mini|Chrysler Imperial von 1953 mit Airtemp-System Die Klimatisierung von Fahrzeugen kann durch mehrere Maßnahmen erreicht werden: Einleitung von Fahrtwind, Lüftungsanlagen, Fahrzeugheizung und/oder Klimaanlagen.
Kraftfahrzeuge Allgemeines Klimaanlagen sollen über den Klimaanlagenverdampfer (engl. aircon evaporator) die Luft im Fahrzeuginnenraum in einen angenehmen Temperatur- und Feuchtebereich bringen bzw. halten. Dazu kann Außenluft auf dem Weg in den Fahrzeuginnenbereich gefiltert, mit Innenluft vermischt, gekühlt oder erwärmt werden. Die letzten beiden Stufen können bei regelmäßig gewarteten Klimaanlagen zum Entzug von Feuchtigkeit dienen, was speziell in den kühlen Jahreszeiten hilft, von innen beschlagene Scheiben zu vermeiden, was die Sicht verbessern und somit die Verkehrssicherheit erhöhen kann. Doch gerade zu hohe Temperaturen, können die Konzentration sowie das Reaktionsvermögen reduzieren. Studien zufolge werden dank Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen 22 % der Unfälle verhindert. Oftmals ist demnach ausschließlich die Funktion „kühlen“ der Klimaanlage zugeordnet. Kann eine Anlage nicht aktiv kühlen, wird sie im Fahrzeug als Heizung bezeichnet.
Die erste voll funktionsfähige Klimaanlage nach heutigem Prinzip soll von W. H. Carrier 1911 erfunden worden sein. Im Bereich der Klimaanlagen im Automobil wurden diese zuerst 1938 von Nash und im selben Jahr auch von Studebaker eingebaut. 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 seit den späten 1960er Jahren anzutreffen, heute gehören sie oft zur Basisausstattung vieler Fahrzeuge oder sind als Ausstattungsoption erhältlich.
Klimasysteme mini|Taster mit Funktionsbeleuchtung und Drehsteller zum Einstellen der Luftmenge und Temperatur einer Klimaanlage (BMW) Käufer können meist zwischen zwei Klimasystemen wählen: der manuell regelbaren Klimaanlage und der selbstregelnden Klimaautomatik. Bei der manuellen Variante kühlt die Anlage nur in der jeweils eingestellten Stufe. Kühlt der Fahrzeuginnenraum nun im Betrieb zu weit ab, muss manuell nachjustiert werden. Auch können wechselnde Umgebungsverhältnisse (z. B. Tunnelfahrt oder sich ändernde Sonnenstrahlung) eine manuelle Anpassung der Kühlstufe erforderlich machen. Bei der Klimaautomatik hingegen stellt der Bediener die gewünschte Temperatur ein und die Technik sorgt (z. B. mit Hilfe von Temperatursensoren im Innenraum) für das Erreichen und das Beibehalten dieser Temperatur durch automatische Regelung der Kühlleistung. Detektieren Sensoren eine Abweichung von der eingestellten Temperatur, wird die Kälteleistung automatisch angepasst.
Durch die Funktionsart arbeitet eine Klimaautomatik meist effizienter, was zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führt: Nur die jeweils erforderliche Leistung wird von der Anlage abgerufen, der (häufig) unnötige Dauerbetrieb wird vermieden.
Moderne Klimaanlagen regeln neben der Innenraumtemperatur auch die Luftmenge (durch automatische Wahl der Gebläsestufe) und die Luftverteilung (durch Ansteuern der verschiedenen Luftauslässe im Fußbereich, Personenanströmer oder die der Fensterscheibe). Einige Anlagen nutzen für eine verbesserte Regelung einen Sonnenstandssensor (auch: Solarsensor). Dieser ermittelt Einstrahlrichtung und -stärke der Sonnenstrahlung und führt zu einer Abkühlung der betroffenen Seite des Fahrzeugs oder des gesamten Fahrzeuginnenraums, um den Wärmeeintrag durch die Sonne zu kompensieren. Manche Fahrzeuge besitzen eine automatische Umluftfunktion, die bei schlechter Außenluft aktiviert wird oder schalten bei Einlegen des Rückwärtsgangs vorübergehend auf Umluftbetrieb, um das Ansaugen der eigenen Abgase zu vermeiden.
Eine erweiterte Variante stellt vor allem in hochklassigeren Fahrzeugen die Mehrzonen-Klimaanlage dar: Sie ermöglicht eine separate Einstellung für Fahrer und Beifahrer, bei einigen können auch für den Fondbereich separate Einstellungen vorgenommen werden.
Funktion Eine Kompressionsklimaanlage funktioniert wie ein Kühlschrank: Eine verdampfende Flüssigkeit erzeugt Verdampfungskälte (ähnlich der Verdunstungskälte) oder ein expandierendes Gas erzeugt Expansionskälte. Mit diesem kontinuierlich erzeugten Kühlungsprozess wird über einen Wärmetauscher das Sekundärmedium Innenraumluft abgekühlt. Im Alltagsgebrauch ist dieser Effekt bspw. beim Leeren einer Sprühdose erlebbar, wobei die entstehende Verdampfungskälte 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 danach gasförmige bzw. ausgedehnte Kältemittel muss im Kreislauf wieder komprimiert und verflüssigt werden, wobei Hitze entsteht (mehr als der Kühlleistung im Innenraum entspricht; siehe Wärmepumpe). Diese Hitze wird vom Innenraum ferngehalten und an die Außenluft abgegeben.
Kältekreislauf im Klimaanlagen-Verdampfer mini|Kältekreislauf (Schema) Das in einem geschlossenen Kreislauf und unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel wird durch ein Expansionsventil (Abb. Kältekreislauf (Schema), 2.) in einen Raum mit niedrigerem Druck (blauer Kreislaufteil) entspannt. Dabei wird das flüssige Kältemittel in den Verdampfer (3) eingespritzt, es kann sich ausdehnen und wechselt den Aggregatzustand zu gasförmig. Dieser Wärmetauscher ist in der Regel im Gebläsekasten hinter der Instrumententafel verbaut. Das Expansionsventil ist somit die Stelle, an der sich das Kältemittel in den Verdampfer entspannt und diesen abkühlt.
Das Kältemittel besitzt bei Normaldruck einen eher niedrigen Siedepunkt (ca. −23 °C) und verdampft hier bereits bei niedrigen Temperaturen. Die für die Kabine zu kühlende Luft, die zur Kraftstoffeinsparung hauptsächlich aus bereits abgekühlter Umluft und nur wenig warmer Außenluft besteht, 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 ab. Gleichzeitig kann die Luft durch Kondensation auch Feuchtigkeit abgeben, da kalte Luft weniger Feuchtigkeit binden kann als warme. Das entstehende Kondenswasser an den Lamellen des Verdampfers wird durch einen Schlauch nach außen geleitet. So erklären sich Wasserlachen aus Kondenswasser unter geparkten Fahrzeugen. Die abgekühlte Luft wird durch anschließende Erwärmung trockener und wird über die Ausströmer in den Fahrzeuginnenraum geleitet.
Das durch die Verdampfung im Verdampfer gasförmig gewordene Kältemittel wird nun zum Kompressor (4) weitergeleitet. Dieser sorgt auch 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 in den roten Kreislaufteil (ca. 15 bar). Dabei steigt die Temperatur des Kältemittels auf ca. 56 °C.
Danach wird das komprimierte, gasförmige und heiße Kältemittelgas in einem nachgeschalteten Kondensator (1) abgekühlt. Dabei wird der aufgrund des hohen Drucks deutlich über −23 °C liegende Taupunkt des Kältemittels unterschritten, so dass sich dieses (wieder) verflüssigt. Die dabei zusätzlich freiwerdende Kondensationsenthalpie wird an die Außenluft abgegeben, üblicherweise ähnlich wie beim Motorkühler. Daher ist der Kondensator im Regelfall im Karosserievorbau vor dem Motorkühler 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.
Bevor das Kältemittel nun wieder in den Verdampfer gelangt, wird dem Kältemittel in einem Filtertrockner (nicht eingezeichnet) gegebenenfalls eingeschlepptes Wasser und Verunreinigungen (z. B. Abriebteile vom Kompressor) entzogen. Das gereinigte und verflüssigte Kältemittel gelangt nun wieder zum Expansionsventil. Hier wird das flüssige Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt. So schließt sich der Kreislauf aus Verdampfung und Kompression. Für einen optimalen Wärmetausch ist eine sehr große Verdampfer-Oberfläche entscheidend. Aus diesem Grund sind die sich windenden Leitungen mit feinen Lamellen versehen.
Kältekreis als Wärmepumpe Vor allem in Elektrofahrzeugen, bei denen die Abwärme eines Verbrennungsmotors zur Innenraumbeheizung fehlt, wird meist auch der Kältekreis zur Innenraumbeheizung herangezogen (Wärmepumpenbetrieb).
Genau umgekehrt zum Betrieb als gewöhnliche Klimaanlage, entzieht im Wärmepumpenbetrieb der Verdampfer der Außenluft Wärme. Nach der Verdichtung wird die Wärme über den Kondensator in den Innenraum abgegeben.
Oft wird dabei nicht nur der Außenluft Wärme entzogen, sondern auch anderen wärmeabgebenden Komponenten, wie einer HV-Batterie. Die Verschaltung und Regelung des Kältekreises wird damit zunehmend aufwändiger.
Je nach Auslegung des Kältekreises kann dessen Heizleistung bei kalten Witterungsbedingungen nicht ausreichend sein, weshalb zusätzlich oft noch Zuheizer zum Einsatz kommen.
Klimaregelung Fahrzeuge mit Klimaautomatik verfügen heute meist auch über eine Außentemperaturanzeige mit Frostwarner. Der von Fahrtwind, Motorabwärme und direkter Sonneneinstrahlung entkoppelt verbaute Temperatursensor versorgt auch die Klimaanlagensteuerung mit der Außentemperatur. Aus der Differenz zwischen der einstellbaren Sollkabinentemperatur (meist +16 °C bis +30 °C) und der gemessenen Außentemperatur wird automatisch zwischen Heiz- und Kühlbetrieb umgeschaltet sowie auch die anzufordernde Heiz- und Kälteleistung bestimmt.
Energieverbrauch mini|Der Klimakompressor erzeugt erheblichen Arbeitswiderstand, hier in einem Golf I. So lange die Klimaanlagensteuerung wenig oder gar keine Kälte anfordert, wird mit geeigneten Mitteln dafür gesorgt, dass der Kompressor weniger Druck aufbauen kann, somit widerstandsärmer über den Riemenantrieb mitläuft, den Verbrennungsmotor weniger belastet und damit ebenfalls weniger bis keinen zusätzlichen Kraftstoff verbraucht. Oft wird diese Funktion vom Expansionsventil übernommen, das dann nicht mehr vollständig schließt, sondern noch entsprechend geöffnet bleibt. Deshalb nennt man dieses Ventil auch Drossel. Der mechanische Leistungsbedarf des Pkw-Klimakompressors beträgt etwa 4 kW (BMW E28), er kann jedoch bei hohen Drehzahlen auf bis zu 11 kW ansteigen.Richard van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotor, 8. Auflage, Springer, Wiesbaden, 2017, ISBN 978-3-658-10901-1. S. 516