Automobile umweltgerecht klimatisiert: den Kraftstoffverbrauch bis zu zehn Prozent erhöhen. Dabei steigt nicht nur der CO 2

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1 maschinenbau RUBIN 2004 Thermo- und Fluiddynamik Automobile umweltgerecht klimatisiert: Cool bleiben mit E. Weidner S. Kareth Warme Füße kühler Kopf, so lautet das Ziel der Klimatechnik für Automobile. Warme und kalte Luftströme sollen sich zum individuellen Wohlfühlklima mischen und ganz gezielt im Fahrgastraum verteilen. Das richtige Kältemittel dafür scheint jetzt gefunden: Kohlendioxid ist weder giftig noch brennbar und bei kontrolliertem Einsatz auch umweltgerecht. -Klimaanlagen verbrauchen 25 Prozent weniger Benzin wie erste Prüfungen zeigen und haben ein über tausendfach geringeres Treibhauspotenzial. Abb.1: Prof. Dr.-Ing. Eckhard Weidner und Dr. Sabine Kareth beobachten die Eigenschaften der Kohlendioxid-Schmierstoffgemische in der Hochdrucksichtzelle. Im Sommer herrschen schnell wieder angenehme Temperaturen und im Winter gibt es keine beschlagenen Scheiben mehr wer eine Klimaanlage im Auto hat, möchte nie mehr darauf verzichten. Hinzu kommt noch ein Sicherheitsgewinn: Denn bei Temperaturen über 25 C lassen Konzentrations- und Reaktionsfähigkeit deutlich nach und Autofahrer ermüden schneller das zeigen aktuelle Untersuchungen. Doch Komfort und Sicherheit fordern ihren Preis: Klimaanlagen können schon bei 27 C Außentemperatur den Kraftstoffverbrauch bis zu zehn Prozent erhöhen. Dabei steigt nicht nur der -Ausstoß, durch den Mehrverbrauch an Kraftstoff treten weitere Emissionen auf. Bis in die 90er-Jahre hinein waren Kältemittel auf der Basis von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW, z.b. R12) aufgrund günstiger Anwendungseigenschaften wie hoher Kälteleistung oder Unbrennbarkeit weit verbreitet. Doch aufgrund ihrer negativen Auswirkungen auf Ozonschicht und Treibhauseffekt ist der Einsatz von FCKWs seit 1990 verboten. Klimaanlagen in Pkw enthalten heute das Kältemittel Fluorkohlenwasserstoff (FKW, z.b. R134a). FKW sind nicht ozonschädigend, besitzen aber immer noch ein erhebliches Potenzial als Treibhausgas. Daher wird ein Verbot des Kältemittels R134a für Klimaanlagen europaweit diskutiert und wurde in Österreich und Dänemark bereits durchgesetzt. Als alternatives Kältemittel für PKW- Klimaanlagen kommt vor allem Koh- 83

2 Thermo- und Fluiddynamik maschinenbau RUBIN 2004 Abb. 2: Schmierstoffe, die dem Kältemittel zugemischt werden, sollen die Klimaanlage vor Verschleiß schützen, wie hier an den Wälzkörpern im Verdichter. lendioxid ( ) in Betracht., in den letzten Jahren durch den -Ausstoß bei der Verbrennung fossiler Rohstoffe in die öffentliche Diskussion gekommen, ist ein essenzielles Molekül der Natur. Es kombiniert die Vorteile herkömmlicher Kältemittel ist weder giftig noch brennbar mit einer besseren Umweltverträglichkeit: Kohlendioxid wirkt nicht ozonschädigend und als Kältemittel ist sein Beitrag zum info 1 Global Warming Potenzial wie Wärme zurückgehalten wird Die Erde strahlt einen Teil der von der Sonne empfangenen Energie ins Weltall zurück. Ein Teil dieser abgestrahlten Energie wird von Wasserdampf und Treibhausgasen in der Atmosphäre zurückgehalten. Ohne diesen Effekt wäre die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche unangenehm niedrig. Die Rückhaltewirkung unterschiedlicher Gase beschreibt das sog. Global Warming Potenzial (GWP). Dabei wird neben den Absorptionseigenschaften der Gase auch ihre Lebensdauer in der Atmosphäre berücksichtigt. Deshalb haben FKW ein viel höheres Treibhauspotenzial als Kohlendioxid. Treibhauseffekt 1300 mal geringer als der von R134a (s. Tab.1 u. Info 1). In einer Klimaanlage werden lediglich 1,5 kg Kohlendioxid für die Lebensdauer eines Autos benötigt und das in einem geschlossenen System. In diesem Zeitraum setzt ein einziges Auto fast 2000 kg über den Auspuff in die Umwelt frei. Kohlendioxid unterscheidet sich in seinen thermodynamischen Eigenschaften, wie etwa dem Dampfdruck, erheblich von den herkömmlichen Kältemitteln FKW bzw. FCKW und stellt daher andere Ansprüche an die Klimatechnik. Vor allem die bei einer -Klimaanlage auftretenden höheren Drücke erfordern eine Neukonzeption des Gesamtsystems mit allen seinen Komponenten (s. Info 2, S. 86). Dabei steht der Verdichter als wichtigster Bestandteil einer Klimaanlage im Mittelpunkt der Forschung. Ein langjähriger, störungs- und möglichst wartungsfreier Betrieb ist nur durch eine Kombination aus konstruktiven Maßnahmen und geeigneten Schmiermit- Verdichter: Herz der Klimaanlage teln zu erreichen. Schmiermittel schützen den Verdichter mit seinen Lagern und Wellen vor Verschleiß. Erst wenn Schmiermittel zur Verfügung stehen, die den besondern Ansprüchen einer -Klimaanlage gerecht werden, können konstruktive Maßnahmen effektiv in Angriff genommen werden. Diese Priorität im Forschungs- und Entwicklungsverlauf führte zu einer Kooperation unseres Lehrstuhls mit Automobilunternehmen (Daimler-Chrysler, BMW, Audi, VW), Zulieferfirmen im Bereich des Maschinenbaus (LUK) und tabelle 1 Abb.3. Eine -Klimaanlage stellt besondere Ansprüche an das Kohlendioxid- Schmierstoff-Gemisch. Deshalb wurde das Verhalten von 35 verschiedenen Schmierstoffen gegenüber Kohlendioxid untersucht, darunter Polyolester (POE), Polyalkylenglykole (PAG) und Polyalphaolefine (PAO). Herstellern von Schmierölen (Fuchs, DEA, jetzt Fuchs-Europe). Ziel war es, Schmiermittel zur Verfügung zu stellen, die einen -Verdichter ausreichend vor Verschleiß schützen (Abb. 2). Dabei kommt es vor allem auf die Viskosität der Schmierstoffe an. Kältemittel FCKW (R12) FKW (R134a) (R744) Ozonschädigung ja nein nein Treibhauspotential GWP* ) = 8100 GWP = 1300 GWP = 1 Einführung 1990 durch Verbot 2005 wegen technischer Vorteile GWP: Global warming potential (s. Info 1) Tab. 1: Umweltverträglichkeit von Kältemitteln: FKWs (R 134a) sind heute die Kältemittel der Wahl in Auto-Klimaanlagen. Doch ihr Beitrag zum Treibhauseffekt ist 1300 mal größer als der des Kohlendioxids eingesetzt als Kältemittel 84

3 maschinenbau RUBIN 2004 Thermo- und Fluiddynamik PAG-1: 1 bar POE-1: 1 bar PAO-1: 1 bar PAG-2: 40 bar POE-2: 40 bar PAO-2: 40 bar PAG-3: 150 bar POE-3: 55 bar PAO-3: 50 bar Zudem wurden Neopentylpolyolester, Carbonatester und Alkoxylierungsprodukte hergestellt und in die Prüfungen eingezogen. Da sich Kohlendioxid in seiner Mischbarkeit mit Schmierstoffen von anderen Kältemitteln unterscheidet, haben wir zunächst das Phasenverhalten der Gemische in einer Hochdrucksichtzelle untersucht. Diese Apparatur ermöglicht es, das Verhalten von Schmierstoffen in Gegenwart von Kohlendioxid bei den im Kältekreislauf auftretenden Temperaturen und Drücken zu beobachten (s. Abb. 1). Abb. 4 gibt das Phasenverhalten dreier typischer Schmierstoffe bei 5 C wieder: Polyalkylenglykol (PAG-1 bis PAG-3) füllt die Sichtzelle zunächst nur teilweise aus, darüber befindet sich das gasförmige Kohlendioxid (s. PAG-1). Abb. 4: Nicht alle Schmierstoffe eignen sich in gleicher Weise für eine -Klimaanlage. Während die Löslichkeit von Polyolestern (POE) mit steigendem Druck zunimmt, bis sich Kohlendioxid und Polyolester bei 55 bar vollständig vermischt haben (POE-3), verschwindet bei den Polyalkylenglykolen (PAG) mit Druckerhöhung schließlich das gasförmige und es entsteht ein sog. flüssig-flüssig Gleichgewicht (PAG-3) aus Schmierstoff (unten) und flüssigem Kohlendioxid (oben). Dagegen sind Polyalphaolefine (PAO) für - Klimaanlagen nicht geeignet, da es mit steigendem Druck zur Phaseninversion kommt, d.h. die Schmierstoffphase schwimmt auf dem flüssigen Kohlendioxid. Da sich die Eigenschaften von Schmierstoffen in Wechselwirkung mit Kohlendioxid erheblich verändern, haben wir das Verhalten von 35 verschiedenen Schmierstoffen gegenüber Kohlendioxid untersucht und dabei neben handelsüblichen Produkten auch neue Verbindungen mit einbezogen. Ziel war dabei, nicht nur die Schmiereigenschaften zu verbessern, sondern auch die thermische und hydrolytische Sta- bilität zu erhöhen, was wiederum die Lebensdauer der Öle, aber auch die Ölwechselintervalle verlängert. Abb. 3 zeigt Polyolester (POE), Polyalkylenglykole (PAG) und Polyalphaolefine (PAO) als typische Vertreter der untersuchten Schmierstoffe. Zu den zusätzlich synthetisierten Verbindungen gehören modifizierte Polyalkylenglykole, bei denen die endständigen RO- Gruppen variiert wurden (s. Abb. 3). Phasen verschieben sich Erhöht man den Druck auf 40 bar, dann bilden sich drei unterschiedliche Phasen (PAG-2). Die untere Phase besteht aus Schmierstoff mit eingelöstem Kohlendioxid, was in dem gestiegenen Phasenspiegel zum Ausdruck kommt. Die mittlere Phase stellt flüssiges und die obere Phase gasförmiges Kohlendioxid dar. Bei weiterer Druckerhöhung verschwindet das gasförmige und es entsteht ein sog. flüssig-flüssig Gleichgewicht (PAG-3) aus Schmierstoff (unten) und flüssigem Kohlendioxid (oben). Das Phasenverhalten eines Polyolesters unterscheidet sich zunächst nicht von dem des Polyalkylenglykols Abb. 5: Phasengleichgewicht und Viskosität verschiedener Schmierstoffe: Die Konzentration von im Schmierstoff nimmt mit steigendem Druck stark zu (links), dabei verdünnt sich der Schmierstoff die Viskosität sinkt. Dieser Effekt ist bei den verschiedenen Schmierstoffen unterschiedlich stark ausgeprägt (rechts). 85

4 Thermo- und Fluiddynamik maschinenbau RUBIN 2004 Abb. 6: Allrounder gesucht: Im Verdampfer soll die Gemischviskosität gering sein, dafür ist eine mittlere bis hohe Viskosität im Verdichter für den Verschleißschutz gut. Als Alleskönner erwies sich etwa ein spezielles Polyolester (s. POE), aber auch einige der neu synthetisierten Schmierstoffe (z.b. PAG G) zeigten die gewünschten Eigenschaften. (s. PAG-1 u. POE-1). Bei einem Druck von 40 bar beobachten wir auch hier drei Phasen, doch ist der Phasenspiegel im Polyolestersystem deutlich höher (vergl. POE-2 u. PAG-2), was auf eine stärkere Löslichkeit von Kohlendioxid im POE hinweist. Mit steigendem Druck nimmt die Löslichkeit weiter zu, bis bei 55 bar Kohlendioxid und Polyolester vollständig vermischt sind (POE-3). Die dritte untersuchte Schmierstoffklasse die Polyalphaolefine (PAO) zeigt ein völlig anderes Phasenverhalten. Bei 40 bar hat das flüssige Kohlendioxid etwa die gleiche Dichte wie der Schmierstoff. Doch bei zunehmendem Druck wird die Dichte des Kohlendioxids größer als die des Schmierstoffs, was zur sog. Phaseninversion führt: Die Schmierstoffphase schwimmt auf dem flüssigen Kohlendioxid. Bei Phaseninversion kann sich der Schmierstoff an unerwünschten Stellen anreichern, was in anderen Bereichen des Verdichters wiederum zur Mangelschmierung und damit zu erhöhtem Verschleiß führen kann. Da in Pkw-Klimaanlagen wechselnde Betriebsbedingungen vorherrschen mit jeder Drehzahländerung ändert sich die Leistung des Verdichters und damit auch Druck und Temperatur im Kältekreislauf wäre dieses unerwünschte Phasenverhalten bei Verwendung von Polyalphaolefinen als Schmiermittel vorprogrammiert. Damit ist diese Schmierstoffklasse für eine -Klimaanlage im Auto ungeeignet. Für die Konstruktion eines Verdichters und die Detailauslegung einer Klimaanlage muss der Ingenieur das Phasenverhalten und die Fließeigenschaften nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ kennen. Daher haben wir eine spezielle Apparatur entwickelt, in der wir Zusammensetzung, Dichte, Viskosität und Fließverhalten (Viskositätsänderung bei mechanischen Einflüssen) der mit gesättigten Schmierstoffe simultan messen können. Es zeigte sich, dass die Konzentration von im Schmierstoff mit steigendem Druck stark zunimmt (s. Abb. 5, links). Je nach Schmieröl können tabelle 2 bis zu 50 Gew.% und mehr Kohlendioxid im Schmierstoff gelöst sein. Gleichzeitig können die Schmierstoffe auch im gelöst vorliegen, wie das bei Polyalkylenglykol unter einem Druck von 150 bar der Fall ist (s. Abb. 4, PAG-3): ist hier nicht nur im Schmierstoff (untere Phase) gelöst, sondern der Schmierstoff ist auch im Kohlendioxid (obere Phase) vorhanden. Das eingelöste verändert die Viskosität der Schmierstoffe erheblich, sie werden um mehr als eine Größenordnung verdünnt (s. Abb. 5, rechts) ein Effekt, der bei den verschiedenen Schmierstoffen unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Anhand von thermo- und fluiddynamischen Reihenuntersuchungen an kommerziell verfügbaren und neu synthetisierten Schmierstoffen haben wir die charakteristischen Stoffwerte für typische Betriebszustände an verschiedenen Stellen des Kältemittelkreislaufs erfasst. Dabei erwiesen Verdünnte Schmierstoffe sich jene Schmierstoffe als vorteilhaft, die bei niedrigen Temperaturen im Verdampfer nur geringe Gemischviskositäten aufweisen, d.h. dort eher dünnflüssig vorliegen. Das im Kreislauf befindliche Öl kann dann schneller zum Verdichter zurückfließen, was Mangelschmierungen vermeidet. Gleichzeitig ist eine mittlere bis hohe Viskosität im Verdichter für den Verschleißschutz wünschenswert. Diese Bedingungen erfüllt etwa ein spezieller Polyolester (s. Abb. 6, POE), aber auch einige der neu synthetisierten Kältemittel FCKW (R12) FKW (R134a) (R744) -Ausstoß durch 2600 kg/pkw 2600 kg/pkw 1800 kg/pkw Betrieb GWP-Äquivalent 8100 kg/pkw 3900 kg/pkw 1800 kg/pkw über Lebensdauer Summe kg/pkw 3900 kg/pkw 1800 kg/pkw Tab. 2: Weniger Sprit weniger Abgas: In Prüfstandversuchen konnten bis zu 25 Prozent des Kraftstoffbedarfs herkömmlicher Klimaanlagen eingespart werden, was den -Ausstoß pro PKW deutlich verringert. 86

5 Thermo- und Fluiddynamik maschinenbau RUBIN 2004 Abb. 7: Noch ein Vorteil für den Autofahrer: Die gewünschte Fahrzeugtemperatur wird mit einer -Klimaanlage deutlich schneller erreicht. Schmierstoffe besitzen entsprechende Eigenschaften (z.b. PAG G). Diese für die -Klimaanlage geeigneten Grundöle werden durch Zusatz kleiner Mengen sog. Additive optimiert. Gezielt eingesetzt können Additive neue Oberflächenverhältnisse schaffen, indem sie die Metalloberfläche quasi beschichten, oder für Temperaturbeständigkeit und Feuchteresistenz sorgen. Sie verstärken damit den Schutz vor Alterung und Verschleiß. Da die zukünftige Generation von Klimaanlagen eine bessere Kühlleistung mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch verbinden soll, darf bei der Auswahl der Schmierstoffe nicht allein auf den Verschleißschutz geachtet werden. Wir berücksichtigen auch das Verhalten der Schmierstoffe im Gesamtkreislauf (Performance). Klimakreisläufe werden üblicherweise für reine Kältemittel ausgelegt. Doch Pkw- Klimaanlagen enthalten etwa ein Kilogramm Kältemittel und 200 Gramm Schmierstoff. Indem wir das Mischungsverhalten berücksichtigen, soll ein besserer Wirkungsgrad erreicht und auch die Betriebsweise optimiert werden. Hierzu werden die gemessenen Phasengleichgewichte mithilfe von Zustandsgleichungen (s. S ) modelliert. Auf dieser Basis entwickeln wir Computerprogramme zur Berechnung der Kältekreisläufe. In den letzten Jahren ist es gelungen, eine praxistaugliche -Klimaanlage in enger Kooperation von thermound fluiddynamischer Grundlagenforschung und systemorientierten Forschungsarbeiten an Hochschule und Industrie zu entwickeln. Durch den hohen Druck, unter dem diese Systeme stehen, erreichen wir die gewünschte Kälteleistung schon bei einem geringen -Volumenstrom. Dadurch kann das ganze System sehr kompakt gebaut werden. Es wurde nun auch nachgewiesen, dass sich durch die größere Kälteleistung von Kohlendioxid Kraftstoff einsparen lässt: In Prüfstandversuchen sank der Kraftstoffverbrauch um 25 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Klimaanlagen. Dies führt zu einem deutlich geringeren -Ausstoß pro PKW (s. Tab. 2). Berücksichtigt man zusätzlich die durch Leckage freigesetzten Kältemittel, dann tragen -Klimaanlagen dazu bei, den Treibhauseffekt (GWP) erheblich zu reduzieren. Dass die gewünschte Temperatur mit einer -Klimaanlage schneller erreicht wird (s. Abb. 7), ist ein weiterer Vorteil für den Autofahrer. Neben der Substitution eines potenten Treibhausgases (R134a) bietet info 2 Die -Klimaanlage das Prinzip Nach der Verdichtung auf einen hohen Druck (1 2) wird das Kältemittel zunächst im Gaskühler durch den Fahrtwind (2 3) und dann im sog. inneren Wärmetauscher (3 4) vorgekühlt (s. Abb. A). Gase kühlen sich bei plötzlicher Druckabsenkung ab. Um diesen Effekt auszunutzen, muss das Gas in der Klimaanlage eine Verengung die sog. Drossel (4 5) passieren. Dabei entspannt sich das Kältemittel unter Druckabfall. Kohlendioxid liegt dann als kalte Flüssigkeit vor, die verdampft wird (5 6). Wenn die von außen kommende warme Frischluft am Verdampfer vorbei strömt, dann kühlt sie sich ab und wird durch das Gebläse in den Innenraum des Autos gepustet. Der Verdampfer nimmt die Wärme der Außenluft auf. Ein Sammelbehälter (6 7) dient als Volumenausgleich und Vorratsgefäß. Schließlich durchströmt das Kältemittel wiederholt den inneren Wärmetauscher und wird dort auf Ausgangsbedingungen erwärmt (7 1). Der Prozess beginnt von Neuem. 88

6 maschinenbau RUBIN 2004 Thermo- und Fluiddynamik Kohlendioxid auch die Chance - den Wirkungsgrad von Kältesystemen zu verbessern. Sollte die gegenwärtige FKW-Diskussion in Europa dazu führen, dass dieses Kältemittel in den ab 2011 auf den Markt kommenden Pkws verboten wird, dann steht die Alternative schon parat. Mit den durch Kohlendioxid betriebenen Klimaanlagen könnten die Hersteller dieser Vorschrift entsprechen. In Weiterentwicklung der -Klimaanlage interessiert uns derzeit, ob sich das Kohlendioxid auch für eine Heizung verwenden lässt. Dazu müsste der Kältekreislauf in umgekehrter Richtung betrieben werden: Das verdichtete, heiße Kohlendioxid gibt seine Wärme über den Verdampfer an die angesaugte Frischluft in den Fahrzeuginnenraum ab. Gerade bei verbrauchsminimierten Fahrzeugen, die oftmals zu wenig Abwärme für eine optimale Beheizung des Fahrgastraumes produzieren, könnte Kohlendioxid das Wohlfühlklima dann auch im Winter sichern. Prof. Dr.-Ing. Eckhard Weidner, Dr. Sabine Kareth, Lehrstuhl Verfahrenstechnische Transportprozesse, Institut für Thermound Fluiddynamik Literatur: J. Fahl, Diss., Ruhr-Universität Bochum, 2002 A. Hauk, Diss., Ruhr-Universität Bochum, 2001 Anzeige 89