Đồ án: chuyên ngành kĩ thuật ô tô chủ đề hệ thống điều hòa không khí trên

Tìm hiểu chi tiết về hệ thống điều hòa không khí trên Toyota Camry qua đồ án chuyên ngành kỹ thuật ô tô với phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

• Tác giả: Trần Bá Đại
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Minh Hiếu
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Kĩ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Hệ Thống Điều Hòa Không Khí Trên Toyota Camry
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Hòa Không Khí Ô Tô

Hệ thống điều hòa không khí ô tô là một phần quan trọng của hệ thống HVAC (Heating, Ventilating, and Air Conditioning), cho phép điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và hướng gió bên trong xe. Đây là bộ phận không thể thiếu để mang đến sự thoải mái cho người sử dụng trong những điều kiện thời tiết khác nhau. Hệ thống điều hòa hiện đại không chỉ cung cấp làm lạnh mà còn nâng cao chất lượng không khí bằng cách hút ẩm và lọc không khí hiệu quả. Ngành ô tô toàn cầu và Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, ứng dụng ngày càng nhiều công nghệ vào sản xuất linh kiện. Trang bị điều hòa trở thành tiêu chí đánh giá một chiếc xe cao cấp. Các hãng xe nổi tiếng như Toyota, BMW, Mercedes đều trang bị hệ thống điều hòa tự động trên phần lớn mẫu xe du lịch. Việc nghiên cứu chi tiết hệ thống này giúp nâng cao kiến thức chuyên môn và vận dụng vào thực tiễn sửa chữa, bảo dưỡng ô tô.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Điều Hòa

Hệ thống điều hòa ô tô được phát triển từ những năm 1930, bắt đầu với những thiết kế đơn giản dùng để sưởi ấm. Đến những năm 1950, công nghệ làm lạnh hiện đại được áp dụng vào ô tô. Từ đó, điều hòa không khí tự động liên tục được cải tiến, từ điều khiển cơ bản sang điều khiển tự động với các cảm biến thông minh. Ngày nay, hệ thống điều hòa trên các mẫu xe như Toyota Camry sử dụng công nghệ tiên tiến với điều khiển tự động toàn phần, đáp ứng nhu cầu về tiện nghi cao.

1.2. Chức Năng Chính Của Hệ Thống

Hệ thống điều hòa không khí thực hiện nhiều chức năng quan trọng: điều chỉnh nhiệt độ tinh xác, kiểm soát độ ẩm không khí, lọc và làm sạch không khí lưu thông, cung cấp gió sưởi ấm hoặc làm lạnh. Điều hòa tự động còn có khả năng phân vùng nhiệt độ, cho phép hành khách trước và sau có tùy chọn nhiệt độ riêng. Các tính năng này đảm bảo sự thoải mái tối đa cho người sử dụng xe trong mọi điều kiện thời tiết.

II. Cấu Tạo Chi Tiết Hệ Thống Điều Hòa

Hệ thống điều hòa ô tô bao gồm nhiều bộ phận phức tạp, mỗi phần đều có vai trò quan trọng trong quá trình làm lạnh và phân phối không khí. Cấu trúc hệ thống gồm máy nén, giàn nóng, giàn lạnh, van tiết lưu, bình lọc, lý hợp điện từ và các ống dẫn chất làm lạnh. Hiểu rõ về cấu tạo từng bộ phận giúp người kỹ thuật dễ dàng sửa chữa và bảo dưỡng. Mỗi linh kiện được thiết kế với độ chính xác cao, đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn. Các bộ phận chính trong hệ thống hoạt động theo nguyên lý thủy lực và lạnh học để tạo ra quá trình làm lạnh liên tục và ổn định.

2.1. Máy Nén Và Ly Hợp Điện Từ

Máy nén là trái tim của hệ thống điều hòa, có nhiệm vụ nén chất làm lạnh và bơm nó vòng quanh hệ thống. Loại máy nén phổ biến nhất là loại piston và loại đĩa lắc. Ly hợp điện từ kiểm soát quá trình cắt/nối máy nén tùy theo nhu cầu làm lạnh, giúp tiết kiệm năng lượng. Khi bật điều hòa, điện từ kích hoạt lý hợp, máy nén bắt đầu hoạt động và nén chất làm lạnh.

2.2. Giàn Nóng Giàn Lạnh Và Van Tiết Lưu

Giàn nóng (bộ ngưng tụ) là nơi chất làm lạnh giải phóng nhiệt và ngưng tụ thành dạng lỏng. Giàn lạnh thực hiện công việc ngược lại, giúp chất làm lạnh tách nóng từ không khí bên trong xe. Van tiết lưu có vai trò điều chỉnh lượng chất làm lạnh chảy vào giàn lạnh, đảm bảo hiệu suất làm lạnh tối ưu. Bình lọc lại cung cấp dung tích chứa chất làm lạnh thừa.

III. Hệ Thống Điều Hòa Tự Động Và Các Cảm Biến

Hệ thống điều hòa tự động trên Toyota Camry sử dụng công nghệ điều khiển tiên tiến với nhiều cảm biến thông minh để tự động điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng gió. Các cảm biến quan trọng bao gồm: cảm biến nhiệt độ bên trong xe, cảm biến nhiệt độ ngoài trời, cảm biến bức xạ mặt trời, cảm biến nhiệt độ giàn lạnh và cảm biến nhiệt độ nước làm mát. Bộ điều khiển điện tử nhận tín hiệu từ tất cả các cảm biến và xử lý thông tin để điều chỉnh máy nén, quạt gió và vị trí các cửa gió một cách tự động. Hệ thống này mang đến trải nghiệm thoải mái tối đa với sự can thiệp tối thiểu từ người sử dụng.

3.1. Cảm Biến Nhiệt Độ Và Bức Xạ Mặt Trời

Cảm biến nhiệt độ trong xe đo nhiệt độ thực tế bên trong cabin và gửi dữ liệu tới bộ điều khiển. Cảm biến ngoài trời phát hiện nhiệt độ môi trường xung quanh. Cảm biến bức xạ mặt trời đặc biệt quan trọng, nó phát hiện ánh nắng chiếu vào xe để hệ thống điều hòa tự động tăng công suất làm lạnh khi cần thiết. Những cảm biến này hoạt động phối hợp để tạo ra một hệ thống điều khiển thông minh.

3.2. Cảm Biến Giàn Lạnh Và Nước Làm Mát

Cảm biến nhiệt độ giàn lạnh theo dõi quá trình lạnh của chất làm lạnh để tránh đóng băng. Cảm biến nước làm mát kiểm soát nhiệt độ của nước tuần hoàn hệ thống sưởi ấm. Cả hai cảm biến này hoạt động để bảo vệ hệ thống điều hòa khỏi hư hỏng và tối ưu hiệu suất hoạt động. Chúng gửi tín hiệu liên tục cho bộ điều khiển điện tử.

IV. Phân Tích Mạch Điện Và Nguyên Lý Hoạt Động

Mạch điện của hệ thống điều hòa trên Toyota Camry bao gồm các thành phần chính như công tắc điều khiển, rơ-le điều khiển quạt gió, rơ-le điều khiển máy nén, các điện trở và ký hiệu mạch điện chuẩn. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều hòa dựa trên chu kỳ làm lạnh, trong đó chất làm lạnh liên tục thay đổi trạng thái giữa chất lỏng và hơi. Quá trình này tạo ra lực làm lạnh cần thiết để hạ nhiệt độ bên trong xe. Mạch điện được thiết kế với các ký hiệu màu dây riêng, giúp kỹ thuật viên dễ dàng xác định các kết nối. Các điều khiển cơ bản bao gồm điều khiển quạt gió từ mức 1 đến 4 và điều khiển bật/tắt máy nén, đều thông qua giao diện điều khiển trên bảng tính năng xe.

4.1. Ký Hiệu Và Kết Nối Mạch Điện

Mạch điện hệ thống điều hòa sử dụng ký hiệu màu dây tiêu chuẩn để phân biệt các kết nối khác nhau. Ký hiệu chân giắc cũng được quy chuẩn để dễ nhận biết. Những ký hiệu này giúp kỹ thuật viên nhanh chóng xác định lỗi và thực hiện sửa chữa. Bảng mạch điện chi tiết cung cấp thông tin về vị trí từng linh kiện điện tử trong hệ thống.

4.2. Điều Khiển Quạt Gió Và Máy Nén

Điều khiển quạt gió cho phép người dùng điều chỉnh tốc độ gió từ thấp đến cao thông qua bảng điều khiển. Điều khiển máy nén kích hoạt hoặc tắt máy nén tùy theo yêu cầu làm lạnh. Cả hai điều khiển này hoạt động thông qua các rơ-le điện tử nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và an toàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÊN Ô TÔ 1. Giới thiệu chung về hệ thống điều hòa không khí trên ô tô. Hệ thống điều hòa không khí trên ô tô là phần của hệ thống HVAC (Heating, Ventilating, and Air Conditioning) - Hệ thống sưởi ấm thông gió và điều hòa không khí, nó cho phép điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, hướng gió.

Nó cũng nâng cao chất lượng không khí, đem lại lợi ích cho con người với các vấn đề về sức khỏe, bằng việc hút ẩm và lọc không khí khi làm lạnh nó. Để có hiệu quả, hệ thống điều hòa không khí phải kiểm soát 4 điều kiện trong xe: - Làm lạnh không khí - Lưu thông không khí - Lọc không khí - Hút ẩm không khí 1.1 Lịch sử phát triển. Một công ty ở thành phố New York của Mỹ, lần đầu lắp đặt thành công hệ thống điều hòa không khí cho xe hơi vào năm 1933. Phần lớn khách hàng của họ sử dụng xe limousines và các loại xe hạng sang[2].

1-Hệ thống điều hòa đầu tiên trên xe Parkard Motor Car Company là nhà sản xuất ô tô đầu tiên lắp đặt hệ thống điều hòa trên những mẫu xe của họ, bắt đầu vào cuối năm 1939. Họ đã chạy quảng cáo là :” Forget the heat this summer in the only air-conditioned car in the world”[2]. 1 Vào năm 1953, Chrysler Imperial là sản phẩm xe hơi đầu tiên trong 20 năm thực sự có hệ thống điều hòa. Nó có công suất cao và cũng đơn giản để vận hành, với một công tắc đơn trên bảng táp lô với các chế độ thấp, trung bình, và cao.

Nó có thể làm mát xe, loại bỏ độ ẩm, bụi bặm, phấn hoa, khói thuốc lá cùng một lúc[2]. Sự đổi mới được thông qua nhanh chóng, vào năm 1960, 20% tổng xe hơi ở Mỹ đã có hệ thống điều hòa. Con số lên tới 80% ở những vùng phía Tây nam. Năm 1969, 54% xe hơi ở Mỹ được trang bị hệ thống điều hòa không khí, với các tính năng mới không chỉ làm thoải mái các hành khách mà còn nâng cao giá trị chiếc xe bán ra[2].

Trên một tờ báo New York Time vào năm 1971 đã hàm ý hệ thống điều hòa không khí trong một tiêu đề: “ In the age of air-conditioning, real air has lost its value”[2]. Sau khi chất làm lạnh R12 được sử dụng trong hệ thống điều hòa, được cho là làm ảnh hưởng đến tầng ozone, các nhà sản xuất được yêu cầu sử dụng chất làm lạnh R134a ít có hại hơn vào năm 1995. Điều khiển nhiệt độ 2 vùng độc lập cho phép chia nhiệt độ theo cài đặt của người lái và hành khách, một vài chiếc xe có thêm vùng cho hành khách ghế sau.Volkswagen gọi nó là “ Climatronic “[2]. 99% tất cả xe mới vào năm 2010 có điều hòa không khí.

Chiếc xe hơi đầu tiên với chất làm mát mới HFO-1234yf theo tiêu chuẩn Châu Âu với chỉ số GWP ( chỉ số làm nóng lên toàn cầu của các chất môi lạnh) thấp hơn 150, xuất hiện trên thị trường vào năm 2012[2].2 Chức năng của hệ thống điều hòa. Chức năng sưởi ấm. 2-Nguyên lý hoạt động của két sưởi. Người ta dùng két sưởi như một bộ trao đổi nhiệt để làm nóng không khí trong xe.

Két sưởi lấy nước làm mát đã được hâm nóng bởi động cơ này để làm nóng không khí trong xe nhờ quạt gió. Nhiệt độ của két sưởi vẫn còn thấp cho đến khi nước làm mát nóng lên. Do đó ngay sau khi động cơ khởi động két sưởi không làm việc như một bộ sưởi ấm[1]. Chức năng làm mát Hình 1.

3-Nguyên lý hoạt động của giàn lạnh. 3 Giàn lạnh là một bộ phận trao đổi nhiệt để làm mát không khí trước khi đưa vào khoang xe. Khi bật công tắc điều hòa không khí, máy nén bắt đầu làm việc, đẩy môi chất lạnh (ga điều hòa) tới giàn lạnh. Giàn lạnh được làm mát nhờ môi chất lạnh[1].

Khi đó không khí thổi qua giàn lạnh bởi quạt gió sẽ được làm mát để đưa vào trong xe. Như vậy, việc làm nóng không khí phụ thuộc vào nhiệt độ của nước làm mát động cơ còn việc làm mát không khí lại phụ thuộc vào môi chất lạnh. Hai chức năng này hoàn toàn độc lập với nhau. Chức năng hút ẩm.

Nếu độ ẩm trong không khí lớn khi đi qua giàn lạnh, hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ lại và bám vào các cánh tản nhiệt của giàn lạnh. Kết quả là không khí sẽ được làm khô trước khi đi vào trong khoang xe. Nước đọng lại thành sương trên các cánh tản nhiệt và chảy xuống khay xả nước sau đó được đưa ra ngoài xe thông qua vòi dẫn[1]. Chức năng lọc gió.

Một bộ lọc được đặt ở cửa hút của hệ thống điều hòa không khí để làm sạch không khí trước khi đưa vào trong xe. Gồm hai loại:  Bộ lọc chỉ lọc bụi.  Bộ lọc lọc bụi kết hợp khử mùi bằng than hoạt tính. 4-Bộ lọc không khí 4 Hình 1.

5-Bộ lọc gió kết hợp khử mùi. Chức năng loại bỏ các chất cản trở tầm nhìn. Khi nhiệt độ ngoài trời thấp, nhiệt độ và độ ẩm trong xe cao. Hơi nước sẽ đọng lại trên mặt kính xe, gây cản trở tầm nhìn cho người lái.

Để khắc phục hiện tượng này hệ thống xông kính trên xe sẽ dẫn một đường khí thổi lên phía mặt kính để làm tan hơi nước[1].3 Lý thuyết làm lạnh. - Khái niệm về nhiệt. Định nghĩa một cách đơn giản chúng ta có thể nói nhiệt là năng lượng. Sự ăn khớp của bánh răng, hoặc chuyển động quay của bánh xe đều gây ra ma sát dẫn tới sinh ra nhiệt.

Sự đốt cháy sinh ra nhiệt. Nhiệt lượng từ mặt trời tỏa ra trên về mặt trái đất. Nhiệt lượng thích hợp sẽ mang đến sự sống và sự thoải mái. Nhiệt nếu quá cao hoặc quá thấp sẽ gây ra khó chịu.

Điều khiển nhiệt độ tức là điều khiển sự thoái mái. Do đó, điều hòa không khí chính là phương pháp điều khiển nhiệt độ. Tất cả chất mang nhiệt. Các nhà khoa học nói một đơn vị đo lường gọi là “Absolute zero” hay “ Độ không tuyệt đối” mà tại điểm đó nhiệt độ sẽ bị loại bỏ khỏi vật thể ( xấp xỉ -273oC ).

Mọi chất nếu trên nhiệt độ không tuyệt đối sẽ tồn tại nhiệt độ. 5 Vùng thoải mái trung bình của con người rơi vào khoảng xấp xỉ 21oC đến 26oC, với độ ẩm tương ứng là từ 40 đến 50%. Trong khoảng nhiệt độ và độ ẩm đó, chúng ta sẽ cảm thấy thoải mái nhất. Mọi vật trong khoảng này khi chạm vào cũng sẽ thấy thoải mái.

Khi mà nhiệt độ cao hoặc thấp hơn khoảng này, chúng ta gọi là nóng hoặc lạnh[2]. - Nhiệt độ xâm nhập vào trong xe như thế nào? Khi xe lái hoặc đỗ dưới ánh nắng, nhiệt độ truyền vào trong xe từ nhiều nguồn: không khí môi trường xung quanh, ánh nắng trực tiếp, nhiệt từ động cơ, nhiệt từ mặt đường, nhiệt từ khí xả… Tất cả những thứ trên cùng với nhiều nguồn nhiệt hỗn hợp khác sẽ làm gia tăng nhiệt độ không khí trong xe. Trong trường hợp nhiệt độ môi trường xung quanh cao ( ví dụ khoảng 37oC), nhiệt độ bên trong xe nếu cửa sổ đóng có thể đạt tới 65-70oC. - Nguyên nhân khiến nhiệt di chuyển? Nhiệt luôn luôn di chuyển từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn.

Bất cứ khi nào có sự trao đổi nhiệt giữa hai vật, năng lượng nhiệt sẽ truyền từ vật ấm hơn sang vật lạnh hơn, cho đến khi hai vật có cùng nhiệt độ. Đây là cơ sở cho sự hoạt động của điều hòa không khí. Điều hòa không khí tự động được thiết kế để làm di chuyển nhiệt từ một nơi (bên trong xe) đến các nơi khác (bên ngoài xe). 6-Ví dụ về sự di chuyển của nhiệt.

6 Khi để một cốc nước nóng ở ngoài một thời gian, nó sẽ nguội đi. Nhiệt sẽ truyền từ nóng (90oC) ra không khí xung quanh lạnh hơn(25oC), cho đến khi nhiệt độ cốc nước bằng với nhiệt độ không khí xung quanh. - Cơ sở lý thuyết căn bản của hệ thống điều hòa không khí. Bốc hơi: là khi một chất đạt đến nhiệt độ đủ để chuyển thành dạng hơi.

Ví dụ: khí nước được đun sôi[2]. Trạng thái này xảy ra trong hệ thống điều hòa không khí, chỉ chất làm lạnh đang bốc hơi HÌnh 1. Ngưng tụ: quá trình này đối ngược với quá trình bốc hơi. Khi làm giảm nhiệt đủ cho hơi thay đổi trạng thái, hơi sẽ chuyển thành chất lỏng, sự thay đổi từ thể hơi sang thể lỏng được gọi là ngưng tụ[2].

Trạng thái này xảy ra trong hệ thống điều hòa không khí, chỉ chất làm lạnh đang ngưng tụ. 8-Sự ngưng tụ. Mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ: để tăng hay giảm điểm sôi của một chất, chúng ta phải làm thay đổi áp suất lên chất đó[2]. 7 Tăng áp suất sẽ làm tăng điểm sôi của chất đó và ngược lại.

9-Ví dụ về điểm sôi. Ví dụ: điểm sôi tại 100kPa( 0m so với mực nước biển) là 100oC, còn điểm sôi tại 30kPa ( 8848m so với mực nước biển) là 70 oC. Nước trong chân không sẽ sôi ở 19 oC[2]. Nếu nước được nén dưới áp suất, điểm sôi sẽ tăng.

Điều này đúng với chất làm mát được dùng trong hệ thống điều hòa không khí, dưới áp suất điểm sôi sẽ tăng, khi áp suất giảm thì điểm sôi cũng giảm.4 Môi chất làm lạnh trong hệ thống điều hòa không khí. Môi chất làm lạnh là một loại chất lỏng có thể thay đổi trạng thái ngay cả nhiệt thấp. Môi chất làm lạnh được sử dụng trong nền công nghiệp ô tô sẽ sôi ở 26oC, chuyển trạng thái từ thể lỏng sang thể hơi( bốc hơi). Trong quá trình bốc hơi nó sẽ hấp thụ lượng lớn nhiệt từ xung quanh.

Chất làm mát trong ô tô thay đổi qua các năm từ khí amoniac, đến R12 (Freon) , đến R134a, và bây giờ là 1234yf[2]. Từ những năm 1990 nền công nghiệp ô tô bắt đầu sử dụng những chất làm mát không có hại cho tầng ozone như R134a(HFC) thay thế cho R12(CFC) bởi vì nó tác động chính làm mỏng tầng ozone[2]. R134a tồn tại khoảng 13 năm trong khí quyển. Chỉ số làm nóng lên toàn cầu của nó(GWP) là khoảng 1400[2].

8 HFO1234yf là chất làm lạnh mới, được phát triển cho hệ thống điều hòa không khí thay cho R134a. Nó được phát triển theo tiêu chuẩn Châu âu ,cho chỉ số GWP ít hơn 150. Nó tồn tại khoảng 11 ngày với chỉ số GWP là 4[2]. HFO1234yf có đường cong nhiệt độ- áp suất và các đặc trưng khác rất giống với R134a.

Nó ổn định nhiệt và tương thích với các thành phần trong R134a.