Durch die Rekuperation ungenutzter Abgasexergie mit einem Rankine-Prozess kann der Kraftstoffverbrauch von verbrennungsmotorisch betriebenen PKW oder Nutzfahrzeugen im Bereich von 2 bis 6 % reduziert werden. Dies wurde in zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten rechnerisch ermittelt. Trotz des Potentials befinden sich keine integrierten Abwärmenutzungssysteme in Serie. Ein Grund ist die hohe Komplexität bei der einhergehenden Entwicklung einer leistungsoptimierten Betriebs- und Regelstrategie und der Komponenten, verursacht durch die im Fahrbetrieb schnell wechselnden Randbedingungen. Ein nicht leistungsoptimaler Betrieb und hohe Komponentenkosten gefährden aktuell die Wirtschaftlichkeit des Systems. Eine Erhöhung des Rekuperationspotentials kann der Technologie zum Durchbruch verhelfen. Dazu müssen bei der Konzeption eines leistungsoptimierten Prozesses alle Konzeptparameter ausgehend von einer Regel- und Betriebsstrategie, die Prozessführungsgrößen kontinuierlich optimiert, evaluiert werden. Dies wurde in den wissenschaftlichen Arbeiten bislang nicht verfolgt. Hier setzt diese Arbeit an. Ziel der Arbeit ist die Konzeption eines Rankine-Prozesses für einen Omnibus unter Berücksichtigung einer für die jeweils vorherrschenden Randbedingungen und Systemzustände optimierten Prozessführung. Im ersten Schritt werden geeignete Arbeitsmedien mit stationären Optimierungsrechnungen für ein großes Intervall an Wärmequellentemperaturen bei einer Vielzahl unterschiedlicher Kreisprozessparameter selektiert. Die unterschiedlichen Auswirkungen von Komponentenverlusten auf die Systemleistung und die Prozessführung wird durch umfassende Parameterstudien für ausgewählte Arbeitsmedien erläutert. Durch die verallgemeinernde Prozessbeschreibung sind die Erkenntnisse auch auf andere Anwendungsbereiche übertragbar. Die Bewertung verschiedener Varianten des Abgaswärmeübertragers erfolgt mit physikalisch motivierten Modellen in transienten Fahrzyklussimulationen unter kontinuierlicher Optimierung der Prozessführungsgrößen. Das Potential zur Kraftstoffverbrauchssenkung im Omnibus wird für drei verschiedene Fahrzyklen ermittelt. Mit Exergieanalysen werden die Vorteile der entwickelten Betriebsstrategie gegenüber invariablen Prozessführungen dargestellt. Für den konzipierten Rankine-Prozess mit dem Arbeitsmedium Cyclopentan wird eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs von 5.8 bis 8.1 % prognostiziert. Dabei sind die Potentiale gegenüber einer invariablen Prozessführung abhängig vom Fahrprofil und den Prozessführungsgrößen um bis zu 38 % höher.
Konzeption eines Rankine-Prozesses für den transienten Betrieb im Omnibus
Design of a Rankine process for transient operation in a bus
2019
Sonstige
Elektronische Ressource
Deutsch
Betrieb eines Rankine-Prozesses zur Abgaswärmenutzung im PKW
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