des Expansionsventils, obwohl einige direkt an den Kondensator angeschlossen werden können.
Der Trockner /Empfänger dient drei sehr wichtigen Funktionen:
- Sie dienen als Vorratsbehälter für zusätzliches Kältemittel in Zeiten geringen Kühlbedarfs. Dies ist die Funktion „Empfänger“ des Empfängers / Trockners.
- Sie enthalten einen Filter, der Verunreinigungen in der Klimaanlage einfangen kann.
- Der Trockner/Empfänger enthält ein Material, das als Trockenmittel bezeichnet wird. Es wird verwendet, um Feuchtigkeit (Wasser) zu absorbieren, die während der Herstellung, Montage oder Wartung in das Klimasystem gelangt sein kann. Dies ist die Funktion „Trockner“ des Trockners / Empfängers.
Expansionsvorrichtung
Die Expansionsvorrichtung ist erforderlich, um die Druckdifferenz für flüssiges Kältemittel zu erzeugen, um in Gas abzukochen. Die Expansionsvorrichtung erzeugt einen Druckabfall, indem sie den Kältemittelfluss um das System herum begrenzt.
Die Verlangsamung des Kältemittelflusses bewirkt, dass der Kompressor eine Seite des Systems teilweise evakuiert. Diese Niederdrucklücke wird als „Saugseite“ oder „Unterseite“ des Systems bezeichnet.
Automatische Klimaregelung
Automatische Klimaregelung ist die Fähigkeit, die Temperatur eines bestimmten Raums ohne manuellen Eingriff zu überwachen und zu steuern. Die Fahrzeuginsassen geben die erforderliche Kabinentemperatur und Luftfeuchtigkeit an. Diese Werte werden von der Klimaregelung als Eingabe übernommen und steuern Temperatur und Luftfeuchtigkeit elektronisch und halten sie auf benutzerdefinierten Werten. Dadurch entfällt die menschliche Anstrengung, die Kabinentemperatur durch Ein- / Ausschalten der Klimaanlage oder durch Verschieben der Wärmer- oder Kühlersteuerung zu regulieren.
Die Mechanik der automatisierten Klimatisierung erfordert, dass Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren in der Kabine platziert werden. Diese Sensoren lesen kontinuierlich die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte des Bereichs aus und geben sie an den Mikrocontroller (MCU) weiter. Diese Messwerte werden dann von der MCU mit der von den Insassen definierten Einstellung verglichen und die Heizung / Kühlung wird entsprechend angepasst (siehe Abbildung 3).
Es gab eine Zeit, in der jeder, der in einem Fahrzeug fuhr, sich auf eine einzige Temperatureinstellung einigen musste – einige fühlten sich eiskalt, während andere schwitzten. Fortschritte in der automatischen Klimatisierung in Automobilen haben sich zu einer Zonenklimatisierung entwickelt. Bei dieser Art der Implementierung kann jeder Insasse die Temperatur des Sitzbereichs, in dem er sitzt, einstellen.
Jeder Bereich innerhalb der definierten Zonen verfügt über einen separaten Temperatursensor, der die aktuelle Temperatur des angegebenen Bereichs abliest. Jede Temperatursensordatei wird mit der für die jeweilige Zone definierten Temperatureinstellung verglichen und die entsprechende Kühl- oder Erwärmungsaktion eingeleitet.
Zu einer Klimaautomatik gehört auch ein Computer, der das gesamte Luftsystem im Abteil regelt. Dies wird durch die Regelung der Lüfterdrehzahl, des Eingriffs des Klimakompressors und der Gesamtlufttemperatur erreicht, die in das Abteil ausgezahlt wird. Typischerweise sind diese Prozesse in das gesamte Computersystem moderner Automobile integriert.
Jeder Hersteller hat seine eigene Methode, um das perfekte Klima für einzelne Passagiere zu liefern; sie alle sind jedoch auf bestimmte ähnliche Komponenten angewiesen, wie zusätzliche Steuerelemente in der HLK–Steuereinheit des Fahrers, eine zusätzliche HLK-Steuereinheit im hinteren Sitzbereich, individuelle Temperatursensoren für jede Zone, viele zusätzliche versteckte Kanäle, um die Luft dorthin zu bringen, wo sie benötigt wird, und zusätzliche Lüftungsöffnungen – viele, viele zusätzliche Lüftungsöffnungen. Zum Beispiel hat der Lexus LX570 28 davon.
Über die Autoren
Nitin Gupta ist Senior Application Engineer mit Erfahrung im Bereich Embedded Software Entwicklung für digitale Multimedia – sowohl Consumer als auch Automotive.