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Daniel Knapp
Wirkungsgradsteigerung von Ottomotoren mittels Abgasenergienutzung für PKW-Anwendungen
Aufgrund zukünftiger Marktanforderungen sowie der Gesetzgebung nimmt die Verbrauchsreduzierung von Verbrennungsmotoren einen immer größeren Stellenwert in der Fahrzeugentwicklung ein. Da die konventionellen Optimierungsmaßnahmen schon weit fortgeschritten sind und die Erschließung weiterer Potenziale immer aufwendiger wird, befasst sich die vorliegende Dissertation mit der Frage, welche ottomotorische Wirkungsgradverbesserung durch die Nutzung der anfallenden Abgasenergie möglich ist.
Unter Berücksichtigung fahrzeugspezifischer Randbedingungen bietet der Rankine-Prozess das größte thermodynamische Potenzial zur Abgasenergienutzung. Dabei ist die Steigerung des Systemdruckes entscheidend für die Erreichung eines hohen Prozesswirkungsgrades. Darüber hinaus stellt sich die Expansionsmaschine zur Umsetzung der hohen Systemdrücke als Schlüsselkomponente des Kreisprozesses heraus. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Hubkolbenexpander mit einem Systemdruck von bis zu 100bar zur Nutzung einer Abgasleistung von bis zu 20kW ausgelegt und bezüglich seiner indizierten Wirkungsgrade untersucht.
Bei der Betrachtung des Gesamtsystems zeigt sich jedoch, dass das Potenzial der Drucksteigerung begrenzt ist, da sich vor allem die Reibung bei höheren Drücken und Drehzahlen negativ auf die Potenziale auswirkt. Durch die Optimierung von Steuerzeit und Steuerbreite können aber trotzdem in einem weiten Betriebsbreich sehr hohe Wirkungsgrade erzielt werden.
Bei stationärer Betrachtung kann mit dem Abgasenergienutzungssystem eine Verbrauchseinsparung von 8,2% erzielt werden. Im dynamischen Betrieb reduzieren sich die Potenziale auf maximal 4,6%. Dieses Niveau stellt im Vergleich zu bislang veröffentlichten Systemen im Abgasleistungsbereich unter 20kW einen neuen Spitzenwert dar.
Unter Berücksichtigung fahrzeugspezifischer Randbedingungen bietet der Rankine-Prozess das größte thermodynamische Potenzial zur Abgasenergienutzung. Dabei ist die Steigerung des Systemdruckes entscheidend für die Erreichung eines hohen Prozesswirkungsgrades. Darüber hinaus stellt sich die Expansionsmaschine zur Umsetzung der hohen Systemdrücke als Schlüsselkomponente des Kreisprozesses heraus. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Hubkolbenexpander mit einem Systemdruck von bis zu 100bar zur Nutzung einer Abgasleistung von bis zu 20kW ausgelegt und bezüglich seiner indizierten Wirkungsgrade untersucht.
Bei der Betrachtung des Gesamtsystems zeigt sich jedoch, dass das Potenzial der Drucksteigerung begrenzt ist, da sich vor allem die Reibung bei höheren Drücken und Drehzahlen negativ auf die Potenziale auswirkt. Durch die Optimierung von Steuerzeit und Steuerbreite können aber trotzdem in einem weiten Betriebsbreich sehr hohe Wirkungsgrade erzielt werden.
Bei stationärer Betrachtung kann mit dem Abgasenergienutzungssystem eine Verbrauchseinsparung von 8,2% erzielt werden. Im dynamischen Betrieb reduzieren sich die Potenziale auf maximal 4,6%. Dieses Niveau stellt im Vergleich zu bislang veröffentlichten Systemen im Abgasleistungsbereich unter 20kW einen neuen Spitzenwert dar.
Schlagwörter: Thermodynamik; Ottomotor; Abwärmenutzung; Abgasenergie; Wirkungsgrad; Rankine-Prozess; Expansionsmaschine; Arbeitsmedium
Berichte zur Thermodynamik und Verfahrenstechnik
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Michael Wensing und Prof. Dr.-Ing. Stefan Will, Erlangen-Nürnberg
Band 2016,5
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