Verlustmechanismen in einem halbhermetischen pkw -co2-axialkolbenverdichter

Michael König untersucht qualitativ und quantitativ einen halbhermetischen CO2-Axialkolbenverdichter hinsichtlich auftretender Verlustmechanismen. Die physikalisch motivierten Betrachtungen umfassen eine Beschreibung thermodynamischer, strömungsmechanischer und mechanischer Phänomene. In Erweiterung zu bisher bewerteten Verlustbeiträgen charakterisiert der Autor umfangreich die elektrischen Leistungsverluste des Antriebsstrangs. Als neuartige Methode der Verdichterindizierung von (halb-)hermetischen Verdichtern entwickelt Michael König eine Zylinderdruck-/Drehwinkelkorrelation mithilfe motorintegrierter Hall-Schalter und wendet diese erfolgreich an. Der Autor Michael König ist als Entwicklungsingenieur bei einem Automobilhersteller in Salzgitter und dort im Bereich der elektrischen Nebenaggregate tätig. Er promovierte berufsbegleitend an der TU Braunschweig. Vorwort 7 Inhaltsverzeichnis 8 Abbildungsverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis 14 Symbolverzeichnis 15 Abkürzungen 22 Kurzfassung 24 Abstract 26 1 Einleitung 28 1.1 Kohlendioxid als Kältemittel 28 1.2 Forschungsbedarfe für die Fahrzeugklimatisierung mit CO2 29 1.3 Ziele der Arbeit 31 1.4 Aufbau der Arbeit 31 2 Grundlagen zur Untersuchung von Verlustmechanismen im Verdichter 33 2.1 Anlagenverschaltung für eine Pkw-CO2-Klimaanlage 33 2.2 Verdichterbauarten 34 2.2.1 Scrollverdichter 36 2.2.2 Hubkolbenverdichter 37 2.3 Verdichtungsprozess eines einstufigen Kolbenverdichters 40 2.4 Identifikation von Verlustmechanismen 42 2.4.1 Strömungsverluste 43 2.4.2 Druckpulsationen 44 2.4.3 Aufheizungsverluste 45 2.4.4 Elektrische Verluste 45 2.4.5 Reibungsverluste 47 2.4.6 Rückexpansionsverluste 49 2.4.7 Leckageverluste 49 2.4.8 Rückströmungsverluste 50 2.5 Bewertungskenngrößen für elektrisch angetriebene Kältemittelverdichter 51 2.5.1 Äußere Bewertungskenngrößen 51 2.5.2 Innere Bewertungskenngrößen 53 3 Modellierung eines Taumelscheibenverdichters 54 3.1 Thermodynamische und strömungsmechanische Modellierung 54 3.1.1 Bilanzgleichungen 54 3.1.2 Wärmeübergangsbeziehungen 56 3.1.3 Düsen- und Ventilströmung 59 3.2 Modellierung mechanischer Verdichter-Komponenten 61 3.2.1 Kinematische Beziehungen am Kolben 61 3.2.2 Gleitstein- und Kolbendynamik 63 3.2.3 Kräftegleichgewicht am Kolben 68 3.2.4 Kräftegleichgewicht an der Antriebswelle 70 3.2.5 Lagerreibung 71 3.2.6 Ventilmodell 72 3.3 Elektrischer Antrieb 76 4 Experimentelle Methodik der Verdichter-Untersuchung 78 4.1 Anlagenkonfiguration 78 4.2 Indiziermessungen 81 4.3 Leistungsmessung am elektrischen Antriebsstrang 85 5 Experimentelle Untersuchung des Verdichters 87 5.1 Indiziermessungen 87 5.1.1 Synchronizität und Verdichtungscharakteristik der Zylinder 88 5.1.2 Einfluss der Ölumlaufrate (OCR) 92 5.1.3 Einfluss des Druckverhältnisses und der Drehzahl 94 5.1.4 Einfluss der Druckpulsationen 96 5.2 Charakterisierung von Leckageverlusten am Zylinder 99 5.2.1 Leckageverluste an den Kolbenringen 100 5.2.2 Leckageverluste an den Ventilen 101 5.3 Charakterisierung des elektrischen Antriebsstranges 103 5.4 Charakterisierung des Verdichters bei Betriebspunktvariation 105 5.4.1 Liefergradbetrachtung 106 5.4.2 Füllgradbetrachtung 109 5.4.3 Gütegradbetrachtung 111 6 Validierung des Verdichtermodells 114 6.1 Wärmeübertragungsmodell 114 6.2 Reibungsmodell 116 6.3 Zylinder- und Ventilmodell 119 6.4 Bewertungskenngrößen 123 7 Bewertung ausgewählter Verlustbeiträge des Verdichters 126 7.1 Elektrische Verluste 126 7.2 Reibungsverluste 128 7.3 Wärmeübertragungsverluste 130 7.4 Leckageverluste 131 7.5 Ventilverluste 132 7.6 Gegenüberstellung ausgewählter relativer Verlustanteile 134 8 Zusammenfassung und Ausblick 136 Literaturverzeichnis 139 A Messunsicherheiten der experimentellen Untersuchungen 152 A.1 Bestimmung der erweiterten Standardmessunsicherheit an Komponenten 152 A.1.1 Elektrische Leistung am Eingang der Leistungselektronik 152 A.1.2 Elektrische Leistung am Eingang des E-Motors 153 A.1.3 Mechanische Leistung 154 A.1.4 Elektrische Wirkungsgradbewertung 156 A.1.5 Indizierte Leistung 156 A.1.6 Leckage am Zylinder 160 A.2 Bestimmung der erweiterten Standardmessunsicherheit der Kenngrößen 161 A.2.1 Liefergrad 161 A.2.2 Klemmengütegrad 163 A.2.3 Indizierter isentroper Gütegrad 164 A.2.4 Füllgrad 165 A.3 Bestimmung der erweiterten Standardmessunsicherheit der Ölumlaufrate 166 A.4 Bestimmung der erweiterten Standardmessunsicherheit des Druckes 167 A.5 Bestimmung der erweiterten Standardmessunsicherheit bei Wiederholung 168 A.6 Bestimmung der erweiterten Standardmessunsicherheit der Ventilmessung 169 A.7 Verwendete Messinstrumente der experimentellen Untersuchungen 170 B Ergänzende Daten zur Verdichter-Modellierung 171 B.1 Wärmeübertragung im Zylinder 171 B.2 Kolbenringdynamik 172 B.3 Stoffeigenschaften von CO2-Öl-Gemischen 174 B.4 Ersatzparameter des Ventilmodells 177 C Ergänzende Daten zur experimentellen Methodik 181 C.1 Prüfstandskonfiguration der Leckagemessung an den Kolbenringen 181 C.2 Prüfstandskonfiguration der Ventil-Leckagemessung am 182 D Ergänzende Daten zur experimentellen Untersuchung des Verdichters 183 D.1 Parametrisierung des elektrischen Antriebsstrang-Modells 183 D.2 Verdichtungscharakteristik bei Drehzahl- und Druckverhältnisvariation 184 E Ergänzende Daten zur Validierung des Verdichtermodells 185 E.1 Kolbenringmodell 185 E.2 Ventilmodell 186 E.3 Sauggasaufheizung 187 E.4 Bewertungsgrößen 187 Front Matter ....Pages I-XXXII Einleitung (Michael König)....Pages 1-5 Grundlagen zur Untersuchung von Verlustmechanismen im Verdichter (Michael König)....Pages 7-27 Modellierung eines Taumelscheibenverdichters (Michael König)....Pages 29-52 Experimentelle Methodik der Verdichter-Untersuchung (Michael König)....Pages 53-61 Experimentelle Untersuchung des Verdichters (Michael König)....Pages 63-89 Validierung des Verdichtermodells (Michael König)....Pages 91-102 Bewertung ausgewählter Verlustbeiträge des Verdichters (Michael König)....Pages 103-112 Zusammenfassung und Ausblick (Michael König)....Pages 113-115 Back Matter ....Pages 117-170