Pkw-Klimatisierung

Die ersten Automobile (Ende des 19. Jahrhunderts) hatten keine Vorrichtungen zur Lüftung, zum Heizen oder zum Kühlen. Die Fahrgeschwindigkeit, die Sicht des Fahrers und der Klimakomfort entsprachen einer Pferdekutsche. Mit größer werdender Fahrgeschwindigkeit änderte sich der Aufbau, es entstand eine Karosserie mit Scheiben. Diese musste nun gelüftet und beheizt werden.

Für die Klimatisierung in Gebäuden gibt es zahlreiche Untersuchungen und eine umfangreiche Literatur. Diese Ergebnisse sind auch für die Klimatisierung von Pkws im weitesten Sinn relevant, aber leider nicht ohne Weiteres übertragbar, da für die Anwendung erhebliche spezifische Unterschiede bestehen. Solche Unterschiede zeigt Tab. 2.1.

Es wird zwischen Außen- und Umluftbetrieb unterschieden. Beide Betriebsarten dienen der Wärme- und Stoffübertragung.

Die mittlere Innenraumlufttemperatur ist das arithmetische Mittel aus der mittleren Temperatur in Höhe des Fußraums und der mittleren Temperatur in Kopfhöhe. Die Definition der Lufttemperaturen und die Lage der erforderlichen Messstellen sind in der DIN 1946-3:2006 beschrieben.

Bei winterlichen Bedingungen sind dicke Schneeschichten auf der Karosserie und hart gefrorenes Eis auf den Scheiben keine Seltenheit. Die Scheiben können auch innen vereist sein. Vor Antritt der Fahrt müssen sowohl der Schnee als auch das Eis restlos beseitigt werden (StVO). Nach dem Start des Motors ist warme Luft im Fahrgastraum wünschenswert, doch die Heizung bleibt vorerst kalt, es sei denn, der Pkw hat eine Standheizung. Nach etwa 10 bis 20 min hat sich der Motor mehr oder weniger ausreichend erwärmt, so dass die Insassen die übertragene Wärme im Fahrgastraum empfinden. Bei heutigen Pkws mit besonders niedrigem Verbrauch (ca. 4 L/100 km für einen Pkw der A-Klasse) reicht jedoch die Heizleistung bei tiefen Außenlufttemperaturen auch im stationären Betrieb oft nicht aus, um ein behagliches Klima sicherzustellen. Dies betrifft insbesondere Pkws mit direkteinspritzenden aufgeladenen Dieselmotoren, neuerdings auch Ottomotoren mit Direkteinspritzung bei Außenlufttemperaturen bereits unterhalb von −10 °C.

Zwischen dem Tagesgang der Sonneneinstrahlung, der Fahrtrichtung des Pkw sowie der Anordnung und Ausführung der Scheiben bestehen komplexe Zusammenhänge. Diese werden nachstehend beschrieben. Damit ist es möglich, die von der Sonne durch die Scheiben in den Fahrgastraum eingestrahlte Leistung abzuschätzen. Dazu werden die Winkel zwischen den Flächennormalen der einzelnen Scheiben bzw. deren Flächenelementen und der Richtung der Sonne bestimmt.²

Wasser darf auf keinen Fall in den Fahrgastraum gelangen. Eindringendes Wasser führt sehr schnell zu Scheibenbeschlag, dringt in die Materialien der Innenausstattung ein und fördert so Geruchsbelästigungen mit den Stoffwechselprodukten der Mikroorganismen.

In diesem Kapitel werden theoretische Betriebscharakteristika von Wärmeübertragern (WT) aus der Literatur zusammengestellt. Damit wird der Zusammenhang zu vereinfachten Formeln, die in der Praxis üblich sind, und zu verwendeten Begriffe, z. B. ETD (Eintritts-Temperatur-Differenz), k¢ und \({\dot Q_{100}},\) hergestellt. Die theoretischen Gleichungen bilden die Grundlage für Interpolationen und Analysen eines WT. Es werden gemessene Wärmestromkennfelder und Druckverlustlinien von einem Heizungswärmeübertrager (HWT) und einem Verdampfer gezeigt. Diese Kennfelder werden so, wie in der Praxis üblich, dargestellt. Beschrieben werden ferner Interpolationen von Wärmestromkennfeldern, die Abhängigkeit des Wärmestromkennfelds und der Druckdifferenz eines HWT von den Stoffgrößen auf der Flüssigkeitsseite sowie die luftseitige Wärmebilanz eines Verdampfers. Die Analysen und Beschreibungen werden mit Beispielen ergänzt.

In Pkws werden Kaltdampf-Kompressionskälteanlagen verwendet.² Abbildung 9.1 zeigt das Anlagenschema eines Kaltdampf-Kompressionskälte-Kreislaufs. Verwendet werden genormte Bildzeichen nach DIN 8972 (1980), Teil 2 und Begriffe nach DIN 8941 (1982).³

Die sommerliche Wärmeeinstrahlung kann insbesondere durch die Geometrie der Scheiben beeinflusst werden. Wesentlich sind dabei die Scheibenflächen und deren Neigungswinkel. Bei einigen Pkws der 50er und 60er Jahre wurden als Frontscheiben so genannte Panoramascheiben (AUTO UNION 1000 S; Opel Rekord etc.) verwendet. Diese hatten im Vergleich zu heutigen Frontscheiben kleinere und steiler angestellte Flächen. Mit diesen Anordnungen ist die Sonneneinstrahlung in den Fahrgastraum sowie die direkte Sonnenstrahlung auf den Fahrer und Beifahrer deutlich kleiner. In Tab. 10.1 werden die Flächen einer Frontscheibe und die Anstellwinkel eines heutigen Pkws der A0-Klasse mit dem AUTO UNION 1000 S verglichen.

Hucho (2005) berichtet detailliert über Windkanäle. Seine Arbeit reicht unter anderem von der Aufgabenstellung, den Eigenschaften wesentlicher Komponenten, Messung der Windgeschwindigkeit, Simulation bis zu bestehenden Windkanälen.

Mit den heutigen Klimawindkanälen können physikalische Messgrößen an Pkws sehr genau und reproduzierbar gemessen werden. Doch werden nicht sämtliche Randbedingungen, die in der Natur vorkommen, hinreichend genau simuliert. Zu diesen Randbedingungen zählen der Tagesgang der Sonne mit der dazugehörigen spektralen Intensität der Strahlung¹, wechselnde Temperaturunterschiede und Luftfeuchten der Außenluft, Strahlungsaustausch mit der Umgebung etc. Daher sind nach wie vor Versuche in der Natur erforderlich. Es kommt aber auch vor, dass Windkanalkapazitäten (ca. 2.000 bis 3.000 Euro/h, Stand 2009) nicht kurzfristig für einfache Untersuchungen, z. B. Messung der luftseitigen Druckdifferenz im Fahrgastraum oder an der Karosserie, geordert werden können. Die Versuche werden vorzugsweise in abgesicherten Prüfgeländen durchgeführt, die den Automobilherstellern in verschiedenen Regionen der Erde (Skandinavien nördlich des Polarkreises, Arizona, Südafrika etc.) zur Verfügung stehen. Verschiedene Prüfgelände können auch gemietet werden. Versuche im öffentlichen Straßenverkehr waren noch in den 70er Jahren verbreitet. Ein ungestörter Versuchsablauf ist heute wegen der Verkehrsdichte praktisch nicht mehr möglich. Außerdem ist die StVO zu beachten. Die Versuche müssen sorgfältig geplant und vorbereitet werden. Bis zur eigentlichen Versuchsdurchführung muss häufig geduldig gewartet werden, bis sich die gewünschten meteorologischen Bedingungen einstellen.²

In diesem Abschnitt sind Diagramme für feuchte Luft (Abb. 13.1), Äthylenglykol-Wassermischungen (Abb. 13.2 bis 13.5) sowie Kältemittel R134a (Abb. 13.6) und R744 (Abb. 13.7) zusammengestellt.