FG Fahrzeugtechnik und -antriebe
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Multifunktionale Kraft-Wärme-Kopplung in einer Fahrzeuganwendung (ACG) am Beispiel eines Traktors
(2008)
Abstract:Zur Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben und der Kundenwünsche hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen, Funktionalität, Fahrleistungen und Komfort sind zunehmend komplexere Entwicklungsaufgaben zu lösen. Diese bestehen oft aus mehreren einzelnen Maßnahmen, deren jeweilige Vor- und Nachteile zur Abstimmung eines Gesamtpaketes bekannt sein müssen.Insbesondere bei der Beurteilung der CO2-Effekte von Wärmemanagementmaß-nahmen sind sehr genaue Auflösungen der Bilanzierungen im doppelt instationären Betrieb und die Identifizierung von Wechselwirkungen einzelner Maßnahmen wichtige Bausteine für das Erreichen der Entwicklungsziele.Für die grundsätzliche und schnelle Beurteilung des Wärmemanagementverhaltens von Motoren und Antriebssträngen wird ein Basismeßprogramm vorgestellt, daß ei-nen breiten Bereich des späteren Einsatzes im Fahrzeug abdeckt und Optimie-rungspotentiale aufdeckt. Die dabei zu beachtenden Besonderheiten im doppelt instationären Motorbetrieb bei verschiedenen Umgebungsbedingungen bzgl. Meßtechnik und Beurteilung der Me-ßergebnisse werden für Untersuchungen auf Motorenprüfständen, Rollenprüfstand und auf der Straße gegenübergestellt. Dabei stehen insbesondere die erreichbaren Genauigkeiten bzw. die Reproduzierbarkeit im Fokus und somit auch in gewisser Hinsicht die mögliche Aussagekraft von Simulationen zu Wärme- und Energiemanagementmaßnahmen.
Die durch Abwärmenutzung erzeilbaren Kraftstoffverbrauchsverringerungen sind im sehr niedrigen einstelligen Prozentbereich angesiedelt und außerdem stark betriebspunktabhängig. Für den Gesetzgeber sind die Zulassungszyklen relevant, in Europa und weiten Teilen der Schwellenländer der NEFZ, in den USA der FTP75. Diese sind für den Fahrzeughersteller ebenfalls hinsichtlich der Inverkehrbringung eines Fahrzeuges verbindlich, allerdings auch hinsichtlich aller offiziellen Verbrauchs- und Emissionsangaben. Diese weichen teilweise erheblich von dem ab, was der kunde im alltag feststellt. In diesem Beitrag werden NEFZ und FTP75 mit dem realen Kundenverhalten aus eigenen Feldversuchen und aus Recherchen verglichen. Insbesondere die Generierung von Abwärme, deren Temperaturniveaus und die sich daraus ergebenden Nutzungsaspekte werden näher betratchtet.
In diesem Beitrag wird die Kühlsystemregung um eine vorausschauende, das Fahrerverhalten und die Fahrzeugumgebung berücksichtigende Komponente erweitert. Grundgedanke ist die Ausnutzung der thermischen Trägheiten von Bauteilen und Fluiden, um die mittleren Bauteiltemperaturen anzuheben, ohne die serienmäßigen Spitzentemperaturen zu überschreiten. Mit dem vorausschauenden Regeler konnten sigifikante Verbrauchsverringerungen nachgewiesen werden, di ohne zusätzliche Sensoren/Aktoreb realisiert werden können. Verwendet wurde dafür ein Ottomotor mit Saugrohreinspritzung.
Seit etwas mehr als zehn Jahren fokussiert sich die Motorenentwicklung bei Ottomotoren auf Downsizing. Treibende Kraft ist dabei die Verringerung des Kraftstoff-verbrauches bzw. der CO2-Emissionen in den gesetzlich relevanten Zyklen.
Im vorliegenden Beitrag werden zwei unterschiedliche Ottomotorenkonzepte hinsichtlich ihrer Effizienz betrachtet. Zum einen ist das ein aktuelles Downsizing-Konzept mit Abgasturboaufladung und Direkteinspritzung, zum anderen ein Saugmotor mit Saugrohreinspritzung. Beide Motoren besitzen identische Maximalleistungen.
Nach einer kurzen Darstellung der thermodynamischen Grundlagen und der Berechnungsschritte werden charakteristische Kennfelder verglichen.
Abschließend wird eine Beurteilung der Effizienz in gesetzlichen Zyklen und im realen Betrieb gegeben. Dabei werden auch die Betriebspunkthäufigkeiten zwischen Zyklen und realer Fahrt verglichen.
Nach wie vor ist die Verringerung der Abgasemissionen, insbesondere der CO2-Emissionen, eines der Kernthemen in der Fahrzeugentwicklung. Im vorliegenden Beitrag wird auf die globalen CO2-Emissionen und die Ressourcen fossiler Treib-stoffe sowie auf die gesetzlichen Regelungen als treibende Kräfte für die Emissi-onsverringerung eingegangen. Anschließend werden die Lebenszyklus-Emissionen für herkömmlich angetriebene und E-Fahrzeuge betrachtet.
Den Abschluß des Beitrages bildet die kurze Vorstellung von Wärmemanagement-Maßnahmen zur Effizienzverbesserung von Verbrennungsmotoren.
Im Beitrag wird diskutiert, welchen Einfluss der konventionelle Generator, die Zusatzmasse des thermoelektrischen Generators (TEG), der TEG-Abgasgegendruck und die TEG-Rückkühlung auf die gewonnene TEG-Netto-Leistung und die mögliche Kraft-stoffeinsparung haben. Zu Beginn wird beschrieben, welches Potential ein TEG in der Abgasanlage eines konventionell angetriebenen PKW hat. Auf der Basis einfacher numerischer Abschätzungen werden die dem TEG theoretisch zur Verfügung stehenden thermischen Energiemengen an verschiedenen Stellen in der Abgasanlage betrachtet. Dabei wird auch auf die vom TEG generierbare elektri-sche Leistung eingegangen. Des Weiteren wird aufgeführt, in welcher Größenordnung der TEG durch seine Nettostromlieferung ins Fahrzeugbordnetz den konven-tionellen, vom Verbrennungsmotor angetriebenen Generator entlastet und was dies für die CO2-Reduktion bedeutet.
Der Hauptteil beschäftigt sich mit wichtigen Aspekten der Auslegung. Grundlage sind im Projekt durchgeführte Untersuchungen und Messungen, sowohl für das seriennahe als auch für das mit einem TEG ausgerüstete Projektfahrzeug. Im Fokus standen dabei für die TEG-Leistung wichtige Systemgrößen. Die Vermessung des Projektfahrzeugs fand auf der Abgasrolle für definierte, realitätsnahe Betriebszustände (Konstant- und Zyklusfahrten) statt. Die Erprobung von TEG-Komponenten sowie verschiedener TEG-Varianten erfolgte vorher auf Motor- und Heißgasprüf-ständen, wodurch auch die Tragfähigkeit und Funktionalität der Konzepte bestätigt wurde.