1.1.1 Требования к системам отопления и вентиляции автомобилей

Наряду с повышением производительности и экономичности работы автомобилей важнейшей задачей конструкторов является обеспечение комфортабельности езды пассажиров и водителей. Комфортабельность зависит от многих факторов и, в частности, от микроклимата в салоне или кабине.

процентное содержание кислорода в воздухе; наличие пыли и отработавших газов; температура воздуха; теплоизлучение; влажность воздуха; скорость и направление воздушных потоков. На микроклимат в салоне оказывают влияние дождь, снег, солнечное излучение и встречный поток воздуха при движении автомобиля. Нагревание, охлаждение и увлажнение воздуха в автомобиле приводят к изменению микроклимата, что в свою очередь, в значительной степени влияет на физическое и психическое состояние находящихся в автомобиле людей.

Наибольшее влияние на микроклимат в салоне автомобиля может оказать система кондиционирования воздуха. Однако в большинстве случаев ограничиваются использованием системы вентиляции, которую часто объединяют с отопительным устройством и механизмами, предотвращающими запотевание и загрязнение стекол.

Диаграмма температуры и влажности воздуха в салоне автомобиля приведена на рис. 1.4, где штриховкой выделена зона комфорта. Наиболее благоприятные условия для пассажиров в легкой одежде будут в зоне температур и влажностей, заштрихованной крестообразно, а допустимые - в зоне, обозначенной обычной штриховкой. В основу проектирования вентиляционных систем и организации внутренних воздушных потоков в автомобилях должны быть положены сведения о физиологической связи пассажиров с окружающей их воздушной средой. Жизнедеятельность человеческого организма сопровождается выделением значительным количества тепла.

Первая задача вентиляции - поддерживание внутри автомобиля благоприятного для человека температурного режима. Повышение температуры в пассажирском помещении или кабине автомобиля может явиться результатом действия солнечной энергии или проникновения тепловых потоков от работающего двигателя.

Рис. 1.4 Диаграмма температуры и влажности воздуха в салоне автомобиля: а - содержание воды, г на 1 кг сухого воздуха; h - относительная влажность, %.

Теплотехнический расчет кузова автомобиля позволяет определить количество тепла, воспринятого отдельными его частями в результате теплового воздействия солнечной энергии и наружного воздуха. Если обозначить действующую на поверхность кузова автомобиля солнечную энергию через У, а коэффициент поглощения тепла неостекленной частью кузова через рГу то полученное кузовом количество тепла: (1.1)

q=JpT. У современных автомобилей на внутренних поверхностях крыши и стенок имеются накладки из теплоизоляционных материалов, таких как войлок, теплоизоляционный картон, пенопласт, асбест и т.п. Термическое сопротивление каждого такого слоя учитывается отдельно. Тепловоспрнятие наружной обшивки автомобиля можно уменьшить, применяя теплоотражающую окраску.

Обозначив толщину, (м) отдельного слоя крыши или боковины 6 и

коэффициент теплопроводности материала слоя Л, при коэффициентах теплоотдачи ак и тепловосприятия ав получим сопротивление кузова автомобиля теплопередаче:

*с=—+1т+—. (1.2)

Л ав

Первый член правой части уравнения представляет собой сопротивление теплоотдаче внешней поверхности крыши и боковин кузова автомобиля, второй - суммарное термическое сопротивление всех теплоизоляционных слоев, а третий - сопротивление восприятию внутренней поверхности стенок и потолка салона или кабины.

Количество тепла, поступающего в автомобиль через 1 м2 остекленной поверхности:

Че=Лтах*1*2?3*4, (1.3)

где г/ - коэффициент теплопропускания стекол;

Т2 - коэффициент, учитывающий загрязнение поверхности стекла;

tj - коэффициент, характеризующий затенение стекол переплетами;

г4 - коэффициент, учитывающий пропуск солнечной энергии при закрытых шторах.

При расчете можно принимать Лв*=(581,5-697,8) Вт/м2, а Х1Х2Х3Х4 = 0,335.

Теплопоступление от двигателя зависит от его расположения, качества теплоизоляции и примерно ровно 581,5 Вт, тогда как выделяемое пассажирами тепло в зависимости от температуры окружающего воздуха может составлять для одного человека 87,225-145,375 Вт. Необходимое для ассимиляции теплоизбытков QcyM количество воздуха, м /ч:

LB = , (1.4)

где сг- удельная теплоемкость воздуха, принимаемая равной 1,013 Дж/(кг*К); (h - *п)- допустимый перепад температур внутри и снаружи автомобиля,

принимаемый равным 3-5°; для любого случая температура воздуха в салоне автомобиля не должна превышать 27°С.

Для ассимиляции теплоизбытков в кузове, имеющем теплоизоляцию, при зашторенных окнах требуется от 65 до 95 м3/ч свежего воздуха на одного пассажира, а для кузова без теплоизоляции и при незашторенных окнах эта величина возрастает до 85-135 м3/ч.

Вторая задача вентиляции внутренних помещений автомобиля - ввод такого количества свежего воздуха, которое обеспечивало бы допустимую концентрацию в нем вредных для здоровья человека газов (СОг, СО, паров бензина и др.). Следует учитывать, что с повышением температуры увеличивается и токсичность этих газов.

За сутки человек пропускает через свои легкие в среднем около 15 кг воздуха или 500 л/ч. В выдыхаемом человеком воздухе содержание углекислого газа увеличивается в 145 раз при соответствующем уменьшении содержании кислорода. Если считать, что в наружном воздухе содержание СОг составляет 0,3 л/м3 (в отдельных случаях он может повышаться до

0,5 л/м3), а человек в состоянии покоя в среднем выдыхает 23л/ч СОг, то при допустимой концентрации 1,25 л/м3 количество воздуха, необходимое для разбавления СО2 составит:

L„ = ——— » 24м* /ч.

* 1,25-0,3

При обычных размерах кузовов легковых автомобилей на одного пассажира приходиться 0,4 - 0,7 м3 воздуха, в этих условиях отсутствие вентиляции приводит к быстрому накоплению влаги, углекислого газа и вредных компонентов отработавших газов.

свежем воздухе может возрасти до 5 или даже 10 м3/мнн.

Организм человека способен к автоматической терморегуляции, выражающейся в увеличении теплоотдачи при испарении влаги через кожные поры, причем выделяемое человеком количество влаги зависит от температуры окружающего воздуха и состояния его организма. Рекомендуемая влажность воздуха находится в пределах 30-70%. Количество воздуха, необходимое для поддержания концентрации влаги на нужном уровне,

L.-f °в ч ; (1.5)

где GB - масса водяных паров, выделяемых одним пассажиром, кг; ан - разность влагосодержания внутреннего и наружного воздуха, г/кг.

При расчетах влаговыделение одного человека зимой принимают равным 43 г/ч, а летом 80 г/ч, хотя в субтропических районах юга России оно может достигать 128г/ч и даже 280 г/ч. Наименьшее влагосодержание наружного воздуха зимой аи ~ 0,5 г/кг, а наибольшее ан~ (3,5+5,0) (юг России), для областей умеренного климата ан~ (1,7+2,4) г/кг. Летом влагосодержание наружного воздуха повышается до ан ~ (5,7+9,0) г/кг, а в районах с влажным климатом до а^ 16 г/кг. Влагосодержание воздуха выходящего из салона автомобиля зимой, (5,3+7,9) г/кг, а летом ам= (8,0+15,0) г/кг для районов Закавказья и Средней Азии 19 г/кг. Расчеты показывают, что для ассимиляции влаговыделений одного пассажира необходимо от 14 до 24 м3/ч свежего воздуха.

Главной причиной снижения комфорта в автомобиле является поступление в салон тепла. Количество воздуха, необходимое для ассимиляции теплоизбытков в летнее время, вполне удовлетворяет требованиям ассимиляции вредных примесей и влаговыделений. Поэтому вентиляционные системы рассчитывают на ассимиляцию теплоизбытков в летнее время и на допускаемое количество влагоизбытков и углекислого газа в зимнее время.

или частичное использование воздуха из кузова в системе вентиляции.

Автомобили эксплуатируются в различных климатических условиях от тропических и субтропических на юге до суровых зимних на севере [3].

Для машин, эксплуатируемых в средней полосе России, ГОСТ Р 50993-96 «Автотранспортные средства. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования». Требования к эффективности и безопасности" требует, чтобы воздух в "печку" поступал снаружи, а водитель мог управлять ей (распределять воздушные потоки, регулировать теплопроизводнтельность и т.п.) со своего рабочего места.

Эффективность системы считают достаточной, когда на морозе - 25°±3°С через 15 мин после начала движения автомобиля воздух прогревается до температуры не ниже 16°С в зоне ног водителя, а у его головы - не менее 10°С. При этом внизу всегда должно быть теплее на 3°-10°С. Для пассажиров на переднем и заднем сиденьях нормирована температура только на уровне пояса - +15°С, не холоднее. Кроме того, нужно очистить ветровое стекло в секторах работы стеклоочистителя, а боковые — в зонах видимости зеркал заднего вида.

"Печка" обязана не только греть, но и быть безопасной. Во избежание сквозняков в салоне подвижность воздуха возле головы и ног водителя ограничена ГОСТом - 0,6 м/с, не более (0,6 м/с =2,16 км/ч). Скорость пешехода, когда он идет деловым шагом, 4-5 км/ч. Поэтому норма подвижности воздуха в салоне субъективно сопоставима с легким дуновением ветерка или ощущением от овевания воздухом лица при очень медленной ходьбе. Профессиональный термометр, применяемый специалистами, реагирует на изменение внешних условий за несколько секунд, а бытовой - примерно через 1,5-2 мин. Точность показаний соответственно ±0,5 и ±2°С. Чтобы люди не обжигались, а пластиковые детали интерьера не коробились, воздух на выходе из отопителя нельзя нагревать выше +80°С, наружные стенки воздуховодов в зоне их возможного соприкосновения с человеком - +70°С, а другие поверхности

салона +45°С.

Приведенные нормативы ГОСТа предполагают создание не теплового комфорта в салоне, а лишь минимально допустимых условий, обеспечивающих сохранение здоровья людей.

потока воздуха вдоль боковин, который может направляться через дверные каналы назад (боковые дефлекторы);

прямого потока свежего воздуха по центру салона автомобиля, с поступлением воздуха примерно на уровне груди (центральные дефлекторы);

потока воздуха в зону ног и к ветровому стеклу (по обеим сторонам автомобиля); при низкой температуре окружающей среды этот поток должен хорошо прогреваться; в боковые и центральные дефлекторы также должен подаваться теплый воздух.

Размещение дефлекторов, отвечающее перечисленным требованиям, показано на рис. 1.5.

Особенно важным с точки зрения потребительной ценности системы отопления является время прогрева холодного салона, причем прогреваться должен не только воздух в салоне, но и кузов вместе с остеклением (соответственно, должно устраняться обледенение стекол), для чего необходимо большое количество теплоты. В процессе размораживания окон стекла должны стать прозрачными, причем сначала должно оттаивать

ветровое стекло, а затем боковые. Ввиду того, что скорость оттаивания окон важна для безопасности движения, проводятся испытание автомобилей, согласно которым на размораживаемом ветровом стекле в течение заданного времени должны быть получены определенные прозрачные зоны: это касается и боковых стекол. Результаты такого испытания для автомобиля среднего размера показаны на рис. 1.6.

Рис. 1.6 Типичные результаты испытания на оттаивание стекол: 1 — ветровое стекло (вид в направлении движения автомобиля); 2 и 3 — соответственно левое и правое боковые стекла.

Начальная температура - 20° С. Через 40 мин оттаивания 95% зоны А должны быть чистыми.

Для размораживания заднего стекла не используется поток теплого воздуха системы отопления автомобиля, поэтому в настоящее время совершенно оправдано использование электрообогреваемого заднего стекла в качестве стандартного оснащения.