Energie- und Wärmemanagement mit thermischer Rekuperation für Personenkraftwagen
Andreas Hartmann
Vorrangig gesetzlich festgelegte Grenzwerte, die den Ausstoß von CO2 betreffen, aber auch die Entwicklung der Preise für Energieträger zwingen die Automobilhersteller, die Effizienz ihrer Produkte zu steigern und nach Lösungen für eine nachhaltige Mobilität zu suchen. Verbrennungsmotoren stellen, sofern sie mit regenerativ erzeugten Kraftstoffen betrieben werden, für bestimmte Nutzungsprofile, hierfür auch langfristig eine äußerst wichtige Alternative dar. Ihre Wirkungsgrade betragen bei transienter Betriebsweise im Mittel jedoch weit weniger als 40 , %.
Mit der Masse des Abgases und z.T. mehreren Kühlkreisläufen werden also Energieströme in der Größenordnung der doppelten mechanischen Leistung ungenutzt an die Umgebung abgeführt. Im Zuge der Realisierung weiterer Potenziale rückt nun deren teilweise Rekuperation durch einen sogenannten „Bottoming Cycle“ nach Clausius und Rankine (CRP) in den Mittelpunkt. Dessen Konzeptionierung muss im Sinne eines Energiemanagements erfolgen, das die Anforderungen von direkt angrenzenden Systemen, wie etwa der Aufladung, Schadstoffkonvertierung und elektrischen Bordnetze, aber auch Auswirkungen auf die Fahrwiderstände berücksichtigt. Die beschriebene Dissertation will hierzu einen Beitrag leisten. Im Zentrum steht dabei zunächst die strukturierte Auswahl eines Basisfahrzeuges, dessen Antriebsarchitektur anschließend hinsichtlich ihrer thermischen Quellen und Senken analysiert wird.
Es folgt die Ableitung einer allgemeinen Methode zur Berechnung von auslegungsrelevanten Parametern, die alle, zwischen zwei gegebenen Temperaturniveaus, prinzipiell ausführbaren, stationären CRP charakterisieren. Weiterhin werden wesentliche Erkenntnisse aus der experimentellen Untersuchung von „AddOn-Systemen“ der 1. Generation zusammengefasst. Bezogen auf die Arbeit der Kurbelwelle gewinnen diese bereits zwischen 3,3 und 4,2 , % ausschließlich aus dem Abgasmassenstrom eines Ottomotors („Top Cycle“) in Form von elektrischer Energie zurück. Sie sind dabei jedoch, durch die Kapazität der Senke bedingt, auf den Teillastbetrieb bis etwa 120 km/h beschränkt. Damit lassen sich allerdings Wege zur Leistungssteigerung, die bspw. der Einsatz eines internen Rekuperators mit sich bringt, identifizieren. Den Abschluss bilden Empfehlungen zur weiteren Entwicklung als integralen Bestandteil eines Verbrennungsmotors, der die Nutzung mehrerer Quellen unterschiedlicher Temperaturen vorsieht, und ein prognostiziertes (Serien-) Anlaufszenario für die thermische Rekuperation mittels CRP bei Straßenfahrzeugen.
