Modellbasierte Potenzialanalyse von Planetengetrieben zur Integration eines Rankine-Prozesses in einen Reisebus

Das Abgas von verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen weist einen ungenutzten Energieanteil auf. Unter Einsatz eines Rankine-Prozesses kann ein Teil dieser Energie in Nutzarbeit überführt werden. Bei Fahrzeugen mit konventionellem Antriebsstrang und niedrigem Elektrifizierungsgrad lässt sich dieser Prozess elektrisch oder mechanisch an den Motor koppeln. Der Zielkonflikt für eine effiziente Ankopplung besteht hauptsächlich zwischen der Wirkungsgradkette einer elektrischen Kopplung bei drehzahloptimierter Regelung und der eingeschränkten Flexibilität einer mechanischen Kopplung mit festem Drehzahlverhältnis. Dieser Zielkonflikt wird in der vorliegenden Arbeit modellbasiert am Beispiel eines typischen Reisebusses adressiert, indem die Schlüsselkomponenten des Rankine-Prozesses, die Expansionsmaschine und die Pumpe, mit dem Verbrennungsmotor anhand eines Drei-Wellen-Planetengetriebes verbunden werden. Hierdurch erfolgt eine zwanglose Kopplung der Komponenten, sodass sich deren Drehzahlverhältnisse variabel anhand des Fahr- und Abgaszustands ergeben. Durch diese Verknüpfung wird der Systemfreiheitsgrad des Abwärmenutzungsprozesses reduziert. Die Potenzialanalyse des mechanisch gekoppelten Abwärmenutzungsprozesses erfolgt in Referenz zu einem Prozess, der verlustfrei gekoppelt ist und alle Systemfreiheitsgrade aufweist.
Der Vergleich beider Prozesse in dynamischen Fahrzuständen zeigt, dass die Netto-Prozessarbeit des mechanisch gekoppelten Prozesses zwischen 7% und 8% geringer ausfällt. Die Differenz lässt sich hauptsächlich auf die Getriebeverluste sowie den notwendigen Einsatz von Zusatzmaßnahmen zur Sicherstellung der Prozessstabilität und -effizienz zurückführen. Die Effizienzeinbußen aufgrund der Reduktion des Systemfreiheitsgrads fallen gering aus, sofern die Zusatzmaßnahmen inaktiv sind. Ein Vergleich der Prozesse anhand einer Fahrt in der Ebene bei variierender Umgebungstemperatur zeigt, dass die konkrete Getriebeauslegung nicht nur vom Abgas- und Fahrzustand, sondern zusätzlich von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Im Betrieb bei einer von der Auslegungstemperatur abweichenden Umgebungstemperatur resultieren vom Optimum abweichende Prozesszustände, die ausschließlich durch den übrigen Freiheitsgrad, dem Luftmassenstrom des Verflüssigerlüfters, beeinflusst werden können. Dies geht mit Effizienzeinbußen einher, welche mit zunehmender Abweichung von der Auslegungs-Umgebungstemperatur ansteigen. Entspricht die Umgebungstemperatur der Auslegungs-Umgebungstemperatur von 25 °C, fällt die Netto-Prozessarbeit des zwanglos-mechanisch gekoppelten Prozesses knapp 6% geringer im Vergleich zum ideal gekoppelten Prozess aus. Erfolgt der Betrieb bei einer Umgebungstemperatur von −5 °C erfolgt eine Verringerung um 12%, bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C um 19%. Anhand von Variationen der Standgetriebewirkungsgrade des Getriebes wird gezeigt, dass diese den Einfluss der Auslegungs-Umgebungstemperatur auf die Systemeffizienz nicht nennenswert verschärfen. Zudem wird anhand dieser Variationen ein Technologievergleich zu einer generischen, verlustbehafteten Kopplung des Abwärmenutzungsprozesses unter Berücksichtigung der Wirkungsgradkette und der Randbedingungen ermöglicht.