Chemische Wärmespeicherung für Kraftfahrzeuge – Analyse des Potentials zur Verbrauchsabsenkung bei Verbrennungsmotoren

Abstract

Die beschlossenen CO2 Flottenverbrauchsziele der Europäischen Union erfordern seitens der Fahrzeughersteller eine kontinuierliche Entwicklung verbrauchsreduzierender Maßnahmen. Dabei bildet sich vor allem in transienten Zuständen, wie der Motorkaltstartphase, ein beachtliches Einsparungspotential ab. Die dadurch entstehenden Chancen an Innovationen betreffen unter anderem auch Thermomanagementaufgaben, welche den Ansatz, Motorabwärme zu speichern bzw. zu nutzen, verfolgen. Die Motivation der vorliegenden Arbeit widmet sich der Speicherung der anfallenden Abwärme während des Motorbetriebs, mit dem Ziel beim darauffolgenden Kaltstart diese Energie für eine schnellere Erwärmung der Struktur des Motors bzw. der Betriebsflüssigkeiten zu nutzen. Dies führt zu einer verkürzten Motorwarmlaufphase. Die daraus resultierenden Vorteile betreffen den Treibstoffverbrauch und damit auch den Effizienzgrad des Verbrennungsmotor. In weiterer Folge können auch die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Im ersten Abschnitt dieser Diplomarbeit wurde der aktuelle Entwicklungsstand des Wärmespeichermoduls aufgezeigt und eine Optimierung, hinsichtlich der Reversibilität und der Energiedichte des Prototyps, durchgeführt. Das System ermöglicht eine langfristige, verlustlose Wärmespeicherung ohne jegliche thermische Isolierung. Im Zuge der Untersuchungen wurde die erreichbare Leistung des Wärmespeicherprototyps bestimmt und anhand von Mehrfachzyklen die Reversibilität des Systems bestätigt. Um einen realitätsnahen Nachweis über die Tauglichkeit der entwickelten Wärmespeichermodule für den Einsatz in Kraftfahrzeugen zu führen, wurden diese auf einem adaptierten Motorprüfstand integriert und Testzyklen durchgeführt. Dabei wurden sowohl vorgegebene Lastpunkte, als auch standardisierte Fahrzyklen herangezogen. Es konnte ein Nachweis über die fehlerfreie Funktion des thermochemischen Wärmespeichersystems erbracht und eine messbare Verbrauchsreduktion festgestellt werden. Ergänzend wurden Konstruktionen vorgestellt, welche die Möglichkeit einer simultanen Erwärmung des Ölund des Kühlmittelkreislaufs vorsehen und somit zu einer weiteren Verbesserung der Modulleistung beitragen. In Bezug auf den Serieneinsatz des Moduls sind weitere Entwicklungen erforderlich.

To reach the aim of the European Union for CO2 emission, continuous development of fuel-saving measures on the part of vehicle manufacturers is required. Especially in phases as the cold start, there is remarkable potential for fuel saving. Consequently, innovation strategies involve thermal management issues to efficiently store and use excess heat. The present master thesis focused on the storage of engine waste heat, with the aim of using this energy for faster heating of the engine structure and the fluids during the cold start. The benefits relate to fuel consumption and the exhaust emissions. In the first part, the current state of development of a heat storage module was elucidated. Furthermore, appropriate optimization strategies were evaluated by suitable test procedures. During the conducted experiments, the system provided a durable heat storage without any thermal loses. The performance and the reversibility of the prototype were demonstrated. In order to provide a realistic proof of the suitability of the developed heat storage modules for its use in vehicles with an internal combustion engine, test cycles were performed on an adapted engine test bench. For this purpose, predefined load points and standardized driving cycles were applied. By detecting a proper reduction of fuel consumption, the functionality of the developed system has been confirmed. Finally, a solution which would enable simultaneous heating of the oil and coolant circulation and thus an improvement of the heat storage modules performance was presented. With regards to commercial usage, further improvements of the systems are required.