Motornahe Abgaskühlung und Restwärmenutzung bei Ottomotoren

Die Herausforderungen des letzten Jahrzehnts haben gezeigt, dass die Mobilität der Zukunft eine große Vielfalt von Antriebstechnologien erfordert. Es gilt für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle eines Automobils die geeignete Antriebsart zu finden. Hierbei sollte unter dem Gesichtspunkt der Technologieoffenheit keine Technologie aufgrund politischer oder lobbyistischer Ideologien vernachlässigt werden.

Nach [4] ist ein thermodynamisches System definiert durch eine geschlossene Hülle, welche das zu untersuchende Objekt vollständig umgibt und gegen die Umgebung abgrenzt. Die gedachte Hülle wird als Systemgrenze bezeichnet, während das Innere das System abbildet. Außerhalb der Systemgrenze liegt die Umgebung. Während ein offenes System materiedurchlässig ist, gilt dies für ein geschlossenes System nicht.

Ziel der Arbeit ist die Untersuchung eines Systems zur Abgaskühlung und Restwärmenutzung bei Ottomotoren. Daher wird als Versuchsträger ein aufgeladener Reihensechszylinder Ottomotor mit Direkteinspritzung verwendet. Dieser verfügt über ein homogenes und weitestgehend stöchiometrisches Brennverfahren. Anschließend werden die Grundlagen für das Verständnis des verwendeten Versuchsträgers vorgestellt.

Im Folgenden werden zwei innovative Systeme für ein mögliches Thermomanagement am aufgeladenen Ottomotor vorgestellt, die im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens „Motornahe Abgaskühlung und Restwärmenutzung bei Ottomotoren“ entwickelt worden sind. Ziel der folgenden Grundlagenuntersuchungen ist nicht die Entwicklung der zwei Konzepte zur Serienfähigkeit am Motorenprüfstand, sondern die Vermittlung des Weges von der Idee, über die Konzeptphase des Gesamtsystems, bis hin zur Komponentenentwicklung neuartiger Bauteile, deren Eigenschaften an Heißgasund Motorenprüfständen untersucht werden sowie die Entwicklung des Verständnisses über das Zusammenwirken einzelner Komponenten innerhalb eines Systems. Diese Arbeit soll als Grundlagenuntersuchung verstanden werden und für weiterführende Versuche des Gesamtsystems an Motorprüfständen dienen.

Der erste untersuchte luftgekühlte Abgaskrümmer besitzt trotz einteiliger Gasführung kein Ausgleichselement und keine Schiebesitze. Durch die fehlenden Elemente weist der luftgekühlte Abgaskrümmer vorteilhafterweise keine Leckagen gegen die Umgebung auf. Vor allem die Trennung zwischen Kühlluft- und Abgaspfad ist durch fehlende Schiebesitze gegeben.

Die Versuche zur thermomechanischen Robustheit des luftgekühlten Abgaskrümmers zeigen, dass die Schiebesitzflansche ihre Funktion erfüllen. Es treten keine Risse in Folge einer Dehnungsbehinderung in den Rohren auf. Es gilt nun die Serienfähigkeit durch eine geeignete Dichtung sowie kostengünstige Blechflansche zu untersuchen. Die asymmetrischen Rohre des Abgaskrümmers ermöglichen keine Trennblech/Faltenbalg-Lösung wie in dieser Arbeit veranschaulicht.