Potenziale zur Nutzung der Abgasenthalpie eines Ottomotors durch einen Stirlingprozess

ABSTRACT
Die anspruchsvollen Ziele der internationalen Gesetzgeber zur Einführung verbindlicher Flottenverbräuche für Neufahrzeuge zwingen die Fahrzeughersteller dazu neue Technologien zur Steigerung der Effizienz einzuführen. Innerhalb der Europäischen Union wird der derzeit bestehende Grenzwert von 130 g/km CO2 im Jahr 2020 noch einmal auf 95 g/km CO2 verschärft. Durch die Einführung empfindlicher Strafzahlungen für die Hersteller bei Nichteinhalten der Grenzwerte wird ein monetärer Anreiz geschaffen, neue Technologien zur Reduktion von CO2 Emissionen zu entwickeln. Hierdurch wird es möglich, Technologien in Fahrzeugen einzuführen, welche früher als zu komplex und zu teuer galten.
Um die heutigen CO2 Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind in den vergangenen Jahren viele neue Technologien eingeführt worden. Besonders hervorzuheben sind in der Ottomotorenentwicklung die drosselfreie Laststeuerung, Direkteinspritzung und das Downsizing. Der erzielte Fortschritt zeigt sich in den CO2 Flotten Emissionen von neu zugelassenen PKW innerhalb der EU, welche sich von 2000 bis 2013 um 26,4% reduziert haben. Mit der Entwicklung hin zu besseren Wirkungsgraden bei Verbrennungsmotoren ist aber auch eine Abnahme des verbliebenen Optimierungspotenzials, durch innermotorische Maßnahmen weitere Verbrauchseinsparungen zu erreichen, verbunden.
Ein in Serienanwendungen von Kraftfahrzeugen noch nahezu ungenutztes Potenzial liegt in der Abgasenergienutzung. Denn es verlässt bis zu ein Drittel der im Kraftstoff gebundenen chemischen Energie den Verbrennungsmotor als Verlustwärme über den Abgasstrom. Zur Rückgewinnung dieser Verlustwärme sind geschlossene Kreisprozesse, bei welchen über die Systemgrenzen nur Wärmeenergie verschoben wird, besonders geeignet. Der Stirlingprozess bietet sich aufgrund seines vergleichsweise einfachen Aufbaus für bauraumbeschränkte Anwendungen in Kraftfahrzeugen an. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Potential der Rückgewinnung der Abgasenthalpie durch einen Stirlingprozess.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Auslegung eines Stirlingmotors für Anwendung zur Rekuperation der Abgasenthalpie eines Ottomotors beschrieben. Als Auslegungskriterium dient ein Vergleichspunkt im Niederlastgebiet des Motors, der die motorischen Betriebsbedingungen im neuen europäischen Fahrzyklus repräsentativ darstellt.
Im Anschluss wird die konstruktive Umsetzung dieser Auslegung für einen Stirlingmotor beschrieben. Das Hauptaugenmerk liegt auf der für diese Anwendung relevanten Einbindung des Erhitzers in die Abgasanlage des Verbrennungsmotors. Weiter werden die bauartbedingten Besonderheiten eines Stirlingmotors im Vergleich zu einem gewöhnlichen Hubkolbenmotor beschrieben. Es sind vor allem die räumliche Trennung von Kompression
und Expansion in zwei Zylinder und der Regenerator, der ein Wärmezwischenspeicher
innerhalb der Systemgrenzen ist, zu nennen.
Die Prüfstandsuntersuchungen beginnen mit der mechanischen Grundvermessung des
Stirlingmotors, gefolgt von der befeuerten Basisvermessung des verwendeten Ottomotors.
Diese dienen im weiteren Verlauf als Bewertungsgrundlage der Messergebnisse im
gekoppelten Zustand der beiden Motoren.
Im Anschluss daran werden befeuerten Versuche mit dem an dem Abgasstrang des
Ottomotors angeschlossenem Stirlingmotor beschrieben. Dabei wird eine Untersuchungsmatrix
aus verschiedenen Betriebspunkten des Ottomotors mit verschiedenen Lastpunkten
des Stirlingmotors gebildet. Die befeuerte Untersuchung wird durch eine Bewertung der
Ergebnisse abgeschlossen.
Auf Basis der Messwerte aus den vorangegangenen Versuchen wird ein 1-D
Strömungssimulationsmodell des Stirlingmotors abgeglichen. Die Simulation bildet die
Entscheidungsgrundlage für die Auswahl einer sinnvollen Kombination der einzelnen
Optimierungsmaßnahmen und macht eine Analyse des Gesamtpotenzials möglich.
Schließlich werden auf Basis der Untersuchungen und Simulationen Maßnahmen abgeleitet,
welche zur weiteren Entwicklung dieser Technologie notwendig sind.