Theoretische und experimentelle Untersuchung von Energierekuperationssystemen in Verbindung mit zweistufigen thermischen Verbundverfahren bei Verbrennungskraftmaschinenanlagen

Die Entwicklung zukünftiger Dieselantriebssysteme unterliegt fortwährend neuen Anforderungen der lokalen Gesetzgebung und des globalen Absatzmarktes. Umweltschutzbedingungen und die Energieeffizienz der Aggregate bilden den zentralen Ansatz, welcher als Triebfeder für Forschung und Entwicklung im Bereich der Hochleistungsdieselmotoren anzusehen ist. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen im Bereich Energierekuperation durchgeführt. Basis für die praktischen Versuche bildeten Hochleistungsdieselmotoren aus dem Nutzfahrzeugsektor. Das System für die Energierückgewinnung wurde in einer Vorstudie unter Betrachtung von Amortisation, Gewicht, Leistungsdichte, Bauraum und Effizienz bestimmt. Die Wahl fiel hierbei auf das thermische Verbundverfahren in Verbindung mit zweistufiger Aufladung. Die auf Basis der Motorsystemsimulation entwickelte Wirkungsgradstudie der Einzelkomponenten des zweistufigen Turbocompoundsystems ermöglichte die Ermittlung von spezifischen Parametern zur Bauteiloptimierung und zeigte die Grenzen der Energierückgewinnung auf. Das hieraus abgeleitete Minimum für den ökologischen und ökonomischen Betrieb von thermischen Verbundverfahren liegt bei 67.5% Systemwirkungsgrad. In einer anschließenden Untersuchung wurden Betriebseigenschaften unter Berücksichtigung der Leistungsdichte erarbeitet. Die Ergebnisse zeigen, verglichen mit Daten standardisierter Aufladesysteme, einen Kraftstoffverbrauchsvorteil im Zyklus von 0.5 – 3.5%. Neben der stationären Betrachtung konnten die thermischen Verbundverfahren hinsichtlich ihres instationären Verhaltens im Emissionszyklus und in der Lastannahme geprüft werden. Die hieraus erarbeiteten Randbedingungen und Ergebnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung von Modellparametern, welche eine optimierte Energierekuperation bei Turbocompoundsystemen in differenzierten Betriebszuständen erlauben. Die untersuchten zweistufigen aufgeladenen Turbocompoundsysteme vereinen die Technologien von Turbocompound und Downsizing in einem Motorsystem und sind somit der Herausforderung gewachsen, zukünftige Emissionsvorgaben bei gleichzeitiger Wirkungsgradsteigerung in der Antriebstechnologie zu realisieren