Nutzung Der Abgasenergie Von Nutzfahrzeugen Mit Dem Rankine-Prozess

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    17-Mar-2017

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  • NUTZUNG DER ABGASENERGIE VON NUTZFAHRZEUGEN MIT DEM RANKINE-PROZESSDie weltweite Emissionsgesetzgebung, die steigenden Kraftstoffpreise und knftige Regelungen bei den CO2-

    Emissionen erfordern auch bei Nutzfahrzeugmotoren weitere Bemhungen zur Kraftstoffeinsparung. Etwa durch

    eine Optimierung des Thermomanagements. Behr hat im Verbund mit den Partnern AVL und ZF ein System zur

    Abgaswrmerckgewinnung entwickelt, das den Kraftstoffverbrauch um etwa 5 % senken kann.

    768

    ENTWICKLUNG WRmEmANAgEmENT

  • OPTIMIERUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS

    Der groe Treiber bei der Weiterentwick-lung des Antriebsstrangs von Nutzfahr-zeugen war und ist die Reduzierung der Emissionen aufgrund der weltweit immer strengeren Emissionsgesetzgebungen. Ein Blick auf die aktuelle und voraussichtliche Entwicklung der Dieselpreise zeigt jedoch, dass das Augenmerk zu nehmend auch auf die Kraftstoffeinsparung gelenkt werden muss, um den wirtschaftlichen Betrieb der Nutzfahrzeugflotte zu gewhrleisten. Zudem wird im Laufe der nchsten Jahre auch bei den Nutzfahrzeugen eine CO2-Gesetzgebung eingefhrt werden.

    Aus diesen Grnden mssen fr die Optimierung des Kraftstoffverbrauchs die Logistik, das Fahrzeugdesign und der Antriebsstrang dort besonders das Thermomanagement und die Hybridisie-rung betrachtet werden. Der Beitrag des Thermomanagements wird dabei auf 10 % geschtzt [1]. Insbesondere die Rckge-winnung von mechanischer Energie aus der Abgasabwrme spielt in diesen Ent-wicklungen eine wichtige Rolle. In Motor-prfstandsversuchen konnte nun ein Verbrauchsreduktionspotenzial von 5 % nachgewiesen werden [2].

    POTENZIAL DES RANKINE-ZYKLUS IM NUTZFAHRZEUG

    Von der eingesetzten Kraftstoffenergie stellt der Dieselprozess im Fernverkehr etwa 40 % dem Vortrieb zur Verfgung. Etwa die Hlfte der Verlustwrme befin-det sich im Abgas inklusive Abgasrck-fhrung (AGR) auf einem relativ hohen Temperaturniveau und knnte in einem nachgeschalteten Rankine-Prozess genutzt werden [1].

    In ist ein Rankine-Kreislauf und dessen Integration ins Fahrzeug darge-stellt. Zwei Wrmebertrger nutzen die Wrme aus der AGR und dem Abgas nach Abgasnachbehandlung, um das Arbeitsmedium zu verdampfen und zu berhitzen. ber eine Expansionsma-schine erzeugt der Dampf die gewnschte mechanische Arbeit. In einem nachge-schalteten Kondensator wird das Arbeits-medium wieder verflssigt. ber eine Hochdruckpumpe schliet sich der Kreis-lauf. Die Rckkhlung des Kondensators erfolgt ber das Fahrzeugkhlsystem.

    In einem idealen Rankine-Prozess liee sich etwa ein Achtel der Abgasenergie in

    mechanische Energie umwandeln, was 10 % der Motorleistung entsprechen wrde. Unter realen Bedingungen ergeben sich durch die Wirkungsgradketten jedoch niedrigere Werte. Aus den Simulationen mit realen Komponenten und Systemen ergibt sich fr den Fernverkehr ein Potenzial von 5 % der Motorleistung [3].

    Zur Verifizierung dieser Vorhersage wurde bei AVL ein kompletter Rankine-Kreislauf auf einem Versuchsmotor proto-typisch aufgebaut und sowohl stationr als auch transient betrieben [2]. Durch eine Konstruktion mit besonders hoher Leistungsdichte konnte der AGR-Ver-dampfer im vorhandenen Bauraum des AGR-Khlers untergebracht werden. Beim Verdampfer nach Abgasnachbehandlung stand ein besonders niedriger Abgasge-gendruck im Vordergrund der thermo-dynamischen Auslegung. Dennoch ist auch seine Leistungsdichte so gro, dass er sich gut in das Fahrzeug integrieren lsst. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Entwicklung war in beiden Fllen die Betriebsfestigkeit der Komponenten, ins-besondere die zu verlssige Trennung von Arbeitsmedium und Abgas.

    In den Untersuchungen wurden ber-wiegend Wasser als Arbeitsmedium, bei einem Teil der Versuche auch Ethanol, verwendet. Bei der Expansionsmaschine fiel die Wahl auf einen Kolbenexpander, der die fr Wasser ntigen hohen Expan-sionsverhltnisse ermglicht.

    Die Motorprfstandsmessungen best-tigten die Vorhersagen eines Verbrauchs-reduktionspotenzials von 5 %. In ist die zustzlich zur Motorleistung stationr erzeugte Expanderleistung im Motor-kennfeld dargestellt. Der ber die ESC-Punkte (European Stationary Cycle) ge -mittelte Wert stimmt sehr gut mit der Vorhersage berein. Zur Bewertung des transienten Einsparpotenzials wurde der Motor im Europischen Transient Zyklus (ETC) betrieben, . Auch hier konnte ein Wert von 5 % Expanderleistung, bezogen auf die Motorleistung, fr den Fernver-kehrseinsatz nachgewiesen werden.

    SYSTEMOPTIMIERUNG

    Im gesamten System stehen wichtige Zielgren ber Wechselwirkungen in einem Zielkonflikt (Trade-Off). Eine lo -kale Optimierung fhrt daher nicht un -bedingt zur maximalen Verbrauchsein-sparung. Um das grtmgliche Poten-zial zu erschlieen und nutzen zu knnen,

    AUTOREN

    RAINER LUTZist Projektleiter Systeme, Vorentwick-

    lung motorkhlung Nutzfahrzeuge bei der Behr gmbH & Co. Kg in Stuttgart.

    PETER GESKES ist Leiter motorfeste Komponenten,

    Vorentwicklung motorkhlung Nutzfahrzeuge bei der Behr gmbH &

    Co. Kg in Stuttgart.

    EBERHARD PANTOW ist Leiter Vorentwicklung motor-

    khlung Nutzfahrzeuge bei der Behr gmbH & Co. Kg in Stuttgart.

    JOCHEN EITEL ist Leiter Entwicklung motorkhlung

    Nutzfahrzeuge bei der Behr gmbH & Co. Kg in Stuttgart.

    10I2012 73. Jahrgang 769

  • ist eine Gesamtsystemoptimierung im Fahrzeug notwendig. Ein wichtiges Ins-trument dazu ist eine Systemsimulation, die auf der einen Seite eine physikalische Modellierung der Komponenten ermg-licht und auf der anderen Seite die wesentlichen Systemwechselwirkungen abbildet [3,4].

    In den Wrmebertrgern stellen Druckverlust und Leistungsdichte ein solches Trade-Off dar. Wo allerdings das Optimum bezglich des Kraftstoffver-brauchs liegt, kann erst auf Systemebene verstanden werden. Druckverluste im Verdampfer und in den Hochdrucklei-tungen mssen von der Speisepumpe berwunden werden. Der Zusammen-

    hang mit der Pumpenverlustleistung ist linear. Druckverluste im Kondensator und in den Niederdruckleitungen gehen direkt in das Druckverhltnis der Expan-sionsmaschine und lassen sich nicht ein-fach mit der Pumpe kompensieren. Die Sensitivitten hngen von der Wahl der Expansionsmaschine und des Arbeits-mediums ab.

    Aber auch im Fahrzeug fhrt die maximale Expanderleistung nicht zwin-gend zur maximalen Verbrauchsreduzie-rung. Hier muss der Aufwand fr die Rckkhlung der Kondensatorwrme bercksichtigt werden. Insbesondere die eventuell zustzlich notwendige Lfter-leistung spielt eine wichtige Rolle.

    Bei heutigen Khlsystemen wird in den allermeisten Betriebszustnden keine Lfterzuschaltung bentigt. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen und mittlerer Motorlast steht sogar noch ein gewisser berschuss an installierter Khlleistung fr die Nutzung der Abgas-energie zur Verfgung. Bei einer Umge-bungstemperatur im europischen Jah-resmittel von 15C ergibt sich daher nur ein geringer Bedarf an zustzlicher Lf-terleistung. Bei hheren Umgebungstem-peraturen macht sich die zustzliche Lfterleistung jedoch bemerkbar.

    Eine zentrale Aufgabe der Systement-wicklung ist daher die Verbesserung des Khlsystems. Dabei steht, anders als in der Vergangenheit, nicht die Khlleistung in der Volllast im Vordergrund, sondern die Optimierung des verbrauchsrelevan-ten Teillastbereichs. Dazu ist eine Opti-mierung des Khlmoduls und der Khl-luftstrmung ntig. Durch eine bessere Staudrucknutzung ist es nun gelungen den Khlluft-Massenstrom bei abgeschal-tetem Lfter um bis zu 25 % zu erhhen. Damit kann ein groer Bereich der rele-vanten Betriebspunkte ohne zustzliche Lfterleistung abgedeckt werden, .

    Lade

    luft

    khl

    er

    Kh

    lmit

    telk

    hle

    r

    AGR-Verdampfer

    KhlmittelAbgasLadeluft

    Arbeitsmedium

    Abgasnach-behandlung

    Hauptabgas-verdampfer

    Kondensator

    Expander

    Schema eines Rankine-Kreis-laufs, integriert in das Fahrzeug-khlsystem, mit den im Motorprf-stand verwendeten Prototypen

    800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

    110

    100

    90

    80

    70

    60

    50

    40

    30

    202,02,5

    3,0

    Wellenleistung der Expansionsmaschinebezogen auf die Motorleistung

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0Versuch Simulation

    Exp

    ande

    rlei

    stun

    g/M

    otor

    leis

    tung

    [%

    ]

    Mot

    orla

    st [

    %]

    Motordrehzahl [1/min]

    Versuchs- und Simulations-ergebnisse im ESC

    AGR und Hauptabgas als Wrmequelle, Wasser als Arbeitsmedium

    3,5

    4,0

    4,5

    5,0

    5,5

    6,0

    Verhltnis aus Expanderleistung zu Motorleistung gemessen im stationren Motorkennfeld (13-l-Euro-VI-Motor) und Vergleich zur Vorhersage

    ENTWICKLUNG WRmEmANAgEmENT

    770

  • ARBEITSMEDIUM

    Alle diskutierten Arbeitsmedien haben in Bezug auf Zuverlssigkeit oder Betriebssi-cherheit ihre Vor- und Nachteile. Die vor-gestellten Motorenversuche wurden im Wesentlichen mit Wasser als Arbeitsme-dium durchgefhrt, da hier eine schnelle Umsetzung im Prfstand mglich war. Ein Teil der Untersuchungen wurde auch mit Ethanol durchgefhrt. Es hat sich da-bei gezeigt, dass ein System mit Ethanol gutmtiger auf nderungen des Massen-stroms reagiert als eines mit Wasser. Auch bei den niedrigeren Temperaturen des Abgases nach Abgasnachbehandlung zeigen sich deutliche Vorteile.

    Wasser wiederum hat Vorteile bei der Nutzung der AGR-Wrme, da es ther-misch stabil ist und die hohen AGR-Tem-peraturen nutzen kann. Bei den unter-suchten AGR-Raten (20 bis 25 % in der Volllast) ergab sich bei der Simulation in der Summe die gleiche Expandernutz-leistung sowohl fr Wasser als auch fr Ethanol. Da die AGR-Raten eines Motors je nach Betriebsmodus und Rohemissi-onskonzept auch nied riger sein knnen, hat Ethanol als Arbeitsmedium den Vor-teil, dass die Systemdefinition bei vern-derlichen Motorkonzepten stabil ist.

    In der Industrie wird auch der klte-mittelartige, fluorierte Kohlenwasserstoff R245fa als Arbeitsmedium diskutiert [5].

    AGR und Hauptabgas als Wrmequelle, Wasser als Arbeitsmedium

    4,2

    3,5

    5,2

    4,1

    Urban Rural Motorway ETC gesamt

    Exp

    ande

    rlei

    stun

    g/M

    otor

    leis

    tung

    [%

    ]

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0

    AutobahnLandstraeStadt

    Mot

    ordr

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    hl[1

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    240018001200600

    0

    280020001200800400

    ]/

    [

    200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Zeit [s]

    Verhltnis aus Expanderleistung zu Motorleistung aus transienter Motormessung (13-l-Euro-VI-Motor) im European Transient Cycle (ETC)

    A25 A50 A75 A100

    Kh

    lluft

    mas

    sens

    trom

    Bedarf bei 15 C Bedarf bei 25 C

    LfterzuschaltungKhlmodulBasis

    LfterzuschaltungKhlmoduloptimiert

    A B C

    Hufigkeitsverteilungder Betriebspunkte im

    Fernverkehr

    0

    25

    50

    75

    100

    Mot

    orla

    st [

    %]

    Motordrehzahl

    Deckung des Khlluftbedarfs fr die Nutzung von Abgas durch Optimierung der Khlluftstrmung durch das Fahrzeugkhlmodul in den relevanten Betriebsbedingungen, Ergebnisse fr 80 km/h Fahrgeschwindigkeit

    10I2012 73. Jahrgang 771

  • Wegen seines hohen Greenhouse Warm-ing Potentials (GWP) wird R245fa aller Wahrscheinlichkeit nach nicht zum Ein-satz kommen. Es ist aber zu erwarten, dass fluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW) mit hnlichen thermodynamischen Ei -genschaften und geringerem GWP-Wert gefunden werden. Daher ist es wichtig die Unterschiede zwischen Ethanol und FKW-Arbeitsmedien zu verstehen.

    Ethanol und FKW unterscheiden sich thermodynamisch vor allem in drei Eigenschaften: FKW haben einen hhe-ren Dampfdruck, besitzen eine geringere Verdampfungswrme und sind soge-nannte Dry Fluids. Das bedeutet fr

    FKW Vorteile bei der Nutzung der Wr-mequelle, aber grere parasitre Leis-tungen. In der Bewertung der Netto-Nutzleistung des Systems ergeben sich keine signifikanten Unterschiede zwi-schen Ethanol und FKW. Bei niedrigen Abgastemperaturen zeigen FKW leichte Vorteile, bei hohen Umgebungstempera-turen Ethanol.

    Die Entscheidung fr das Arbeitsme-dium kann daher nicht allein ber das Verbrauchspotenzial erfolgen. Die Ent-scheidung wird auch Fragen der System-integration, einbeziehen mssen: Ein FKW-basiertes System bentigt mehr Komponenten und zustzlichen Bau-raum im Frontend des Fahrzeugs. Bei Ethanol-basierten Systemen ist hingegen keine nderung der Khlmodularchitek-tur ntig.

    ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

    Fr die Nutzung der Abwrme aus Abgas nach Abgasnachbehandlung und aus der AGR in einem Rankine-Prozess hat Behr Wrmebertrger entwickelt, die bereits fr die Fahrzeugintegration geeig-net sind. In Motorversuchen besttigte sich die zuvor per Simulation ermittelte Verbrauchsreduzierung von 5 %, sowohl stationr als auch transient, fr den Fernverkehrsbetrieb.

    Voraussetzung fr die Systemausle-gung und -optimierung ist eine umfas-sende Modellierung des Gesamtsystems, in der die wesentlichen Wechselwirkun-gen abgebildet sind und somit Rckkopp-lungen auf die Komponentenauslegung und die Betriebs parameter wiedergege-ben werden.

    Fr die Umsetzung des Rankine- Systems im Fahrzeug ist die Integration in das Fahrzeugkhlsystem von heraus-ragender Bedeutung. Die Optimierung des Khlmoduls und der Khlluftstr-mung ermglicht es, zustzliche Wrme aus dem Abgas unter breiten klimati-schen Randbedingungen und in den Hauptbetriebspunkten ohne relevante Zunahme der Lfterleistung an die Umgebung abzugeben.

    Wesentliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Arbeitsmedien be-stehen vor allem bei der Fahrzeug- und der Khlsystemintegration und weniger beim Verbrauchsreduktionspotenzial. Eine Einigung der Industrie auf ein Ar-beitsmedium knnte die Entwicklungs-ressourcen auf die Serienumsetzung des Rankine-Prozesses im Nutzfahrzeug fokussieren und den Entwicklungsfort-schritt beschleunigen.

    LITERATURHINWEISE[1] Flik, m.; Edwards, S.; Pantow, E.: Emissions-senkung bei Nutzfahrzeugen durch Thermomanage-ment. Wiener motorensymposium 2009[2] Schmiederer, K.; Eitel, J.; Edwards, S.; Pantow, E.; geskes, P.; Lutz, R.; mohr, m.; Sich, B.; Dreis-bach, R.; Wolkerstorfer, J.; Theil, H.; Krapf; S.; Neunteufl, K.: Verbrauchspotenzial eines Nutzfahr-zeugmotors mit Rankine System, ermittelt ber Leis-tungsmessungen bei Stationr- und Instationrzyklen bei konstanten Emissionen. Wiener motorensympo-sium 2012[3] Pantow, E.; gneiting, R.; Krauss, H.-J.; Lutz, R.: The simulation of waste heat recovery systems for commercial vehicles. Stuttgarter Symposium 2011[4] Edwards, S.; Eitel, J.; Pantow, E.; geskes, P.; Lutz, R.; Tepas, J.: Waste Heat Recovery: The Next Challenge for Commercial Vehicle Thermomanage-ment. SAE paper 2012-01-1205, 2012[5] Nelson, C.: Exhaust Energy Recovery. Semi-mega merit Review, 2008

    Lade

    luft

    khl

    er

    Kh

    lmit

    telk

    hle

    r

    KhlmittelAbgasLadeluft

    Arbeitsmedium

    Abgasnach-behandlung

    Hauptabgas-verdampfer

    Expander

    Kon

    dens

    ator

    Rek

    uper

    ator

    AGR-Verdampfer

    Schema eines Rankine-Kreislaufs, integriert in das Fahrzeugkhlsystem, fr niedrig siedende FKW als Arbeitsmedium

    DANKE

    Die vorgestellten Ergebnisse aus dem Motoren-

    versuch wurden in Zusammenarbeit mit AVL

    und ZF erarbeitet. Fr das groe Engagement

    unserer Projektpartner bedanken wir uns sehr

    herzlich. Ein weiterer Teil der Grundlagenent-

    wicklung bei Behr zur Abwrmenutzung wurde

    durch das Bundesministerium fr Wirtschaft

    und Technologie gefrdert. Auch hierfr gilt

    unser besonderer Dank. READ THE ENGLISH E-MAGAZINEorder your test issue now: springervieweg-service@springer.com

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