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1. 空調システム – A/C

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自動車空調システムの基本的な動作の原則

私たちが記載しようとしているのは、平たく言えば、自動車の空調システムがどのように機能するのか、自動車のダッシュボードの「A/C」ボタンを押すと何が起こるかということです。

冷却システムの基本的な動作原理は、家庭用冷凍庫でも、オフィスの空調システムでも、自動車に取り付けられた空調システムでも全て同じです。基本的なプロセスは、物理学の4つの基本原則であり、私たちはおそらく日常生活で圧縮・膨張・蒸発・凝縮の全てを経験しています。

圧縮

自転車のタイヤに空気を入れ、空気がタイヤ内の圧力以上に圧縮されると、タイヤへ空気を送り込んでいるポンプ本体は熱くなります。タイヤが膨張し、空気をより高い圧力に圧縮するのに、より多くの力を必要とするため、ポンプはさらに熱くなります。また、タイヤは、バルブを通って入る熱くなった気体によって加熱された状態になります。

膨張

エアゾール缶を放出すると缶は冷たくなります。これは液体内容物が気体になり放出され、缶内部の圧力が下がるためです。

蒸発

かつての船乗りは指を濡らし、気流によって指のどちら側が冷たく感じるかより風向きを察知していました。

凝縮

よく冷えたビールの入ったグラスの外側が空気によって温められると水滴が発生するように、温かく湿った空気が冷たい表面に触れると、その表面温度が下がり、水蒸気が水滴に変化します。

自動車の空調システムは、自動車内に循環する空気の温度を下げるために、上記の物理的プロセスを用いる専用の部品が取り付けられています。空気冷却に加え、空調システムは車内に入る空気の過剰水分を除去し、自動車のウインドウ内側に形成される凝縮量を減少させ、運転者の見通しを改善するという利点が追加されています。

自動車空調システムの動作コンポーネント

自動車用空調の動作および上記原理がどのように適用されているかを部品毎にご説明します。

コンプレッサー:これは空調システムの心臓です。自動車の電気オルタネーターと同様のサイズの圧縮機は、プーリーを経由しエンジンベルトで駆動されるエンジン室の下にあり、2本の補強ホースで残りの空調システムに接続された通常のコンポーネントとして判別できます。車の中でエアコンをオンにすると、電気回路はコンプレッサーのプーリーでクラッチを作動させ、非常に高い圧力の下、コンプレッサーがシステムの他の部分に冷媒ガスを送り込みだします。圧力を増加させることにより、コンプレッサーからの冷媒ガスが高温になります。

コンデンサー:コンデンサーは、メインエンジン冷却用ラジエーターとの空気の流れを共有する第二ラジエーターとして判別できます。通常、空調システムがオンになった時、コンデンサー自身の電動冷却ファンがアクティブになります。コンデンサーは、コンプレッサーからの加熱された高圧冷媒ガスを受け取り、それを冷却します。冷媒ガスを液体に凝縮すると、プロセスにおいて熱を放出します。この熱は、コンデンサーを流れる空気によって大気中に放出されます。

レシーバーまたはドライヤー:これは、コンデンサーからの出口ホースと並んだ小型容器またはキャニスターとして判別できます。ここで、冷媒を汚染する水分が取り込まれます。水分や他の汚染物質を循環させている場合、空調システムを損傷し、形成される氷の結晶がつまる可能性があります。

膨張弁:次に、冷媒は膨張弁に流入し、圧力が低下します。これにより、液体は気体になり、冷媒蒸気の急速な冷却を引き起こします。湿気の多い日によく、膨張弁の後に配管作業直後に氷が出来るのを見ることが出来ます。

蒸発器:このコンポーネントは、自動車のダッシュボードの下に深く埋められており、車内加熱システムが使用する空間を共有しているので、サービスエンジニア以外見ることはめったにありません。ここで、高度に冷却された冷媒蒸気は、外側からの空気または車内を再循環する空気を非常に冷たくなった蒸発器の外側を押し出して、車内の空気の熱を吸収し、自動車の車内に冷たい空気を循環させます。

A/Cチューブ:これらのコンポーネントは、異なる温度および圧力条件ですべてのコンポーネントを接続しています。ゴム材料は、使用される冷媒および関連オイルに基づいて作られる必要があります。システム全体の振動性能に基づき、改善されたNVH性能のために、利用可能なソリューションがいくつかあります。

冷媒剤R12、R134A、R1234YF

元々、冷媒剤R12用に設計された空調システムのある自動車が市場に多数あります。2001年は、車両空調システムにおけるR12の正式な終了でした。その日以降、R12システムは、メンテナンスや修理作業中に変換する必要がありました。R134aは、複数の「ドロップイン」冷媒(混合冷媒)以外の代替冷媒として使用されています。

R134aは、高いGWP(地球温暖化係数)、1430を有しています。現在のEC指令2006/40/ECで、将来はGWPが150以下の冷媒剤のみ使用することが決定されました。したがって、クラスM1(乗用車、最大8席の旅客輸送用車両)の空調システム、クラスN1(最大3.5トンの総重量制限付き商用車)の空調システムは、EU内で2011年1月1日以降型式承認が発行されており、今後、R134aを入れることはありません。2017年1月1日以降、R134aの入った自動車は、今後、型式承認されません。しかし、R134aの使用は、既存のR134aシステムにおけるサービスおよびメンテナンス作業に対し許可されます。GWP値が4のR1234yfが、新たな冷媒剤として使用されます。しかし、GWP値が150以下の他の冷媒剤の使用は可能です。全ての自動車メーカーが、同一、または異なる冷媒剤にどの程度変換するかは、まだ不明です。

2. 油圧式パワーステアリングシステム - P/S

あなたの自動車のパワーステアリング装置により、自動車を進めたい方向に操縦することができます。パワーステアリングは、本当に「パワーアシスト式」のステアリングです。エンジンが稼働していない時、またはそれを無効にするパワーステアリングシステムに不良がある場合、「パワーアシスト」ステアリングは、自動車を手動で操縦することができます。

パワーステアリングは、エンジンによって駆動されるベルトで走る油圧ポンプを利用し、このポンプは、少量の液体が圧力下になることを可能にします。次に、この圧力が、ステアリングホイールを回すように、タイヤを導く時にステアリング機構をアシストします。パワーステアリングシステムは、通常、ポンプ、パワーステアリング流体、圧力ホースアセンブリ、制御弁および戻りラインを含みます。

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ここに、自動車で使用されるパワーステアリングシステムの2>つの基本タイプがあります。ラックアンドピニオンステアリングシステムおよび従来型/一体型ステアリングギヤシステム、これはまた、ボール・ナットステアリング装置としても知られています。ラックアンドピニオンステアリングシステムは、今日、自動車に最も一般的に使用されるパワーステアリング装置です。ステアリングシャフトは、ラックアセンブリ上に直接取り付けられた電源ユニットを利用し、左右にラックを移動させるギアを回転させます。ステアリングシステムは、一般に、トラックで最も頻繁に使用されており、それは、ステアリングシャフトとラックピストン間でローリングスレッドとなる一連のスチールボールがあります。ステアリングシャフトは、ギアアセンブリ、左右に車輪を回す一連のリンクおよび/またはアームに接続されます。

パワーステアリングは、操縦される主車輪をステアリング軸に対して回転させる際に、そのパワーの一部でアシストすることで、自動車の運転者が操舵するのに役立ちます。車両は、特に、タイヤ幅および直径の増加に伴って、負のオフセットジオメトリを使用して、重くなり、前輪駆動に切り替えられ、パワーアシストのためではなく、主要な身体運動が必要とされるに至るまで、ステアリング軸の周りにホイールを回転させるのに必要な労力が増大しました。これを軽減するために、自動車メーカーは、パワーステアリングシステム、より正確には公道走行可能車両においてパワーステアリングを開発しており、フェールセーフとしての機械的結合が存在しなければなりません。パワーステアリングシステムには、油圧および電気/電子の2種類があります。油圧-電気ハイブリッドシステムも可能です。

油圧式パワーステアリング(HPS)は、ステアリングホイールの回転の動きをアシストするために、エンジン駆動ポンプにより供給される油圧を用いています。HPSは、依然として広くMD&HD市場で使用されていますが、最新のPC&LDVは、現在電動パワーステアリング(EPS)を使用します。

3. 燃料システム

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車両の燃料システムの機能は、燃料を保管し、エンジンに燃料を供給することです。エンジン吸気システムは、燃料が空気と混合、霧化、気化される場所です。その後 それは、エンジンシリンダーで圧縮、点火され、エネルギーまたは電力を生み出します。燃料システムは、エンジンによって異なりますが、全てのシステムは、燃料室に燃料を供給し、空気量によって、供給される燃料量を制御する点では同じです。

燃料は、燃料タンクに保管され、燃料ポンプがタンクから燃料を取り出します。その後、燃料ラインを通って移動し、燃料噴射器(古い車両に使用されていたキャブレターおよびスロットルボディ噴射)へ燃料フィルターを通り、供給されます。燃料が供給されると、完全な燃焼を供給するための最終的な条件は、燃料の霧化および噴霧パターンです。噴霧は、噴射圧力の結果として実現され、これは、噴射器の穴の直径に一部起因します。インジェクター先端部の穴の間隔、角度および数が、噴霧パターンを決定します。

車両の燃料システムが、リターン型またはリターンレス型のシステムであるかに応じて、燃料圧力が異なって調節されます。リターン型システムは、燃料圧力調整器があり、吸気装置からの真空の量に基づき燃料圧力を変化させます。燃料圧力の量と燃料の流量に到達するので、これは燃料圧力の量と燃料の流量で、噴射器は一貫して変わりません。一方で、リターン型システムは、燃料供給を調節するために、パワートレイン制御モジュール(PCM)を使用します。PCMが燃料圧力を監視できるよう、燃料噴射器の電源レールに取り付けられた燃料圧力センサーがあります。エンジン回転数または負荷の増加により、燃料圧力および流量が減り始める時、PCMは、噴射器の期間および/または燃料ポンプの動作速度の増加によって補正します。

以下は、標準的なガソリン>(異なるアルコール%)とディーゼルの代替エンジン燃料の可能なタイプです:

  • RME:菜種油メチルエステル
  • SME:大豆油メチルエステル
  • PME:パーム油メチルエステル
  • CME:ココナッツオイルメチルエステル
  • CNG:圧縮天然ガス
  • LPG:液化石油ガス
  • CTL:石炭液化
  • GTL:ガス液化
  • BTL:バイオマス液化

4. トランスミッションオイル冷却 - TOC

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オイル冷却は、一般的に、内燃エンジンからの余剰熱を除去するために、冷却剤としてのエンジンオイルの使用を意味します。加熱されたエンジンはオイルに熱を送り、これは、オイルクーラーとして知られている、一般的にラジエーターの一種である、熱交換器を通過します。冷却されたオイルは、連続的に冷却するために、加熱された物質に逆流します。

空冷が(飛行中の航空機エンジンまたは移動中の自動二輪車など)走行時間のほとんどで十分であることが証明されると、余分な冷却が必要とされる場合、オイル冷却はこのような場合に対処するのに理想的な方法です。

トランスミッションクーラーは、トランスミッションの耐久年数を延ばすのに役立つ簡単なソリューションです。トランスミッション熱はトランスミッションの不良の最大の理由です。けん引および高トルクエンジンのような高性能アプリケーションは、トランスミッションの温度を上昇させ、液体が正常に機能しなくなります。トランスミッション液は、より低い温度で最適に動作します。

けん引時にオートマチックトランスミッションが激しく動作するため、温度が高くなり、熱はトランスミッションの最大の敵です。アフターマーケットのトランスミッションクーラーは、トランスミッションの温度が高くなり過ぎないようにし、最高性能を発揮し、耐久年数を長くします。
トランスミッション、エンジンまたはパワーステアリングポンプによって加熱された液体は、冷却器に流れます。冷却器のフィンの上を移動する空気は、流体を冷却し、リターンラインを通じて連続ループで、トランスミッション、エンジンまたはパワーステアリングポンプへ戻ります。

5. 選択的触媒還元 - SCR

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選択的触媒還元(SCR) 高度アクティブ排出制御技術システムで、 ディーゼルエンジンの排気流中に特別触媒を通じ、液体還元剤を噴射します。還元剤ソースは、通常、ディーゼル排出流体(DEF)として知られている車載グレード尿素です。DEFは、窒素酸化物を、私たちが呼吸する空気の天然成分である窒素、水および微量の二酸化炭素(CO2)に変換する化学反応引き起こし、これらの気体は車両用排気管を通じて排出されます。

SCRSCR技術は、窒素酸化物(NOx)の低減 を可能にするように設計されており、これは酸化性大気において起こっている反応です。触媒系内の還元剤としてアンモニアを使用してNOxのレベルを低下させるため、「選択的」と呼ばれます。化学反応は、「還元」として知られ、ここで、DEFは、汚染物質を窒素、水および微量の二酸化炭素に変換するためのNOxと反応する還元剤です。DEFは、排気流中の酸化アンモニアを生成するために急速に分解されます。 SCR技術は、ディーゼルエンジンにおいて、単独で、最高90%のNOx削減を達成することができます

SCRシステムは、以下のコンポーネントで構成されています:

  • アドブルータンク&給油口
  • ポンプ – 供給モジュール
  • 加熱システム
  • 通気弁およびパイプ
  • アンモニアセンサー
  • 供給管(加熱または非加熱
  • 投与ポンプ
  • ミキサー
  • 投与インジェクター
  • コントロールECU
  • 加熱&センサーECU
  • SCR触媒

6. エンジン水冷システム

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水冷は、コンポーネントおよび産業機器からの熱除去の方法です。空冷とは対照的に、水は、熱伝導体として使用されます。水冷は、一般的に自動車の内燃エンジンを冷却するために使用されます。

熱機関は、水車が距離を通じ落下する質量流量から機械力を抽出するように、熱流からエネルギーを抽出することにより、機械力を発生します。エンジンは、非効率的で、機械力として出てくるよりも、多くの熱エネルギーがエンジンに入ります;差は、除去しなければならない廃熱です。内燃エンジンは、冷たい吸気、高温の排気ガスおよび明白なエンジン冷却を通じ廃熱を除去します。

より高効率のエンジンは、機械的な動きとして、より多くの残余エネルギーがあり、廃熱としての残余エネルギーは少ないです。一部の廃熱は不可欠です;水車が、排水中に出口速度(エネルギー)がある場合にそれを運び、より多くの水の空間を生み出すために、水車が動作するのと同じように、廃熱はエンジンを通じて熱を運びます。したがって、全ての熱エンジンが作動するには冷却が必要です。

高温は、エンジン材料および潤滑剤を損傷するため、冷却も必要です。冷却は、気候が非常に高温になった時により重要になります。内燃エンジンは、エンジン材料の溶融温度より熱く、潤滑油に火をつけるのに十分熱い燃料を燃焼します。エンジンの冷却は、エンジンが生き残ることができるように低温を維持するのに十分な速さでエネルギーを除去します。

一部の高効率エンジンは、明白な冷却なしで、唯一の偶発熱損失、断熱と呼ばれる設計で機能します。このようなエンジンは、高効率を達成することができますが、電力出力、デューティサイクル、エンジン重量、耐久性および排出を損ないます。

基本原則

多くの内燃エンジンは、気体で冷却された熱交換器(放熱器)を通る、気体(ガス状流体)または液体冷却材のいずれかを使用し冷却された液体です。したがって、エンジン冷却は、水によって冷却される熱交換器を通って行われます。

ほとんどの水冷エンジンは、不凍液や錆阻害剤などの化学物質と水の混合物を使用しています。不凍液の混合物の業界用語は、エンジン冷却液です。一部の凍結防止剤は、全く水を使用せず、代わりに、プロピレングリコールまたはプロピレングリコールとエチレングリコールの混合物など、異なる特性を有する液体を使用しています。ほとんどの「空冷」エンジンは、液体油の冷却を使用し、重要なエンジン部品、オイル自体の両方のための許容可能な温度を維持します。ほとんどの「水冷」エンジンは、空気の吸気行程で、いくつかの空気冷却を使用し、燃焼室を冷却します。

冷却システムには多くの要求があります。重要な要件の1つとして、1か所だけが加熱した場合にエンジン全体が故障するので、エンジン全体を適切に機能させることです。したがって、冷却システムが全ての部品を適切に低い温度で保つことが重要です。水冷エンジンは、エンジンブロックを通して、その通路の大きさを変化させることができるので、冷却剤の流れは、各エリアのニーズに合わせて調整することができます。高ピーク温度(燃焼室の周りの狭い台座)または高熱流(排出口周り)の場所には、十分な冷却を必要とする場合があります。これは、空気冷却で回避することがより困難なホットスポットの発生を減少させます。また、空冷エンジンは、このエリアにおいてより密な間隔の冷却フィンを使用することにより、冷却能力を変えることができますが、これにより製造が困難かつ高価になります。

ブロックやヘッドなどのエンジンの唯一の固定部分は、メイン冷却システムによって直接冷却されます。ピストンなどの可動部品、より低い程度でクランクとロッドは、ブロック、ひいてはメイン冷却への非常に限定された伝導量で、冷却剤として潤滑油に依存しなければなりません。

水冷エンジンには、通常、循環ポンプがあります。最初のエンジンは、サーモサイフォンは冷却だけに頼っていました。ここで、高温の冷却剤は、エンジンブロックの上部を離れ、ラジエーターに渡り、そこで、エンジン底部に戻る前に冷却されました循環は、単独で対流によって行われていました。

伝導性熱伝達は、材料の温度差に比例します。エンジン金属が250°Cで、空気が20°Cである場合、冷却する230°Cの温度差があります。空冷エンジンは、この違いのすべてを使用しています。反対に、水冷エンジンは、エンジンから液体に熱を放出し、液体を135°Cまで加熱し、(冷却システムが加圧され、不凍液との混合物を使用するので、水の標準沸点100°Cを超えます)、これは20°Cの空気で冷却されます。各ステップにおいて、水冷エンジンは半分の温度差があり、最初、2倍の冷却面積を必要とするように思われます。

しかし、冷却剤(水、油または空気)の特性は、冷却にも影響を及ぼします。一例として、冷却剤として水と油とを比較すると、油1グラムは、同じ温度上昇で熱の約55%を吸収することができます(比熱容量と呼ばれる)。油は、水の密度の約90%なので、一定の体積の油は同量の水のエネルギーの約50%しか吸収することができません。水の熱伝導率は、油の約4倍で、熱伝達を補助することができます。油の粘度は、水の粘度の10倍で、冷却用オイルをポンピングに必要なエネルギーを増加させ、エンジンの正味電力出力を低下させます。

空気と水を比較すると、空気はグラム当たりおよび体積当たりの熱容量が非常に低く(4000)、伝導率は10分の1以下で、また、粘度もかなり低いです(約200倍低い:空気は17.4 × 10−6 Pa·sであるのに対し、水は8.94 × 10−4 Pa·s)。上記2段落から計算を続けると、空気冷却は、表面積、したがって、フィンの10倍を必要とし、空気は2000倍の流速を必要とするため、空気循環ファンは再循環水ポンプの10倍の電力を必要とします。シリンダーから空気冷却のための大きな表面積へ熱を移動させることは、良好な熱伝達のために必要な形状や、大量の空気の自由な流れのために必要な空間を作り出す困難さなどの問題を引き起こします。水は、エンジンの冷却に望ましい、ほぼ同じ温度で沸騰します。これは、温度をほとんど上昇させず大量のエネルギーを吸収するという利点(気化熱と呼ばれる)を持っており、特に、複数の加熱された物体の上に冷媒を流し、均一な温度を達成するために、物体を冷たい状態で維持するのに理想的です。反対に、一連の加熱された物体の上に空気を流すと、各ステップで空気を温めるため、最初は過冷却され、最後は冷却が不十分になります。しかし、水が沸騰すると、それは絶縁体となり、水蒸気の泡が出来る場所で、冷却の突然の損失につながります(詳細については熱伝達をご覧ください)。蒸気は、他の冷媒と混合して水に戻るので、局部温度が高温で損傷を与える場合でも、エンジン温度計は許容範囲内の温度を表示します。

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