Onderwerpen:
- Inleiding
- Vleugel- / Schottenpomp
- Zuigercompressor (reciproke, krukastype)
- Kantelplaatcompressor inleiding
- Kantelplaatcompressor met vaste slag
- Kantelplaatcompressor met variabele slag (met interne en externe regeling)
- Smering van de compressor
- Magneetkoppeling
- Geluiden
Inleiding:
De compressor pompt het koudemiddel gasvormige koudemiddel van de airco door het hele systeem. De druk en temperatuur van het koudemiddel nemen toe wanneer het de compressor verlaat. Er bestaan verschillende soorten compressoren die voor airconditioning gebruikt kunnen worden. Bij moderne auto-airconditioningsystemen worden reciproke compressoren toegepast. “Reciproke” betekent dat de onderdelen in de compressor heen-en-weergaande bewegingen maken. De werking van deze compressoren kan worden vergeleken met die van een zuigermotor. Reciproke compressoren bestaan ook uit twee types, namelijk het krukastype en de kantelplaatcompressor. In moderne auto’s worden de kantelplaatcompressoren gebruikt, die op hun beurt onderverdeeld worden in twee types: de kantelplaatcompressor met vaste slag en de variant met variabele slag. De aircopomp, net als de dynamo en de stuurbekrachtigingspomp, wordt bij verbrandingsmotoren aangedreven door de multiriem (zie onderstaande afbeelding). Bij hybride en volledig elektrische voertuigen vinden we elektrische aircocompressoren. Een elektromotor wordt gevoed door het HV-systeem en drijft de compressor aan.
De aircocompressor zuigt het gasvormige koudemiddel aan vanuit de verdamper, waardoor de druk in de verdamper laag blijft en dit bijdraagt aan het verdampen van het koudemiddel, zelfs bij lage temperaturen. De compressor comprimeert het gasvormige koudemiddel, wat leidt tot de overgang van lage naar hoge druk. Deze drukverhoging en temperatuurstijging veroorzaken de verandering van het koudemiddel van gasvormig naar vloeibaar.
De druk die door de aircocompressor wordt geleverd, wordt beïnvloed door diverse factoren, waaronder:
- Het motortoerental (bij verbrandingsmotoren);
- Het type en de hoeveelheid koudemiddel;
- De temperatuur van het koudemiddel;
- Het type en ontwerp van de aircocompressor, dat de capaciteit bepaalt;
- De afstelling van de magneetkoppeling;
- De omgevingstemperatuur.
Na compressie verlaat het koudemiddel de compressor met een temperatuur van ongeveer 70 graden Celsius. Deze temperatuur wordt vervolgens verlaagd in de condensor.
In de volgende paragrafen worden verschillende uitvoeringen van aircocompressoren behandeld, die al dan niet in de automotive industrie worden toegepast.
Vleugel- / schottenpomp:
Deze pomp wordt zelden gebruikt in het aircosysteem van een auto. Ze kan echter wel worden toegepast in specifieke koelinstallaties voor verschillende producten.
Werking: De (grijze) schijf draait naar rechts, met de klok mee. De gele plunjers worden door de centrifugaalkracht (middelpuntvliedende kracht) tegen de wand gedrukt, waardoor de verschillende kamers van elkaar worden gescheiden. Onderaan rechts stroomt het koudemiddel binnen en volgt zijn weg naar de kleine blauwe ruimte. Door de rotatie wordt deze ruimte groter, wat leidt tot onderdruk. De pomp draait verder, waardoor het koudemiddel in het rode gedeelte terechtkomt. Hier wordt de kamerruimte steeds kleiner, waardoor het koudemiddel onder druk wordt gezet (gecomprimeerd). Aan het einde van de rode kamer bevindt zich de uitlaatklep, waardoor het koudemiddel naar buiten wordt geperst.
Zuigercompressor (reciproke, krukastype):
Deze pomp wordt, net als de vleugel- / schottenpomp, zelden gebruikt in het aircosysteem van een auto. Ze kan echter ook worden toegepast in specifieke koelinstallaties voor verschillende producten. In de onderstaande afbeelding is een zuigercompressor te zien, waarbij 1 staat voor de inlaatklep en 2 voor de uitlaatklep. De beweging van de zuiger en krukas is vergelijkbaar met die van een reguliere Otto- of dieselmotor.
Werking: De zuiger beweegt van BDP (Bovenste Dode Punt) naar ODP (Onderste Dode Punt) (van boven naar beneden), waardoor inlaatklep 1 opent. Het koudemiddel wordt door onderdruk de cilinder in getrokken. De zuiger beweegt vervolgens van ODP naar BDP en drukt de inlaatklep weer tegen zijn zitting aan. Door de opwaartse beweging wordt ook uitlaatklep 2 van zijn zitting gelicht. Het koudemiddel kan nu de cilinder verlaten. De uitlaatklep sluit opnieuw. Daarna begint de cyclus opnieuw.
Kantelplaatcompressor inleiding:
Kantelplaatcompressoren, ook wel bekend als tuimelschijfcompressoren, worden bijna altijd gebruikt in auto-airconditioningsystemen. Ze vallen onder de categorie “reciproke” vanwege hun bewegende onderdelen die op en neer gaan.
In de illustratie zien we een lijntekening en doorsnede van een kantelplaatcompressor. De zuiger maakt een horizontale slag, welke wordt bepaald door de hoek van de kantelplaat. Op deze afbeelding staat de plaat maximaal gekanteld, wat betekent dat de zuiger een maximale horizontale beweging kan maken (aangegeven door de rode compressieruimte in de cilinder). In de drie tekeningen (van boven naar beneden) zien we een volledige persslag van een zuiger als gevolg van de verdraaiing van de kantelplaat.
In deze situatie levert de pomp de maximale opbrengst doordat de kantelplaat een maximale slag heeft gemaakt. Als er een lagere opbrengst is gewenst doordat de druk te hoog wordt en er – door teveel koudemiddel – bevriezingsverschijnselen van de verdamper kunnen ontstaan, wordt bij een compressor met een “vaste slag” de magneetkoppeling ontkoppeld, waardoor de compressor niet meer wordt aangedreven. Bij een compressor met een “variabele slag” wordt de plaat minder “gekanteld”. De hoek waarin de plaat kantelt is kleiner, waardoor de slag van de zuiger eveneens kleiner wordt. De compressoren met vaste en variabele slag worden later op de pagina beschreven.
Boven elke zuiger bevinden zich 2 kleppen die aan een schotelplaatveer zijn bevestigd: de aanzuigklep en de persklep. Wanneer de zuiger van het BDP naar het ODP beweegt, perst deze het koudemiddel langs de persklep naar buiten, de hogedrukleiding in richting de condensor.
Kantelplaatcompressoren kunnen tussen de 4 en 8 zuigers/plunjers en kennen twee uitvoeringen: namelijk de compressor met vaste slag, en die met variabele slag. Deze worden hier onder beschreven.
Kantelplaatcompressor met vaste slag:
Deze compressor wordt aangedreven door de multiriem van de motor en draait synchroon met het motortoerental (tussen 600 en 6000 omwentelingen per minuut). De magneetkoppeling regelt het in- en uitschakelen van de compressor, wat later verder wordt uitgelegd.
Bij het inschakelen van de compressor beweegt de roterende kantelplaat de zuigers op en neer. Aanzuig- en perskleppen bij elke cilinder laten de zuigers gas aanzuigen en onder druk verplaatsen naar het hogedrukgedeelte van het systeem.
Een compressor met vaste slag verplaatst een vast volume per omwenteling. De opbrengst hangt dus af van het compressortoerental, oftewel het motortoerental. Om de opbrengst te regelen, wordt de compressor voortdurend in- en uitgeschakeld: inschakelen bij drukdaling en uitschakelen bij te hoge druk. Vooral bij kleine motoren kan het inschakelen als een “schok” voelbaar zijn door het gevraagde vermogen. Het abrupte inschakelen veroorzaakt een hogere mechanische belasting en verstoort de regeling, wat resulteert in variaties in de gekoelde luchttemperatuur voor inzittenden.
Bij een te hoog motortoerental en daardoor een toenemende persdruk, stroomt er meer koudemiddel door de verdamper. Dit vertraagt de koeling en kan de verdamper bevriezen. In dergelijke gevallen schakelt de magneetkoppeling uit dankzij de thermostaat of drukschakelaar.
Kantelplaatcompressor met variabele slag:
Bij dit type compressor is de hoek van de kantelplaat instelbaar dankzij een verstelinrichting. Door de kantelplaat zo recht mogelijk te zetten, wordt de slag van de zuigers beperkt en is de opbrengst minimaal. Aan de andere kant, door de kantelplaat zo schuin mogelijk te plaatsen, maken de zuigers een veel grotere slag en stijgt de opbrengst aanzienlijk. We zien de volgende uitvoeringen van de kantelplaatcompressor met variabele slag:
- met interne regeling en magneetkoppeling;
- externe regeling met en zonder magneetkoppeling.
Interne regeling en magneetkoppeling:
In de afbeelding wordt getoond hoe de stand van de kantelplaat de slag van de zuiger kan beïnvloeden. Een hoger toerental van de motor resulteert in een grotere opbrengst van de compressor. Dit veroorzaakt een stijging van de druk in het gehele systeem, wat de verstelinrichting aanzet om de druk in de kantelplaatkamer te vergroten.
De toegenomen druk dwingt de kantelplaat om meer rechtop te komen, waardoor de capaciteit afneemt. Als de opbrengst daalt, sluit de verstelinrichting en vermindert de druk in de kantelplaatkamer. Hierdoor gaat de plaat weer schuiner staan, waardoor de zuigers een grotere slag kunnen maken. Hoe groter de hoek, hoe groter de slag en hoe groter de opbrengst.
Bij een intern (mechanisch) regelsysteem voor het aanpassen van de stand van de kantelplaat bij een aircocompressor met variabele slag wordt doorgaans de zuigdruk gebruikt om de aanpassing automatisch te regelen. Dit systeem maakt gebruik van een drukgestuurd mechanisme dat reageert op veranderingen in de zuigdruk van de compressor.
Het regelmechanisme bestaat meestal uit een of meerdere membraan- of balgkamers die in verbinding staan met de zuigzijde van de compressor en met de aandrijfas van de kantelplaat. Als de zuigdruk verandert, veroorzaakt dit een beweging in het membraan of de balg. Deze beweging wordt vervolgens overgebracht naar het mechanisme dat de hoek van de kantelplaat aanpast.
- Bij hogere zuigdrukken, zoals wanneer de koelvraag toeneemt, zal het drukgestuurde mechanisme de kantelplaathoek aanpassen. Dit leidt tot een grotere slaglengte van de zuigers en dus tot een hogere compressie van het koudemiddel. Dit resulteert in een hogere persdruk en een grotere koelcapaciteit.
- Bij lagere zuigdrukken zal het mechanisme de kantelplaathoek verminderen, wat resulteert in een kortere slaglengte van de zuigers en een lagere compressie van het koudemiddel. Dit verlaagt de persdruk en past de koelcapaciteit aan de verminderde koelbehoefte aan.
Bij een aircocompressor met een variabele opbrengst regelt een klep de verbinding met het carter (in het kantelschijfkamer) en zowel de hoge- als lagedrukkant van de compressor. De druk aan de lagedrukkant wordt beïnvloed door de gemeten zuigdruk. Hieronder wordt uitgelegd hoe het regelventiel werkt wanneer de opbrengst wordt vergroot en verkleind.
Opbrengst vergroten:
Bij afnemende koelcapaciteit stijgt de temperatuur aan de zuigkant en neemt de zuigdruk toe. Deze zuigdruk zorgt ervoor dat de elastische balg wordt samengedrukt, waardoor deze kleiner wordt. Wanneer de balg wordt samengedrukt, sluit kogelklep A en opent klep B. Dit creëert een verbinding naar het carter. Hierdoor kan de druk in de kantelschijfkamer ontsnappen naar de lagedrukkant (aan de zuigzijde), waardoor de kantelschijf schuiner komt te staan. Dit resulteert in een grotere opbrengst van de compressor en een toename van de koelcapaciteit.
Opbrengst verkleinen:
Als de koelcapaciteit groter wordt, neemt de zuigdruk af. De zuigdruk wordt lager en de balg vergroot in volume, waardoor opening B sluit en kogelklep A opengaat. Hierdoor stroomt gas onder hogedruk binnen en gaat via kogelklep A en de opening naar het kantelschijfhuis. Dit zorgt ervoor dat de kantelschijf rechtop komt te staan. Als gevolg hiervan neemt de pompopbrengst af en wordt de koelcapaciteit kleiner.
Het regelventiel past de druk in de kantelschijfkamer aan. Het ontstane drukverschil ten opzichte van de druk in de compressieruimten leidt tot een kanteling van de kantelschijf, wat de opbrengst van de pomp beïnvloedt. De slaggrootte wordt geregeld door de druk in het lagedrukgedeelte van het airco-systeem. Compressoren met variabele slag (opbrengst) hebben meestal geen thermostaatschakelaar op de verdamper. De inlaatdruk wordt bij deze compressoren op 2 bar gehouden.
Externe regeling, zonder magneetkoppeling:
Bij een compressor met externe regeling wordt een elektromagnetisch ventiel gebruikt om de druk in het compressorhuis te regelen. Het elektromagnetisch ventiel wordt door een ECU (de motor-ECU of airco-ECU) door middel van een PWM-signaal aangestuurd. De zuigdruk blijft echter een rol spelen in het regelproces. De airco-ECU ontvangt signalen zoals de gewenste aircomodus (ontvochtigen, koelen), de gewenste en werkelijke temperatuur, en de buitentemperatuur.
Op basis hiervan berekent de computer de optimale instelling voor het regelventiel en dus de compressoropbrengst. Als nodig kan ook de zuigdruk variëren. Praktisch gezien varieert de zuigdruk tussen 1,0 en 3,5 bar. Een lage zuigdruk verbetert de koelcapaciteit bij een laag compressortoerental. Een hogere dan gemiddelde zuigdruk bij lage warmtebelasting resulteert in efficiënter werken en dus lager brandstofverbruik. De zware magneetkoppeling kan nu worden weggelaten, wat circa 1 kg scheelt. Meestal is de koppeling uitgerust met een trillingsdemper en een slipmechanisme.
Een grotere stuurstroom naar het regelventiel sluit de passage van de hogedrukkamer naar het carter af. De variabele opening geeft ruimte om het drukverhogende lekgas via de zuigdrukkamer af te voeren. Dit egaliseert de druk in het carter (Pc) en de zuigdruk Ps, waardoor de tuimelschijf in de positie voor maximale opbrengst komt.
Het verlagen van de opbrengst gebeurt door de druk in het carter te vergroten. Het regelventiel opent, waardoor de verbinding tussen carter en hogedrukkamer ontstaat. Het regelventiel heeft een balg die onder invloed van de zuigdruk staat, waardoor het instelpunt verandert. De stuurstroom naar het regelventiel werkt samen met de balginstelling. Een kleine variabele opening laat een beperkte doorstroom van koudemiddel naar de zuigdrukkamer toe.
Smering van de compressor:
Bij bewegende onderdelen ontstaat altijd warmte, en daarom moeten ze worden voorzien van smering. Behalve de smerende eigenschappen zorgt de olie ook voor afdichting en geluiddemping. In het begin wordt de compressor met olie gevuld, en de smering wordt gerealiseerd via een nevelsmering. Deze olienevel bereikt ook de plunjers en wordt vervolgens met het koudemiddel meegevoerd door het hele systeem. Tijdens de condensatie vormt zich een mengsel van koudemiddel en een vloeibare olienevel. Deze olienevel wordt weer door de compressor aangezogen.
De synthetische olie PAG (Polyalkyleen glycol) is speciaal ontworpen voor het koudemiddel R134a en mag nooit worden vervangen door een ander type olie. Wel moet men rekening houden met de verschillende viscositeiten die fabrikanten voorschrijven. Raadpleeg daarvoor de specificaties.
Gangbare PAG-oliën zijn:
- PAG 46 (laagste viscositeit)
- PAG 100
- PAG 150 (hoogste viscositeit)
- PAG-olie met de toevoeging YF voor gebruik met het koudemiddel R1234YF, vanwege de gevoeligheid voor vocht in het systeem.
Naast PAG-oliën bestaan er ook minerale, PAO en POE-oliën.
- Minerale olie werd in de oude R12 systemen gebruikt.
- PAO olie (PolyAlphaOlefin) is volledig synthetisch en niet hygroscopisch. Dit is in tegenstelling tot PAG-olie, welke wel sterk hygroscopisch is.
- POE olie (Polyester) wordt gebruikt bij elektrische aircocompressoren van HV-voertuigen. Bij gebruik van de verkeerde olie (PAG) wordt de geïsoleerde laklaag van het koperdraad van de elektromotor aangestast.
Bij het monteren van een nieuwe compressor zit er al olie (ongeveer 200 á 300 ml) in de compressor. De fabrikant geeft deze oliehoeveelheid op in de documentatie.
Zonder het systeem leeg te zuigen is het niet goed mogelijk om vast te stellen hoeveel koudemiddel en olie in het systeem aanwezig zijn. In geval van een reparatie, na bijvoorbeeld bij het vervangen van een condensor, zal er een geringe hoeveelheid olie verloren gaan. De fabrikant geeft meestal aan hoe de verdeling in het systeem is. Over het algemeen kunnen we deze verdeling aanhouden:
• compressor ca. 50%
• condensor ca. 10%
• flexibele zuigleiding ca. 10%
• verdamper ca. 20%
• filter/droger ca. 10%
Wanneer het systeem voor de eerste keer wordt ingeschakeld, wordt de olie door het hele systeem verspreid. Als het systeem later wordt leeggemaakt en daarna opnieuw wordt gevuld, bijvoorbeeld bij het vervangen van een ander onderdeel of bij onderhoud, kan de olie worden toegevoegd aan het koudemiddel via het vulstation. Het is essentieel om ervoor te zorgen dat er niet te veel olie in de compressor terechtkomt. Het gevolg van teveel olie in het systeem kan zijn dat de compressor een vloeistofslag maakt. In airconditioningsystemen met een capillair zit er een accumulator vlak voor de compressor gemonteerd, die de hoeveelheid olie constant aanpast aan de hoeveelheid koudemiddel (zie de pagina over de accumulator).
Magneetkoppeling:
De poelie van de aircopomp wordt voortdurend aangedreven door de multiriem. Bij kantelplaatcompressoren met vaste slag en sommige met variabele slag, regelt de magneetkoppeling het in- en uitschakelen van de airco compressor. Wanneer de compressor wordt ingeschakeld, wordt een elektromagneet (1) in de koppeling geactiveerd. Hierdoor trekt de magneet de verend opgehangen koppelingsschijf (4) aan, waardoor er een vaste verbinding ontstaat tussen de poelie en de pomp. Wanneer de airconditioning wordt uitgeschakeld, wordt de elektromagneet niet meer geactiveerd en stopt de magnetische werking ervan. De veer van de koppelingsschijf duwt deze los van de pomp. De poelie blijft nu meedraaien met de multiriem, terwijl de pomp (intern) stilstaat.
Het inschakelen van de airconditioning is het meest gunstig wanneer de motor weinig toeren maakt, zoals bij ingetrapte koppeling of wanneer de motor stationair draait. Dit minimaliseert de slijtage aan de magneetkoppeling. Als de airconditioning bijvoorbeeld wordt ingeschakeld bij 4500 omw./min., zal de elektromagneet de koppeling activeren en ontstaat er een groot verschil in toerental tussen de stilstaande pomp en de draaiende poelie. Hierdoor kan slip optreden, wat leidt tot verhoogde slijtage.
Geluiden:
Er kunnen zich een paar kenmerkende geluiden voordoen:
Klappend geluid bij inschakelen: Een luid klapperend geluid bij het inschakelen van de compressor kan wijzen op een mogelijke afstelling van de magneetkoppeling. Volgens het type compressor kan deze afstelling de luchtspleet verminderen en het geluid minimaliseren.
Brommend geluid van de aircopomp: Een brommend geluid duidt op een defect in de pomp of mogelijk een tekort aan koudemiddel en olie in het systeem. Raadpleeg een aircospecialist om het systeem te controleren, legen en opnieuw te vullen met de juiste hoeveelheid koudemiddel en olie.
Klapperend geluid van de aircopomp: Een klapperend geluid kan ook wijzen op een pompdefect. Controleer of de magneetkoppeling stevig aan de pomp is bevestigd om losraken van de centrale bout te voorkomen.
Zoemend geluid gekoppeld aan motortoerental: Een zoemend geluid dat in het interieur hoorbaar is en meegaat met het motortoerental, duidt op resonantie of trilling. Dit kan worden veroorzaakt door een te lage koudemiddelhoeveelheid of door aircoleidingen die resoneren. Als het koudemiddelniveau in orde is, kan een trilling veroorzakende leiding worden geïdentificeerd door vast te houden tijdens het versnellen. Speciale trillingsdempers, zoals die beschikbaar zijn voor specifieke problemen zoals bij MINI, kunnen dit soort trillingen corrigeren.
Gerelateerde pagina: