Mit optimierten Pkw-Klimaanlagen Kraftstoff sparen

Wissenschaftler der Professur Maschinenelemente optimieren Pkw-Klimaanlagen und reduzieren so den Kraftstoffverbrauch – Industrieverein Sachsen 1828 e.V. würdigte herausragende Dissertation von Dr. Rico Baumgart

Gerade in heißen Sommermonaten wird während der Autofahrt häufig die Klimaanlage zugeschaltet. Allerdings wird dadurch mehr Kraftstoff verbraucht. An der Professur Maschinenelemente der Technischen Universität Chemnitz beschäftigten sich Wissenschaftler damit, Klimaanlagen so zu verbessern, dass zum einen der Kraftstoffverbrauch sinkt und zum anderen dabei der Fahrkomfort nicht beeinträchtigt wird.

„Hierfür wurde hierfür ein mathematisches Modell entwickelt, mit dem sich für beliebige Umgebungszustände und Fahrgewohnheiten die Vorgänge im Kältekreislauf und im Fahrzeuginnenraum nun sehr genau beschreiben lassen“, sagt Dr. Rico Baumgart, Teamleiter für Modellbildung und Entwicklung von energieeffizienten Fahrzeugkomponenten an der Professur. Derzeit werde dieses Modell in verschiedenen Projekten mit der Automobilindustrie eingesetzt, um Klimaanlagen effizienter zu gestalten.

„In den heutigen Klimaanlagen kommen zumeist Kältemittelverdichter zum Einsatz, bei denen das Hubvolumen an den Kälteleistungsbedarf angepasst werden kann. Allerdings sind diese so ausgelegt, dass selbst unter extremen Umgebungsbedingungen bei Motorleerlaufdrehzahl eine ausreichende Kälteleistung erzeugt wird“, erklärt Baumgart. Im normalen Betrieb werde der Verdichter dann nur im Teillastbereich mit sehr schlechtem Wirkungsgrad betrieben. Was viele nicht wissen: „Diese hubvolumengeregelten Verdichter werden auch bei ausgeschalteter Klimaanlage, zum Beispiel in den Wintermonaten, vom Verbrennungsmotor weiter angetrieben. Dabei wird zwar keine Kälteleistung erzeugt, jedoch entstehen im Verdichter Reibungsverluste“, so Baumgart.

Um diese Verluste und den damit verbundenen Kraftstoffverbrauch einzusparen, ist die Automobilindustrie momentan bestrebt, den Kältemittelverdichter mit einer Magnetkupplung zu versehen, wie sie schon vor einigen Jahren an ungeregelten Verdichtern zum Einsatz kam. „Diese Kupplung hat aber den entscheidenden Nachteil, dass sie bei eingeschalteter Klimaanlage permanent mit elektrischer Leistung versorgt werden muss“, sagt Baumgart. Wie die Simulationsrechnungen an der Chemnitzer Professur Maschinenelemente gezeigt haben, wird dadurch ein Großteil der Kraftstoffeinsparung, die man im Winter durch die Vermeidung der Reibungsverluste erreicht hat, im Sommer durch den zusätzlichen Strombedarf wieder aufgezehrt. „Über ein gesamtes Jahr betrachtet, lassen sich somit kaum Einsparungen erzielen“, so das Fazit der Chemnitzer Wissenschaftler.

Aus diesem Grund werden derzeit an der Professur Maschinenelemente in Kooperation mit einem Automobilzulieferer zwei neuartige Riemenscheibenkupplungen entwickelt, die keinen dauerhaften Stromverbrauch verursachen. „Hiermit kann bei Wetterbedingungen, wie sie in Deutschland vorherrschen, der klimaanlagenbedingte jährliche Mehrverbrauch um 23,6 Prozent reduziert werden“, erläutert Baumgart. Noch höhere Einsparungen seien möglich, wenn beispielsweise ein kleinerer hubvolumengeregelter Kältemittelverdichter eingesetzt wird, der mit einem Zwei-Gang-Miniaturgetriebe kombiniert wird. „Während der Abkühlphase, etwa nach längerem Parken in der Sonne, kann damit der Verdichter mit höherer Drehzahl angetrieben werden. Sobald in der Fahrgastzelle die Behaglichkeitstemperatur erreicht ist, wird die Verdichterdrehzahl verringert. Hierdurch arbeitet der kleine Kältemittelverdichter mit einem deutlich besseren Wirkungsgrad als die heutigen großen Verdichter“, so Baumgart.

Bei hochsommerlichen Umgebungsbedingungen lässt sich damit bei einer Stadtfahrt durch Chemnitz der Verbrauch um 0,29 Liter pro 100 Kilometer reduzieren. Der durch die Klimaanlage verursachte jährliche Mehrverbrauch sinkt um 37,5 Prozent. Allerdings ist diese Technologie derzeit noch sehr aufwändig und teuer. „Dennoch werden im Zuge der immer strenger werdenden Emissionsvorschriften auch diese Lösungen für eine Serienfertigung zunehmend interessant“, sind sich die Wissenschaftler einig. Auch für die Klimatisierung von Elektrofahrzeugen sind derartige Ansätze von Bedeutung, denn jedes eingesparte Watt führe direkt zu einer Erhöhung der zurzeit noch stark begrenzten Reichweite.

Übrigens: Für seine hervorragende Dissertation zum Thema „Reduzierung des Kraftstoffverbrauches durch Optimierung von Pkw-Klimaanlagen“ wurde Baumgart kürzlich mit dem mit 5.000 Euro dotierten Förderpreis „Richard Hartmann“ des Industrievereins Sachsen 1828 e.V. ausgezeichnet.

Weitere Informationen erteilt Dr. Rico Baumgart, Telefon 0371 531-35161, E-Mail rico.baumgart@mb.tu-chemnitz.de