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Konzeption eines Rankine-Prozesses für den transienten Betrieb im Omnibus

Ebeling, Philipp

Durch die Rekuperation ungenutzter Abgasexergie mit einem Rankine-Prozess kann der Kraftstoffverbrauch von verbrennungsmotorisch betriebenen PKW oder Nutzfahrzeugen im Bereich von 2 bis 6 % reduziert werden. Dies wurde in zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten rechnerisch ermittelt. Trotz des Potentials befinden sich keine integrierten Abwärmenutzungssysteme in Serie. Ein Grund ist die hohe Komplexität bei der einhergehenden Entwicklung einer leistungsoptimierten Betriebs- und Regelstrategie und der Komponenten, verursacht durch die im Fahrbetrieb schnell wechselnden Randbedingungen. Ein nicht leistungsoptimaler Betrieb und hohe Komponentenkosten gefährden aktuell die Wirtschaftlichkeit des Systems. Eine Erhöhung des Rekuperationspotentials kann der Technologie zum Durchbruch verhelfen. Dazu müssen bei der Konzeption eines leistungsoptimierten Prozesses alle Konzeptparameter ausgehend von einer Regel- und Betriebsstrategie, die Prozessführungsgrößen kontinuierlich optimiert, evaluiert werden. Dies wurde in den wissenschaftlichen Arbeiten bislang nicht verfolgt. Hier setzt diese Arbeit an.

Ziel der Arbeit ist die Konzeption eines Rankine-Prozesses für einen Omnibus unter Berücksichtigung einer für die jeweils vorherrschenden Randbedingungen und Systemzustände optimierten Prozessführung. Im ersten Schritt werden geeignete Arbeitsmedien mit stationären Optimierungsrechnungen für ein großes Intervall an Wärmequellentemperaturen bei einer Vielzahl unterschiedlicher Kreisprozessparameter selektiert. Die unterschiedlichen Auswirkungen von Komponentenverlusten auf die Systemleistung und die Prozessführung wird durch umfassende Parameterstudien für ausgewählte Arbeitsmedien erläutert. Durch die verallgemeinernde Prozessbeschreibung sind die Erkenntnisse auch auf andere Anwendungsbereiche übertragbar. Die Bewertung verschiedener Varianten des Abgaswärmeübertragers erfolgt mit physikalisch motivierten Modellen in transienten Fahrzyklussimulationen unter kontinuierlicher Optimierung der Prozessführungsgrößen. Das Potential zur Kraftstoffverbrauchssenkung im Omnibus wird für drei verschiedene Fahrzyklen ermittelt. Mit Exergieanalysen werden die Vorteile der entwickelten Betriebsstrategie gegenüber invariablen Prozessführungen dargestellt. Für den konzipierten Rankine-Prozess mit dem Arbeitsmedium Cyclopentan wird eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs von 5.8 bis 8.1 % prognostiziert. Dabei sind die Potentiale gegenüber einer invariablen Prozessführung abhängig vom Fahrprofil und den Prozessführungsgrößen um bis zu 38 % höher.

By recuperating unused exhaust gas exergy with a Rankine process, the fuel consumption of internal combustion engine-powered cars or utility vehicles can be reduced in the range of 2 to 6 %. This has been proved in numerous scientific works. Despite the potential, there are no integrated waste heat recovery systems in series production. One reason is the high complexity in the development of the operating and control strategy as well as the compo-nent design, caused by the fast-changing boundary conditions during operation. The resulting development and component costs are currently threatening the economic efficiency of the system. Increasing the recuperation potential can help the technology to achieve a breakthrough. When designing a performance-optimized process, all concept parameters must be evaluated based on a control and operating strategy strategy that continuously optimizes the process control variables. This has not yet been investigated in the scientific work.

The aim of the work is to design a rankine process for an omnibus considering process control optimised for the prevailing boundary conditions and system states. In the first step, suitable working fluids are selected by means of a stationary optimization study for a large interval of heat source temperatures with many different process parameters. The different effects of component losses on system performance and process control are explained by comprehensive parameter studies for selected working fluids. Due to the generalized process description, the results can also be used for other areas of application. Different variants of the exhaust heat exchanger are evaluated using physically motivated models in transient driving cycle simulations with continuous optimization of the process control variables. The potential for reducing fuel consumption in buses is determined for three different driving cycles. Exergy analyses show the advantages of the developed operating strategy compared to conventional operational strategies. For the designed Rankine process with the working fluid cyclopentane, a reduction in fuel consumption of 5.8 to 8.1 % is predicted. Compared to the conventional control strategy, the potentials of the developed control strategy are up to 38 % higher.

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Ebeling, P., 2019. Konzeption eines Rankine-Prozesses für den transienten Betrieb im Omnibus. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-201911190850-0
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