Untersuchung des transienten Verhaltens von CO2 - PKW - Klimaanlagen mit Niederdrucksammler

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Im Rahmen dieser Arbeit wird das transiente Verhalten einer Kfz-Kälteanlage, welche mit dem Kältemittel R744 (Kohlendioxid) arbeitet, untersucht. Es entstand eine Simulationsplattform, in welcher die stationären und instationären Modelle der Einzelkomponenten sowie des Gesamtkreislaufs abgelegt sind. Während für die Wärmeübertrager und die Sammler physikalische Modellstrukturen auf Basis von finiten Volumina hinterlegt sind, wird der Verdichter überwiegend mittels Kennfelder und das Expansionsorgan durch Kennliniendarstellung beschrieben. Es werden für die Validierung der Einzelkomponenten sowie für die Wiedergabe des Kreislaufverhaltens umfangreiche Messungen im praxisrelevanten Betriebsspektrum durchgeführt, um die Güte der Modelle bewerten zu können. Aufgrund der Zielrichtung „Optimierung von Reglerkonzepten für Kältekreisläufe“, wird ein besonderes Augenmerk darauf gelegt, dass die Komponentenmodelle mit einer geringen Anzahl finiter Volumina beschrieben werden können, um Rechenzeit zu sparen.

Der Schwerpunkt und der wesentliche Fortschritt im Vergleich zum bisherigen Stand des Wissens, stellen die Erkenntnisse zum Sammlerverhalten und dessen stationären und transienten Einfluss auf das Systemverhalten dar. Hier setzt die Arbeit an und stellt die erstmalig experimentell gewonnenen Erkenntnisse zur Füllstands- und Massenstromabhängigkeit des Akkumulatorverhaltens vor. Diese wurden mittels eines speziellen Messaufbaus für ein breites Betriebsspektrum ermittelt. Der hier vorgestellte Sammler-Modell-Typ, welcher im Besonderen ein höhenabhängiges Dichteprofil beinhaltet, wird anhand der Messdatenbasis validiert. Es hat sich gezeigt, dass der Einfluss der Ölbohrung im Receiver mittels der entwickelten Modelle gut wiedergegeben werden kann, und nachhaltig die horizontale Lage des Kreisprozesses im p/h-Diagramm bestimmt. Bisher bekannte Sammler-Modelle waren nicht im Stande diesen Einfluss ausreichend genau zu berücksichtigen. Abschließend wird eine simulative Sensitivitätsanalyse durchgeführt, welche Aufschluss über die Akkumulator-Abhängigkeit des Kreislaufverhaltens gibt.

Experimente haben gezeigt, dass sich die Heißgastemperatur am Kompressor bei vielen transienten Lastfällen wesentlich langsamer ändert, als die restlichen Zustandsgrößen im Kreislauf. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit ein dynamisches Verdichtermodell erstellt, welches die Transiente der Heißgastemperatur besser beschreibt.