Energierückgewinnung durch Wandlung von Abwärme in Nutzenergie kann in zukünftigen Fahrzeugkonzepten einen wertvollen Beitrag zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen leisten. Grundsätzlich können diverse Verfahren zur Wärmerückgewinnung eingesetzt werden. Ein mögliches vorteilhaftes Konzept stellt die Abwärmenutzung mit einem Rankine-Prozess dar und wird in dieser Studie im Detail untersucht. Dabei wurden aus einer Reihe von möglichen Systemverschaltungen zwei Basiskonfigurationen des Turbosteamers (System A: Hochtemperatursystem zur Abgasenergienutzung; System B: Niedertemperatursystem zur Nutzung beider Wärmequellen (Abgas- und Kühlmittelenergie)) zur Potenzialbewertung ausgewählt. Dabei konnte in der Simulation gezeigt werden, dass bei der reinen Abgaswärmenutzung (System A) relativ hohe thermische Wirkungsgrade (ca. 19 %) darstellbar sind. Dahingegen wird bei Kühlmittel- und Abgaswärmenutzung (System B) ein im Vergleich zum reinen Abgassystem deutlich geringerer thermischer Wirkungsgrad (10%) erreicht. Eine Analyse der für die Systemeffizienz relevanten Einflussgrößen wird mit dem Simulationswerkzeug Dymola durchgeführt. Dem folgt ein direkter Vergleich der beiden Systeme für verschiedene Motorentechnologien und Fahrzeuggeschwindigkeiten. Abschließend werden Prüfstandsmessungen von zwei unterschiedlichen Motoren, die in Kombination mit einem Rankine-Prozess betrieben werden, vorgestellt und mit Simulationsrechnungen verglichen. Insbesondere wird dabei auf die Wirkungsgradkette des Wärmerückgewinnungssystems eingegangen. Durch Abwärmenutzung mit einem 1-Kreis-Rankine-Prozess können Zusatzleistungen von bis zu 10 % in relevanten stationären Betriebspunkten erreicht werden. Eine Abwärmenutzung mit System A ist dann sinnvoll, wenn im Betriebsbereich der überwiegende Teil der Abwärme des Motors über das Abgas an die Umgebung abgegeben wird. Dies ist beim DI-Motor der Fall, wo im untersuchten Betriebsbereich (70-150 km/h) der Wärmeeintrag ins Abgas zweimal höher ist als der ins Kühlmittel. Eine zusätzliche Einbindung der Kühlmittelenergie in die Abwärmenutzung (System B) ist dann zu empfehlen, wenn im Vergleich zum Abgas ähnlich große oder größere Wärmemengen über das Kühlmittel abgeführt werden. Dies ist für den betrachteten WT-Motor für Geschwindigkeiten bis ca. 110 km/h der Fall, wohingegen beim DI-Motor selbst bei Geschwindigkeiten von 70 km/h nur geringfügig höhere Zusatzleistungen mit System B erzielt würden. Anhand der vorgestellten Simulationsergebnisse wird deutlich, dass die Eigenschaften der Wärmequelle (Temperatur, Wärmestrom), die wiederum von der Motorart (Kraftstoff, Verbrennungsprozess, Aufladung etc.) abhängen, erheblichen Einfluss auf die Auswahl, Auslegung und Zusatzleistung eines Abwärmenutzungssystems haben.
Potenzial der Abwärmerückgewinnung mittels eines Rankine-Prozesses beim PKW
Potential of waste heat recovery with a rankine process for passenger cars
2009
23 Seiten, 12 Bilder, 1 Tabelle, 12 Quellen
Conference paper
German
Betrieb eines Rankine-Prozesses zur Abgaswärmenutzung im PKW
TIBKAT | 2015
|CO2-Potenzial durch Leichtbau beim PKW
Tema Archive | 2009
|