Auslegung und Analyse von Hubkolben-Expansionsmaschinen

Ausgelöst durch die Forderung, den Einsatz fossiler Kraftstoffe im Fahrzeug zu reduzieren, gibt es zahlreiche Bestrebungen, die Effizienz der Verbrennungskraftmaschine zu steigern. Neben den klassischen Ansätzen wie Downsizing und Hybridisierung des Verbrennungsmotors befassen sich weitere Ansätze mit der Nutzung von ungenutzten Energiepotenzialen. Als eine mögliche Quelle bietet sich die thermische Energie des Abgases an, die in einem Pkw-Motor je nach Betriebspunkt und Brennverfahren zwischen ca. 15 – 50 % der chemischen Energie des zugeführten Kraftstoffs ausmachen kann. In dieser Arbeit wird ein System untersucht, das mit Hilfe eines dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Wärmekraftprozesses kontinuierlich Abgaswärme in nutzbare Energie wandelt, um durch die Nutzung der Abwärme Kraftstoff einzusparen. Als Wärmekraftprozess wird ein spezieller Dampfkreisprozess betrachtet, der durch seine Prozessführung charakterisiert und je nach Arbeitsfluid entweder Rankine Kreisprozess (RC) oder Organic Rankine Cycle (ORC) genannt wird. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Expansionsmaschine (EM), in der die Wandlung der thermischen Energie in nutzbare mechanische Energie erfolgt. Da die Anzahl an möglichen Typen für eine EM sehr groß ist, wird die Abgrenzung getroffen, dass allein solche EM betrachtet werden, die nach dem Prinzip einer Tauchkolben- oder Kreuzkopf-EM arbeiten. Ziel der Arbeit ist es, zwei methodische Ansätze mit unterschiedlicher Zielsetzung zu entwickeln: Der erste Ansatz dient dazu eine Hubkolben-EM für eine gegebene Fahrzeuganwendung zielgenau auszulegen, wohingegen der zweite Ansatz dazu genutzt wird, die Verlustquellen einer vorhandenen EM zu analysieren. Die Methodik zur Auslegung einer Hubkolben-EM basiert auf Parametervariationen eines RC mit einfachen Zustandsänderungen, um zunächst die am besten geeigneten Betriebsparameter (oberer Prozessdruck und obere Prozesstemperatur) zu ermitteln. Anschließend werden die charakteristischen Dimensionierungsparameter einer Hubkolben-EM bestimmt (Hubvolumen und effektive Leistung). Um eine Aussage über die effektive Leistung treffen zu können, ist es notwendig, die Reibung in Abhängigkeit von der Baugröße zu berücksichtigen. Daher werden in dieser Arbeit unterschiedliche Ansätze zur Beschreibung der Reibung in Abhängigkeit von Betriebsparametern und Schmierungskonzept der Hubkolben-EM ermittelt. Zudem beschäftigt sich ein Teil der Arbeit mit der Gestaltung des Schmierungskonzepts, da es zu Einschränkungen in der Haltbarkeit kommen kann, wenn sich Arbeitsfluid und Schmieröl miteinander vermischen. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Lösungen für diese technische Problemstellung vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in einem RC für eine mobile Anwendung diskutiert. Als Besonderheit ist zu nennen, dass das Reibverhalten einer trockenlauffähigen Kolbengruppe untersucht wird. Zur Analyse des Betriebsverhaltens einer vorhandenen Hubkolben-EM wird eine zweite Methodik, eine thermodynamische Verlustteilung, vorgestellt. Die in dieser Arbeit entwickelte Verlustteilung erlaubt es, die Verluste schrittweise zu quantifizieren, indem der reale Expansionsprozess sukzessive in einen idealen Expansionsprozess überführt wird. Hierzu ist es notwendig, das Wärmeübertragungsverhalten der Arbeitskammer zu quantifizieren. Daher beschäftigt sich ein Teil der Arbeit mit der Ermittlung einer Wärmeübergangskorrelation, die die Besonderheiten von Hubkolben-EM berücksichtigt. In der Arbeit werden exemplarisch zwei EM mit unterschiedlichen Arbeitsfluiden (Ethanol und Wasser) für dieselbe Pkw-Anwendung ausgelegt. Als Hubvolumen werden für die Expansionsmaschine für das Arbeitsfluid Ethanol ein Wert von 48,9 cm³ und für die Expansionsmaschine für das Arbeitsfluid Wasser ein Hubvolumen von 18,8 cm³ bestimmt. Der große Unterschied des Hubvolumens ist vor allem auf die unterschiedlichen Werte der mittleren Kolbengeschwindigkeit zurückzuführen, welche die Besonderheiten der beiden gewählten Schmierungskonzepte berücksichtigt. Als Grundlage für die Analyse dienen Simulationsergebnisse, die mit dem Simulationsprogramm GT Power V7.5 berechnet wurden. In beiden Anwendungen ist im Auslegungsfall die Reibung eine dominante Quelle für Verluste. Die Reibung wird mit Hilfe von der in dieser Arbeit ermittelten Korrelationen berechnet, sodass dieser Verlustbeitrag durch die Konstruktion bzw. durch die Wahl des Schmierungskonzepts vorgegeben wird. Für die wichtigen Kennzahlen effektive Leistung und effektiv- und indiziert-isentroper Wirkungsgrad werden folgende Werte ermittelt: Die Anwendung mit Ethanol liefert für den gewählten Betriebspunkt eine effektive Leistung von 1475 W mit einem effektiv-isentropen Wirkungsgrad von 54,3 % bzw. einem indiziert-isentropen Wirkungsgrad von 71,2 %. Die Anwendung mit Wasser generiert eine effektive Leistung von 1833 W mit einem effektivisentropen Wirkungsgrad von 56,8 % bzw. einem indiziert-isentropen Wirkungsgrad von 66,0 %. Mit der Anwendung, die für Ethanol ausgelegt wurde, ist es somit möglich, mit Hilfe des RC eine zusätzliche Leistung durch Abwärmenutzung bereitzustellen, welche 3,34 % der Motorleistung für den ausgewählten Betriebspunkt entspricht. Für die Anwendung mit Wasser liegt der Anteil sogar bei 4,16 %, wobei der Unterschied zwischen den beiden Konzepten maßgeblich auf ihre Reibung zurückzuführen ist. Zudem erlaubt der Einsatz des Fluids Wasser das Einstellen einer höheren maximalen Prozesstemperatur, wodurch der Rankine-Kreisprozess effizienter abläuft. Der thermische Prozesswirkungsgrads des RC liegt mit Ethanol bei 18,9 % und mit Wasser bei 27,1 %. Zu den übrigen Verlustquellen der EM lässt sich für die beiden Anwendungen folgendes festhalten: Der Wärmeübergangskoeffizient ist in der Anwendung mit Ethanol trotz der niedrigeren mittleren Kolbengeschwindigkeit im Maximum größer als in der Anwendung mit Wasser, was vor allem auf die unterschiedlichen Stoffwerte zurückzuführen ist. Verluste durch Wandwärmeübergang werden dennoch am ehesten durch die Differenz aus Fluid- und Wandtemperatur der Arbeitskammer beeinflusst. Die Verluste durch Leckage und Blowby verhalten sich für beide Anwendungen ähnlich, wobei für diese Verlustquellen die Stoffeigenschaften von Ethanol im Vergleich zu denen von Wasser eher nachteilig sind, da ein niedriger Isentropenexponent strömungstechnische Vorgänge wie Leckage und Blowby eher unterstützt. Auch Verluste durch einen Schadraum und durch unvollständige Expansion nehmen durch einen niedrigen Isentropenexponenten eher zu. Für beide Konzepte gilt, dass Leckage der Ladungswechselorgane die Effizienz des Arbeitsprozesses deutlich reduziert, wobei das Auslassventil größere Verluste durch Leckage verursacht als das Einlassventil.One of the most challenging demands for vehicle manufacturers is to meet future legislative restrictions of fuel consumption. Modern combustion engines convert approximately one third of the chemical energy of the fuel into mechanically usable energy. The rest of the energy leaves the vehicle in form of heat via cooling devices or the exhaust gas system. Thus, a promising way to reduce fuel consumption is waste heat recovery by means of a thermal power process. Former investigations showed that a Rankine Cycle (RC) in combination with the working fluid ethanol results in high efficiency as well as in small installation space. It has to be said, that naming of an RC depends on its working fluid: If an organic fluid like ethanol is used the power process is called Organic Rankine Process (ORC) whereas non-organic fluids like water are used in RC. One part of the RC is the expansion engine in which heat power is converted into mechanical power. You can say that the expansion engine is a key component of the RC as its performance directly affects the system efficiency. In this thesis, only reciprocating engines are considered. Size and configuration of an expansion engine are influenced by many circumstances or conditions, e.g. feeding heat source, place of installation and working fluid. For these reasons it is evident that great care has to be taken if a new expansion engine is to be designed. One part of this thesis aims at providing a detailed methodology, which enables to design a custom-fit expansion engine for a given application. In order to make estimations about system efficiency it is necessary to calculate losses and especially friction. As friction of an expansion engine is a result of many causes, there exists no global approach which enables to calculate overall friction. For this reason, component specific correlations are presented, which lead to modular calculation of overall friction of an expansion engine. One part of friction is caused by the piston rings that can be implemented differently: There are piston rings which are lubricated and made of iron, or piston rings which are self-lubricating and made of e.g. PTFE. Obviously their friction differs considerably. Thus, in this thesis three different approaches are presented, which enable to calculate friction of different kinds of expansion engines. This part of the thesis is based on both theoretical and practical research. Another part of this thesis deals with sealing concepts for expansion engines: This survey is motivated by the fact, that exhaust gas heat transfer devices may be destroyed by lube oil that has its origin in the lubrication of the expansion engine. The second part of this thesis deals with the analysis of a given expansion engine. If an existing expansion engine is to be analyzed, a detailed understanding of the expansion process is needed. This can be reached when the whole process is described mathematically. There are several tools which are state of the art in order to analyze combustion engines. Nevertheless, there is no known methodology, which concerns characteristic issues of an expansion engine like working fluid different from air or heat transfer of superheated steam. For this reason, one part of this thesis deals with the development of a heat transfer correlation for expansion engines. Furthermore, a methodology is presented, which enables to analyze the expansion process step by step. As a result, losses can be analyzed little by little and their impact is quantified. Thus, cause and impact of each kind of loss of the expansion process is laid open, which may lead to precise and targetoriented counter action. Both methodologies, design and analysis of an expansion engine, are presented exemplary in a third part of this thesis: First, two kinds of expansion engines are designed for a given passenger car application. The major difference of the expansion engines is their working fluid, which is ethanol respectively water. Second, in the following part of the thesis a detailed thermodynamic analysis is presented. The analysis of the expansion engines is based on simulation, which was performed in GT Suite V7.5. Major results of this part are several degrees of efficiency: Regarding overall efficiency of an ORC, you can say, that the efficiency of ethanol is diminished because of its maximum operating temperature. If ethanol is used, the maximum operating temperature has to be limited to 550 K. Mainly for this reason, an ORC with ethanol leads to thermal efficiency of 18,9 % whereas water leads to 27,1 %. These efficiencies allow to recover waste heat of an combustion engine which equals 1475 W or 3,34 % of effective brake power (ethanol) respectively 1833 W and 4,16 % if water is used. These results are mainly driven by the high level of heat source temperature which favours water because of its good resistance to heat. The expansion process performance is evaluated in respect to the isentropic change of the enthalpy of the working fluid between intake and outlet. The indicated-isentropic efficiency of an expansion engine with ethanol adds up to 71,2 % whereas the usage of water results in 66,0 %. Both expansion engines efficiencies are diminished mainly by friction which is estimated concerning different approaches of design, lubrication and sealing. Ethanol allows an effectiveisentropic efficiency of the expansion process of 54,3 % and water of 56,8 %. As these approaches of design, lubrication and sealing differ significantly from each other, they result also in a different maximum speed of the expansion engines. Thus, the expansion engine with ethanol works with a mean piston speed of 4 m/s and the expansion engine with water with a mean piston speed of 10 m/s. This difference in speed results in different sizes of the expansion engines which also affects losses of gas exchange and especially losses of the intake process. Losses because of heat transfer are mainly dependent on the difference between fluid temperature and wall temperature. For this reason, the expansion engines with water have higher losses because of heat transfer although the maximum heat transfer coefficient is smaller compared to the maximum heat transfer coefficient for the expansion engine with ethanol. Losses because of blowby and because of leakage are mainly driven by the pressure difference of heir adjacent components. As the pressure differences for these kinds of losses are more or less similar to each other for both expansion engines, the influence of material properties of the working fluids can be compared to each other. It can be concluded, that fluids with a lower ratio of specific heats tend to have higher losses because of leakage. A similar conclusion can be drawn for further losses: Fluids with lower ratio of specific heats tend to have higher losses because of incomplete expansion and because of dead space