Klimatyzacje samochodowe czeka rewolucja

Mija zaledwie dziesięć lat od wprowadzenia na rynek pierwszych klimatyzatorów samochodowych napełnianych przyjaznym dla środowiska czynnikiem chłodniczym R134a, który w przeciwieństwie do wcześniej stosowanego freonu R12 nie przyczynia się do powiększania dziury ozonowej. Ta pozornie niewielka zmiana czynnika chłodniczego kosztowała w samych tylko Stanach Zjednoczonych prawie 5 miliardów dolarów. Jeszcze kilka lat temu wydawało się, że nowy, ekologiczny czynnik chłodniczy będzie stosowany w fabrykach samochodów przez co najmniej dwie dekady. Niestety, mimo coraz powszechniejszego używania sprzętu do odzyskiwania czynnika z serwisowanych układów klimatyzacyjnych, R134a znajdujący się w tych układach trafia w końcu do atmosfery (choćby na skutek nieszczelności) i wspomaga powstawanie efektu cieplarnianego - tak przynajmniej twierdzą obrońcy środowiska naturalnego.

Prawda to, czy bajka? Nieważne, bo przemysł samochodowy nie może już sobie pozwolić na opinię truciciela środowiska. Wyjście oczywiście znaleziono, choć wydaje się ono mało atrakcyjne: dwutlenek węgla jako czynnik chłodniczy. Największa zaleta dwutlenku węgla jest oczywista - w atmosferze jest od początku świata (no, w każdym razie dość długo) i pozyskuje się go przy okazji spalania paliw kopalnych, więc ekolodzy już całkiem nie będą mieli do czego się przyczepić. A największa wada? Ta również jest oczywista, a w dodatku poważna - CO2 bardzo kiepsko nadaje się na czynnik chłodniczy do klimatyzatorów samochodowych. Oczywiście można go zmusić do pracy stosując spore ciśnienia, ale będzie to kłopotliwe, ciężkie i kosztowne (robi się to od dawna, choć w innych zastosowaniach). Ale skoro decyzje już raczej zapadły, więc nie ma co dyskutować, trzeba się szykować.
Owszem, są pewne problemy...
Nie chcąc zmuszać czytelników do przypominania sobie definicji entalpii i paru innych pojęć powiedzmy tylko, że klimatyzacja napełniona dwutlenkiem węgla działała prawie tak samo, jak klimatyzacje korzystające z czynników R12 i R134a, tyle że odbywa się to przy ciśnieniach o rząd wielkości większych. To oczywiście wystarczy, by wszystkie dotychczas stosowane komponenty wyrzucić do kosza i zacząć projektowanie nowych od pierwszej kreski.
Najlepiej byłoby, gdyby zastosowanie CO2 w klimatyzatorach samochodowych zbiegło się z wprowadzeniem nowych, 42 woltowych instalacji elektrycznych. W takiej sytuacji sprężarkę klimatyzatora można by napędzać połączonym z nią silnikiem elektrycznym, co pozwoliłoby na używanie klimatyzacji również przy wyłączonym silniku, przynajmniej przez krótki czas. Klimatyzator działający na zasadzie pompy cieplnej mógłby (pracując "w drugą stronę") zapewniać również ogrzewanie wnętrza. Charakterystyka fizyczna CO2 umożliwia działanie układu także przy niskich temperaturach otoczenia, choć sprawność energetyczna dość wyraźnie wtedy maleje. Zastosowanie pompy cieplnej rozwiązuje problemy wynikające z coraz wyższej sprawności silników i deficytu ciepła, które może być spożytkowane w układzie wodnego ogrzewania wnętrza.
Niestety, układ taki eliminuje jedną z większych zalet dotychczas stosowanych klimatyzatorów, które w połączeniu z osobno pracującą nagrzewnicą mogły osuszać powietrze i usuwać zaparowywanie szyb. W dodatku szybkie przełączenie układu z trybu chłodzenia na tryb ogrzewania samo w sobie wywoła odparowanie wody skroplonej w parowniku i spowoduje zaparowanie szyb. Prawdopodobnie trzeba będzie stosować dodatkowe (wspomagające) ogrzewanie wodne, elektryczne lub spalinowe.
Przy dotychczasowych parametrach samochodowych instalacji elektrycznych sprężarki przeznaczone do CO2 połączone z silnikami elektrycznymi okazały się tak duże i ciężkie, że ich zastosowanie na obecnym etapie rozwoju nie jest realne. Na dobitkę takie sprężarki byłyby trzykrotnie droższe od dotychczas stosowanych, które za zbyt tanie nigdy nie uchodziły.
Wygląda więc na to, że pierwsze układy klimatyzacyjne pracujące na dwutlenku węgla będą posiadały sprężarki napędzane zwyczajnym paskiem wielorowkowym od silnika pojazdu. Takie właśnie urządzenia osiągnęły dojrzałość techniczną umożliwiającą ich produkcję w najbliższej przyszłości. Pozostałe elementy układu też będą przypominać swoje odpowiedniki z dotychczasowych układów, ale ze względu na ciśnienia przekraczające dobrze 100 atmosfer będą musiały mieć "nieeeeco" grubsze ścianki. Praca w trybie pompy cieplnej wymaga dołożenia kilku elektrozaworów i rozwiązania paru innych problemów, co na tle kłopotów z ciśnieniami nie wygląda na poważną przeszkodę.
Kto zacznie pierwszy?
Trudno przesądzić, kto pierwszy zdecyduje się wprowadzić do produkcji samochód z nowym rodzajem klimatyzatora. Podobno bardzo blisko osiągnięcia dojrzałości produkcyjnej są projekty japońskiej firmy Denso współpracującej z Toyotą, ale znana z konserwatyzmu i umiłowania technicznej elegancji Toyota może nie mieć ochoty na pełnienie roli królika doświadczalnego.
Z pewnością pierwsi nie będą Amerykanie, którzy do niedawna rękami i nogami bronili się przed zmianą czynnika chłodniczego. Ich próby udowodnienia, że wielokrotnie taniej i rozsądniej można chronić środowisko tworząc szczelniejsze układy klimatyzacyjne pracujące na R134a nie trafiły jednak do przekonania producentów europejskich, a szczególnie niemieckich. Obecnie zarówno Delphi, jak i Visteon przyznają się do prac nad nową generacją klimatyzatorów, co prawdopodobnie usuwa groźbę klimatyzacyjnego podziału świata.
Choć nad nowymi klimatyzatorami pracują producenci z całej Europy, to największą determinację wykazują Niemcy. Wśród firm z tego kraju trwa swego rodzaju wyścig o tytuł pierwszego producenta samochodu z ekologicznym klimatyzatorem. Czasami można jednak odnieść wrażenie, że wszyscy zawodnicy chcą tylko uczestniczyć w wyścigu i dobiec do mety na dalszych pozycjach.
Osiągnięcia firmy Obrist Engineering
Niewielka austriacka firma Obrist Engineering kontynuuje prace nad klimatyzacjami napełnianymi CO2 rozpoczęte przez TES Wankel (tak, to ci od Felixa Wankla). Działania te nie byłyby możliwe bez solidnego wsparcia i współpracy ze strony niemieckiego przemysłu motoryzacyjnego (Daimler/Chrysler, Audi, BMW) oraz firmy LuK mającej spore osiągnięcia w konstruowaniu sprężarek.
Bardzo dobre wyniki układu z pompą cieplną skonstruowanego przez firmę Obrist osiągnięto w samochodzie testowym Audi A4. Prototypowa klimatyzacja chłodziła skuteczniej, niż klimatyzatory stosowane obecnie w samochodach seryjnych. Również w warunkach zimowych układ wykazał się znakomitą wydajnością grzewczą, jednak wynikało to z jego absurdalnie dużej mocy, a nie z samej zasady działania. Układ ten miał również inną wadę: w trybie ogrzewania korzystano dodatkowo z podgrzewania czynnika chłodniczego przez płyn chłodzący silnik. Uniknięto w ten sposób zamrażania wymiennika ciepła znajdującego się w komorze silnikowej, ale w przypadku nowoczesnych silników Diesla z wtryskiem bezpośrednim takie rozwiązanie byłoby nie do przyjęcia.
Wspomniane testy przeprowadzono dwa lata temu, można więc zakładać, że wiele problemów udało się od tego czasu skutecznie rozwiązać. W każdym razie firma Obrist twierdzi, że przeszkodą we wprowadzeniu do seryjnej produkcji nowej generacji klimatyzatora mógłby być już tylko brak ostatecznego porozumienia między największymi producentami samochodów.

Podsumowanie
Mimo wielu wątpliwości co do sensu wprowadzania nowej generacji układów grzewczo-klimatyzacyjnych i mimo kilku istotnych wad znanych już prototypów, trzeba liczyć się z możliwością uruchomienia omawianych układów w seryjnej produkcji już w roku 2003. Co prawda jeszcze rok temu należało się liczyć z datą 2002, ale nie zmienia to faktu, że coś wisi w powietrzu. Oprócz zalet ekologicznych, nowe układy pozwolą na oszczędności w zużyciu paliwa, a prawdopodobnie ich ciężar i rozmiary geometryczne też zostaną sprowadzone do rozsądnych granic. Przeglądając numery miarodajnego czasopisma "Automotive Airconditioning Reporter" z ostatnich dwóch lat trudno byłoby znaleźć taki, w którym nie wspomina się o pracach nad klimatyzatorami napełnianymi dwutlenkiem węgla. Trudno zresztą ukryć, że właśnie taki przegląd dał impuls do powstania niniejszej notatki. Osobom zainteresowanym tematem proponuję zajrzeć także pod internetowy adres:
http://www.sae.org/misc/ac/present00.htm

Jacek Wojnar
WEBASTO PETEMAR Sp. z o.o.