Auslegung und Analyse von Hubkolben-Expansionsmaschinen

In dieser Arbeit wird ein spezieller Wärmekraftprozess (ORC, Organic Rankine Cycle) untersucht, um durch die Abwärmenutzung einer Verbrennungskraftmaschine Kraftstoff einzusparen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Expansionsmaschine (EM), welche als Hubkolben-EM ausgeführt ist.Hierzu werden zwei methodische Ansätze entwickelt: Der erste Ansatz dient dazu, eine Hubkolben-EM für eine gegebene Anwendung zielgenau auszulegen. Um eine Aussage über die effektive Leistung treffen zu können, ist es notwendig, die Reibung in Abhängigkeit von der Baugröße zu berücksichtigen.Zur Analyse des Betriebsverhaltens einer vorhandenen Hubkolben-EM wird eine zweite Methodik, eine thermodynamische Verlustteilung, vorgestellt. Diese Verlustteilung erlaubt es, Verluste schrittweise zu quantifizieren und einen gemessenen Expansionsprozess sukzessive in einen idealen Expansionsprozess zu überführen. Da es hierzu notwendig ist, das Wärmeübertragungsverhalten der Arbeitskammer zu quantifizieren, beschäftigt sich ein Teil der Arbeit mit der Ermittlung einer Wärmeübergangskorrelation, die die Besonderheiten von Hubkolben-EM berücksichtigt. Die Parameter der Korrelationen zur Beschreibung der Reibung und des Wandwärmeübergangs werden zum Teil durch Werte aus der Literatur und zum Teil durch Messdaten ermittelt. Hierzu wurde eine 1-Zylinder-EM mit variablem Ventiltrieb genutzt, welche ohne Schmieröl auskam und stattdessen PTFE-Elemente nutzte.Weiterhin werden exemplarisch zwei EM für die Arbeitsfluide Ethanol und Wasser für dieselbe Pkw-Anwendung ausgelegt und analysiert. Als Grundlage für die Analyse dienen Simulationsergebnisse, die mit dem Simulationsprogramm GT Power V7.5 ermittelt wurden. Reibung und Wandwärmeübergang der EM werden mit Hilfe der ermittelten Korrelationen berechnet.