Klimatisierung von Fahrzeugen

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Chrysler Imperial von 1953 mit "Airtemp" System.

Die erste voll funktionsfähige Klimaanlage nach heutigem Prinzip soll von W.H.Carrier 1911 erfunden worden sein. Im Bereich der Autoklimaanlagen wurden diese zuerst 1938 von Nash, und im selben Jahr auch von Studebaker eingebaut.[1] Der grundsätzliche Aufbau ist seitdem im Wesentlichen unverändert, die Ansteuerung und Ausprägung sind jedoch immer weiter verbessert worden. Im Oberklassesegment waren Klimaanlagen in großen Stückzahlen erst seit den späten 1960er Jahren anzutreffen, heute gehören sie zum Standardumfang moderner Fahrzeuge.

Klimaanlagen kühlen die ins Auto hineinströmende Frischluft oder − wenn der Umluft-Schalter betätigt ist (was sich z. B. in langen Tunneln empfiehlt) − die Luft im Innenraum. In beiden Fällen wird der Luft beim Kühlen auch Feuchtigkeit entzogen. Das trägt speziell in der kühlen Jahreszeit dazu bei, von innen beschlagene Scheiben zu trocknen. Dies wiederum trägt zur Sicht und damit zur Verkehrssicherheit bei.

Allgemeines[Bearbeiten]

Manueller Schalter für eine Klimaanlage (BMW)

Klimaanlagen werden auch in Luftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen eingesetzt. Oftmals wird dabei auch von Klimatronik (Climatronic) oder Klimaautomatik gesprochen. Der generelle Unterschied liegt in der Bedienungsart und/oder Ansprechart der Bauteile der Klimaanlage. Eine Klimatronik (Climatic) sowie eine Klimaautomatik werden elektronisch mit unterschiedlichem Funktionsumfang geregelt, dagegen funktioniert die Regelung ältere Anlagen über Drehsteller oder Schieberegler, dabei spricht man von „manueller“ Klimaanlage. Dabei ist zu unterscheiden ob die Steuerung als Weiterleitung der Einstellung mechanisch (z. B. über Bowdenzüge) oder elektrisch (via Stromkabel an Motoren) erfolgt. Die Klimaautomatiken in einigen Fahrzeugen ermöglichen eine separate Einstellung von Temperatur für Fahrer und Beifahrer (bei einigen kann man auch im Bereich der Rückbank eine eigene Temperatur wählen). Eher hochklassigere Fahrzeuge erlauben neben der Einstellung für die gewünschte Innenraumtemperatur auch die separate Einstellung von Luftverteilung und Luftmenge.

Einige Anlagen nutzen einen Sonnenstandssensor (auch: Solarsensor). Dieser ermittelt Einstrahlrichtung und -winkel der Sonne und führt zu einer Abkühlung der betroffenen Seite des Fahrzeugs oder des gesamten Fahrzeuginnenraums, um den Wärmeeintrag durch die Sonne zu kompensieren.

Funktion[Bearbeiten]

Allgemeines[Bearbeiten]

Schaubild einer Kompressionskältemaschine – A: Kondensator vor dem Kühler, B: Innen, I: Spritzwand zwischen Motor- und Innenraum, , 1: Kondensator, 2. Drossel, 3. Verdampfer, 4. Kompressor

Eine Klimaanlage funktioniert wie ein Kühlschrank. In Wärmetauscher wird durch einen künstlichen und kontinuierlich erzeugten Verdunstungsprozess ein Medium abgekühlt. Im Alltagsgebrauch ist dieser Effekt beispielsweise beim Leeren einer Sprühdose erlebbar, wobei die entstehende Verdunstungskälte des Treibmittels der Sprühdose Wärme entzieht und diese dadurch abkühlt. Dieser Effekt wird in der Klimaanlage mit Hilfe eines Kältemittels innerhalb eines geschlossenen Systems kontinuierlich erzeugt.

Das in einem geschlossenen Kreislauf und unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel wird durch ein Expansionsventil (2) in einen Raum mit niedrigerem Druck entspannt. Dabei wird das flüssige Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt, es kann sich ausdehnen und wechselt den Aggregatzustand zu gasförmig. Das entsprechende Bauteil wird als Verdampfer (3) bezeichnet und ist in der Regel im Gebläsekasten hinter der Instrumententafel verbaut. Das Expansionsventil ist somit die Stelle, wo sich das Kältemittel in den Verdampfer entspannt und diesen abkühlt.

Das Kältemittel besitzt einen eher niedrigen Siedepunkt (ca. -23°C) und verdampft hier bereits bei niedrigen Temperaturen. Die zu kühlende Luft für den Innenraum wird nun außen an den Lamellen des Verdampfers im Gebläsekasten vorbeigeleitet. Die für den Verdampfungsprozess des Kältemittels notwendige Wärme im Verdampfer wird der vorbeiströmenden Luft entzogen und kühlt diese merklich ab. Gleichzeitig wird der Luft durch Kondensation auch Feuchtigkeit entzogen, da kalte Luft weniger Feuchtigkeit binden kann als warme. Die abgekühlte und getrocknete Luft wird nun über die Ausströmer in den Fahrzeuginnenraum geleitet. Das entstehende Kondenswasser an des Lamellen des Verdampfers wird durch einen Schlauch nach außen geleitet. So erklären sich Wasserlachen aus Kondenswasser unter geparkten Fahrzeugen.

Klimakompressor mit Riemenscheibe.

Das durch die Verdunstung im Verdampfer gasförmig gewordene Kältemittel wird nun zum Kompressor (4) weitergeleitet. Dieser stellt das Herzstück einer Klimaanlage dar, und sorgt für den Transport des Kältemittels im System. Der in der Regel vom Fahrzeugmotor durch Riemenantrieb angetriebene Kompressor saugt das gasförmige Kältemittel an und verdichtet es stark (ca. 15bar) dabei steigt die Temperatur des Kältemittels auf ca. 56°C).

Danach wird das komprimierte, gasförmige und heiße Kältemittelgas in einem nachgeschalteten Kondensator (1) wieder abgekühlt. Da dem Kältemittel, wie jedem anderen Stoff beim Verflüssigen Wärme entzogen wird, muss der Kondensator diese Wärme an ein ihn umgebendes Kühlmedium abgeben. Daher ist dieser im Regelfall vor dem Fahrzeugkühler im Fahrtwind stehend verbaut und ähnelt diesem in Erscheinungsbild und Größe. In der Regel wird dieser durch einen Lüfter ergänzt, um z. B. bei Stau die nötige Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Im Kondensator wird das Kältemittel wieder abgekühlt. Dabei wird der Taupunkt des Kältemittels unterschritten, es verflüssigt sich wieder. Die dabei entstehende Wärme im Kondensator wird, ähnlich wie beim Fahrzeugkühler, üblicherweise an die Außenluft abgegeben.

Bevor das Kältemittel nun wieder in den Verdampfer gelangt, wird dem Kältemittel in einem Filtertrockner gegebenenfalls eingeschleppte Feuchtigkeit und Verunreinigungen (z. B. Abriebteile vom Kompressor) entzogen. Das gereinigte und verflüssigte Kältemittel gelangt nun wieder zum Expansionventil. Hier wird das flüssige Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt. Schließlich setzt sich der künstliche Kreislauf von Verdunstung und Kompression des Kältemittels erneut fort.

Mehrverbrauch[Bearbeiten]

Die Verdichtung des Kältemittelgases benötigt Leistung. Der Betrieb des Klimakompressors erhöht daher den Arbeitswiderstand des Motors und somit auch den Verbrauch. Der Mehrverbrauch ist von der Geschwindigkeit weitgehend unabhängig und liegt zwischen 0,2 und 0,5 l pro Stunde. Der absolute Mehrverbrauch pro gefahrenen km ist damit von der Geschwindigkeit abhängig, der prozentuale zusätzlich vom Durchschnittsverbrauch.

Verschiedene Verbraucherschutzorganisationen plädieren dafür, den Mehrverbrauch durch die Klimaanlage in den Fahrzeugdaten mit auszuweisen.

Wirkung[Bearbeiten]

Komfort und Sicherheit[Bearbeiten]

Klimabedienteil einer Klimaautomatik aus den 1970er Jahren (Mercedes-Benz W 123)

Der Nebeneffekt, der bei Einschalten der Klimaanlage das Beschlagen der Scheiben verhindert, liegt darin begründet, dass kältere Luft grundsätzlich weniger Feuchtigkeit enthalten kann als wärmere. Kleinere Wasserlachen unter dem Fahrzeug beim Parken sind auf das der gekühlten Luft durch Absenken des Taupunkts anfallende Luftfeuchtigkeit in Form von Wasser als auch bei vereisten Verdampfer durch „Abtauen“ des Verdampfers der Klimaanlage zurückzuführen.[1]

Durch Klimaanlagen wird häufig ein gesteigerter Komfort empfunden, was auch die Sicherheit fördert. Insbesondere bei hohen Temperaturen kann die Konzentration des Fahrers erheblich abnehmen. Früher noch als verzichtbarer Luxus abgetan, erlebten Kfz-Klimaanlagen in Deutschland in den 1990er Jahren einen regelrechten Boom. Heute gehört die Klimaanlage im Pkw zur Standardausstattung und sorgt nicht nur für kühle, sondern auch für saubere Luft im Innenraum durch einen entsprechenden Filter. Gereinigt wird die Luft mittels eines Kabinenluftfilters, auch bekannt unter den Bezeichnungen Pollen- oder Innenraumfilter. Nur durch den Einsatz hochwertiger Kabinenluftfiltersysteme gelingt es, die Passagiere vor Pollen, Dieselruß, Feinstaub, Ozon und anderen Reizgasen zu schützen. In bestimmten Fahrzeugklassen gilt heute ein Gebrauchtfahrzeug ohne Klimaanlage schon als nahezu unverkäuflich.

Erkältungen durch Betrieb von Klimaanlagen[Bearbeiten]

Bisweilen ist die Rede davon, das sich Passagiere der Meinung sind, sich durch den Betrieb einer Klimaanlage im Fahrzeug eine Erkältung zugezogen zu haben. Die traditionelle und immer noch weit verbreitete Annahme, Erkältungen würden regelmäßig allein durch Kälte – im wissenschaftlichen Sinne von Wärmeentzug als pathophysiologischer Mechanismus – beziehungsweise Kälteverursacher oder -formen wie beispielsweise Zugluft, Nässe, Unterkühlung verursacht, ist nicht korrekt. Beim Betrieb einer Klimaanlage wird der einströmenden Luft Feuchtigkeit entzogen. Daher neigen die Schleimhäute im Hals-Nasen- und Rachenraum eher dazu, auszutrocknen. Unter diesen Rahmenbedingungen können sich dann leichter Bakterien auf den ausgetrockneten Schleimhäuten ansiedeln, die einen viralen Infekt begünstigen können. Daher sollte man bei klimatisierten Fahrzeugen auf ausreichende Flüssigkeitszufuhr achten. Darüber hinaus ist eine regelmäßige Desinfektion und Filtertausch im Rahmen der Wartung einer Klimaanlage empfehlenswert.

Wartung und Nachrüstung[Bearbeiten]

Klimawartung[Bearbeiten]

"Hang-on"-Klimaanlage: Aftermarket-System aus den 1970er Jahren, das unter der I-Tafel verbaut wird.

Klimaanlagen im Auto sind nicht wartungsfrei. Viele Autobesitzer wissen dies nicht. Kälteanlagen in Kraftfahrzeugen weisen Kältemittelverluste auf, die durch den Einbau „offener Verdichter“ hervorgerufen werden. Die Verluste werden in erster Linie durch undichte Verdichterwellenabdichtungen verursacht. Begünstigt werden die Undichtheiten, wenn der Verdichter im Winter nicht eingeschaltet wird und der Wellenabdichtung kein Öl zugeführt wird. Hinzu kommen mögliche Undichtheiten an lösbaren Verbindungen, die durch Vibrationen (Motor und Straße) verursacht werden können. Die Anlage sollte etwa alle zwei bis vier Jahre auf etwaige Verluste an Kältemittel überprüft werden; spätestens dann, wenn die Kühlleistung nachlässt. Beim Öffnen der Anlage empfiehlt sich der Tausch des Trocknerfilters.

Nachträglicher Einbau[Bearbeiten]

Klimaanlagen können auch nachgerüstet werden. Der Aufwand dafür ist oft erheblich, da oft das Armaturenbrett ausgebaut werden muss, um den Verdampfer installieren zu können. Der Einsatz von FCKW-Kältemitteln wie R12 (Freon) ist seit langem verboten. Stand der Technik ist die Verwendung des fluorierten Kohlenwasserstoffes R134a. Zum Austausch von R12 in alten Klimaanlagen eignet sich das Gemisch R413a, welches nur zu 88 % aus R134a besteht, im Gegensatz zu R134a aber ähnliche Fließ- und Schmier-Eigenschaften wie R12 aufweist.

Kältemittel[Bearbeiten]

Allgemeines[Bearbeiten]

Die Auswahl geeigneter Kältemittel zur Fahrzeugklimatisierung aus der zur Verfügung stehenden breiten Palette ist relativ gering. So muss bei extremen Umgebungsbedingungen (bis ca. 90°C) noch sicher verflüssigt werden können, was einen hohen CP des Kältemittels erfordert. Zugleich sollen die Drucke dabei auf einem niedrigen, beherrschbaren Niveau liegen und das Kältemittel, sowie Öl mit den meisten im Automobilbau favorisierten Werkstoffen kompatibel sein. So erfordert die Schwingungsabkopplung vom sich bewegenden Motor immer noch flexible Schlauchverbindungen, die für das Kältemittel undurchlässig sein müssen und von diesem nicht angegriffen werden. Bis zur Jahrtausendwende war ausschließlich R12 in der Anwendung, was aber wegen seines hohen Zerstörpotentiales gegenüber der Ozonschicht in allen Anwendungen verboten wurde. Als designierter Nachfolger war R134a gewählt, welches sich aber ebenso aufgrund seiner Klimawirksamkeit im 'Phase-Out' Zeitfenster befindet.

Mit der MAC-Directive der EU ((2006/40/EC)[2] aus 2006 verbietet diese den Einsatz von FKWs mit einem GWP-Wert größer 150 (dazu zählt auch R134a) in Klimaanlagen neu zugelassener Fahrzeugtypen ab 31. Dezember 2011. In Zukunft soll stattdessen Kohlendioxid (R744) zum Einsatz kommen. Es hat ein vielfach geringeres Treibhauspotenzial als herkömmliche Kältemittel (GWP von 1) und trägt nicht zum Abbau der Ozonschicht bei. Zudem zeigte es bei Testfahrten in fast allen Fällen eine höhere Energieeffizienz als R134a. Die Entscheidung für CO2 (R744) wurde auf der sogenannten „grünen“ IAA 2007 vom Verbandspräsident der Automobilbauer (VDA), Matthias Wissmann als gemeinschaftliches Ergebnis bekanntgegeben. Am Vorabend noch gab BMW eine Pressemitteilung heraus, weltweit das erste Serienfahrzeug mit dieser Technologie ausliefern zu wollen. Kältetechnische Komponenten für die erforderlichen Hochdruck-Systeme wurden entwickelt. Im weiteren zeitlichen Verlauf wendeten sich alle Hersteller jedoch von CO2 ab.
Manche Autohersteller warben für das gefährliche 2,3,3,3-Tetrafluorpropen – ASHRAE Bezeichnung R1234yf – (Handelsname z. B. „Solstice“), da sich dieses auch in den bisherigen Klimaanlagen verwenden lässt. Dieser Stoff ist relativ klimafreundlich, aber brennbar und wird weltweit von nur 2 US-Herstellern produziert (DuPont und Honeywell). Bei Löschversuchen nach einem Unfall entsteht gefährliche Flusssäure.[3][4]
Im September 2012 gab Mercedes bekannt, das Kältemittel R1234yf aufgrund seiner Entzündbarkeit nicht weiter verwenden zu wollen. Bereits damit befüllte Fahrzeuge werden in die Werkstätten zurückgerufen. Die Füllung wird gegen R134a ausgetauscht. Trotz des bestehenden Verbotes hat die EU-Kommission eine Ausnahmeregelung[5] erlassen, die den weiteren Einsatz von R134a bis längstens 31. Dezember 2012 gestattete. Der Grund dafür bestand im eklatanten Lieferverzug der beiden Haupthersteller für das neue Kältemittel R1234yf.

Mit Luft als Kältemittel arbeitet der einfach aufgebaute Schukey-Motor.

Vertragsverletzungsverfahren gegen Deutschland[Bearbeiten]

Im Anschluss an ein mehrmonatiges Pilotverfahren hat die EU am 23. Januar 2014 ein Vertragsverletzungsverfahren gegen Deutschland eingeleitet, weil das Rückbefüllen eines mit neuem Kältemittel R1234yf genehmigten Fahrzeug auf das alte Kältemittel R134a genauso rechtswidrig ist, wie die Aufnahme neuer Fahrzeuge als Erweiterung in alte bestehende Fahrzeugtypgenehmigungen. Das Vertragsverletzungsverfahren ist im ersten Schritt die Folge des Vorgehens Deutschlands im Zusammenhang mit verschiedensten Fahrzeugtypgenehmigungen der Firma Daimler. Weitere Fälle auch in anderen Mitgliedsstaaten (z. B. Vereinigtes Königreich, Belgien und Luxemburg) werden seitens EU ebenfalls untersucht. [6]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b O.V.: „Wie funktioniert eine Klimaanlage?“, in: SPRINT – Das Mitsubishi Automagazin, 04/2007, S.50
  2. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2006:161:0012:0018:en:PDF
  3. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatAndreas Halbach, Christian Rohde: Gefahr im Auto – Streit um neues Kühlmittel, Veröffentlichung bei KI-Kälte, Luft, Klimatechnik. Frontal21, 28. Oktober 2008, abgerufen am 20. Februar 2011.
  4. http://www.umweltbundesamt.de/produkte/dokumente/test_report_hfo1234yf_2010_06.pdf
  5. http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/automotive/files/environment/mac/note-macs-april-2012_en.pdf
  6. http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/automotive/environment/macs/index_en.htm

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Klimatisierung von Fahrzeugen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien