Verbrennungsmotoren fuhren einen großen Teil der im Kraftstoff zugeführten Primärenergie in Form von Wärme ungenutzt an die Umgebung ab. Bei knapper werdenden Rohölreserven und angesichts des eintretenden Klimawandels stellt sich die Frage, wie lange man sich eine energetische Verschwendung diesen Umfangs noch leisten kann. Mit der Aussage "The energy should always work twice" umschreibt der amerikanische Wissenschaftsjournalist David Lindley einen vielversprechenden Gedanken zur Verbesserung der Energieeffizienz, den alle Systeme zur Abwärmenutzung aufgreifen. Als ein zweiter Arbeitsprozess kann dem Verbrennungsmotor eine stark miniaturisierte Dampfkraftanlage nachgeschaltet werden, die einen Teil der Wärmeverluste in nutzbare Wellenarbeit zurückführt. Alleine durch die Rückgewinnung der Abgaswärme lässt sich der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors im realen Fahrbetrieb um 5% bis 10% reduzieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine leistungsfähige Betriebsstrategie für den Einsatz im Kraftfahrzeug vorgestellt, die den Dampfkraftprozess wirkungsgradoptimal an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors anpasst. Dazu wird zunächst eine Prozessführung für den Stationärbetrieb entwickelt, die die Zustandsgrößen im Dampfkreis so einstellt, dass ein hoher Wärmestrom vom Abgas in den Dampfkreis übertragen und anschließend in einem effizienten thermodynamischen Kreisprozess in Nutzleistung gewandelt wird. In der Praxis schränken die Stellglieder die Freiheitsgrade der Prozessführung ein. Mit der Diskussion der Turbinenverstellung als ein zentrales Stellglied des Dampfkreises wird ein anwendungsorientierter Nachtrag zur idealen Prozessführung geliefert. Die Lücke zwischen Prozessführung und Dampfkraftanlage wird durch die Vorstellung eines fahrzeugtauglichen Regelungskonzepts geschlossen, an das sich angesichts des Gefährdungspotentials, das vom Betrieb eines Dampfkreises im Straßenverkehr ausgeht, hohe Anforderungen bzgl. Stabilität und Ausfallsicherheit stellen. Es wird eine kombinierte Lösung aus Vorsteuerung und kompensatorischen Regelkreisstrukturen vorgeschlagen, die durch einen adaptiven Extremwertregler zur Optimierung der Turbinendrehzahl ergänzt wird. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einem Dampfkreisprüfstand durchgeführt, der am Standort Schwieberdingen als Entwicklungsplattform für Abwärmenutzungssysteme aufgebaut wurde.
Primary energy fed to the internal combustion engine by fuel is converted to shaft work and a high amount of waste heat. In times of decreasing global oil resources and an upcoming climate change, the need for reducing energy wastage is becoming more apparent. David Lindley is an American science journalist. With his statement "the energy should always work twice" Lindley paraphrases the general approach of increasing energy efficiency by means of waste heat recovery. In recent times, emphasis has been put on the development of vehicle-based steam cycle systems that convert waste heat to useful work. By recovering the thermal losses in the exhaust gas of the internal combustion engine, fuel consumption can be reduced by 5% to 10%. The present contribution deals with the development of a highly-capable control strategy for an on-board steam cycle, that efficiently adapts the system to the operating point of the engine. One challenge involved is the design of an operating strategy for steady-state conditions, which sets the state variables of the cycle, such that high heat-flow into the process takes place and the Rankine cycle is operated at high efficiency. As the control elements are limiting the flexibility of adapting the steam cycle, a supplement to the ideal operating strategy is given by investigating the effects of the turbine adaptation mechanism. Different approaches are evaluated in terms of maximum efficiency purpose. To automatically control the system under transient conditions, a capable control concept is required. In view of a lurking operational hazard when running the cycle in road traffic, stability and reliability are to be major attributes of the control system. A solution is proposed, which combines feed-forward and feed-back structures, complemented by an adaptive extremum seeking controller for optimizing the revolution speed of the turbine. Experimental studies were carried out at a steam cycle test bench in Schwieberdingen, Germany.
Betriebsstrategie für ein System zur Abwärmenutzung des Verbrennungsmotors
VKM Schriftenreihe ; 7 ; 1-143
2011
143 Seiten, Bilder, Tabellen, 58 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
Entwicklungsmethodik der Betriebsstrategie
Springer Verlag | 2023
|ABWÄRMENUTZUNG - Doppelwand-Rundrohrverdampfer zur Abwärmenutzung
Online Contents | 2014
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|Vorausschauende Betriebsstrategie für ein Erdgashybridfahrzeug
TIBKAT | 2012
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