ISBN 978-3-8439-3038-3

978-3-8439-3038-3, Reihe Fahrzeugtechnik

Henry Kutz
Effizienzanalyse einer Kombination von Abgasnachbehandlung und thermoelektrischer Abwärmenutzung am Ottomotor

180 Seiten, Dissertation Technische Universität Dresden (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Das Prinzip der Verbrennungskraftmaschine ist mehr als 150 Jahre alt und beruht auf der Umwandlung von im Kraftstoff gebundener chemischer Energie in mechanische Energie über einen exothermen Oxidationsprozess. Der Wirkungsgrad ist aufgrund verschiedener Wechselwirkungen mit angrenzenden Systemen jedoch eingeschränkt und beträgt, abhängig vom Brennverfahren und der Ausführung des Aggregates, maximal etwas über 50 %. Der verbleibende Anteil der Kraftstoffenergie wird über diverse Parallelprozesse in Wärmeenergie umgewandelt und geht an die Umgebung verloren. Der Großteil wird über das Abgassystem abgegeben, wobei die Wärmetransportprozesse Strahlung und Konvektion maßgeblich sind. Über die Integration von Abgasturboladern kann bereits ein Teil dieser thermischen Energie wieder dem Arbeitsprozess zugeführt werden. Dennoch verbleibt ein großer Anteil an nutzbarer Enthalpie, der über alternative Methoden rekuperiert werden müsste. Ein vielversprechender Ansatz ist die seit den 1960er Jahren in der Raumfahrt eingesetzte Technologie der thermoelektrischen Energierückgewinnung, basierend auf dem Seebeck-Effekt. Vor allem die einfache Integration ohne bewegte Teile oder komplexe Stoffwandlungsprozesse macht die Technologie auch für den Fahrzeugbereich interessant. Lediglich der geringe Wirkungsgrad von etwa 5 % steht einer großflächigen Einführung in den Markt derzeit entgegen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird untersucht, wie effektiv Energie im Abgassystem von Verbrennungsmotoren mit Hilfe dieser Technologie rekuperiert werden kann und unter welchen Randbedingungen dies erfolgen muss. Dabei sollen die Reduktion des CO2-Ausstoßes und die Rückwirkung auf die Emissionen durch ein motornahes System im Vordergrund stehen, was mit einer zusätzlichen externen Katheizung kombiniert ist. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung eines realen thermoelektrischen Systems im Prototypenstadium bei stationären Betriebspunkten und während verschiedener dynamischer Fahrzyklen (NEDC; WLTC) auf einem Hochdynamischen Motorenprüfstand. Das Ergebnis ist eine ausführliche Bewertung der Thermoelektrik am Verbrennungsmotor hinsichtlich der Einsatzbedingungen und der real erreichbaren Effizienzverbesserungen durch Abgasenergierückgewinnung.