Projekte
Grundlagenforschung Thermogenerator – Analyse und Systemintegration von Hochtemperaturwerkstoffen im Kraftfahrzeug
Kurzbeschreibung (Deutsch)
Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojektes wurde ein mehrstufiges Vorgehen zur Einbindung von Hochtemperaturthermoelektrika in den Abgasstrang von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen und durchgeführt. Während der Fokus in der ersten Projektperiode auf der allgemeinen Definition der Randbedingungen, der grundlegenden Beschreibungen der Schnittstellen und eigentlichen Integrationsmöglichkeiten lag, ging es im zweiten Teil des Projektes um die Konkretisierung und Umsetzung einzelner Maßnahmen.
Zu Beginn wurde mit Hilfe von konstruktiven Entwicklungsprozessen und CFD-Simulationen eine grundlegende Analyse von verschiedenen Modulformen und Moduldesigns durchgeführt. Hier wurde vor allem einer Kapselung der Thermoelektrika ein großes Potenzial zugesprochen, da dies zahlreiche Vereinfachungen beim Aufbau eines Gesamtsystems (z.B. Verspannung) zur Folge hätte. Nachteilig an dieser Lösung sind jedoch der Wärmetransport zwischen Kalt- und Heißseite über die Kapsel selbst, was eine Reduzierung des Wirkungsgrades zur Folge hat und die komplexe Herstellung der Module.
Nach diesen Untersuchungen wurden zwei Wärmetauscherkonzepte, die bereits im ersten Berichtszeitraum vorgestellt wurden, detailliert untersucht. Zum einen war dies ein herkömmliches System mit einer Verspannung der Module zwischen Kalt- und Heißseite, zum anderen ein oktagonaler Wärmetauscher, der allerdings eine Modulkapselung vorausgesetzt hätte. Beide Konzepte konnten mit allen konstruktiven und fertigungstechnischen Details virtuell dargestellt und anschließend mittels CFD-Programmen auf ihre thermischen und strömungstechnischen Eigenschaften hin untersucht werden. Aufgrund der hohen Komplexität und vor allem bedingt durch fehlende gekapselte Hochtemperaturmodule konnte das zunächst vielversprechende oktagonale Konzept nicht umgesetzt werden. Stattdessen wurde der konventionelle Demonstrator zur Herstellung gebracht, was bis zum Ende des Projektes erfolgreich umgesetzt werden konnte. Der Fokus lag hier auf einer hohen Modularität zur Vermessung verschiedener Module (Größe, Einsatztemperatur) und Wärmeübertrager (Heißseite), sowie auf der genauen energetischen Bilanzierung des Systems. Weiterhin war ein variabler Einsatz auf Heißgas- und Motorenprüfstand vorgesehen, was ebenfalls erfolgreich umgesetzt werden konnte. Aus Zeitgründen, und vor allem aufgrund fehlender neuartiger Module, wurde von einem Aufbau des fertigen Demonstrators auf den Prüfständen zunächst abgesehen, da der Aufwand beträchtlich gewesen wäre. Stattdessen wurde bereits vor der Fertigung ein alternatives System mit Niedrigtemperaturmodulen auf dem Hochdynamischen Motorenprüfstand installiert und vermessen. Die gewonnenen Erfahrungswerte konnten zunächst bei der Auslegung und Herstellung eines eigenen Demonstrators einfließen. Die aufgebauten Regelstrukturen und Steuerungssysteme am Prüfstand werden überdies hinaus beim Aufbau des Wärmetauschersystems im Anschluss des Projektes wieder genutzt.
Zum Projektende konnten somit bereits zahlreiche Informationen und Empfehlungen hinsichtlich der Integration von Thermoelektrischen Generatoren in Verbrennungsmotoren gegeben werden. Es wurde ein Wärmetauscher gefertigt, mit dem die Vermessung und Bewertung verschiedener Module und Wärmetauscherstrukturen möglich ist. Die vorausgegangenen umfangreichen CFD-Analysen haben das Verständnis für die Vorgänge in thermoelektrischen Systemen vertieft und für spätere Projekte nutzbar gemacht.
Durch die Schaffung der Möglichkeiten zur thermischen Bilanzierung auf Heiß- und Kaltseite und der elektrischen Analyse am Prüfstand können zukünftig detaillierte Aussagen über die Effektivität von thermoelektrischen Generatoren im Abgassystem von Verbrennungsmotoren getroffen werden.
Zu Beginn wurde mit Hilfe von konstruktiven Entwicklungsprozessen und CFD-Simulationen eine grundlegende Analyse von verschiedenen Modulformen und Moduldesigns durchgeführt. Hier wurde vor allem einer Kapselung der Thermoelektrika ein großes Potenzial zugesprochen, da dies zahlreiche Vereinfachungen beim Aufbau eines Gesamtsystems (z.B. Verspannung) zur Folge hätte. Nachteilig an dieser Lösung sind jedoch der Wärmetransport zwischen Kalt- und Heißseite über die Kapsel selbst, was eine Reduzierung des Wirkungsgrades zur Folge hat und die komplexe Herstellung der Module.
Nach diesen Untersuchungen wurden zwei Wärmetauscherkonzepte, die bereits im ersten Berichtszeitraum vorgestellt wurden, detailliert untersucht. Zum einen war dies ein herkömmliches System mit einer Verspannung der Module zwischen Kalt- und Heißseite, zum anderen ein oktagonaler Wärmetauscher, der allerdings eine Modulkapselung vorausgesetzt hätte. Beide Konzepte konnten mit allen konstruktiven und fertigungstechnischen Details virtuell dargestellt und anschließend mittels CFD-Programmen auf ihre thermischen und strömungstechnischen Eigenschaften hin untersucht werden. Aufgrund der hohen Komplexität und vor allem bedingt durch fehlende gekapselte Hochtemperaturmodule konnte das zunächst vielversprechende oktagonale Konzept nicht umgesetzt werden. Stattdessen wurde der konventionelle Demonstrator zur Herstellung gebracht, was bis zum Ende des Projektes erfolgreich umgesetzt werden konnte. Der Fokus lag hier auf einer hohen Modularität zur Vermessung verschiedener Module (Größe, Einsatztemperatur) und Wärmeübertrager (Heißseite), sowie auf der genauen energetischen Bilanzierung des Systems. Weiterhin war ein variabler Einsatz auf Heißgas- und Motorenprüfstand vorgesehen, was ebenfalls erfolgreich umgesetzt werden konnte. Aus Zeitgründen, und vor allem aufgrund fehlender neuartiger Module, wurde von einem Aufbau des fertigen Demonstrators auf den Prüfständen zunächst abgesehen, da der Aufwand beträchtlich gewesen wäre. Stattdessen wurde bereits vor der Fertigung ein alternatives System mit Niedrigtemperaturmodulen auf dem Hochdynamischen Motorenprüfstand installiert und vermessen. Die gewonnenen Erfahrungswerte konnten zunächst bei der Auslegung und Herstellung eines eigenen Demonstrators einfließen. Die aufgebauten Regelstrukturen und Steuerungssysteme am Prüfstand werden überdies hinaus beim Aufbau des Wärmetauschersystems im Anschluss des Projektes wieder genutzt.
Zum Projektende konnten somit bereits zahlreiche Informationen und Empfehlungen hinsichtlich der Integration von Thermoelektrischen Generatoren in Verbrennungsmotoren gegeben werden. Es wurde ein Wärmetauscher gefertigt, mit dem die Vermessung und Bewertung verschiedener Module und Wärmetauscherstrukturen möglich ist. Die vorausgegangenen umfangreichen CFD-Analysen haben das Verständnis für die Vorgänge in thermoelektrischen Systemen vertieft und für spätere Projekte nutzbar gemacht.
Durch die Schaffung der Möglichkeiten zur thermischen Bilanzierung auf Heiß- und Kaltseite und der elektrischen Analyse am Prüfstand können zukünftig detaillierte Aussagen über die Effektivität von thermoelektrischen Generatoren im Abgassystem von Verbrennungsmotoren getroffen werden.
Zeitraum
01.02.2011 - 31.07.2013
Art der Finanzierung
Drittmittel
Projektleiter
- Herr Prof. Dr.-Ing. Hans Zellbeck
Finanzierungseinrichtungen
- Sächsischen Staatsministeriums für Wissenschaft und Kunst (SMWK)
Kooperationspartnerschaft
national
Website zum Projekt
Zugeordnete Profillinie
Energie, Mobilität und Umwelt
Relevant für den Umweltschutz
Ja
Relevant für Multimedia
Nein
Relevant für den Technologietransfer
Ja
Schlagwörter
Wärmeenergie
Berichtsjahr
2011