 | Hafele C. Entwicklung fahrzeuggerechter Thermoelektrischer Generatoren zur Wandlung von Abgaswärme in Nutzenergie: Diss. ... Dr.-Ing. / Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart - Köln: DLR, 2016. - XXV, 505 S.: Ill. - Res. auch engl. - Literaturverz.: S.485-505 - (Forschungsbericht; 2016-08) - ISSN 1434-8454
Шифр: (Pr1120/N 2016-08) 02
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Formelzeichen ................................................ xvii
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Motivation der Abwärmenutzung ........................... 1
1.2 Stand der Technik bei der thermoelektrischen
Abwärmenutzung .......................................... 2
1.3 Problemstellung in der thermoelektrischen Abwärmenutzung
bei Pkw ................................................. 4
1.4 Aufgabenstellung zur Entwicklung fahrzeuggerechter TEG .. 7
1.5 Methodik ................................................ 9
2 Grundlagen und Stand der Technik ............................ 13
2.1 Energieströme von Verbrennungsmotoren .................. 13
2.2 Potentielle Verfahren zur Abwärmenutzung ............... 16
2.3 Grundlagen der thermoelektrischen Energiewandlung ...... 28
2.4 Relevante fahrzeugtechnische Grundlagen ................ 50
2.5 Stand der Technik bei der TEG-Entwicklung für
Straßenfahrzeuge ....................................... 58
2.6 Nomenklatur in der vorliegenden Arbeit ................. 78
2.7 Zusammenfassung der Grundlagen sowie des Stands der
Technik ................................................ 79
3 Quantifizierende Untersuchung der fahrzeugsystemischen
Wechselwirkungen von Thermoelektrischen Generatoren ......... 81
3.1 Wechselwirkungen des TEG im Fahrzeuggesamtsystem ....... 82
3.2 Das DLR-Versuchsfahrzeug ............................... 87
3.3 Instationäres Fahrzeugverhalten und Gegenmaßnahmen ..... 93
3.4 Untersuchung der Abgas- und Kühlwasserthermodynamik .... 97
3.5 Kraftstoffverbrauch bei elektrischer
Leistungseinspeisung .................................. 105
3.6 Kraftstoffverbrauch bei erhöhtem Abgasgegendruck ...... 117
3.7 Kraftstoffverbrauch bei erhöhter Kühllast ............. 124
3.8 Kraftstoffverbrauch bei erhöhtem Rollwiderstand ....... 130
3.9 Erarbeiten der Anforderungen an einen fahrzeuggerechten
TEG ................................................... 132
3.10 Zusammenfassung der Wechselwirkungsuntersuchungen ..... 138
4 Entwicklung von TEG-Konzepten .............................. 141
4.1 Abstrahieren zum Erkennen der wesentlichen Probleme .. 143
4.2 Erstellen der Funktionsstruktur ....................... 145
4.3 Finden von Lösungen zur Erfüllung der
Teilfunktionen ........................................ 146
4.4 Kombinieren von Teillösungen zu Prinziplösungen ....... 162
4.5 Auswählen geeigneter Prinziplösungen .................. 164
4.6 Konkretisieren zu prinzipiellen Lösungsvarianten ...... 168
4.7 Zusammenfassung der TEG-Konzeptentwicklung ............ 171
5 Simulative Untersuchung der Verbrauchspotentiale ........... 173
5.1 Modellierung .......................................... 175
5.2 Werkstoffauswahl ...................................... 197
5.3 Parametervariationen .................................. 211
5.4 Bewertung der optimierten TEG-Konfigurationen ......... 241
5.5 Zusammenfassung der simulativen
Verbrauchsuntersuchungen .............................. 245
6 Entwicklung und Fahrzeugerprobung des kraftschlüssig
gefügten TEG-1 ............................................. 249
6.1 Vorstellung und Ziele des
Industrieentwicklungsprojekts ......................... 250
6.2 Das BMW-Versuchsfahrzeug .............................. 252
6.3 Überarbeitung der Anforderungsliste ................... 253
6.4 Optimierende Parametervariationen ..................... 257
6.5 Gestalterische Konkretisierung ........................ 263
6.6 Bau des Funktionsmusters TEG-1 ........................ 278
6.7 Fahrzeugintegration ................................... 280
6.8 Experimentelle Untersuchung und Auswertung ............ 288
6.9 Zusammenfassung der Entwicklung des
kraftschlüssigen TEG-1 ................................ 303
7 Konzeptionelle Entwicklung einer Stoff schlüssigen
Fügetechnologie ............................................ 307
7.1 Vorstellung und Zielsetzung des DLR-
Entwicklungsprojekts .................................. 309
7.2 Anforderungen an eine stoffschlüssige Fügeverbindung .. 310
7.3 Funktionsstruktur und Lösungen für Teilfunktionen ..... 314
7.4 Auswählen geeigneter Prinziplösungen .................. 322
7.5 Konkretisieren zu Lösungsvarianten .................... 325
7.6 Zusammenfassung der Konzeptentwicklung einer
stoffschlüssigen Fügetechnik .......................... 330
8 Experimentelle und simulative Untersuchung der
stoffschlüssigen Lösungsvarianten .......................... 333
8.1 Mechanisches Prüfverfahren ............................ 334
8.2 Probenbau ............................................. 335
8.3 Probenkonditionierung und Prüfbedingungen ............. 343
8.4 Eignungstests ......................................... 344
8.5 Experimentelle Untersuchung der mechanischen
Eigenschaften ......................................... 358
8.6 Simulative Untersuchung der Verbrauchspotentiale ...... 372
8.7 Bewertung der stoffschlüssigen Lösungsvarianten ....... 377
8.8 Zusammenfassung der Untersuchung der
Lösungsvarianten ...................................... 387
9 Entwicklung und Fahrzeugerprobung des stoffschlüssig
gefügten TEG-2 ............................................. 393
9.1 Gestalterische Konkretisierung ........................ 393
9.2 Simulative Berechnung der zu erwartenden Performance .. 396
9.3 Bau des stoffschlüssigen Funktionsmusters TEG-2 ....... 400
9.4 Fahrzeugintegration ................................... 401
9.5 Experimentelle Untersuchung und Auswertung ............ 404
9.6 Resümee: Kraftschluss vs. Stoffschluss ................ 411
9.7 Zusammenfassung der Entwicklung des
stoffschlüssigen TEG-2 ................................ 412
10 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 417
10.1 Zusammenfassung ....................................... 417
10.2 Ausblick .............................................. 422
A Anhang ..................................................... 425
A.1. Formeln und Korrelationen ............................. 426
A.2. Stoffwerte ............................................ 431
A.3. Diagramme ............................................. 436
A.4. Berechnungen .......................................... 437
A.5. Geometrische Basiskonfigurationen ..................... 462
A.6. Prüfvorschriften ...................................... 465
A.7. Urteilsschemata ....................................... 466
A.8. Stoffschlüssige Füge- und Beschichtungsverfahren ...... 468
A.9. Montageabläufe der TEG-Funktionsmuster ................ 480
Literaturverzeichnis .......................................... 485
Lebenslauf .................................................... 507
Einlegekarte .................................................. 509
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