Funktionsprinzip des Gebläses in der Kfz-Klimaanlage
Zusammenfassung: Die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs dient der Kühlung, Heizung, dem Luftaustausch und der Luftreinigung im Fahrzeuginnenraum. Sie sorgt für ein angenehmes Fahrklima, reduziert die Ermüdung des Fahrers und erhöht die Fahrsicherheit. Die Klimaanlage ist zu einem wichtigen Indikator für die Vollständigkeit eines Fahrzeugs geworden. Sie besteht unter anderem aus Kompressor, Gebläse, Kondensator, Trockner, Expansionsventil und Verdampfer. Dieser Artikel erläutert die Funktionsweise des Gebläses einer Kfz-Klimaanlage.
Angesichts des Klimawandels und der steigenden Ansprüche an den Fahrkomfort werden immer mehr Autos mit Klimaanlagen ausgestattet. Statistiken zufolge verfügten im Jahr 2000 bereits 78 % der in den USA und Kanada verkauften Pkw über eine Klimaanlage. Schätzungen zufolge sind heute mindestens 90 % der Fahrzeuge klimatisiert, was den Fahrkomfort deutlich erhöht. Als Autofahrer sollten Sie die Funktionsweise der Klimaanlage verstehen, um in Notfallsituationen effektiver und schneller reagieren zu können.
1. Funktionsprinzip des Kfz-Kühlsystems
Das Funktionsprinzip des Kfz-Klimaanlagen-Kühlsystems
1. Funktionsprinzip des Kfz-Klimaanlagen-Kühlsystems
Der Kältekreislauf eines Automobil-Klimaanlagensystems besteht aus vier Prozessen: Kompression, Wärmeabgabe, Drosselung und Wärmeaufnahme.
(1) Kompressionsprozess: Der Kompressor saugt am Verdampferausgang das Kältemittelgas mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck an, verdichtet es zu einem Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck und leitet es anschließend zum Kondensator. Hauptfunktion dieses Prozesses ist die Komprimierung und Druckerhöhung des Gases, um dessen Verflüssigung zu erleichtern. Während der Kompression bleibt der Zustand des Kältemittels unverändert, Temperatur und Druck steigen jedoch kontinuierlich an, wodurch überhitztes Gas entsteht.
(2) Wärmeabgabeprozess: Hochtemperiertes und unter hohem Druck stehendes Kältemittelgas tritt in den Kondensator (Kühler) ein, um Wärme mit der Atmosphäre auszutauschen. Durch die Reduzierung von Druck und Temperatur kondensiert das Kältemittelgas zu einer Flüssigkeit und gibt dabei eine große Wärmemenge ab. Dieser Prozess dient der Wärmeabgabe und Kondensation. Die Kondensation ist durch eine Zustandsänderung des Kältemittels gekennzeichnet: Unter konstantem Druck und konstanter Temperatur geht es allmählich vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über. Das kondensierte Kältemittel ist eine unterkühlte Flüssigkeit mit hohem Druck und hoher Temperatur. Je stärker die Unterkühlung, desto größer ist die Fähigkeit zur Wärmeaufnahme während der Verdampfung und desto besser die Kälteleistung, d. h. desto höher die Kälteleistung.
(3) Drosselungsprozess: Unter hohem Druck und hoher Temperatur stehendes Kältemittel wird durch das Expansionsventil gedrosselt, um Temperatur und Druck zu reduzieren. Das Expansionsventil gibt das Kältemittel in einen feinen Nebel (kleine Tröpfchen) ab. Dieser Prozess dient der Kühlung des Kältemittels und der Druckreduzierung – von einer Flüssigkeit mit hoher Temperatur und hohem Druck zu einer Flüssigkeit mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck. Dadurch wird die Wärmeaufnahme erleichtert, die Kälteleistung reguliert und der normale Betrieb der Kälteanlage aufrechterhalten.
4) Wärmeaufnahmeprozess: Das durch das Expansionsventil gekühlte und komprimierte Kältemittel gelangt in den Verdampfer. Da der Siedepunkt des Kältemittels deutlich unter der Temperatur im Verdampfer liegt, verdampft es dort und wird gasförmig. Dabei nimmt es viel Wärme aus der Umgebung auf und senkt so die Temperatur im Fahrzeuginnenraum. Das kalte und unter Druck stehende Kältemittelgas strömt anschließend aus dem Verdampfer und wird vom Kompressor wieder angesaugt. Dieser endotherme Prozess ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Aggregatzustand des Kältemittels von flüssig zu gasförmig ändert, während der Druck konstant bleibt. Die Zustandsänderung erfolgt also während des Prozesses bei konstantem Druck.
2. Das Kältemittelsystem einer Kfz-Klimaanlage besteht im Allgemeinen aus Kompressoren, Kondensatoren, Flüssigkeitsspeichern, Expansionsventilen, Verdampfern und Gebläsen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, sind die Komponenten durch Kupfer- (oder Aluminium-) und Hochdruck-Gummischläuche zu einem geschlossenen System verbunden. Im Betrieb des Kältesystems zirkulieren die verschiedenen Zustände des Kältespeichers in diesem geschlossenen System, wobei jeder Zyklus vier grundlegende Prozesse umfasst:
(1) Kompressionsprozess: Der Kompressor saugt das Kältemittelgas am Auslass des Verdampfers bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck an und komprimiert es zu einem hohen Druck und hoher Temperatur, um das Gas zu entfernen.
(2) Wärmefreisetzungsprozess: Das überhitzte Kältemittelgas mit hoher Temperatur und hohem Druck tritt in den Kondensator ein und kondensiert aufgrund der Reduzierung von Druck und Temperatur zu einer Flüssigkeit, wobei viel Wärme freigesetzt wird.
(3) Drosselungsprozess: Nachdem das Kältemittel mit hoher Temperatur und hohem Druck das Expansionsgerät passiert hat, vergrößert sich sein Volumen, Druck und Temperatur sinken rapide ab, und das Expansionsgerät wird in einem Nebel (kleinen Tröpfchen) ausgeschieden.
(4) Wärmeaufnahmeprozess: Das vernebelte Kältemittel tritt in den Verdampfer ein. Da der Siedepunkt des Kältemittels deutlich unter der Temperatur im Verdampfer liegt, verdampft das Kältemittel. Während der Verdampfung wird eine große Menge Wärme aus der Umgebung aufgenommen. Der kalte und unter Druck stehende Kältemitteldampf gelangt anschließend in den Kompressor.
2. Funktionsprinzip des Gebläses
Das Gebläse im Auto ist üblicherweise ein Radialgebläse. Dessen Funktionsprinzip ähnelt dem eines Radialventilators, mit dem Unterschied, dass die Luftverdichtung durch mehrere Laufräder (oder mehrere Stufen) mittels Zentrifugalkraft erfolgt. Das Gebläse besitzt einen schnell rotierenden Rotor, dessen Schaufeln die Luft mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Die Zentrifugalkraft strömt die Luft entlang der spiralförmigen Kontur des Gehäuses zum Lüfterauslass. Der so entstehende Luftstrom erzeugt einen bestimmten Druck. Frischluft wird durch die Gehäusemitte zugeführt.
Theoretisch ist die Druck-Durchfluss-Kennlinie eines Radialgebläses eine Gerade. Aufgrund von Reibungswiderstand und anderen Verlusten im Inneren des Gebläses sinkt die tatsächliche Druck-Durchfluss-Kennlinie jedoch mit steigendem Volumenstrom leicht ab, während die zugehörige Leistungs-Durchfluss-Kennlinie des Radialgebläses mit steigendem Volumenstrom ansteigt. Bei konstanter Drehzahl verschiebt sich der Arbeitspunkt des Gebläses entlang der Druck-Durchfluss-Kennlinie. Der Betriebszustand des Gebläses hängt nicht nur von seiner Eigenleistung, sondern auch von den Systemeigenschaften ab. Steigt der Widerstand im Rohrleitungssystem, wird die Kennlinie steiler. Das Grundprinzip der Gebläseregelung besteht darin, die gewünschten Betriebsbedingungen durch Anpassung der Kennlinie des Gebläses selbst oder der Kennlinie des externen Rohrleitungssystems zu erreichen. Daher sind in Fahrzeugen intelligente Systeme installiert, die einen reibungslosen Betrieb bei niedrigen, mittleren und hohen Geschwindigkeiten unterstützen.
Gebläsesteuerungsprinzip
2.1 Automatische Steuerung
Wenn der „Automatik“-Schalter der Klimaanlagensteuerung gedrückt wird, passt der Klimaanlagencomputer die Gebläsedrehzahl automatisch an die erforderliche Ausblastemperatur an.
Wenn die Luftstromrichtung auf „Flächenstrom“ oder „Doppelstromrichtung“ eingestellt ist und sich das Gebläse im Niedrigdrehzahlmodus befindet, ändert sich die Gebläsedrehzahl entsprechend der Sonneneinstrahlung innerhalb des zulässigen Bereichs.
(1) Betrieb der Niedriggeschwindigkeitsregelung
Im Niedrigdrehzahlbetrieb unterbricht der Klimacomputer die Basisspannung der Leistungstriode, wodurch auch die Leistungstriode und das Hochdrehzahlrelais abgeschaltet werden. Der Strom fließt vom Gebläsemotor zum Gebläsewiderstand und leitet diesen, um den Motor mit niedriger Drehzahl laufen zu lassen.
Der Klimaanlagencomputer besteht aus folgenden 7 Teilen: 1 Batterie, 2 Zündschalter, 3 Heizungsrelais, 5 Gebläsemotor, 6 Gebläsewiderstand, 7 Leistungstransistor, 8 Temperatursicherungsdraht, 9 Hochgeschwindigkeitsrelais.
(2) Betrieb der mittleren Drehzahlregelung
Bei mittlerer Drehzahlregelung ist die Leistungstriode mit einer Temperatursicherung ausgestattet, die sie vor Überhitzung schützt. Der Klimacomputer ändert den Basisstrom der Leistungstriode durch Anpassung des Gebläseansteuersignals, um die Gebläsemotordrehzahl drahtlos zu steuern.
3) Betrieb der Hochgeschwindigkeitssteuerung
Bei Hochgeschwindigkeitssteuerung trennt der Klimaanlagencomputer die Basisspannung der Leistungstriode, ihren Anschluss Nr. 40, und das Hochgeschwindigkeitsrelais wird eingeschaltet. Der Strom vom Gebläsemotor fließt über das Hochgeschwindigkeitsrelais und dann zum Anschlusseisen, wodurch der Motor mit hoher Drehzahl rotiert.
2.2 Vorheizen
Im Automatikbetrieb erfasst ein im unteren Bereich des Heizkörpers angebrachter Temperatursensor die Kühlmitteltemperatur und steuert die Vorwärmung. Liegt die Kühlmitteltemperatur unter 40 °C und ist der Automatikschalter aktiviert, schaltet das Klimasteuergerät den Lüfter ab, um den Austritt kalter Luft zu verhindern. Ist die Kühlmitteltemperatur hingegen über 40 °C, startet das Klimasteuergerät den Lüfter und lässt ihn mit niedriger Drehzahl laufen. Anschließend wird die Lüfterdrehzahl automatisch anhand des berechneten Luftdurchsatzes und der gewünschten Ausblastemperatur geregelt.
Die oben beschriebene Vorwärmregelung ist nur dann vorhanden, wenn die Luftströmung in Richtung „unten“ oder „Doppelströmung“ gewählt wird.
2.3 Verzögerte Luftstromregelung (nur für Kühlung)
Die verzögerte Luftstromregelung basiert auf der vom Verdampfertemperatursensor erfassten Temperatur im Inneren des Kühlers.
Die Luftstromregelung verhindert das unbeabsichtigte Austreten heißer Luft aus der Klimaanlage. Diese verzögerte Regelung wird nur einmalig beim Motorstart und unter folgenden Bedingungen durchgeführt: 1. Kompressorbetrieb; 2. Gebläsesteuerung auf „Automatik“ (automatisches Einschalten); 3. Luftstromregelung auf „Gesicht“ eingestellt; 4. Einstellung auf „Gesicht“ über den Gesichtsschalter oder im Automatikmodus; 5. Temperatur im Kühlraum über 30 °C.
Die Funktionsweise der verzögerten Luftstromregelung ist wie folgt:
Selbst wenn alle vier oben genannten Bedingungen erfüllt sind und der Motor gestartet wurde, kann der Gebläsemotor nicht sofort anlaufen. Der Anlauf des Gebläsemotors dauert 4 Sekunden. Dazu müssen der Kompressor eingeschaltet, der Motor gestartet und das Kältemittelgas zur Kühlung des Verdampfers verwendet werden. Der hintere Gebläsemotor läuft nach 4 Sekunden an, in den ersten 5 Sekunden mit niedriger Drehzahl und beschleunigt in den letzten 6 Sekunden allmählich auf hohe Drehzahl. Dieses Verfahren verhindert einen plötzlichen Ausstoß heißer Luft aus der Lüftungsöffnung, der zu Luftverwirbelungen führen könnte.
Schlussbemerkungen
Das perfekte computergesteuerte Klimaanlagensystem im Auto passt Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftreinheit, Luftverteilung und Belüftung automatisch an und sorgt für einen gleichmäßigen Luftstrom in Geschwindigkeit und Richtung. So wird ein angenehmes Fahrklima für die Insassen geschaffen und unter verschiedenen äußeren Witterungsbedingungen gewährleistet. Das System verhindert das Beschlagen der Scheiben und sorgt so für klare Sicht und damit für sicheres Fahren.
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