Design of a Rankine process for transient operation in a bus

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

Anwendung und Bewertung numerischer und experimenteller Methoden zur Analyse und Entwicklung eines Zweitakt-Freikolbenmotors

Die vorliegende Arbeit behandelt die Untersuchung und Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems eines Freikolbenmotors mit elektrischer Energieauskopplung. Dieser sogenannte Freikolbenlineargenerator (FKLG) zeichnet sich durch einen freischwingenden Aufbau ohne die mechanische Zwangsführung eines Kurbeltriebes aus. Der Verbrennungskolben, der Läufer des Lineargenerators und der Gasfederkolben sind zu einer Kolbeneinheit zusammengefasst, die zwischen der Gasfeder und dem verbrennungsmotorischen Brennraum schwingt. Dieser Aufbau führt zu neuen Freiheitsgraden in der verbrennungsmotorischen Prozessführung, da Verdichtungsverhältnis und Kolbenhubkurve variabel angepasst werden können. Ein mögliches Anwendungsgebiet des Freikolbenlineargenerators ist der Einsatz als mobile Stromerzeugungseinheit in einem batterieelektrischen Fahrzeug. In vorangegangenen Arbeiten wurden der Lineargenerator, die Gasfeder und das verbrennungsmotorische Teilsystem der ersten Generation entwickelt und untersucht. Dies erfolgte schwerpunktmäßig im Hinblick auf die Regelung eines freischwingenden Gesamtsystems. Die vorliegende Arbeit rückt die Prozesse im Brennraum des verbrennungsmotorischen Teilsystems in den Vordergrund. Die Herausforderungen des Zweitakt-Arbeitsprozesses im Freikolbenlineargenerator sind der ventilgesteuerte Ladungswechsel mit Kopfumkehrspülung, die innere Gemischbildung und die Verbrennung bei hohen Restgasgehalten. Zur Analyse und Optimierung dieser innermotorischen Vorgänge werden Entwicklungsverfahren ausgearbeitet, angewendet und bewertet. Das Zielbild ist dabei ein effizienter, stabiler und emissionsarmer verbrennungsmotorischer Prozess unter Ausnutzung der konzeptbedingten Variabilitäten. Durch den Einsatz eines vollvariablen Ventiltriebsystems unterscheiden sich die Bedingungen des Ladungswechsels im kopfumkehrgespülten Brennraum des FKLG deutlich von denen in klassischen schlitzgesteuerten Zweitakt-Motoren. Das Entwicklungsverfahren zur Analyse der innermotorischen Strömungsfelder während des Ladungswechsels kombiniert Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen mit strömungsmechanischen Simulationen. Hierzu wurde ein Prüfstandsaufbau entwickelt, der eine Vermessung der Strömungsfelder im ungefeuerten Betrieb erlaubt. Simulations- und Messergebnisse zeigen übereinstimmend eine Überlagerung aus Tumble- und Drall-Strömung im Zylinder. Während sich die Simulation zur Voraussage der charakteristischen Strömungsstrukturen sehr gut eignet, sind der Genauigkeit, mit der lokale Strömungsgeschwindigkeiten berechnet werden können, Grenzen gesetzt. Der dargelegte laserdiagnostische Messaufbau erlaubt eine Einordnung der Simulationsergebnisse und sichert damit die Analyse der Zylinderinnenströmung wesentlich ab. Das Entwicklungsverfahren zur Untersuchung einer homogenen selbstzündenden Verbrennung in einem verbrennungsmotorischen Teilsystem der zweiten Generation basiert auf der Kombination von strömungsmechanischen Simulationen mit experimentellen Untersuchungen am Verbrennungsmotorprüfstand. Dabei wird ein auf innermotorische Anwendungen optimierter Simulationsansatz eingesetzt, der die strömungsmechanischen Vorgänge im Brennraum und den strömungsführenden Kanälen über mehrere Arbeitsspiele bei vergleichsweise geringen Rechenzeiten räumlich abbildet. In der vorliegenden Arbeit wird der Entwicklungsprozess von Auslegungssimulationen über die Konstruktion bis hin zur experimentellen Untersuchung eines homogenen selbstzündenden Brennverfahrens im neuen Versuchsträger beschrieben. Das verbrennungsmotorische Teilsystem der zweiten Generation ermöglicht Betriebsstrategien mit innerer Abgasrückführung, sodass durch hohe Restgasgehalte eine Selbstzündung der Zylinderladung eingeleitet wird. Am hydraulisch unterstützten Verbrennungsmotorprüfstand wird erstmalig ein homogenes selbstzündendes Brennverfahren in einem Freikolbenmotor dieser Bauart experimentell untersucht. Die Messergebnisse weisen nach, dass eine dynamische Anpassung der Kolbenbewegung positiv zur Steuerung des Zündzeitpunktes und damit der Wärmefreisetzung genutzt werden kann. Die ermittelten Druckanstiegsraten liegen bei gleichem Mitteldruck deutlich unter den Vergleichswerten von kurbelwellenbasierten Verbrennungsmotoren mit homogener Selbstzündung. Der eingesetzte innovative Simulationsansatz zeigt sich als ideales Werkzeug zur Analyse und Auslegung des verbrennungsmotorischen Teilsystems. Im Zuge der Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems der zweiten Generation zeigte sich, dass zur Verbesserung der Gemischbildung und -aufbereitung eine genauere Betrachtung des Einspritzvorgangs erforderlich ist. Das hierzu angewandte Entwicklungsverfahren kombiniert räumlich hochaufgelöste Strömungssimulationen mit laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) Messungen. Die laserdiagnostische Untersuchung des Einspritzvorgangs erfolgt an einem optisch zugänglichen Versuchsträger im gefeuerten Betrieb. Es wird ein Messaufbau des LIF Verfahrens eingesetzt, der das bestrahlende Laserlicht und das Fluoreszenzsignal durch nur ein Fenster im Kolbenboden in den Brennraum ein- und auskoppelt. Ein Vergleich der Simulation mit laserdiagnostischen Messergebnissen zeigt, dass erst durch eine iterative Anpassung der Einspritzrichtung jedes Spraykegels die Kraftstoffausbreitung in der Simulation realitätsnah wiedergegeben wird. Das Entwicklungsverfahren verdeutlicht, dass trotz des höheren Detaillierungsgrades des Simulationsansatzes eine Untersuchung des Einspritzvorgangs ausschließlich auf Basis von Strömungssimulationen nicht verlässlich und ein Abgleich mit Messdaten entsprechend wichtig ist. Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Entwicklungsverfahren werden wichtige grundlegende Erkenntnisse über die innermotorischen Vorgänge im verbrennungsmotorischen Teil des Freikolbenlineargenerators erlangt. Im Hinblick auf eine weiterführende Entwicklung des Motorenkonzeptes bildet die Arbeit eine Basis für den zielgerichteten Einsatz numerischer und laserdiagnostischer Methoden