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

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

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

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

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ENTWICKLUNG WäRmEmANAgEmENT

OPTIMIERUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS

Der große 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 gewährleisten. Zudem wird im Laufe der nächsten Jahre auch bei den Nutzfahrzeugen eine CO2-Gesetzgebung eingeführt werden.

Aus diesen Gründen müssen für 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 % geschätzt [1]. Insbesondere die Rückge-winnung von mechanischer Energie aus der Abgasabwärme spielt in diesen Ent-wicklungen eine wichtige Rolle. In Motor-prüfstandsversuchen 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 Verfügung. Etwa die Hälfte der Verlustwärme befin-det sich im Abgas inklusive Abgasrück-führung (AGR) auf einem relativ hohen Temperaturniveau und könnte in einem nachgeschalteten Rankine-Prozess genutzt werden [1].

In ❶ ist ein Rankine-Kreislauf und dessen Integration ins Fahrzeug darge-stellt. Zwei Wärmeüberträger nutzen die Wärme aus der AGR und dem Abgas nach Abgasnachbehandlung, um das Arbeitsmedium zu verdampfen und zu überhitzen. Über eine Expansionsma-schine erzeugt der Dampf die gewünschte mechanische Arbeit. In einem nachge-schalteten Kondensator wird das Arbeits-medium wieder verflüssigt. Über eine Hochdruckpumpe schließt sich der Kreis-lauf. Die Rückkühlung des Kondensators erfolgt über das Fahrzeugkühlsystem.

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

mechanische Energie umwandeln, was 10 % der Motorleistung entsprechen würde. Unter realen Bedingungen ergeben sich durch die Wirkungsgradketten jedoch niedrigere Werte. Aus den Simulationen mit realen Komponenten und Systemen ergibt sich für 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 stationär als auch transient betrieben [2]. Durch eine Konstruktion mit besonders hoher Leistungsdichte konnte der AGR-Ver-dampfer im vorhandenen Bauraum des AGR-Kühlers untergebracht werden. Beim Verdampfer nach Abgasnachbehandlung stand ein besonders niedriger Abgasge-gendruck im Vordergrund der thermo-dynamischen Auslegung. Dennoch ist auch seine Leistungsdichte so groß, dass er sich gut in das Fahrzeug integrieren lässt. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Entwicklung war in beiden Fällen die Betriebsfestigkeit der Komponenten, ins-besondere die zu verlässige Trennung von Arbeitsmedium und Abgas.

In den Untersuchungen wurden über-wiegend Wasser als Arbeitsmedium, bei einem Teil der Versuche auch Ethanol, verwendet. Bei der Expansionsmaschine fiel die Wahl auf einen Kolbenexpander, der die für Wasser nötigen hohen Expan-sionsverhältnisse ermöglicht.

Die Motorprüfstandsmessungen bestä-tigten die Vorhersagen eines Verbrauchs-reduktionspotenzials von 5 %. In ❷ ist die zusätzlich zur Motorleistung stationär erzeugte Expanderleistung im Motor-kennfeld dargestellt. Der über die ESC-Punkte (European Stationary Cycle) ge -mittelte Wert stimmt sehr gut mit der Vorhersage überein. Zur Bewertung des transienten Einsparpotenzials wurde der Motor im Europäischen Transient Zyklus (ETC) betrieben, ❸. Auch hier konnte ein Wert von 5 % Expanderleistung, bezogen auf die Motorleistung, für den Fernver-kehrseinsatz nachgewiesen werden.

SYSTEMOPTIMIERUNG

Im gesamten System stehen wichtige Zielgrößen über Wechselwirkungen in einem Zielkonflikt (Trade-Off). Eine lo -kale Optimierung führt daher nicht un -bedingt zur maximalen Verbrauchsein-sparung. Um das größtmögliche Poten-zial zu erschließen und nutzen zu können,

AUTOREN

RAINER LUTZist Projektleiter Systeme, Vorentwick-

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

PETER GESKES ist Leiter motorfeste Komponenten,

Vorentwicklung motorkühlung Nutzfahrzeuge bei der Behr gmbH &

Co. Kg in Stuttgart.

EBERHARD PANTOW ist Leiter Vorentwicklung motor-

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

JOCHEN EITEL ist Leiter Entwicklung motorkühlung

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

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

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

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

Aber auch im Fahrzeug führt die maximale Expanderleistung nicht zwin-gend zur maximalen Verbrauchsreduzie-rung. Hier muss der Aufwand für die Rückkühlung der Kondensatorwärme berücksichtigt werden. Insbesondere die eventuell zusätzlich notwendige Lüfter-leistung spielt eine wichtige Rolle.

Bei heutigen Kühlsystemen wird in den allermeisten Betriebszuständen keine Lüfterzuschaltung benötigt. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen und mittlerer Motorlast steht sogar noch ein gewisser Überschuss an installierter Kühlleistung für die Nutzung der Abgas-energie zur Verfügung. Bei einer Umge-bungstemperatur im europäischen Jah-resmittel von 15 °C ergibt sich daher nur ein geringer Bedarf an zusätzlicher Lüf-terleistung. Bei höheren Umgebungstem-peraturen macht sich die zusätzliche Lüfterleistung jedoch bemerkbar.

Eine zentrale Aufgabe der Systement-wicklung ist daher die Verbesserung des Kühlsystems. Dabei steht, anders als in der Vergangenheit, nicht die Kühlleistung in der Volllast im Vordergrund, sondern die Optimierung des verbrauchsrelevan-ten Teillastbereichs. Dazu ist eine Opti-mierung des Kühlmoduls und der Kühl-luftströmung nötig. Durch eine bessere Staudrucknutzung ist es nun gelungen den Kühlluft-Massenstrom bei abgeschal-tetem Lüfter um bis zu 25 % zu erhöhen. Damit kann ein großer Bereich der rele-vanten Betriebspunkte ohne zusätzliche Lüfterleistung abgedeckt werden, ❹.

Lade

luft

kühl

er

Küh

lmit

telk

ühle

r

AGR-Verdampfer

KühlmittelAbgasLadeluft

Arbeitsmedium

Abgasnach-behandlung

Hauptabgas-verdampfer

Kondensator

Expander

❶ Schema eines Rankine-Kreis-laufs, integriert in das Fahrzeug-kühlsystem, mit den im Motorprüf-stand verwendeten Prototypen

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

110

100

90

80

70

60

50

40

30

202,02,53,0

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 Wärmequelle, Wasser als Arbeitsmedium

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

❷ Verhältnis aus Expanderleistung zu Motorleistung gemessen im stationären Motorkennfeld (13-l-Euro-VI-Motor) und Vergleich zur Vorhersage

ENTWICKLUNG WäRmEmANAgEmENT

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ARBEITSMEDIUM

Alle diskutierten Arbeitsmedien haben in Bezug auf Zuverlässigkeit oder Betriebssi-cherheit ihre Vor- und Nachteile. Die vor-gestellten Motorenversuche wurden im Wesentlichen mit Wasser als Arbeitsme-dium durchgeführt, da hier eine schnelle Umsetzung im Prüfstand möglich war. Ein Teil der Untersuchungen wurde auch mit Ethanol durchgeführt. Es hat sich da-bei gezeigt, dass ein System mit Ethanol gutmütiger auf Änderungen 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-Wärme, 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 für Wasser als auch für Ethanol. Da die AGR-Raten eines Motors je nach Betriebsmodus und Rohemissi-onskonzept auch nied riger sein können, hat Ethanol als Arbeitsmedium den Vor-teil, dass die Systemdefinition bei verän-derlichen Motorkonzepten stabil ist.

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

AGR und Hauptabgas als Wärmequelle, 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

AutobahnLandstraßeStadt

Mot

ordr

ehza

hl[1

/min

]

Dre

hmom

ent

[Nm

]

240018001200600

0

280020001200800400

]/

[

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

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

A25 A50 A75 A100

Küh

lluft

mas

sens

trom

Bedarf bei 15 °C Bedarf bei 25 °C

LüfterzuschaltungKühlmodulBasis

LüfterzuschaltungKühlmoduloptimiert

A B C

Häufigkeitsverteilungder Betriebspunkte im

Fernverkehr

0

25

50

75

100

Mot

orla

st [

%]

Motordrehzahl

❹ Deckung des Kühlluftbedarfs für die Nutzung von Abgas durch Optimierung der Kühlluftströmung durch das Fahrzeugkühlmodul in den relevanten Betriebsbedingungen, Ergebnisse für 80 km/h Fahrgeschwindigkeit

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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 ähnlichen 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 höhe-ren Dampfdruck, besitzen eine geringere Verdampfungswärme und sind soge-nannte „Dry Fluids“. Das bedeutet für

FKW Vorteile bei der Nutzung der Wär-mequelle, aber größere parasitäre 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 für das Arbeitsme-dium kann daher nicht allein über das Verbrauchspotenzial erfolgen. Die Ent-scheidung wird auch Fragen der System-integration, ❺ einbeziehen müssen: Ein FKW-basiertes System benötigt mehr Komponenten und zusätzlichen Bau-raum im Frontend des Fahrzeugs. Bei Ethanol-basierten Systemen ist hingegen keine Änderung der Kühlmodularchitek-tur nötig.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Für die Nutzung der Abwärme aus Abgas nach Abgasnachbehandlung und aus der AGR in einem Rankine-Prozess hat Behr Wärmeüberträger entwickelt, die bereits für die Fahrzeugintegration geeig-net sind. In Motorversuchen bestätigte sich die zuvor per Simulation ermittelte Verbrauchsreduzierung von 5 %, sowohl stationär als auch transient, für den Fernverkehrsbetrieb.

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

Für die Umsetzung des Rankine- Systems im Fahrzeug ist die Integration in das Fahrzeugkühlsystem von heraus-ragender Bedeutung. Die Optimierung des Kühlmoduls und der Kühlluftströ-mung ermöglicht es, zusätzliche Wärme aus dem Abgas unter breiten klimati-schen Randbedingungen und in den Hauptbetriebspunkten ohne relevante Zunahme der Lüfterleistung an die Umgebung abzugeben.

Wesentliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Arbeitsmedien be-stehen vor allem bei der Fahrzeug- und der Kühlsystemintegration und weniger beim Verbrauchsreduktionspotenzial. Eine Einigung der Industrie auf ein Ar-beitsmedium könnte 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.; Theißl, H.; Krapf; S.; Neunteufl, K.: Verbrauchspotenzial eines Nutzfahr-zeugmotors mit Rankine System, ermittelt über Leis-tungsmessungen bei Stationär- und Instationärzyklen 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

kühl

er

Küh

lmit

telk

ühle

r

KühlmittelAbgasLadeluft

Arbeitsmedium

Abgasnach-behandlung

Hauptabgas-verdampfer

Expander

Kon

dens

ator

Rek

uper

ator

AGR-Verdampfer

❺ Schema eines Rankine-Kreislaufs, integriert in das Fahrzeugkühlsystem, für niedrig siedende FKW als Arbeitsmedium

DANKE

Die vorgestellten Ergebnisse aus dem Motoren-

versuch wurden in Zusammenarbeit mit AVL

und ZF erarbeitet. Für das große Engagement

unserer Projektpartner bedanken wir uns sehr

herzlich. Ein weiterer Teil der Grundlagenent-

wicklung bei Behr zur Abwärmenutzung wurde

durch das Bundesministerium für Wirtschaft

und Technologie gefördert. Auch hierfür gilt

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

DOWNLOAD DES BEITRAGSwww.mTZonline.de

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