Bewertung und Vergleich von Abgaswärmenutzungstechnologien in Kraftfahrzeugen unter Berücksichtigung realer Anwendungsbedingungen

Zum Thema der Abgaswärmenutzung im Automobil gibt es diverse wissenschaftliche Arbeiten. In der Regel wird hierbei ein System wie zum Beispiel ein durch Abgaswärme betriebene Rankine Prozess, ein thermoelektrischer Generator, oder die direkte Abgaswärmenutzung untersucht. Bewertungskriterien sind hierbei meistens die Kraftstoffeinsparung in gesetzlich vorgeschriebene Verbrauchszyklen oder stationären Betriebspunkten wie z.B. einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit. In dieser Arbeit soll über eine Gesamtfahrzeugsimulation der Kraftstoffverbrauchseinfluss durch den Einsatz eines hochtemperaturtauglichen thermoelektrischen Generators, eines Abgaswärmeübertragers zur Getriebeölerwärmung und der Kombination aus beidem für reales und damit stark unterschiedliches Fahrverhalten bewertet werden. Dafür wird das real auftretende Fahrzeugnutzungsverhalten in Deutschland analysiert und daraus entsprechende Fahrtypen erstellt. Physikalische Untermodelle für die entsprechenden Fahrzeugkomponenten wie das Getriebe, die Abgasanlage und die Abgaswärmenutzungskomponente dienen der Berechnung der auftretenden Rückwirkungen im Fahrzeug und werden durch Messungen an den entsprechenden Prüfständen validiert. DesWeiteren wird das Fahrzeugmodell anhand von real durchgeführten Messfahrten überprüft. Da es bisher nur wenige Veröffentlichungen zu detaillierten Untersuchungen an Prototypen von thermoelektrischen Generatoren auf Basis von Hochtemperaturmaterialien für den Einsatz in der Automobilindustrie gibt, liegt hier ein Schwerpunkt dieser Arbeit. Dazu werden leistungsmindernde Verlustmechanismen bewertet und Stellhebel in der Modulauslegung für eine Leistungsoptimierung identifiziert. Weiterhin werden systembedingte und äußere Einflussfaktoren auf die Kraftstoffeinsparpotenziale der Abgaswärmenutzungskonzepte erfasst und bewertet. There are several scientific researches on waste heat recovery in cars. Generally systems like a rankine-cycle, a thermoelectric generator or a direct usage of exhaust heat are topics of research. Usually the evaluation criteria are the reduction of fuel consumption in official regulated driving cycles or static operation points i.e. a drive at constant speed. The topic of this research is the comparison of the influence on the fuel consumption with the usage of a high temperature thermoelectric generator, an exhaust gas heat exchanger for gear box warm up and the combination of both for real and therefor highly different driving behavior with the help of a system simulation. To evaluate this, an analysis on the usage of cars in Germany has been done and equivalent driving types have been built. Physical submodells for the concerned vehicle components like the gear box, the exhaust line and the waste heat recovery units are the base to calculate the influence on the vehicle and have been validated at relevant test benches. In addition the vehicle model has been checked with the help of real driving tests. Because there are only a small number of publications about detailed researches on thermoelectric generators prototypes based on high temperature materials for the usage in automobile industry, this is a main topic of this work. Therefor reasons for decreases in power are evaluated and operating levers to optimize the module dimension have been identified. Furthermore influences on the potential of fuel saving due to the system and the environment are determined and estimated.