Klimaatbeheersing (6) E. Gernaat (ISBN 978-90-808907-6-3) Uitgave 2016 1 Regeling en beveiliging 1.1 Het expansieventiel Bij de beschrijving van de airco-systemen zijn het capillair als een expansieventiel met vaste vernauwing en het thermostatisch geregelde expansieventiel met meetbalg reeds ter sprake gekomen. Thermostatisch geregelde expansieventielen zijn er echter in verschillende uitvoeringen. We onderscheiden: thermostatisch geregelde expansieventielen met afstandssensor (remote bulb-control). Weer onder te verdelen in: met interne drukvereffening met externe drukvereffening thermostatisch geregelde expansieventielen zonder afstandssensor (blokventiel). Weer onder te verdelen in: met extern membraan met intern membraan 1.2 Het thermostatisch expansieventiel met afstandssensor 1.2.1 Systeem met interne drukvereffening Het thermostatisch expansieventiel bestaat uit het meetgedeelte, de sensor of bulb, die met een dunne leiding verbonden is met het eigenlijke expansieventiel (fig. 1). Het meetgedeelte is gevuld met gas en bevindt zich bij de uitgang van de verdamper. Wanneer de temperatuur aan de uitgang van de verdamper oploopt omdat er te weinig koudemiddel passeert dan zet het gas zet uit waardoor de druk omhoog gaat. De stift drukt dan de kogel vrij waardoor meer koudemiddel de verdamper binnenstroomt en de temperatuur aan de uitgang weer daalt. De kogel wordt vrij gedrukt omdat op een zeker moment de kracht op het membraan vanuit de sensor Fs groter wordt dan de som van veerkracht Fv en de druk (kracht Fk) van het koudemiddel aan de inlaatzijde van de verdamper. Wanneer de temperatuur na de verdamper te laag wordt dan gebeurt het omgekeerde. De veerkracht drukt de kogel weer op de zitting, de doorlaat vernauwd en de stroom van het koudemiddel wordt weer minder. De TEV-klep 1
Figuur 1: Thermostatisch expansieventiel met afstands-sensor (onder) en de plaats van het expansieventiel (TEV) in het systeem (boven). Tek. Delphi Diavia 2
houdt dus de temperatuur van het koudemiddel constant. De doseerfunctie van de TEV-klep betreft uitsluitend vloeistof. Let wel: Het thermostatisch expansieventiel meet de temperatuur en zet deze om in druk. De druk doet het ventiel openen. 1.2.2 Het systeem met externe drukvereffening Drukvereffening heeft te maken met de druk onder het membraan. Is de ruimte onder het membraan verbonden met de inlaatzijde van de verdamper dan hebben we geen rekening gehouden met het drukverlies dat in de verdamper optreedt. Immers de temperatuurmeting geschiedt aan de uitlaatzijde van de verdamper terwijl de regeling aan de inlaatzijde plaatsvindt. Wanneer het drukverlies de 0,2 bar overschrijdt dan wordt aanbevolen om gebruik te maken van een expansieventiel met externe drukvereffening. Wanneer de ruimte onder de membraan doorverbonden wordt met de uitlaatzijde van de verdamper dan is het drukverlies gecompenseerd. Externe drukvereffening wordt meestal toegepast bij grotere systemen. Uiterlijk zijn dergelijke expansieventielen te herkennen aan twee leidingen (fig. 2). 1.3 Het blokventiel 1.3.1 Uitvoering met extern regelmembraan Het blokventiel is gemonteerd tegen de in- en uitlaatleiding van de verdamper (fig. 3). De inlaatleiding ligt bij de verdamper dan noodzakelijkerwijze naast de uitlaatleiding. Linksonder in het blokventiel komt het koudemiddel in vloeistofvorm vanaf de filter/droger (condensor) binnen en passeert de kogelklep op weg naar de verdamper. Aan de bovenzijde stroomt het koudemiddel in gasvorm vanaf de uitlaatzijde van de verdamper het blokventiel binnen. Boven het membraan bevindt zich een afgepaste hoeveelheid gas (koudemiddel). Het gas zal de temperatuur van het uit de verdamper uitstromende gas aannemen. Wanneer de temperatuur stijgt zal de drukstijging die daar het gevolg van is de stift naar beneden duwen waardoor de doorstroomopening in de aanvoerleiding vergroot. Meer koudemiddel kan de verdamper binnenstromen en de temperatuur daalt. In omgekeerde situatie zal de kogelklep sluiten en minder koudemiddel komt de verdamper binnen waardoor de temperatuur stijgt. De regeling is in principe gelijk aan de eerder behandelde ventielen. 1.3.2 Uitvoering met intern regelmembraan Er worden ook blokventielen gemonteerd met interne regelmembranen (fig. 4). Een thermokop met koudemiddel bevindt zich in het blokventiel aan de uitlaatzijde van de verdamper. Het koudemiddel in de thermokop neemt de temperatuur aan van het koudemiddel dat de verdamper verlaat. Bij een hoge 3
Figuur 2: Thermostatisch expansieventiel met externe drukvereffening (onder) en de plaats van het expansieventiel (TEV) in het systeem (boven) (tek: Delphi Diavia). 4
Figuur 3: Plaatsing en doorsnede van het blokventiel met extern regelmembraan (tek. Delphi Diavia). 5
temperatuur zet het koudemiddel uit waardoor het membraan van de capsule de stang naar beneden drukt en de kogel-opening vergroot (fig. a). Omgekeerd zal een lagere temperatuur het membraan omhoog laten gaan waardoor de opening kleiner wordt (fig. b). De regeling is identiek aan de overige ventielen. Figuur 4: Doorsnede van het blokventiel met intern regelmembraan. a) temperatuur hoog, opening vergroot. b) temperatuur laag, opening verkleint. 1.3.3 Instelling van een expansieventiel De instelling van een expansieventiel is in overeenstemming met de grootte en opbouw van de installatie en het type koudemiddel en geschiedt door de fabrikant. In airco-systemen die gebruik maken van een compressor met variabel slagvolume mag de opening nooit geheel worden afgesloten. Een geringe koudemiddelstroom blijft nodig voor de smering van de compressor. 2 De midden-, hoge- en lagedrukschakelaar (pressostaat) Om de motor en het airco-systeem te beschermen tegen mogelijke overdruk en oververhitting is het systeem uitgerust met temperatuur- en drukcontroleapparatuur. Zo kunnen ook defecten tijdig worden gesignaleerd en beschadigingen worden voorkomen. De meest bekende veiligheidsschakelaar is ongetwijfeld de gecombineerde drukschakelaar of pressostaat genoemd (fig. 5). Deze drukschakelaar bevindt zich in het hogedrukcircuit meestal in de buurt van of op de filter/droger. Een gecombineerde schakelaar beveiligt het systeem tegen een te hoge en een te lage druk. Een regelende drukschakelaar schakelt de koelventilator naar een hogere snelheid (of schakelt een tweede erbij in) wanneer de druk in het systeem hoger wordt dan 16 bar (R134a). Hierdoor gaat de 6
temperatuur van het koudemiddel naar beneden en derhalve de druk. De ventilator wordt dan weer uitgeschakeld bij een druk van bijv. 14 bar. Wanneer de druk onder de 2 bar komt dan wordt de compressor uitgeschakeld (lagedrukbeveiliging). Dit geschiedt ook wanneer de druk te hoog oploopt en boven de 30 bar komt (hogedruk-beveiliging). Men spreekt ook wel van een lage-, middenen hogedrukschakelaar. Vandaar wel de naam trinary. Een twee-functie schakelaar (min-max) is voldoende wanneer de auto niet is uitgerust met een elektrische ventilator. Men spreekt dan van een binary. Het werkingsprincipe van deze mechanisch werkende schakelaar berust op een veerbelaste membraan. 2 4 pressostaat filter/droger 1 VAG 3 Figuur 5: De drukschakelaar, pressostaat of trinary. Uitvoeringen en plaatsing. Tussen de aansluitingen 1-2 bevindt zich de lage- en hogedrukschakelaar, tussen de aansluitingen 3 en 4 bevindt zich de middendrukschakelaar. 3 De druksensor De werking van de gecombineerde drukschakelaar wordt momenteel meer en meer overgenomen door een elektronische druksensor. Deze intelligente sensoren berusten op het piëzo-effect en zetten de druk rechtstreeks om in een PWM of analoog signaal dat dan naar de airco-computer wordt gestuurd (fig. 6). Afhankelijk van de gemeten druk kunnen dan beveiligings- of regelingsmaatregelen worden getroffen. Vooral in combinatie met variabele compressoren met externe regeling zijn deze druksensoren populair. Er wordt dan gebruik gemaakt van een airco-computer om het koelproces te regelen en te beveiligen. 4 Vorstbeveiliger De vorstbeveiligings-schakelaar schakelt de compressor uit wanneer de temperatuur van de verdamper lager wordt dan de ingestelde temperatuur van ongeveer 2 o C. Deze schakelaar wordt meestal alleen gemonteerd op auto s met 7
druksensor uitgaand signaal 3 2 1 20 ms druk 1,4 bar +12V oscilloscoop druk 37 bar Figuur 6: Een intelligente druksensor zet de gemeten druk rechtstreeks om in een PWM-signaal. Figuur 7: Een vorstbeveiliger voorkomt bevriezen van de verdamper door de compressor bij een bepaalde temperatuur uit te schakelen (bron: Delphi Diavia). 8
vaste compressor (fig. 7). De meetkop(temperatuursensor) bevindt zich in de verdamper. De druk in de balg variëert dan overeenkomstig de temperatuur in de verdamper. Een lagere temperatuur geeft een lagere druk. Wanneer de druk zakt en de veerdruk overwonnen wordt dan openen de contacten en wordt de compressor uitgeschakeld. De temperatuur stijgt en derhalve de druk waardoor de compressor weer wordt ingeschakeld. Het verschil tussen de in- en uitschakeltemperatuur bedraagt ongeveer 3 o C. Aangezien de vorstbeveiliger het bevriezen van de verdamper voorkomt wordt deze ook nog weleens een antiijsschakelaar genoemd. Ook werden wel instelbare constructies als thermostaat toegepast. Het in te stellen bereik van een thermostaat ligt dan meestal tussen de +2 en +16 o C. Bij computergestuurde airco-installaties is deze vorstbeveiliger vervangen door een NTC-temperatuursensor. 5 Koelvloeistoftemperatuur-schakelaar Deze schakelaar bijv. is gemonteerd op de motor of in de koelslangen en voorkomt oververhitting van de motor (fig. 8). Wanneer de koelvloeistof bijv. boven de 119 o C komt wordt de compressor uitgeschakeld. De compressor wordt weer ingeschakeld wanneer de temperatuur onder de 112 o C komt. Ook kunnen dergelijke schakelaars worden gebruikt om de koelventilatoren van de motor aan te sturen. Ze zijn dan meestal in de radiator gemonteerd. Figuur 8: Dubbel uitgevoerde koelvloeistoftemperatuur-schakelaar. Eén voor de airco, de andere voor het motormanagementsysteem (Seat). 6 Temperatuursensoren Bij de computergestuurde airco-installaties zal men minder met schakelaars en meer met sensoren werken. Temperatuursensoren kan men dan op verschillende plaatsen aantreffen. Minimaal gaat het om een binnen- en buitentemperatuursensor. In de meeste gevallen betreft het NTC-weerstanden (fig. 9). Ook 9
werden wel buitentemperatuurschakelaars toegepast. Deze schakelaar schakelden de compressor uit wanneer de buitenluchttemperatuur onder de 2 o C kwam. Zo werd ijsvorming voorkomen. Figuur 9: Temperatuursensoren bestaat meestal uit NTC-weerstanden (Seat). 7 Zonnesensoren Wanneer auto s zijn uitgevoerd met zgn. klimaatregel-systemen dan treffen we daar ook vaak zonnesensoren aan. Deze registreren de hoeveelheid licht waaraan de inzittenden worden blootgesteld. Zo n zonnesensor bestaat uit lichtgevoelige dioden die zowel de lichtintensiteit als lichtinvalshoek bepalen. Zo n zonne-element bestaat uit: een donker kunststoffilter dat alleen zonlicht doorlaat; optische lenzen onderverdeeld in twee kamers; twee lichtgevoelige dioden. Het signaal wordt gebruikt om de luchtkleppen links en rechts alsmede de ventilatorsnelheid te regelen. Fig. 10 laat het symbool zien van een dergelijke zonnesensor die door Seat op zijn Climatronic-modellen wordt gebruikt. Zonnesensoren/lichtsensoren en regensensoren werken volgens hetzelfde prin- G107 Figuur 10: Symbool van een zonnesensor zoals door Seat in de Climatronic schema s wordt gebruikt. cipe. Vaak zijn deze sensoren gecombineerd en bevinden zich in dezelfde behuizing. De communicatie vindt vaak plaats met behulp van een LIN-bus. 10
8 Hogedruk-ontlastklep De hogedrukontlastklep bevindt zich in de meeste gevallen op de compressor en opent bij een druk van ongeveer 39 bar (fig. 11). Een dergelijke klep kan ook op het pop out principe berusten. Deze laatste wordt ook wel een smelt prop genoemd. Ook treft men wel een toerentalsensor op de compressor aan. In vergelijking met het motortoerental kan dan de slip van de riem worden bepaald. Figuur 11: Hogedruk-ontlastklep gemonteerd op de compressor. 9 Dempers Soms treft men op een airco-installatie een demper aan. Dit is een rond metalen reservoir dat tussen de hoge- en lagedruk kant van de compressor is gemonteerd. Ook bestaat de mogelijkheid om deze aan het einde van een leiding of direct op de compressor aan te sluiten. Dempers effenen de drukverschillen en worden hoofdzakelijk gemonteerd wanneer men hinder van het geruis ondervindt. Fig. 12 laat een uitvoeringen van een demper zien met een serviceaansluiting. 10 Service-ventielen Service-ventielen worden gebruikt voor het vullen, legen, onderhouden of controleren van het systeem. Het gaat dan om zgn. Schräder-ventielen die veel lijken op het klassieke bandventiel. Een airco-installatie bezit normaal gesproken twee serviceventielen, één op de lage- en één op de hogedrukzijde. Bij voorkeur zo dicht mogelijk bij de compressor. De serviceventielen van de R12, 11
Figuur 12: Demper met serviceventiel (tek. Delphi Diavia). R134a en R1234yf systemen zijn verschillend. De ventielen voor het hoge- en lagedruk gedeelte verschillen. De afmetingen (R134a) zijn overeenkomstig fig. 13. Servicegereedschappen bezitten snelkoppelingen waarmee men het verlies aan koudemiddel tijdens het aan- en afkoppelen tot een minimum terugbrengt. Figuur 13: Service ventielen. Links: voor de hogedrukkant, rechts: voor de lagedruk-kant (tek. Delphi Diavia). 11 Elektrische airconditioning circuits 11.0.4 Schema met mechanische componenten Fig. 14 geeft het elektrisch circuit weer van een eenvoudige door een regelunit geregelde airco-installatie met in hoofdzaak mechanische componenten. We zien dat bij het inschakelen van de installatie door de schakelaar (E35) het relais (J32) en de (condensor)ventilator V7 via de weerstand ingeschakeld worden. Wanneer alle in serie geplaatste schakelaars F129 (P2), F38, F70 en E33 gesloten zijn zal ook de compressor worden ingeschakeld en het koelproces beginnen. Wordt de druk te hoog dan schakelt in eerste instantie de middendrukschakelaar de ventilator (V7) in de hoogste stand. Alle beveiligingsschakelaars zijn in serie geschakeld en schakelen de compressor uit wanneer ten minste één schakelaar opent. 12
30 15 31 30 15 31 E35 J32 F129 middendruk p1 p2 hogedruk/lagedruk F38 S regelunit J138 F70 M V7 N25 E33 31 E35 aircoschakelaar F129 drukschakelaar P1 16 bar P2 2/32 bar J32 relais airco S zekering N25 koppeling kompressor V7 ventilator E33 vorstbeveiliging verdamper F70 koelwater temp.schakelaar F38 buitentemperatuurschakelaar J139 airco regelunit Figuur 14: Het eenvoudige elektrische schema van een airco-installatie met in hoofdzaak mechanische componenten. 13
11.0.5 Schema met sensoren Een wat moderner schema toont ons fig. 15. Bij het aanzetten van de airco (schakelaar E35) wordt het relais J32 bekrachtigd. De condensor-ventilator gaat draaien in de laagste snelheid en de airco-computer J301 ontvangt een plus waardoor de magneetkoppeling van de compressor N25 onder voorwaarden bekrachtigd wordt. De thermoschakelaar F18 houdt alleen rekening met de koeling van de motor. Afhankelijk van de motorkoeltemperatuur zal F18 de ventilator V7 in de laagste of hoogste stand zetten. De middendrukschakelaar P1 van de pressostaat F129 zorgt ervoor dat wanneer de druk boven de 16 bar komt de ventilator V7 naar zijn hoogste draaistand gaat. In geval van een te lage of een te hoge druk (P2 van F129) wordt de compressorkoppeling niet meer bekrachtigd. G153 registreert de temperatuur van de verdamper. Bij een temperatuur van ongeveer 1 o C wordt de compressor uitgeschakeld en voorkomt zo ijsvorming van de verdamper. De airco-computer is tevens verbonden met de motormanagement-computer. Hierdoor kan het motormanagement beslissen of de airco-compressor moet worden uitgeschakeld. Dit is het geval wanneer de motortemperatuursensor G62 een te hoge koelvloeistoftemperatuur registreert. De regeling van de kachel/verdamperventilator is hier niet afgebeeld. 11.0.6 Schema met extern geregelde compressor Het schema van fig. 16 toont ons een moderne aircoinstallatie met een koppelingsloze compressor met externe regeling die al dicht tegen een klimaatregeling aanzit. Bekijken we het elektrische schema dan genereert de regeleenheid J301 het signaal nodig voor de aansturing van de compressormagneetklep N280. De regeleenheid heeft hiervoor de volgende signalen nodig: het signaal van de druksensor G65; het temperatuursensorsignaal aan de uitgangszijde van de verdamper G263; de informatie over de door de bestuurder ingestelde temperatuur; het activeringssignaal via de drukknop voor de compressor. Op basis van deze informatie berekent de eenheid het PWM-aanstuursignaal van de compressor-magneetklep. Het deactiveren van de compressor vindt plaats door de de duty-cycle te reduceren tot 2%. De ventilatoren worden geactiveerd via de koelmiddelventilator-regeleenheid J293. De eenheid maakt hierbij gebruik van de volgende signalen: Het signaal van de airco-regeleenheid. Stand 1 wordt gekozen wanneer de compressor meer dan 2% vermogen levert. Stand 2 wordt gekozen zodra de aircodruk hoger wordt dan 16 bar. Het signaal van de thermische schakelaar F18. Stand 1 wordt gekozen zodra het koelwater een temperatuur bereikt van 95 o C. Stand 2 wordt gekozen zodra de temperatuur hoger wordt dan 105 o C. 14
30 15 31 30 15 31 J257 E35 S2 S1a S20 15A J257 10A 30A J 301 J32 T1 T2 F18 G153 N25 G62 F129 M p1 p2 V7 J101 E35 aircoschakelaar F18 thermoschakelaar ventilator T1 95 graden C T2 103 graden C F129 drukschakelaar P1 16 bar P2 2/32 bar G62 sensor koelvloeistoftemperatuur G153 sensor verdampertemperatuur J32 relais airco Sx zekering J101 relais 2e stand ventilator J257 motormanagement computer J301 airco computer N25 koppeling kompressor V7 ventilator Figuur 15: Het modernere elektrische schema van een airco-installatie met sensoren. 15
Airconditioning systeem Seat Ibiza, compressor met externe regeling zonder magneetkoppeling 30 15 G22 T16 k G C E20 G17 M V2 J519 G65 CAN CAN J126 J285 J301 A A3 A5 A4 C12 C15 C7 A10 A9 CAN Jxxx V42 M G56 B2 B1 B16 B14 B4 B3 B17 B5 B12 B11 B13 C13 C4 C8 C9 F18 N280 M V68 G92 M V113 G143 G263 G192 G191 J293 V7 M V35 M 31 E20 verlichtingsregelaar F18 thermostaatschakelaar ventilatoren G17 omgevingstemperatuursensor G22 snelheidssensor G56 temperatuursensor interieur G65 elektronische druksensor G92 potmeter temperatuurregelklep G143 potmeter regelklepluchtcirculatie G191 temperatuursensor centrale luchtmond G192 temperatuursensor beenruimte G263 temperatuursensor uitgangszijde verdamper J126 toerentalregeling aanjager J285 instrumentenpaneel J293 regeleenheid ventilatoren J301 regeleenheid airconditioning J519 boordcomputer Jxxx motorregeleenheid N280 regelelektronica compressor T16 diagnoseconnector V2 aanjaagmotor V7 koelmiddelventilator V35 koelmiddelventilator V42 minimotor temperatuursensor interieur V68 motor voor temperatuurregelklep V113 motor voor recirculatiekleppen Figuur 16: Het elektrische schema van een airco-installatie met extern geregelde compressor zonder koppeling (Seat Ibiza). 16
Voor het regelen van de temperatuur wordt gebruik gemaakt van de stelmotor V68 die een klep aanstuurt waardoor gekoelde lucht met warme lucht wordt gemengd. Voor de temperatuurregeling heeft het aircosysteem nog informatie nodig van de volgende sensoren: de omgevingstemperatuursensor G17; temperatuursensor centrale luchtmond G191; temperatuursensor beenruimte G192; temperatuursensor interieur G56; temperatuurinstelknop bestuurder; stand van de temperatuurregelklep via potmeter G92. De stelmotor V113 stuurt de recirculatiekleppen aan afhankelijk van de keuze van de bestuurder. Verder zien we dat de regeleenheid van de airco via de CANbus verbonden is met het instrumentenpaneel, de motormanagementcomputer en de boordcomputer. Het bedieningspaneel van fig. 17 is één geheel met de airco-regeleenheid. Op het paneel bevinden zich twee drukknoppen, voor het activeren van de compressor en voor de bediening van de recirculatieklep. Verder zien we drie draaiknoppen voor de temperatuurinstelling, de luchtverdeling en het ventilatortoerental. Figuur 17: Het bedieningspaneel van een modern airco-systeem met koppelingsloze compressor en externe regeling (Seat). 17
12 Vragen en opgaven Voor de vragen zie het boek. 18