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Über dieses Buch

Michael König untersucht qualitativ und quantitativ einen halbhermetischen CO2-Axialkolbenverdichter hinsichtlich auftretender Verlustmechanismen. Die physikalisch motivierten Betrachtungen umfassen eine Beschreibung thermodynamischer, strömungsmechanischer und mechanischer Phänomene. In Erweiterung zu bisher bewerteten Verlustbeiträgen charakterisiert der Autor umfangreich die elektrischen Leistungsverluste des Antriebsstrangs. Als neuartige Methode der Verdichterindizierung von (halb-)hermetischen Verdichtern entwickelt Michael König eine Zylinderdruck-/Drehwinkelkorrelation mithilfe motorintegrierter Hall-Schalter und wendet diese erfolgreich an.

Der Autor
Michael König ist als Entwicklungsingenieur bei einem Automobilhersteller in Salzgitter und dort im Bereich der elektrischen Nebenaggregate tätig. Er promovierte berufsbegleitend an der TU Braunschweig.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Jakob Perkins beschrieb im Jahr 1834 in seinem Patent 6662 mit dem Namen „Apparatus for Producing Cold and Cooling Fluids“ erstmalig korrekt die wesentlichen Komponenten und die Funktionsweise einer Kaltdampfmaschine. Erst durch die kontinuierliche konstruktive Weiterentwicklung von Kaltdampfmaschinen durch Carl von Linde und die Verwendung des natürlichen Kältemittels Ammoniak konnten ab 1877 Kälteanlagen industriell eingesetzt werden. Neben Wasser, Propan, Kohlenwasserstoffen und weiteren natürlichen Verbindungen wurde auch Kohlendioxid (CO2) bis Ende der 1920er Jahre als Kältemittel eingesetzt.
Michael König

Kapitel 2. Grundlagen zur Untersuchung von Verlustmechanismen im Verdichter

In den nachstehenden Abschnitten werden zunächst die Anlagenverschaltung für typische Pkw-Klimaanlagen und aussichtsreiche Verdichterbauarten für die Verwendung des Kältemittels CO2 aufgezeigt. Anschließend werden auf Basis der Charakteristik eines halbhermetischen, elektrisch angetriebenen Axialkolbenverdichters in Taumelscheibenbauweise relevante Verlustmechanismen identifiziert und die wesentlichen Einflussgrößen beschrieben. Es werden am Ende des Kapitels geeignete Verdichter-Bewertungskenngrößen für die Leistungsbewertung von elektrisch angetriebenen Verdichtern formuliert.
Michael König

Kapitel 3. Modellierung eines Taumelscheibenverdichters

0D-/1D-Verdichter-Simulationsmodelle sind im Vergleich zu kennfeldbasierten Verdichtermodellen bei gleichzeitig geringfügig erhöhter Berechnungsdauer ein verbreiteter Ansatz zur physikalisch motivierten, vollständigen Beschreibung von Verdichtern verschiedener Bauarten. Im diesem Kapitel wird ein vollständiges 0D-/1D-Gesamt-Verdichtermodell unter Berücksichtigung der identifizierten Verlustbeitragsgrößen entwickelt. Die Teilmodelle des Verdichters mit konstantem Volumen der elektrischen Komponenten, des Triebraumes, der Kammern, des Zylinderblocks, der Stutzen und des Ölabscheiders werden als Punktmasse (nulldimensional) abgebildet.
Michael König

Kapitel 4. Experimentelle Methodik der Verdichter-Untersuchung

Zur experimentellen Untersuchung des betrachteten halbhermetischen Taumelscheibenverdichters (vgl. Kapitel 5) wird ein geeigneter Verdichterprüfstand verwendet. Weiterführend dient der Verdichterprüfstand zur Parametrisierung und (Teil-)Validierung des Verdichtermodells (vgl. Kapitel 3). Die DIN EN 13771-1 [38] als Ersatz für die DIN 8977:1973-01 [27] beschreibt die Art der Leistungsprüfverfahren und die zu verwendenden Messinstrumente für einstufige Kältemittelverdichter. Der Verdichterprüfstand entspricht in Bezug auf die verwendeten Messinstrumente und deren Genauigkeitsanforderungen den relevanten Normvorgaben.
Michael König

Kapitel 5. Experimentelle Untersuchung des Verdichters

Im nachstehenden Kapitel werden wesentliche Messergebnisse zur Bewertung der Verdichtereffizienz anhand von Indiziermessungen, geeigneten äußeren und inneren Bewertungskenngrößen sowie Leckagemessungen am Zylinder vorgestellt. Die Ergebnisse basieren auf den experimentellen Untersuchungsmethoden nach Kapitel 4. Die Messergebnisse sind jeweils für den stationären Betriebszustand des Verdichters aufgeführt. Neben der experimentellen Untersuchung des Verdichter-Gesamtsystems wird auch der elektrische Antriebsstrang als Subsystem des Verdichters anhand von Wirkungsgradmessungen charakterisiert.
Michael König

Kapitel 6. Validierung des Verdichtermodells

In diesem Kapitel erfolgt die Validierung des 0D-/1D-Simulationsmodells bzw. von Teilmodellen des 0D-/1D-Simulationsmodells nach den Modellbeschreibungen aus Kapitel 3. Die Simulation des Modells erfolgte in der Simulationsumgebung Dymola® (Version: 2014-FD01) mithilfe der Programmiersprache Modelica. Es wurde die Modelica Standard Bibliothek in der Version 3.2 verwendet. Die verwendeten Stoffdatenmodelle sind für das Kältemittel in Unterabschnitt 3.1.1 und das Kältemittel-Öl-Gemisch in Unterschabschnitt B.3 im Anhang aufgeführt. Die Stoffdaten wurden mithilfe der Simulationsbibliothek TILMedia in der Version 3.2.3 berücksichtigt.
Michael König

Kapitel 7. Bewertung ausgewählter Verlustbeiträge des Verdichters

In diesem Kapitel wird abschließend erstmalig eine umfassende quantifizierende Verlustanteilbewertung ausgewählter identifizierter Verlustbeiträge für den untersuchten elektrisch angetriebenen Taumelscheibenverdichter vorgenommen. Dazu wird jeweils das in Kapitel 3 beschriebene (teil-)validierte 0D-/1D-Simulationsmodell für stationäre Betriebszustände der Betriebspunkte nach Tabelle 5.1 angewendet.
Michael König

Kapitel 8. Zusammenfassung und Ausblick

In der vorliegenden Arbeit wurde eine simulative und experimentelle Bewertung von Verlustmechanismen in einem halbhermetischen, elektrisch angetriebenen CO2-Pkw-Axialkolbenverdichter in Taumelscheibenbauweise durchgeführt. Auf der Grundlage theoretischer Ansätze wurde zunächst eine Identifikation und eine qualitative Beschreibung von Verlustmechanismen vorgenommen. Für eine Quantifizierung von Verlustbeitragsgrößen in einem elektrisch angetriebenen Taumelscheibenverdichter wurde – basierend auf einem physikalisch motivierten, vollständigen null- bzw. eindimensionalen (0D-/1D-) Simulationsmodell – ein mathematischer Beschreibungsansatz entwickelt. Dabei werden thermodynamische, mechanische und strömungsmechanische Phänomene betrachtet.
Michael König

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