Abgaswärme-Nutzung

Bearbeiter M.Sc. Daniel Seitz
Projektpartner Daimler AG

 

 

Beschreibung

In Zeiten knapper werdender Ressourcen und steigendem Verkehrsaufkommen steigt der Druck zur Erhöhung der Energieeffizienz von Fahrzeugen. Insbesondere bei schweren Nutzfahrzeugen im Fernverkehr, welche einen großen Teil des Verkehrsvolumens ausmachen und zeitnah nicht auf den Verbrennungsmotor verzichten können, bringen kleine Energieeinsparmethoden einen großen Gesamtnutzen.

Daraus entstand der Wunsch, die ungenutzte Abgaswärme, die trotz moderner Dieseltechnologie immerhin ca. 34% der Primärenergie enthält, in nutzbare mechanische Leistung umzuwandeln. Diese kann zurück auf den Antriebsstrang geleitet oder mittels Generator in einer Batterie gespeichert werden, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs verbessert.

Die Umwandlung von Wärme in nutzbare Leistung wird ökonomisch durch eine Wärme-Kraft-Maschine (Rankine-Kreisprozess) bewerkstelligt. Er besteht aus vier Komponenten (s. Abb. 1), wobei die Abgaswärme genutzt wird, um das Arbeitsfluid unter hohem Druck zu verdampfen. In diesem Zustand wird es in dem Expander entspannt, von dem die mechanische Leistung abgegriffen werden kann. Für das vorherrschende Temperaturniveau sind vor allem organische Arbeitsfluide geeignet, weshalb der Kreisprozess oft als Organic Rankine Cycle (ORC) bezeichnet wird.

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                                   Abb. 1. Organic Rankine Process - Komponenten.

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                                   Abb. 2. T-s-Diagramm des Rankine-Kreisprozesses.

Da der Wirkungsgrad der Wärme-Kraft-Umwandlung ohnehin schon relativ niedrig ist, ist eine maximale Effizienz des Kreisprozesses erstrebenswert. Dazu muss die Dampfqualität am Zustandspunkt 3 (s. Abb. 1 und 2) präzise mithilfe der Speisepumpe geregelt werden. Die große Herausforderung besteht darin, dass die verfügbare Wärme des Abgases direkt von der Motorlast abhängt und daher sehr großen Änderungen unterworfen ist. Zudem soll die Regelgröße in möglichst engen Grenzen gehalten werden. Der transiente Betrieb der Wärme-Kraft-Maschine unterscheidet sie von ähnlichen Abwärmenutzungsanlagen in Kraftwerken, welche in der Regel stationär laufen.

Das Hauptziel des Forschungsprojekts ist die Lösung dieser Regelungsaufgabe und umfasst folgende Unterthemen:

  • Mathematische Modellierung durch parametrische, physikalisch motivierte Ansätze (zur Bewahrung der Interpretierbarkeit und der Möglichkeit zu Adaption auf ähnliche Systemkonfigurationen); dabei ist insbesondere die Dynamik des Teilabschnitts Pumpe-Verdampfer-Expander von zentraler Bedeutung, da hier der transiente Wärmeeintrag erfolgt
  • Parameteridentifikation mithilfe von Messdaten
  • Validierung
  • Simulationsstudien und Modellanalyse
  • Anwendung von modellbasierten Regelungsmethoden
  • Implementierung und Test auf dem Versuchsträger

 

Publikationen
Konferenzbeiträge
    • D. Seitz, O. Gehring, C. Bunz, M. Brunschier & O. Sawodny, “Design of a Nonlinear, Dynamic Feedforward Part for the Evaporator Control of an Organic Rankine Cycle in Heavy Duty Vehicles”, IFAC Symposium on Advances in Automotive Control, Norrköping, Sweden, 2016, doi:10.1016/j.ifacol.2016.08.091
    • D. Seitz, O. Gehring, C. Bunz, M. Brunschier & O. Sawodny, “Dynamic Model of a Multi-Evaporator Organic Rankine Cycle for Exhaust Heat Recovery in Automotive Applications”, IFAC Symposium on Mechatronic Systems, Loughborough, UK, 2016, doi:10.1016/j.ifacol.2016.10.508
    • D. Seitz, O. Gehring & O. Sawodny, “Modellbildung und Identifikation für ein Abgaswärmenutzungssystem in schweren Nutzfahrzeugen”, 7. VDI/VDE Fachtagung AUTOREG Auf dem Weg zum automatisierten Fahren, Baden-Baden, Germany, 2015