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Redaktion: Ralf Stopp, Christa Siefert

Layout: Vera Westermann

Druck: Konkordia GmbH, BühlDas Medienunternehmen

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Nachdruck, auch auszugsweise, ohneGenehmigung des Herausgebers untersagt.

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Vorwort

Innovationen bestimmen unsereZukunft. Experten sagen voraus,dass sich in den BereichenAntrieb, Elektronik und Sicherheitvon Fahrzeugen in den nächsten15 Jahren mehr verändern wirdals in den 50 Jahren zuvor. DieseInnovationsdynamik stellt Herstel-ler und Zulieferer vor immer neueHerausforderungen und wirdunsere mobile Welt entscheidendverändern.

LuK stellt sich diesen Herausfor-derungen. Mit einer Vielzahl vonVisionen und Entwicklungsleistun-gen stellen unsere Ingenieure ein-mal mehr ihre Innovationskraftunter Beweis.

Der vorliegende Band fasst dieVorträge des 7. LuK Kolloquiumszusammen und stellt unsere Sichtder technischen Entwicklungen dar.

Wir freuen uns auf einen interes-santen Dialog mit Ihnen.

Bühl, im April 2002

Helmut Beier

Vorsitzenderder Geschäftsführung LuK Gruppe

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LuK KOLLOQUIUM 2002

Inhalt

1 ZMS – nichts Neues? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Der Drehmomentwandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Kupplungsausrücksysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4 Der Interne Kurbelwellendämpfer (ICD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5 Neueste Ergebnisse der CVT-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6 Wirkungsgradoptimiertes CVT-Anpresssystem . . . . . . . . . . . . . 61

7 Das 500 Nm CVT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

8 Das Kurbel-CVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

9 Bedarfsorientiert ansteuerbare Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

10 Die temperaturgeregelte Schmierölpumpe spart Sprit . . . . . . . 113

11 Der CO2 Kompressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

12 Komponenten und Module für Getriebeschaltungen . . . . . . . . 135

13 Die XSG Familie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

14 Neue Chancen für die Kupplung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

15 Elektromechanische Aktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

16 Denken in Systemen – Software von LuK . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

17 Das Parallel-Schalt-Getriebe PSG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

18 Kleiner Startergenerator – große Wirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . 213

19 Codegenerierung contra Manufaktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

WESTEV
11 Der CO2 Kompressor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
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Der CO2 KompressorNeue Technologie für kühle Köpfe und warme Füße

Willi ParschBernd Brunsch

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EinleitungKlimaanlagen in Kraftfahrzeugen tragen maß-geblich zum Komfortgefühl und zur passivenSicherheit bei. Untersuchungen zeigen, dassbei Raumtemperaturen oberhalb 25 °C dieKonzentrationsfähigkeit deutlich vermindertist.

Ähnlich wie bei der Servolenkung wird die Kli-maanlage in den nächsten Jahren ihren Sie-geszug bis in die Kompaktklasse fortsetzen.Es sind Ausrüstungsgrade von >90% zu er-warten.

Dieser Vorteil wird teuer erkauft, da bereits beiAußentemperaturen um 27 °C der Verbrauchum bis zu 20% ansteigt. Dies führt zu Unzu-friedenheit beim Endkunden, da sich der Ver-brauch deutlich von den in Fahrzyklen ermit-telten Werten unterscheidet [1].

Zusätzlich zu diesem erhöhten CO2 Ausstoßdurch Mehrverbrauch spielt auch die Schädi-gung durch den Treibhauseffekt der heutigenKältemittel eine Rolle. Bereits seit 1994 wirdnach umweltfreundlichen Alternativen ge-sucht.

Dabei wurde ein Kältemittel für die Verwen-dung in Kfz - Klimaanlagen wieder entdeckt,dass zu den ältesten Kältemitteln überhauptzählt CO2 [2].

Warum CO2?Zur Klimatisierung in Kfz - Klimaanlagen kom-men derzeit nur nichtbrennbare Kältemittelzum Einsatz, da sonst bereits geringe Men-gen im Fahrzeuginnenraum zu potenziellerExplosionsgefahr führen.

Nachdem R12 wegen seines hohen Treib-hauspotenzials seit mehr als 10 Jahren ver-boten ist, gibt es jetzt erste Ansätze auchR134a zu verbieten. So überlegen die Regie-rungen von Österreich und Dänemark die Ver-wendung ab 2004 zu verbieten, bzw. durch er-höhte Steuerlast einen Anreiz zur Substitutiondurch andere Kältemittel zu geben.

Wie berechtigt solche Überlegungen sind,zeigt ein Vergleich dieser drei Kältemittel inBezug auf ihr Treibhauspotenzial (global war-ming potenzial = GWP) und den systembe-dingten Mehrverbrauch des Kraftfahrzeugs.

Durch den Wechsel des Kältemittels von R12auf R134a konnte der äquivalente CO2 Aus-stoß pro Fahrzeug auf etwa ein Drittel ge-senkt werden. Hierbei werden sowohl derMehrverbrauch, als auch die Schädigungdurch Leckage in der Klimaanlage berück-sichtigt. Eine weitere Reduktion auf wenigerals die Hälfte ist durch den Wechsel auf CO2(R744) möglich.

Bild 1: Umweltverträglichkeit der Kältemittel

Name HCFC (R12) HFC (R134a) CO2 (R744)

Ozonschädigung ja ja keine, da natürliches Gas

Treibhauspotenzial GWP = 8100 GWP = 1300 GWP = 1

CO2 Ausstoß durch Betrieb 2600 kg / PKW 2600 kg / PKW 1800 kg / PKW

CO2 GWP-Äquivalent über Lebensdauer

8100 kg / PKW 1300 kg / PKW 0,5 kg / PKW

Summe 10700 kg / PKW 3900 kg / PKW 1800,5 kg / PKW

1990 durch Verbot 2005 wegen technischer Vorteile

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Im Laufe der Zeit wurden, neben diesen Um-weltgesichtspunkten, folgende technischeVorteile des neuen Kältemittels immer wichti-ger:

� im Jahresmittel deutlich reduzierter Kraft-stoffverbrauch

� bessere Kühlleistung

� Einsatz als Zusatzheizung durch Wärme-pumpe

Systemaufbau

Anlagenschema undBesonderheiten von CO2Der wesentlichste Unterschied zu einer her-kömmlichen Klimaanlage für R134a ist der zu-sätzliche innere Wärmetauscher.

Bild 2: Schematische DarstellungKältemittelkreislauf CO2

Dieser Wärmetauscher ist notwendig [3], [4],da CO2 - Kälteanlagen oberhalb von 31 °C mitüberkritischer Wärmeabgabe arbeiten, wiedas Druck / Enthalpie - Diagramm in Bild 3zeigt.

Die folgenden Überlegungen betrachten nurden überkritischen Fall, da dies den häufige-ren Betriebszustand darstellt. Nach der Ver-dichtung 1 - 2 auf einen überkritischen Druckwird das Gas im Gaskühler, der die Stelle desKondensators einnimmt, abgekühlt 2 - 3. EineKondensation findet im überkritischen Bereich

Bild 3: p-h-Diagramm des Kältekreislaufs

nicht statt. Im nachgeschalteten inneren Wär-metauscher erfolgt eine weitere Abkühlung3 - 4, immer noch ohne Kondensation. Dieisenthalpe Expansion 4 - 5 im Drosselorganführt unterhalb der Siedelinie ins Nassdampf-gebiet. Hier wird der Sattdampfanteil abge-schieden und die flüssige Phase unter Wär-meaufnahme im Verdampfer weitestgehendverdampft 5 - 6, wodurch die eigentliche Kühl-wirkung eintritt. Im Punkt 6 liegt Nassdampfmit einem sehr hohen Sättigungsanteil vor.Nachdem der Nassdampf den als Volumen-ausgleich dienenden Vorratsbehälter 7durchströmt hat, nimmt er im inneren Wärme-tauscher Wärme auf 7 - 1, überhitzt und er-reicht damit wieder den Ausgangspunkt 1.

Der innere Wärmetauscher ist notwendig, daüblicherweise bei CO2 keine Überhitzungsre-gelung stattfindet und das Kältemittel im Ver-dampfer nur unvollständig verdampft wird,bzw. die Wärmeübertragung auf der Hoch-druckseite durch fehlende Kondenzation er-schwert wird.

Auffällig ist auch der hohe Druck, mit dem dasSystem arbeitet. Vorteil ist, dass durch die hö-here Dichte von CO2 ein geringerer Volumen-strom notwendig ist, um eine gewünschte Käl-teleistung zu erbringen.

Dieser Vorteil kann neben der Steigerung derKälteleistung auch zur Verkleinerung der Ag-gregate oder zur Senkung der Leitungsverlu-ste genutzt werden.

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So konnte gezeigt werden, dass in bestimm-ten Betriebszyklen mit Minderverbräuchenvon 25% [5] gerechnet werden kann.

Im Gegensatz zu heutigen Anlagen ist auchein Betrieb als Wärmepumpe technisch sinn-voll. Siehe hierzu die Ausführungen im KapitelWärmepumpe.

Auf Grund von konstruktiven Änderungen istder Verdichter trotz des hohen Druckes leich-ter und kleiner als ein heutiger R134a Kom-pressor.

Allerdings wirkt sich das hohe Druckniveauauf die geforderte Festigkeit aller Bauteile derKlimaanlage aus [6], [7].

Ein weiterer gravierender Unterschied zu be-stehenden Anlagen sind die physikalisch -chemischen Eigenschaften von CO2. Durchdie sehr geringe Molekülgröße diffundiert essehr leicht durch die meisten der heute ver-wendeten Dichtungsmatierialien.

Ferner hat es einen nicht unerheblichen Ein-fluss auf das Verhalten des verwendetenSchmierstoffs und damit auf die Lebensdauerdes Verdichters.

Anforderungen an denKältemittelverdichterDie genannten Systemeigenschaften vonCO2 als Kältemittel im Kälte- und Heizkreis-lauf erfordern vollkommen neu konzipierteVerdichter.

Seitens LuK wurde die Entwicklung von An-fang an auf die spezifischen Belange von CO2ausgerichtet.

Zunächst wurden Serienverdichter für R134aauf CO2 umkonstruiert. Nachdem akzeptableLaufzeiten erreicht wurden, konnte systema-tisch mit der Optimierung der gesamtenCO2 Klimaanlage begonnen werden.

Die wesentlichen Anforderungen an einensolchen Verdichter sind:

� Maximaldrücke von 135 bar auf der Hoch-druckseite

� Sehr hohe Saugdrücke von etwa 40 bar, diestark veränderlich sind

� CO2 hat einen erheblichen Einfluss auf dieEigenschaften der eingesetzten Schmier-mittel

� Entwicklung spezieller Dichtelemente fürCO2

Neben den Systemeigenschaften ergebensich noch fahrzeugtypische Anforderungen,die ebenfalls berücksichtigt werden müssen:

� Kompakter Bauraum

� Geringes Gewicht

� Niedriger Luft- und Körperschall

� Bestmöglicher Wirkungsgrad

� Geringe Herstellkosten

Da sich in Fahrzeug - Anwendungen zuneh-mend der kupplungslose Verdichter durch-setzt, ist zusätzlich die notwendige Schlepp-leistung als Kriterium bei der Verdichteraus-legung zu berücksichtigen.

Technische Beschreibung der VerdichterDie heute für R134a üblichen Verdichterbau-arten können theoretisch auch für die Anwen-dung mit CO2 verwendet werden. Im Wesent-lichen kommen Spiral-, Flügelzellen- und Axi-alkolbenverdichter zum Einsatz.

Spiral- und Flügelzellenverdichter haben denNachteil, dass eine Hubraumregelung nichtpraktikabel ist. Eine Regelung der Massen-ströme ist daher nur über zyklischen Betrieboder ein Bypassventil möglich. Der zyklischeBetrieb per Magnetkupplung führt zu Mehrko-sten für Kupplung und Ansteuerung. Die By-passlösung erzeugt, besonders bei niedrigenKälteleistungen, hohe Energieverluste durchden Bypass.

Es ist üblich, das Verhältnis zwischen An-triebsleistung und Kälteleistung als „coef-ficient of performance“ (COP) anzugeben. Jehöher der Wert ist, um so effektiver arbeitetder Verdichter (Bild 4).

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Bild 4: Prinzipauswahl Verdichter

Hubraumgeregelte Axialkolbenmaschinen set-zen sich aus den oben genannten Gründen der-zeit bei R134a durch. Bei CO2 - Anlagen wurdedieses Prinzip von Anfang an eingesetzt, da esden heutigen Stand der Technik darstellt.

Die Hubraumregelung dieser Verdichter er-folgt über eine Hubverstellung der Kolben, die

Bild 5: Aufbau Verdichter, Schwenkring

über einen winkelbeweglichen Schwenkringangetrieben werden.

Die Wirkstellung und damit die Fördermengeder Kolben wird durch den Schwenkwinkel �repräsentiert. Die Arbeitsleistung wird von derWelle, nach dem Prinzip der direkten Kraftein-leitung, über den Bolzen auf die Kolben über-tragen. Durch die Art der Anbindung der Kol-ben treten nur Axialkräfte auf, wodurch einereibungsarme Verstellung des Schwenkringsmöglich ist. Die Federkraft der Schiebehülsedefiniert die Stellung des Schwenkrings imStillstand.

Bild 6: Aufbau Verdichter, Verstellung

Bauart Flügelzellenverdichter Spiralverdichter Axialkolbenverdichter

Massenstrom-regelung Bypass Bypass

Hubverstellung über Schwenkmechanis-mus

Wirkungsgrad der Kli-maanlage, Verdichter mit max. Massen-strom (COP) (2) (2) (2)

Wirkungsgrad der Kli-maanlage, Verdichter mit abgeregeltem Massenstrom (COP) (1) (1) (1,8)

Geräusch

Kosten

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Bild 7: Aufbau Verdichter, Gesamtsystem

Bild 8: Verstellung des Hubraumes pc > ps

Bild 9: Verstellung des Hubraumes pc = ps

Die Einstellung des Schwenkwinkels erfolgtim Wesentlichen durch ein Kräftegleichge-wicht der Gaskräfte am Kolben (Bild7).

Auf Grund der Geometrie hat der Hochdruckpd keinen Einfluss, da er direkt auf denSchwenkpunkt wirkt. Für die Verstellung ist einGleichgewicht zwischen Saugdruck ps, Trieb-raumdruck pc und Federkraft F notwendig(Bild 8).

Als Steuergröße wird dabei der Triebraum-druck auf der Kolbenrückseite verwendet. DieSteuerung dieses Druckes erfolgt über defi-nierte Be- und Entlüftung des Triebraumesmittels Ventilen (Bild 9, Regelventil 1 und 2).

Auswahl desSchwenkmechanismus

Die Auswahl des für den CO2 - Betrieb opti-malen Schwenkmechanismus war einSchwerpunkt der Entwicklungsaktivitäten.Die pneumatischen Zusammenhänge desAntriebs beeinflussen maßgeblich das Ge-samtverhalten des Kompressors (Bild10).

Als Beispiel sei hier der Zielkonfikt zwischenÜbertragung der Antriebskräfte von der Welleauf die Kolben und der möglichst reibungsar-men Verstellung des Schwenkmechanismusgenannt.

Ferner wurden die folgenden Ziele bei einerweiteren Optimierung des Verdichters be-rücksichtigt:

� Drehzahlunabhängige Kinematik der Ver-stellung, d. h. keine zu- oder aufschwenken-den Massenmomente über dem gesamtenDrehzahlbereich (Mfrei = 0)

� Möglichst konstante Totpunktlage (OT) derKolben im Förderhub zur Vermeidung vonTotraumverlusten über den gesamten Ver-stellbereich

� Kleinstmögliche Unwucht im gesamtenSchwenkwinkelbereich

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Bild 10: Auswahl des Schwenkmechanismus

Die oben aufgeführten Randbedingungen ha-ben zur Entwicklung des Schwenkrings ge-führt. Hier fällt der Punkt der Krafteinleitungder Kolbenkräfte mit dem Schwenkpunkt zu-sammen. Dadurch bleiben die OT - Positionender Kolben über den gesamten Schwenk-bereich konstant.

Bei anderen Schwenkmechanismen ist die Un-wucht nur in einer einzigen Stellung ausgegli-chen. In allen anderen Positionen und währendder Schwenkbewegung selbst treten Massen-momente durch Unwucht auf (Bild11).

Bild 11: Verstellung Schwenkscheibe

Auf Grund der Geometrie des Schwenkringesist die Unwucht über den gesamten Schwenk-bereich nahezu vollständig kompensiert.

Da der Schwerpunkt des Schwenkrings überden gesamten Schwenkbereich auf der Mit-telachse der Antriebswelle liegt, bleiben dieMassenmomente kompensiert (Mfrei = 0).

Dadurch wird eine Entkoppelung von Volu-menstrom und Drehzahl erreicht. Das bedeu-tet, dass auch bei einer plötzlichen Beschleu-nigung keine Hubraumverstellung stattfindet.

Bild 12: Verstellung Schwenkring

Auswahl desGehäusekonzeptsBei der Festlegung des Gehäusekonzeptsund der verwendeten Materialien standen fol-gende Anforderungen im Vordergrund:

� Druckfestigkeit und Kriechbeständigkeit un-ter den für CO2 typischen Betriebspunkten

� Gehäusetemperaturen von bis zu 180 °Cbei gleichzeitig hohen Triebraumdrückenvon 35 bar

� Dauerdrücke von 50 - 70 bar bei Stillstandder Anlage

� bei der Konstruktion der Gehäuse mussauf die besonderen Anforderungen andie Dichtelemente Rücksicht genommenwerden

� Porositäten führen bei Gussteilen viel früherzu Undichtigkeiten als bei R134a.

Zu Beginn der CO2 - Entwicklung lagen nochwenig Erfahrungswerte bezüglich der tatsächli-chen Einsatztemperaturen und eventuellenÜberlasten vor. Auf Grund von Sicherheits-aspekten wurden bei den ersten Konzeptkom-pressoren Stahlgehäuse verwendet. Durch dieDuktilität der verwendeten Stahlwerkstoffekonnte die Sicherheit gegen Bersten erheblichverbessert werden. Die Konzeptkompressorenliefen von Anfang an stabil.

Schwenk-mechanismus M

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Taumelscheibe

Schwenkscheibe

Schwenkring

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Bei der Konzeptauswahl für einen serientaug-lichen Kältemittelverdichter wurde das Ge-häusekonzept neu überdacht. Analog denheute verwendeten R134a Kältemittelver-dichtern wurden ein geschmiedetes Stahlge-häuse und ein Aluminiumgehäuse aus Druck-guss verglichen. Nach umfangreichen Analy-sen zur Funktionalität und den Herstellkostenfiel die Entscheidung für das Stahlgehäuse.

Stahlgehäuse haben Vorteile bezüglichDruckfestigkeit und Temperaturbeständig-keit. Sie haben gegenüber Gehäusen aus Alu-minium aber auch zwei gravierende Nachtei-le: das höhere Gewicht und den erhöhten Zer-spanungsaufwand durch ungenauere Roh-teilfertigung.

Durch eine sehr spezielle Ausführung der Stahl-gehäuse konnten diese grundsätzlichen Nach-teile in Vorteile umgewandelt werden. Die jetztverwendeten Stahlgehäuse sind leichter alseine Aluminiumkonstruktion. Durch die Ausge-staltung als Gehäuserohr mit einfachster Geo-metrie kann das Stahlgehäuse bereits sehr ähn-lich der Endkontur geformt werden.

Die Funktionalität wurde konsequent in den Be-reich des Zylinderkopfs gelegt, so dass bei ent-stehenden Varianten das Gehäuse baugleichausgeführt werden kann (Bilder 7 und 14).

Schmierung undWellenabdichtungDie Schmierung und die Wellenabdichtungstellen die größte Herausforderung an dieEntwicklung neuer CO2 - Kältemittelverdich-ter dar. Dies ist bedingt durch die hohe, starkveränderliche Löslichkeit der verwendetenÖle, die stark veränderliche Dichte von CO2und die hohen Betriebsdrücke.

Die hohe Löslichkeit hat zur Folge, dass aufder Hochdruckseite Schmieröl in Lösunggeht. Das gelöste Öl wird vom Kältemitteldurch die Klimaanlage transportiert. AufGrund der starken Druckschwankungen zwi-schen Saug- und Hochdruckseite wird das Ölauf der Saugseite abgeschieden und kannnicht mehr zurück gefördert werden. Dadurch

kann es zum kompletten Ölverlust im Verdich-ter kommen.

Eine weitere potenzielle Gefahr für einen Öl-verlust im Verdichter ist die Hubraumregelungüber eine Be- und Entlüftung des Triebraums.Eine direkte Verbindung mit der Saugseite derAnlage stellt eine potenzielle Leckage vomVerdichtertriebraum zur Kälteanlage dar.

Gelöst wurde dieses Problem durch den Ein-satz eines doppelten Ölabscheidesystemsmit Drossel im Verdichter.

Bild 13: Doppeltes Ölabscheidersystem

Die Wellenabdichtung erfolgt über eine soge-nannte Gleitringabdichtung, da die hohenTriebraumdrücke von bis zu 60 bar mit kon-ventionellen Elastomerdichtungen nicht zubewältigen sind.

Das Prinzip eines Gleitringes erscheint aufden ersten Blick sehr einfach, die exakte Aus-legung solcher Dichtungen ist jedoch schwierig.

Das eigentliche Dichtelement ist eine Kreis-ringfläche zwischen dem statischen und demwellenseitigen Teil. Diese Fläche hat sehrhohe Anforderungen an die Genauigkeit unddie Oberflächengüte. Sie dichtet mittels einesmit Öl gefüllten Kapillarspaltes. Dieser Spaltwird definiert über die hydraulische Kompen-sation des Dichtelementes sowie der Dicht-stegbreite. Ziel ist eine Dichtspalthöhe, diegerade noch trägt. Wird der Spalt höher, steigtder Öltransport durch den Spalt an - die Folgeist eine unzulässig große Grundleckage. BeiUnterschreiten der tragenden Spalthöhe

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steigt die Reibung an bevor dieDichtflächen in Mischreibunglaufen und ihre Oberfläche zer-stört wird.

Bei CO2 - Kältemittelverdich-tern kommt hinzu, dass diestark veränderlichen Saugdrük-ke maßgeblichen Einfluss aufdie Triebraumdrücke ausüben.Die Triebraumdrücke definie-ren in hohem Maß die Kompen-sation der Dichtung, so dasssich ein grundsätzliches Ausle-gungsproblem ergibt. Ein ak-zeptabler Kompromiss zwi-schen Grundlekkage und gerin-ger Reibung bzw. Ausfallsi-cherheit ist mit einer hydrody-namischen Grundauslegungnicht zu erreichen.

Es wurden daher neue, keramische Werkstof-fe entwickelt, die dem Betrieb im Mischrei-bungsgebiet standhalten können. Dadurchwird eine geringere Schmierspalthöhe im Nor-malbetrieb möglich. Bei extremer Belastunglaufen die Dichtelemente dann im Mischrei-bungsgebiet.

Die notwendige Kühlung mit Schmieröl wurdedurch besondere Gestaltung der Dichtungs-umgebung erreicht.

Leistungsdaten der Kältemittelverdichter

Hubvolumen und BauraumBei der Auslegung der Verdichterhubvolumenmuss berücksichtigt werden, dass auf Grundder höheren Dichte des CO2 die geometri-schen Fördervolumen entsprechend kleinerwerden.

Für die gleiche Kälteleistung benötigt man beiCO2 nur etwa 13% des Volumenstroms einesR134a Kältemittelverdichters [8]. Ein heute

Bild 14: Gesamtschnitt Kältemittelverdichter

üblicher 170 cm³ Verdichter für R134a kanndurch einen leistungsgleichen 22 cm³CO2 Verdichter ersetzt werden.

Die Kälteleistung heutiger Klimaanlagen istdurch das Verdichterhubvolumen begrenzt.Hubvolumen oberhalb von 170 cm³ sind der-zeit nicht möglich, da für entsprechende Ver-dichter der Platz im Motorraum fehlt.

CO2 Verdichter bieten hier neue Möglichkei-ten. Derzeit sind Hubvolumen von maximal33 cm³ vorgesehen, wodurch ungefähr 50%mehr Kälteleistung zur Verfügung steht.

Wirkungsgrade, Förder- leistung, AntriebsmomenteDie wichtigsten Bewertungskriterien sind derisentrope und der volumetrische Wirkungs-grad. Der volumetrische Wirkungsgrad oderLiefergrad betrachtet im Wesentlichen dieLeckageverluste und die Verluste der Rück-expansion. Die Verluste durch Wärmetrans-port und die Strömungsverluste werden imisentropen Wirkungsgrad berücksichtigt.

Während der Entwicklung wurden als wesent-liche Einflüsse auf die Wirkungsgrade dasTotraumvolumen und die Sauggasaufhei-

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zung erkannt. CO2 hat deutlich bessere Wär-metransporteigenschaften als R134a. Diesführt dazu, dass das aufgeheizte DruckgasWärme auf das Sauggas überträgt. Um dieseGas - Wärmeübertragung gering zu halten,muss man, ähnlich wie bei leistungsgestei-gerten Verbrennungsmotoren, die Sauggaseisolieren.

Andererseits arbeitet der CO2 - Prozess beieinem mit Faktor 4 deutlich geringeren Druck-verhältnis gegenüber R134a, was die Wir-kungsgrade erhöht. Der Gesamtwirkungs-grad von CO2 - Prozessen liegt deutlich ober-halb der Werte für R134a (Bild 4).

Ergebnisse der Fahrzeugerprobung

Leistung im KühlbetriebWie bereits im Kapitel Systemaufbau er-wähnt, existieren bei der Verwendung vonCO2 neben den Umweltaspekten auch mas-sive technische Vorteile. Relativ schnell konn-te die gesteigerte Leistungsfähigkeit im Kühl- Betrieb nachgewiesen werden. Vor allem beiAußentemperaturen unterhalb 30 °C ergabensich signifikante Vorteile bei CO2 - Anlagen.

Bild 15: Vergleich Abkühlkurve CO2 / R134a

Bedingt durch einen schlechter werdendenAustauschgrad des Gaskühlers bei sehr ho-

hen Außentemperaturen wird die Leistungs-fähigkeit der Anlagen schnell reduziert. Durchoptimierte Gaskühler und abgestimmte Ein-baulagen im Motorraum sowie eine größereVerdichterleistung kann man diesen Nachteilaber relativieren [9].

Verglichen werden die beiden Systeme in ei-nem Mittelklassefahrzeug bei „stop and go“im Innenstadtbereich. Selbst bei sehr hohenAußentemperaturen werden mit CO2 erheb-lich bessere Abkühlzeiten und tiefere Tem-peraturen erreicht (Bild 15).

WärmepumpeDie Verwendung einer Klimaanlage als Wär-mepumpe ist nicht grundsätzlich an die Ver-wendung von CO2 gebunden. In der Ver-gangenheit wurden solche Systeme immerwieder untersucht. Allerdings konnten bis-her nie zufriedenstellende Ergebnisse er-zielt werden.

Die Ursache hierfür sind die unterschied-lichen Gasdichten der verwendeten Kälte-mittel bei tiefen Temperaturen. Während sichbei -15 °C die Dichte von R134a auf8,32 kg/m³ reduziert hat, liegt bei CO2 derWert noch bei 60,2 kg/m³. Ist die Dichte zugering, ist der Betrieb als Wärmepumpe tech-nisch nicht mehr sinnvoll.

Für den Betrieb als Wärmepumpe wird zu-sätzlich zu den vorhandenen Bauteilen eineweitere Wärmequelle benötigt. Dafür kom-men die Motorabgase, die Außenluft oder dasKühlwasser in Frage (Bild16).

Der Vorteil bei der Wärmeaufnahme aus demKühlwasser ist, dass bei richtiger Dimensio-nierung des Wärmetauschers die Aufwärm-phase des Motors verkürzt werden kann, dader mitlaufende Verdichter ihn zusätzlich be-lastet. Die Wärmepumpe kann innerhalb kur-zer Zeit hohe Heizleistungen erbringen.

Eine schematische Darstellung des Gesamt-systems Klimaanlage mit den benötigten Bau-teilen zeigt Bild 17.

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Die Leistungsfähigkeit einer CO2 - Wärmepum-pe wurde im Fahrzeugtest mit einer Serienhei-zung verglichen. Die Serienheizung war bauart-bedingt bereits mit Zuheizern ausgerüstet, umakzeptable Heizleistungen zu erreichen.

Generell ist zu sagen, dass der Einsatz einerCO2 - Wärmepumpe die Aufheizzeiten halbiert.

Bild 18: Vergleich der Aufheizzeiten

KraftstoffverbrauchBei Extremtemperaturen oberhalb von 35 °Cist die Effizienz von CO2 Klimasystemen ge-genüber R134a deutlich reduziert. Die darge-stellten Kühlvorteile werden nur durch die hö-heren Verdichterleistungen erreicht.

Bei moderaten Temperaturen kommen die Ef-fizienzvorteile dagegen deutlich zur Geltung.Messungen ergaben massive Vorteile vonCO2, wenn die Klimaanlage die ganze Zeitmitbetrieben wurde (Bild 19 links).

Aber auch bei Messungen mit ausgeschalte-ter Klimaanlage sind bei Verwendung vonkupplungslosen Verdichtern erhebliche Ein-sparungen gegenüber R134a erzielbar [10].Die hierfür verantwortliche geringere Reiblei-stung der CO2 Verdichter ist durch die kleine-ren Hubvolumen und damit kleineren Reib-durchmesser der Triebwerksteile zu erklären.

Bild 19: Vergleich Verbrauchsvorteile

Bild 16: CO2 Wärmepumpenfunktion (Motorkühlmittel als Wärmequelle)

Bild 17: CO2 Klimaanlage Gesamtsystem

Page 16: Herausgeber: LuK GmbH & Co. - schaeffler.com · 11 Der CO2 Kompressor. 126. LuK KOLLOQUIUM 2002. So konnte gezeigt werden, dass in bestimm-ten Betriebszyklen mit Minderverbräuchen

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Zusammenfassung und AusblickDie Entwicklung von CO2 - Klimaanlagen wur-de ursprünglich durch Umweltaspekte initiiert.Zusätzlich waren schnell die massiven tech-nischen Vorteile erkennbar.

Man kann heute davon ausgehen, dass CO2 -Klimaanlagen deutlich besser kühlen und inden meisten Situationen deutlich wenigerKraftstoff verbrauchen werden als Anlagenmit R134a.

Allerdings machen die besonderen Eigen-schaften von CO2 und die hohen System-drücke unter anderem die Entwicklung neuerVerdichter notwendig.

Ausgehend vom heutigen Stand der Technikkann durch die Entwicklung eines Schwenk-rings das Prinzip des Axialkolbenverdichtersweiter verbessert werden.

Auf Grund der höheren Dichte von CO2 undder Verwendung von Stahlgehäusen kann derbenötigte Bauraum, bei gleicher Kühlleistung,gegenüber R134a - Verdichtern deutlich re-duziert werden.

Der gesteigerte Komfortbedarf und die weite-re Optimierung der Verbrennungsmotorenwerden in Zukunft eine Zusatzheizung not-wendig machen. Die Funktion als Wärme-pumpe kann den Einsatz von elektrischen Zu-satzheizungen überflüssig machen. Die Heiz-leistungen liegen bei richtiger Auslegungdeutlich über denen heutiger Heizungen.

Es ist zu erwarten, dass ab 2005 die Serien-fertigung von CO2 - Klimaanlagen beginntund ab 2010 alle Fahrzeugneuentwicklungenauf der Basis von CO2 - Klimaanlagen gestar-tet werden.

Literatur[1] Zeitschrift „auto motor und sport“.

[2] Lorentzen, G.: Revival of Carbon Dioxi-de as a Refrigerant, H&V engineer, TheJournal of Environmental Services 67,1994, Heft 722, S. 10 - 12.

[3] Gentner, Dr. H., BMW AG; Földi, Dr. A.,Behr GmbH & Co.: Kohlendioxid als Käl-temittel für PKW – Klimaanlagen, KI Luft-und Kältetechnik 01, 1998.

[4] Pettersen, J.; Lorentzen, G.: Sintef Re-port, March 02, 1993.

[5] TOYOTA FCEV vehicle will have CO2air-conditioning, Mitteilung der Fa.Toyota, www.just-auto.com/news.

[6] Kauffeld, M.; Hesse, U.; Petersen, J.:CO2 in der Kälte-, Klima- und Wärme-pumpentechnik, Die Kälte- und Klima-technik, 1993, Heft 11, S. 768ff.

[7] Gentner, Dr. H., BMW AG; Földi, Dr. A.,Behr GmbH & Co.: Kohlendioxid alsKältemittel für PKW - Klimaanlagen, KILuft- und Kältetechnik 01, 1998,S. 19 - 24.

[8] Halozan, H.; Rieberer, R.: CO2 - eineinteressante Alternative, KI Luft- undKältetechnik 01, 1999, S. 20 - 23.

[9] Kampf, H.; Krauß, H.; Feuerecker, G.;Walter, C.; Parsch, W.; Rinne, F.: CO2als alternatives Kältemittel, Vortrag2001.

[10] Cäsar, R., DC: Panel discussion,VTMS5, 15. - 17.05.2001.