TỔNG QUAN về hệ thống điều hòa không khí trên ô tô

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

Hệ thống điều hòa khơng khí trên ơ
tơ

TỔNG QUAN
HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRÊN Ô TÔ
1. Giới thiệu chung về hệ thống điều hịa khơng khí trên ơ tơ

Điều hịa khơng khí là một hệ thống quan trọng trên xe. Nó điều khiển nhiệt độ và
tuần hồn khơng khí trong xe giúp cho hành khách trên xe cảm thấy dễ chịu trong
những ngày nắng nóng mà cịn giúp giữ độ ẩm và lọc sạch khơng khí. Ngày nay, điều
hịa khơng khí trên xe cịn có thể hoạt động một cách tự động nhờ các cảm biến và các
ECU điều khiển. Điều hồ khơng khí cũng giúp loại bỏ các chất cản trở tầm nhìn như
sương mù, băng đọng trên mặt trong của kính xe. Để làm ấm khơng khí đi qua, hệ
thống điều hịa khơng khí sử dụng ngay két nước như một két sưởi ấm. Két sưởi lấy
nước làm mát động cơ đã được hâm nóng bởi động cơ và dùng nhiệt này để làm nóng
khơng khí nhờ một quạt thổi vào xe, vì vậy nhiệt độ của két sưởi là thấp cho đến khi
nước làm mát nóng lên. Do đó ngay sau khi động cơ khởi động két sưởi không làm
việc. Để làm mát khơng khí trong xe, hệ thống điện lạnh ơ tơ hoạt động theo một chu
trình khép kín. Máy nén đẩy mơi chất ở thế khí có nhiệt độ cao áp suất cao đi vào giàn
ngưng. Ở giàn ngưng mơi chất chuyển từ thể khí sang thể lỏng. Mơi chất ở dạng lỏng
này chảy vào bình chứa (bình sấy khơ). Bình này chứa và lọc mơi chất. Mơi chất lỏng
sau khi đã được lọc chảy qua van giãn nở, van giãn nở này chuyển môi chất lỏng thành
hỗn hợp khí - lỏng có áp suất và nhiệt độ thấp. Mơi chất dạng khí - lỏng có nhiệt độ
thấp này chảy tới giàn lạnh. Quá trình bay hơi chất lỏng trong giàn lạnh sẽ lấy nhiệt
của khơng khí chạy qua giàn lạnh. Tất cả môi chất lỏng được chuyển thành hơi trong
giàn lạnh và chỉ có mơi chất ở thể hơi vừa được gia nhiệt đi vào máy nén và quá trình
được lặp lại như trước. Như vậy để điều khiển nhiệt độ trong xe, hệ thống điều hịa
khơng khí kết hợp cả két sưởi ấm và giàn lạnh đồng thời kết hợp điều chỉnh vị trí các
cánh hịa trộn và vị trí của van nước. Để điều khiển thơng khí trong xe, hệ thống điều

hịa khơng khí lấy khơng khí bên ngồi đưa vào trong xe nh ờ chênh áp được tạo ra do
chuyển động của xe được gọi là sự thơng gió tự nhiên.Sự phân bổ áp suất khơng khí
trên bề mặt của xe khi nó chuyển động, một số nơi có áp suất dương, cịn một số nơi
khác có áp suất âm. Như vậy cửa hút được bố trí ở những nơi có áp suất dương và cửa
xả khí được bố trí ở những nơi có áp suất âm. Trong các hệ thống thơng gió cưỡng
bức, người ta sử dụng quạt điện hút khơng khí đưa vào trong xe. Các cửa hút và cửa xả
khơng khí được đặt ở cùng vị trí như trong hệ thống thơng gió tự nhiên. Thơng thường,
hệ thống thơng gió này được dùng chung với các hệ thống thơng khí khác (hệ thống
điều hồ khơng khí, bộ sưởi ấm).
ThS. Nguyễn Văn Long Giang

1


CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRÊN Ơ TƠ
1. Chức năng của điều hịa khơng khí.
A. Sưởi ấm.

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của bộ sưởi ấm
Người ta dùng một két sưởi ấm như một bộ trao đổi nhiệt để làm nóng khơng
khí. Két sưởi lấy nước làm mát của động cơ đã được hâm nóng bởi động cơ và dùng
nhiệt độ này để làm nóng khơng khí nhờ một quạt thổi vào xe, vì vậy nhiệt độ của két
sưởi là thấp cho đến khi nước làm mát nóng lên. Do đó ngay sau khi động cơ khởi
động két sưởi không làm việc như là một bộ sưởi ấm.
B. Làm mát khơng khí.
Giàn lạnh làm việc như là một bộ trao đổi nhiệt để làm mát không khí trước khi
đưa vào trong xe. Khi bật cơng tắc điều hịa khơng khí, máy nén bắt đầu làm việc đẩy
mơi chất lạnh (ga điều hịa) tới giàn lạnh. Giàn lạnh được làm mát nhờ chất làm lạnh
và sau đó nó làm mát khơng khí đư ợc thổi vào trong xe từ quạt gió. Việc làm nóng

khơng khí ph ụ thuộc vào nhiệt độ của nước làm mát động cơ nhưng việc làm
mát khơng khí hồn tồn độc lập với nhiệt độ nước làm mát động cơ.

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát


C. Hút ẩm.
Lượng hơi nước trong khơng khí tăng lên khi nhiệt độ khơng khí cao hơn và
giảm xuống khi nhiệt độ khơng khí giảm xuống. Khi đi qua giàn lạnh, khơng khí được
làm mát. Hơi nước trong khơng khí ngưng tụ lại và bám vào các cánh tản nhiệt của
giàn lạnh. Kết quả là độ ẩm trong xe bị giảm xuống. Nước dính vào các cánh tản nhiệt
đọng lại thành sương và được chứa trong khay xả nước. Cuối cùng, nước này được
tháo ra khỏi khay của xe bằng một vịi nhỏ. Ngồi ba ch ức năng trên hệ thống điều
hịa khơng khí cịn có chức năng điều khiển thơng gió trong xe. Việc lấy khơng
khí bên ngồi đưa vào trong xe nhờ chênh áp được tạo ra do chuyển động của xe được
gọi là sự thơng gió tự nhiên. Sự phân bổ áp suất khơng khí trên bề mặt của xe khi nó
chuyển động được chỉ ra trên hình vẽ, một số nơi có áp suất dương, cịn một số nơi
khác có áp suất âm. Như vậy cửa hút được bố trí ở những nơi có áp suất dương và cửa
xả khí được bố trí ở những nơi có áp suất âm. Trong các h ệ thống thơng gió cưỡng
bức, người ta sử dụng quạt điện hút khơng khí đưa vào trong xe. Các cửa hút và cửa xả
khơng khí được đặt ở cùng vị trí như trong hệ thống thơng gió tự nhiên. Thơng thường,
hệ thống thơng gió này được dùng chung với các hệ thống thơng khí khác (hệ thống
điều hồ khơng khí, bộ sưởi ấm).
2. Phân loại điều hịa khơng khí trên ơ tơ.
Hệ thống điều hịa khơng khí được phân loại theo vị trí lắp đặt và theo phương thức
điều khiển.
A. Phân loại theo vị trí lắp đặt.
 Kiểu phía trước
Giàn lạnh của kiểu phía trước được gắn sau bảng đồng hồ và được nối với
giàn sưởi. Quạt giàn lạnh được dẫn động bằng mơ tơ quạt. Gió từ bên ngồi hoặc

khơng khí tuần hồn bên trong được cuốn vào. Khơng khí đã làm lạnh (hoặc sấy) được
đưa vào bên trong.

Hình 2.3: Kiểu phía trước
 Kiểu kép.
Kiểu kép là kiểu kết hợp giữa kiểu phía trước với giàn lạnh phía sau được đặt
trong khoang hành lý. Cấu trúc này khơng cho khơng khí thổi ra từ phía trước
hoặc từ phía sau. Kiểu kép cho năng suất lạnh cao hơn và nhiệt độ đồng đều ở
mọi nơi trong xe.


Hình 2.4: Kiểu kép
 Kiểu kép treo trần.
Kiểu này được sử dụng trong xe khách. Phía trước bên trong xe được bố
trí hệ thống điều hịa kiểu phía trước kết hợp với giàn lạnh treo trần phía sau. Kiểu kép
treo trần cho năng suất lạnh cao và nhiệt độ phân bố đều.

Hình 2.5: Kiểu kép treo trần
B. Phân loại theo phương pháp điều khiển.
 Kiểu bằng tay.
Kiểu này cho phép điều khiển nhiệt độ bằng tay các công tắc và nhiệt độ đầu ra bằng
cần gạt. Ngồi ra cịn có cần gạt hoặc công tắc điều khiển tốc độ quạt, điềukhiển lượng
gió, hướng gió.


Hình 2.6: Kiểu bằng tay (Khi trời nóng)
 Kiểu tự động.
Điều hòa tự động điều khiển nhiệt độ mong muốn, bằng cách trang bị bộ
điều khiển điều hòa và ECU động cơ. Điều hòa tự động điều khiển nhiệt độ khơng khí
ra và tốc động cơ quạt một cách tự động dựa trên nhiệt độ bên trong xe, bên ngoài xe,

và bức xạ mặt trời báo về hộp điều khiển thông qua các cảm biến tương ứng, nhằm
điều khiển nhiệt độ bên trong xe theo nhiệt độ mong muốn.

Hình 2.7: Kiểu bằng tay (Khi trời lạnh)

Hình 2.8: Kiểu tự động (Khi trời nóng)


Hình 2.9: Kiểu tự động (Khi trời lạnh)
Lý thuyết về điều hịa khơng khí.
Để có thể biết và hiểu được hết nguyên lý làm vi ệc, đặc điểm cấu tạo của
hệ thống điều hịa khơng khí trên ơ tơ, ta cần phải tìm hiểu kỹ hơn về cơ sở lý thuyết
căn bản của hệ thống điều hịa khơng khí. Quy trình làm lạnh được mơ tả như một q
trình tách nhiệt ra khỏi vật thể. Đây cũng là mục đích chính của hệ thống làm lạnh và
điều hịa khơng khí. Vì vậy hệ thống điều hịa khơng khí hoạt động dựa trên ngun
lý cơ bản sau đây:
 Dịng nhiệt ln truyền từ nơi nóng đến nơi lạnh.
 Khi bị nén chất khí sẽ làm tăng nhiệt độ.
 Sự giãn nở thể tích của chất khí sẽ phân bố năng lượng nhiệt ra một vùng rộng
lớn và nhiệt độ của chất khí sẽ bị giảm xuống.
 Để làm lạnh bất cứ một vật nào thì ta phải lấy nhiệt ra khỏi vật thể đó.
 Một số lượng lớn nhiệt lượng được hấp thụ khi chất lỏng thay đổi trạng
thái biến thành hơi. Tất cả các hệ thống điều hịa khơng khí ô tô đều được thiết
kế dựa trên cơ sở lý huyết của ba đặc tính căn bản: Dịng nhiệt, sự hấp thụ, áp
suất và điểm sơi.
 Dịng nhiệt: Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao hơn (các phần tử có chuyển
 động mạnh hơn) đến những nơi có nhiệt độ thấp hơn (các phần tử có chuyển
động yếu hơn).Ví dụ: Một vật nóng 300F được đặt cạnh một vật nóng có nhiệt
độ 800F thì vật nóng có nhiệt độ là 800F sẽ truyền nhiệt cho vật 30 0F. Sự chênh
lệch nhiệt độ càng lớnthì dịng nhi ệt lưu thơng càng mạnh. Sự truyền nhiệt

có thể được truyền bằng: Dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hay kết hợp giữa ba cách
trên.
 Dẫn nhiệt: Là sự truyền có hướng của nhiệt trong một vật hay sự dẫn nhiệt xảy
ra giữa hai vật thể khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau. Ví dụ khi ta nung nóng
một đầu thanh thép thì đầu kia dần dần ấm lên do sự dẫn nhiệt.
 Sự đối lưu: Là sự truyền nhiệt qua sự di chuyển của một chất lỏng hay một
chất khí đã được làm nóng hay đó là sự truyền nhiệt từ vật thể này sang vật thể
khác nhờ khối khung khí trung gian bao quanh nó. Khi khối khơng khí được
đun nóng bởi một nguồn nhiệt, khơng khí nóng sẽ bốc lên phía trên tiếp xúc với
vật thể nguội hơn và làm nóng vật thể này. Trong một phịng khơng khí nóng bay
lên trên, khơng khí lạnh di chuyển xuống dưới tạo thành vịng ln chuyển khép
kín, nhờ vậy các vật thể trong phịng được nung nóng đều, đó là hiện tượng của
sự đối lưu.

3.


 Sự bức xạ: Là sự phát và truyền nhiệt dưới dạng các tia hồng ngoại, mặc dù
giữa các vật khơng có khơng khí ho ặc khơng tiếp xúc với nhau. Ta cảm thấy
ấm khi đứng dưới ánh sáng mặt trời hay cả dưới ánh sáng đèn pha khi ta đứng
gần nó. Đó là bởi nhiệt của mặt trời hay đèn pha được biến thành các tia hồng
ngoại và khi các tia này chạm vào một vật nó sẽ làm cho các phần tử của vật
đó chuyển động, gây cho ta cảm giác nóng. Tác dụng truyền nhiệt này gọi là sự
bức xạ.
 Sự hấp thụ nhiệt: Vật chất có thể tồn tại ở một trong ba trạng thái: Thể lỏng, thể
rắn, thể khí. Muốn thay đổi trạng thái của một vật thể, cần phải truyền cho nó
một nhiệt lượng nhất định. Ví dụ khi ta hạ nhiệt độ của nước xuống 320F (00C)
thì nước đóng băng thành đá. Nó đã thay đổi trạng thái từ thể lỏng sang thể rắn.
Nếu nước được đun tới 2120F (1000C), nước sẽ sôi và bốc hơi (thể khí). Ở đây
đặc biệt thú vị khi thay đổi nước đá (thể rắn) thành nước ở thể lỏng và nước

thành hơi ở thể khí. Trong quá trình thay đổi trạng thái của nước ta phải tác
động nhiệt vào.
Ví dụ: Khối nước đá đang ở nhiệt độ 32 0F ta nung nóng cho nó tan ra,
nhưng nước đá đang tan v ẫn giữ nhiệt độ là 32 0F. Đun nước nóng đến 212 0F thì
n ước sơi, nhưng khi ta ti ếp tục đun nữa nước sẽ bốc hơi và nhiệt độ đo
được vẫn là 212 0F (1000C) chứ khơng nóng hơn nữa. Lượng nhiệt được hấp
thụ trong nước sôi, trong nước đá để làm thay đổi trạng thái của nước gọi là ẩn
nhiệt.
 Áp suất và điểm sơi: Áp suất giữ vai trị quan trọng trong hệ thống điều hịa
khơng khí. Khi tác động áp suất trên mặt chất lỏng thì sẽ làm thay đổi điểm
sơi của chất lỏng này. Áp suất càng lớn điểm sôi càng cao có nghĩa là nhiệt độ lúc
chất lỏng sơi cao hơn so với mức bình thường. Ngược lại nếu giảm áp suất tác
động lên một vật chất thì điểm sơi của vật chất đó sẽ bị giảm xuống. Ví dụ điểm
sơi của nước ở nhiệt độ bình thường là 100 0C. Điểm sơi này có thể tăng cao hơn
bằng cách tăng áp suất trên chất lỏng đồng thời cũng có thể hạ thấp điểm sơi
bằng cách giảm bớt áp suất trên chất lỏng hay đặt chất lỏng trong chân không.
Đối với điểm ngưng tụ của hơi nước, áp suất cũng có tác dụng như thế. Trong hệ
thống điều hịa khơng khí, cũng như hệ thống điện lạnh ơ tơ đã áp dụng hiện
tượng này của áp suất đối với sự bốc hơi và ngưng tụ của một số loại chất
lỏng đặc biệt tham gia vào quá trình sinh lạnh và điều hòa của hệ thống.
4. Đơn vị đo nhiệt lượng, môi chất lạnh và dầu bôi trơn.
A. Đơn vị đo nhiệt lượng.
Để đo nhiệt lượng truyền từ vật này sang vật kia người ta dùng đơn vị BTU.
Nếu cần nung một Pound nước (0,454 kg) nóng đến 1 0F (0,550C) thì phải truyền cho
nước 1 BTU nhiệt. Năng suất của một hệ thống nhiệt lạnh ô tô được định rõ bằng
BTU/giờ, vào khoảng 12000 đến 24000 BTU/giờ.(1BTU= 0,252 cal = 252 kcal), (1
kcal = 4,187 kJ).
B. Môi chất lạnh.
Môi chất lạnh còn gọi là tác nhân lạnh hay ga lạnh trong hệ thống điều hịa
khơng khí phải đạt được những yêu cầu sau đây: + Môi chất lạnh phải có điểm sơi

thấp dưới 320F (00C) để có thể bốc hơi và hấp thụ ẩn nhiệt tại những nhiệt độ thấp.
Phải có tính chất tương đối trơ, hịa trộn được với dầu bơi trơn để tạo thành một
hóa chất bền vững, khơng ăn mịn kim loại hoặc các vật liệu khác như cao su, nhựa.


Đồng thời chất làm lạnh phải là chất không độc, không cháy, và không gây nổ, không
sinh ra các ph ản ứng phá hủy môi sinh và môi trường khi nó xả ra vào khí
quyển. Phân loại và kí hiệu môi chất lạnh.
Các freon: Là các cacbuahydro no hoặc chưa no mà các nguyên tử hydro được
thay thế một phần hoặc toàn bộ bằng nguyên tử clo, flo hoặc brom.
 R (refrigerant): Chất làm lạnh, môi chất lạnh.
 Các đồng phân có thêm chữ a, b để phân biệt. Ví dụ như R-134a
 Các olefin có số 1 đứng trước 3 chữ số. Ví dụ như C3F6 kí hiệu là R1216.
 Các hợp chất có cấu trúc mạch vịng thêm chữ C.Ví dụ như C4H8 là RC138.
 Các chất vơ cơ: Kí hiệu là R7M, trong đó với M là phân tử lượng làm trịn của
chất đó.Ví dụ NH3 kí hiệu là R717.
 Môi chất lạnh R-12. Môi chất lạnh R-12 là h ợp chất của cacbon, Clo và flo có cơng
thức hóa học là CCl2F2(CFC). Nó là một chất khí khơng màu nó nặng hơn khơng khí
bốn lần ở 300C, có mùi thơm rất nhẹ, có điểm sơi là 21,70C (-29,80C), áp suất hơi của
nó trong bộ bốc hơi là 30 PSI và trong b ộ ngưng tụ là 150 -300 PSI, và có nhi ệt lượng
ẩn để bốc hơi là 70 BTU trên 1 Pound. R-12 rất dễ hịa tan trong dầu khống chất, và
khơng tham gia phản ứng với các kim loại, các ống mềm và đệm kín sử dụng trong hệ
thống. Cùng với đặc tính có khả năng lưu thông xuyên suốt hệ thống ống dẫn nhưng
khơng bị làm giảm hiệu suất, chính những đặc điểm này đã làm cho R-12 là môi ch
ất lý tưởng sử dụng trong hệ thống điều hịa ơ tơ. Tuy nhiên R-12 lại có đặc tính phá
hủy tầng ơzơn và gây ra hiệu ứng nhà kính, do các phân t ử này có thể bay lên bầu
khí quyển trước khi phân giải, và tại bầu khí quyển, nguyên tử clo đã tham gia phản ứng
hóa học với nguyên tử O3 trong tầng ơzơn khí quyển. Do đó ngày nay mơi chất lạnh R12 đã bị cấm sử dụng và lưu hành trên thị trường.

Hình 2.10: Sự phá hủy tầng ơzơn của CFC

 Môi chất lạnh R-134a. Môi chất lạnh R134a có cơng thức hóa học là CF3- CH2F
(HFC). Do trong thành phần hợp chất khơng có chứa clo nên đây chính là lý do cốt yếu
mà ngành cơng nghiệp ơ tô chuyển từ việc sử dụng môi chất lạnh R-12 sang sử dụng
mơi chất lạnh R134a. Các đặc tính, các mối quan hệ áp suất và nhiệt độ của môi chất
R134a có đi ểm sơi là -15,20F (26,90C), và có lượng nhiệt ẩn để bốc hơi là


77,74 BTU/Pound. Điểm sôi này cao hơn so với môi chất R-12 nên hiệu suất có phần
khơng bằng so với R-12. Vì vậy hệ thống điều hịa khơng khí ơ tô dùng môi ch ất lạnh
R 134a được thiết kế với áp su ất bơm cao hơn, đồng thời phải tăng khối lượng
lớn khơng khí giải nhiệt thổi xun qua giàn nóng (bộ ngưng tụ). R134a có nhược
điểm nữa là khơng kết hợp được với các dầu khống dùng để bôi trơn hệ thống. Đồ
thị mô tả mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ. Đồ thị chỉ ra điểm sôi của R134a ở
mỗi cặp giá trị nhiệt độ và áp suất. Phần diện tích trên đường cong áp suất biểu diễn
R134a ở trạng thái khí và phần diện tích dưới đường cong áp suất biểu diễn R134a ở
trạng thái lỏng. Ga lạnh ở thể khí có thể chuyển sang thể lỏng chỉ bằng cách tăng áp
suất mà không cần thay đổi nhiệt độ hoặc giảm nhiệt độ mà không cần thay đổi áp su
ất. Ngược lại ga lỏng có thể chuyển sang ga khí bằng cách giảm áp suất mà
không cần thay đổi nhiệt độ hoặc tăng nhiệt độ mà khơng cần thay đổi áp suất.

Hình 2.11: Đường cong áp suất hơi của môi chất lạnh R-134a
Khi thay thế mơi chất lạnh R-12 của hệ thống điều hịa khơng khí bằng mơi chất
R134a thì phải thay đổi các bộ phận của hệ thống nếu nó khơng phù hợp với R134a,
cũng như phải thay đổi dầu bôi trơn, chất khử ẩm của hệ thống. Dầu bôi trơn chuyên
dùng cùng với môi chất lạnh R134a là các chất bôi trơn tổng hợp polyalkalineglycol
(PAG) hay polyolester (POE). Hai chất này không hịa trộn với mơi chất lạnh R-12. Ta
có thể phân biệt được giữa hai môi chất lạnh R-12 và R134a vì thơng thường nó được
ghi rõ và dán trên các bộ phận chính của hệ thống.
C. Dầu bơi trơn.
 Tùy theo quy định của nhà chế tạo lượng dầu bôi trơn vào khoảng 150-200 ml

được nạp vào máy nén nhằm đảm bảo các chức năng sau đây : Bôi trơn các chi
tiết của máy nén tránh mòn và két cứng , một phần dầu nhờn sẽ h ịa trộn với
mơi chất lạnh và lưu thông khắp nơi trong hệ thống , giúp van giãn nở hoạt
động chính xác , bơi trơn cổ trục máy nén.
 Dầu bôi trơn máy nén phải tinh khiết không được sủi bọt, không lẫn lưu huỳnh.
 Dầu bơi trơn máy nén kh ơng có mùi, trong suốt màu vàng nhạt . Khi bị lẫn tạp
chất nó có màu nâu đen. Vì vậy nếu phát hiện dầu bôi trơn trong hệ thống điện
lạnh đổi sang màu nâu đen, thì dầu đã bị nhiễm bẩn. Nó cần được xả sạch và thay
dầu mới theo đúng chủng loại và đúng dung lượng quy định.




Chủng loại và độ nhớt của dầu bôi trơn máy nén tùy thuộc vào quy định của
nhà chế tạo máy nén và tùy thuộc vào lượng môi chất lạnh đang sử dụng trong
hệ thống. Dầu nhờn được hò a ta với môi chất lạnh và lưu thông xuyên suốt hệ
thống , do vậy bên trong mỗi bộ phận đều có dầu bơi trơn khi tháo rời các bộ
phận đó ra khỏi hệ thống. Lượng dầu bôi trơn phải được cho thêm sau khi thay
mới bộ phận được quy định do nhà chế tạo.