Würzburg, Universiẗat, Diss., 2005.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von gespeicherten Nanopartikeln mit weicher Röntgenstrahlung. Dafür wurde eine neue Apparatur aufgebaut. In dieser befindet sich ein dreidimensionaler elektrodynamischer Quadrupolspeicher, mit dem die positiv geladenen Nanopartikel berührungsfrei und ortsfest gespeichert werden. Mit Hilfe eines Streulichtnachweises werden die Eigenbewegungen der Partikel gemessen und daraus das Ladungs- zu Masseverhältnis ermittelt. Durch gezielte Umladung können die absolute Ladung und die Masse der Partikel mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die gespeicherten Partikel wurden mit Synchrotronstrahlung am Elektronenspeicherring BESSY II untersucht. Bei niedrig geladenen Partikeln wurden Aufladungsexperimente mit variabler Photonenenergie durchgeführt. Dabei kann die Emission von einzelnen Elektronen beobachtet werden. Die totale Sekundärelektronenausbeute wurde für verschiedene Photonenenergien ermittelt. Sie gleicht den Werten, die durch Messungen mit Elektronenbeschuss bekannt sind. Die Partikel wurden weiterhin bis zum maximal erreichbaren Ladungszustand aufgeladen. Dieser Gleichgewichtszustand liegt unterhalb der theoretischen Erwartungen. Bei den hochgeladenen Partikeln wurden nach Abschalten der Synchrotronstrahlung Entladevorgänge beobachtet, die für das verminderte Ladungsgleichgewicht verantwortlich sind. Die Entladung wird als Ionen-Feldemission interpretiert, möglicherweise hervorgerufen durch den elektrischen Durchschlag im Teilchenmaterial. Das Aufladungsverhalten der Partikel bei verschiedenen Ladungszuständen wurde mit Hilfe von Messungen an der O 1s-Kante untersucht. Bei niedrigen Ladungszuständen liefert der Ladestrom die bekannten Röntgenabsorbtionsstrukturen von Siliziumdioxid. Stark geladene Partikel werden dagegen vor allem im Bereich der resonanten O 1s-Anregung durch schnelle Augerelektronen aufgeladen, während Photoelektronen aus dem O 1s-Kontinuum nicht mehr zur Aufladung beitragen. Deren kinetische Energie ist zu gering, um dem Coulombfeld des Partikels zu entkommen. / Subject of this thesis is the investigation of single trapped nanoparticles using soft X-rays. For this purpose a new apparatus has been developed and characterized. The heart of this apparatus is a three-dimensional electrodynamic quadrupole trap that allows us to store charged nanoparticles well located and without any contact to a substrate. The detection of scattered light, which is modulated by the secular motion frequencies of the stored particle, is used to derive the charge-to-mass ratio. The determination of changes in the charge state due to electron emission is used to determine the absolute charge and mass with high accuracy. The particles were studied using synchrotron radiation at the electron storage ring BESSY II. A set of charging experiments were performed, where particles at low charge state were irradiated with different photon energies in the soft X-ray regime. In these experiments the emission of single electrons is observed. The total secondary-electron emission yield is determined at several photon energies. The values are comparable to the secondary emission after electron impact. Other experiments were performed at highest achievable charge state of the particles. This equilibrium state was found to be far below theoretical predictions. For highly charged particles we found a discharge current after the illumination with synchrotron radiation is terminated. This current is responsible for the low equilibrium charge state. The discharge is assumed to result from ion field emission potentially due to the electric breakdown in the particle material. Charging curves at different charges states of the particle in the regime of the oxygen 1s-edge were recorded. At low charge states the characteristic X-ray absorption fine structure of silicon dioxide is observed. Highly charged particles are efficiently charged by resonant Auger processes in the regime of the resonant O 1s-excitation, whereas there is no charging in the regime of the O 1s-continuum. Evidently, the kinetic energy of these electrons is too small to escape from the attractive Coulomb field of the particle.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Die vorliegende Arbeit untersucht die triboelektrische Aufladung von Kunststoffen in der Wirbelschicht, wobei die Aufladung der einzelnen Kunststoffe im Mittelpunkt steht. Parallel dazu erfolgt die Charakterisierung der Kunststoffoberfläche, u.a. hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, der Lewis-Säure/Base-Eigenschaften und ihres spezifischen Oberflächenwiderstandes. Ausgehend vom Aufladungsverhalten der einzelnen Kunststoffe werden die Zusammenhänge zwischen der triboelektrischen Aufladung der Kunststoffe und ihren Oberflächeneigenschaften aufgezeigt und daraus auf das Aufladungsverhalten der Komponenten in Zwei- bzw. Mehrkomponenten-Gemischen geschlossen. Das Aufladungsverhalten der einzelnen Kunststoffe sowie das der Komponenten in einem Kunststoffgemisch wird bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit durch die Elektronen-Akzeptor/Donator-Eigenschaften der Kunststoffoberfläche bestimmt. Diese können mit den Lewis-Säre/Base-Parametern charakterisiert werden.

Mit der starken Verbreitung des turboaufgeladenen Dieselmotors seit etwa 10 Jahren gewinnt auch der mittels Abgasturbolader aufgeladene Ottomotor mehr an Bedeutung. Im dynamischen Betriebsverhalten zeigen diese Motoren, vor allem bei Drehzahlen unter 2000 U/min, einen verzögerten Mitteldruckaufbau. Mit konventionellen Ansätzen ist dieses Problem nicht zufrieden stellend zu lösen, deshalb wurden Ansätze zur Unterstützung im dynamischen Betrieb erstellt. In dieser Arbeit wurden die Lösungen mit dem größten Potential zur Verbesserung untersucht. Die untersuchten Ansätze greifen zum Einen in das Gebiet der gezielten Einspeisung von dauerhaft verfügbarer Zusatzenergie und zum Anderen zur Verteilung der Verdichtungsarbeit auf zwei Aufladestufen. Als Zielstellung für die Verbesserungen des dynamischen Betriebsverhaltens wurde das Erreichen eines effektiven Mitteldruckes von 16.5 bar in einer Zeit kleiner einer Sekunde ab einer Motordrehzahl von 1700 U/min formuliert. Im Falle der Einspeisung von Zusatzenergie muss diese beliebig oft und in kurzen Abständen verfügbar sein. Im Kapitel Einspeisung von Zusatzenergie wurden die Konzepte elektrische unterstützter ATL sowie elektrischer Zusatzverdichter miteinander verglichen. Mit Hilfe rechnerischer Parameterstudien wurden die Randbedingungen für den Einsatz eines elektrischen Verdichters ermittelt. Dabei wurde festgestellt, dass die Dimensionierung des eingesetzten Boosterverdichters ein Kompromiss zwischen Potential im Transientbetrieb und ausreichender Kennfeldbreite zur Anhebung der stationären Volllast im untersten Motordrehzahlbereich ist. Die Berechnungen haben zudem ergeben, dass die zu erwartende Begrenzung der verfügbaren elektrischen Bordnetzleistung den eBooster vorrangig für den Einsatz von Motoren mit einem Hubraum kleiner 2.5 l prädestiniert. Eine weitere Variante sieht die serielle Anordnung eines mechanisch angetriebenen Zusatzverdichters vor. Für die Umsetzung als zuschaltbares System reduziert sich die Auswahl auf einen mit geringem Massenträgheitsmoment gekennzeichneten Spirallader. Als dritte Variante wurde eine geregelte zweistufige Aufladung aufgegriffen. Der Vergleich der Simulationsergebnisse wies für alle drei Varianten das Potential zur Umsetzung der formulierten Forderung zur Dynamikverbesserung nach. Bei einer Motordrehzahl von 2000 U/min erreichten der Pscroll nach 580 ms und die beiden anderen Varianten nach jeweils 850 ms das Zielmoment. Gleichzeitig ergab die Analyse des für den Druckaufbau im System verantwortlichen Parameters Massenstrom der Strömungsmaschinen eine unterschiedliche Charakteristik der einzelnen Varianten. Während der Pscroll unabhängig von der Motordrehzahl sofort nach Lastaufschaltung eine hohe Überschussluftmasse, bezogen auf die vom Motor geschluckte Masse, fördert, vergeht sowohl beim eBooster als auch bei der zweistufigen Aufladung durch die notwendige Hochlaufzeit der Radialverdichter eine Zeitspanne bis zum Aufbau einer Überschussmasse. Die Zeitspanne während des Hochlaufs von der Ausgangsdrehzahl bis zur Enddrehzahl beträgt beim Pscroll nur etwa 80 ms, während bei den anderen Systemen ein Zeit von weniger als 400 ms auch theoretisch nicht darstellbar ist. Bei dem Übergang zu realen Hardwarekomponenten am Prüfstand vergrößerte sich der Abstand zwischen Pscroll und dem elektrischen Zusatzverdichter. Das System Pscroll greift auf weitestgehend bekannte und erprobte Technik zurück, wodurch gegenüber der Simulation keine Einschränkungen zu verzeichnen waren. Mit dem eBooster ergaben sich für den Elektromotor deutliche Abweichungen von dem für die Simulation zur Verfügung gestellten Wirkungsgradverlauf über der Drehzahl im Vergleich zum Tatsächlichen. Speziell in der Beschleunigungsphase ergeben sich gravierende Einbussen. Mit dem höheren Leistungsangebot am Prüfstand (4 kW statt 2.5 kW) gegenüber der Simulation konnte das Potential des Systems nachgewiesen werden. Bei einer Leistungsbeschränkung reduzieren sich die Gewinne spürbar.

Mit der starken Verbreitung des turboaufgeladenen Dieselmotors seit etwa 10 Jahren gewinnt auch der mittels Abgasturbolader aufgeladene Ottomotor mehr an Bedeutung. Im dynamischen Betriebsverhalten zeigen diese Motoren, vor allem bei Drehzahlen unter 2000 U/min, einen verzögerten Mitteldruckaufbau. Mit konventionellen Ansätzen ist dieses Problem nicht zufrieden stellend zu lösen, deshalb wurden Ansätze zur Unterstützung im dynamischen Betrieb erstellt. In dieser Arbeit wurden die Lösungen mit dem größten Potential zur Verbesserung untersucht. Die untersuchten Ansätze greifen zum Einen in das Gebiet der gezielten Einspeisung von dauerhaft verfügbarer Zusatzenergie und zum Anderen zur Verteilung der Verdichtungsarbeit auf zwei Aufladestufen. Als Zielstellung für die Verbesserungen des dynamischen Betriebsverhaltens wurde das Erreichen eines effektiven Mitteldruckes von 16.5 bar in einer Zeit kleiner einer Sekunde ab einer Motordrehzahl von 1700 U/min formuliert. Im Falle der Einspeisung von Zusatzenergie muss diese beliebig oft und in kurzen Abständen verfügbar sein. Im Kapitel Einspeisung von Zusatzenergie wurden die Konzepte elektrische unterstützter ATL sowie elektrischer Zusatzverdichter miteinander verglichen. Mit Hilfe rechnerischer Parameterstudien wurden die Randbedingungen für den Einsatz eines elektrischen Verdichters ermittelt. Dabei wurde festgestellt, dass die Dimensionierung des eingesetzten Boosterverdichters ein Kompromiss zwischen Potential im Transientbetrieb und ausreichender Kennfeldbreite zur Anhebung der stationären Volllast im untersten Motordrehzahlbereich ist. Die Berechnungen haben zudem ergeben, dass die zu erwartende Begrenzung der verfügbaren elektrischen Bordnetzleistung den eBooster vorrangig für den Einsatz von Motoren mit einem Hubraum kleiner 2.5 l prädestiniert. Eine weitere Variante sieht die serielle Anordnung eines mechanisch angetriebenen Zusatzverdichters vor. Für die Umsetzung als zuschaltbares System reduziert sich die Auswahl auf einen mit geringem Massenträgheitsmoment gekennzeichneten Spirallader. Als dritte Variante wurde eine geregelte zweistufige Aufladung aufgegriffen. Der Vergleich der Simulationsergebnisse wies für alle drei Varianten das Potential zur Umsetzung der formulierten Forderung zur Dynamikverbesserung nach. Bei einer Motordrehzahl von 2000 U/min erreichten der Pscroll nach 580 ms und die beiden anderen Varianten nach jeweils 850 ms das Zielmoment. Gleichzeitig ergab die Analyse des für den Druckaufbau im System verantwortlichen Parameters Massenstrom der Strömungsmaschinen eine unterschiedliche Charakteristik der einzelnen Varianten. Während der Pscroll unabhängig von der Motordrehzahl sofort nach Lastaufschaltung eine hohe Überschussluftmasse, bezogen auf die vom Motor geschluckte Masse, fördert, vergeht sowohl beim eBooster als auch bei der zweistufigen Aufladung durch die notwendige Hochlaufzeit der Radialverdichter eine Zeitspanne bis zum Aufbau einer Überschussmasse. Die Zeitspanne während des Hochlaufs von der Ausgangsdrehzahl bis zur Enddrehzahl beträgt beim Pscroll nur etwa 80 ms, während bei den anderen Systemen ein Zeit von weniger als 400 ms auch theoretisch nicht darstellbar ist. Bei dem Übergang zu realen Hardwarekomponenten am Prüfstand vergrößerte sich der Abstand zwischen Pscroll und dem elektrischen Zusatzverdichter. Das System Pscroll greift auf weitestgehend bekannte und erprobte Technik zurück, wodurch gegenüber der Simulation keine Einschränkungen zu verzeichnen waren. Mit dem eBooster ergaben sich für den Elektromotor deutliche Abweichungen von dem für die Simulation zur Verfügung gestellten Wirkungsgradverlauf über der Drehzahl im Vergleich zum Tatsächlichen. Speziell in der Beschleunigungsphase ergeben sich gravierende Einbussen. Mit dem höheren Leistungsangebot am Prüfstand (4 kW statt 2.5 kW) gegenüber der Simulation konnte das Potential des Systems nachgewiesen werden. Bei einer Leistungsbeschränkung reduzieren sich die Gewinne spürbar.

Die vorliegende Arbeit untersucht die triboelektrische Aufladung von Kunststoffen in der Wirbelschicht, wobei die Aufladung der einzelnen Kunststoffe im Mittelpunkt steht. Parallel dazu erfolgt die Charakterisierung der Kunststoffoberfläche, u.a. hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, der Lewis-Säure/Base-Eigenschaften und ihres spezifischen Oberflächenwiderstandes. Ausgehend vom Aufladungsverhalten der einzelnen Kunststoffe werden die Zusammenhänge zwischen der triboelektrischen Aufladung der Kunststoffe und ihren Oberflächeneigenschaften aufgezeigt und daraus auf das Aufladungsverhalten der Komponenten in Zwei- bzw. Mehrkomponenten-Gemischen geschlossen. Das Aufladungsverhalten der einzelnen Kunststoffe sowie das der Komponenten in einem Kunststoffgemisch wird bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit durch die Elektronen-Akzeptor/Donator-Eigenschaften der Kunststoffoberfläche bestimmt. Diese können mit den Lewis-Säre/Base-Parametern charakterisiert werden.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung des Energiebedarfs elektrischer Fahrzeuge des ÖPNV auf Basis von Wahrscheinlichkeitsdichten entwickelt, das insbesondere eine Dimensionierung von fahrzeugseitigem Energiespeichersystem und wegseitiger Energieversorgungsinfrastruktur in einem fahrleitungsfreien Betriebskonzept (DockingPrinzip) erlaubt. Im Gegensatz zur deterministischen Energiebedarfsbestimmung ermöglicht die stochastische Modellierung mit einer Kombination aus Markov-Kette und Semi-Markov-Prozess die Berücksichtigung von Zuverlässigkeitsvorgaben im Sinne einer Missionserfüllung. Schließlich kann so die Größe hybrider Fahrzeugenergiespeichersysteme und die Lage von Nachladestationen entlang der Strecke optimiert werden. Die Wirksamkeit der Modellierung wird anhand einer Fallstudie basierend auf Messdaten für ein Straßenbahnfahrzeug demonstriert. Für die Auslegung der wegseitigen Energieversorgungsinfrastruktur werden die Belastungsgänge des Nachladeprozesses in Form von zeitgewichteten Belastungsdauerkurven für charakteristische Netztopographien hergeleitet. Ein Laden des fahrzeugseitigen Energiespeichers aus einer wegseitigen Energie-Vorsammel-Station (Docking-Station) bringt einerseits eine erhebliche Glättung des Leistungsverlaufs beim Energiebezug. Andererseits ist ein elektrischer Anschluss dieser Station an das Niederspannungsnetz in gewöhnlichen städtischen Siedlungsstrukturen innerhalb weniger hundert Meter möglich.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung der komplexen Belastungssituation beim Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression von Karton innerhalb geeigneter Ersatzversuche und deren Validierung mit Hilfe eines empirischen Models. Das Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression stellt eine Möglichkeitzur Herstellung von dreidimensionalen Hohlkörpern mit hohem Umformgrad aus naturfaserbasierten, flächigen Halbzeugen mit geringem Vorfertigungsgrad dar.Aufbauend auf der Darstellung und Abgrenzung des Umformverfahrens werden relevante Prozessgrößen und deren Charakterisierung durch geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Wissenschaft recherchiert und bewertet. Zudem werden Möglichkeiten erörtert, die Ergebnisse der Ersatzversuche mit den Daten aus dem Umformverfahren zu vergleichen. Aus den technischen und wissenschaftlichen Defiziten ergibt sich die Zielsetzung und weitere Vorgehensweise dieser Arbeit.Zur Lösung der Problemstellung werden den identifizierten Prozessgrößen geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Technik zugeordnet bzw. neue Ersatzversuche entwickelt und im Rahmen eines modularen Versuchsstandes technisch umgesetzt. Zur Vorbereitung der experimentellen Analyse der ausgewählten Ersatzversuche werden Referenzversuche mit dem Umformverfahren innerhalb festgelegter Parametergrenzen durchgeführt. Bei der anschließenden Durchführung der Ersatzversuche wird vor allem die Verlässlichkeit der Ergebnisse berücksichtigt, indem die Anzahl der Versuche jeder Versuchsreihe an die Ergebnisauswertung angepasst wird.Durch die Modifikation des Umformverfahrens können die Ergebnisse der Ersatzversuche innerhalb eines stufenweise komplexer werdendes, empirischen Modelsmit denen des Referenzversuchs verglichen und bewertet werden. Die Charakterisierung der Prozesskraftkomponenten wird für vier faserbasierte Materialien durchgeführt,die teilweise mit einer polymeren Funktionsschicht ausgestattetsind.Abschließend werden die Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst dargestellt und daraus folgende Forschungsansätze abgeleitet. / The purpose of this thesis is to present a newly developed method to investigate thecomplexload situation during the deep-drawing of paperboard within suitable substitute tests and its validation withinan empirical model.Deep drawing with direct compression represents analternativefor the production of three-dimensional traysfrom natural, fiber-based materials with a low degree of prefabrication.Based on the definition and description of the deep-drawing process within the literature, relevant process forces and associated substitute tests are identifiedand discussed. In addition, approachesare discussed to compare the results of the substitute tests with the data from the deep-drawingprocess. The objective and further procedure of this thesisresults from the technical and scientific deficits.The approach of this thesisis it to present a new, modular testing rig based on the substitute test which were chosen from the literature or were newly developed.In preparation ofthe experimental analysis of the selected substitutetests, reference tests are carried out with the forming process within specified parameter limits. In the subsequent implementation of the substitutetests, the reliability of the results is consideredabove all by adapting the number of tests in each test series parallel to the evaluation of the results. By modifying the forming process, the results of the substitute tests can be compared and evaluated with those of the reference test within an empirical model that becomes progressively more complex. The characterization of the process force components iscarried out for four fiber-based materials, some of which are equipped with a polymer functional layer.Finally, the results of this work are summarized,and the following research approaches are derived from them.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung des Energiebedarfs elektrischer Fahrzeuge des ÖPNV auf Basis von Wahrscheinlichkeitsdichten entwickelt, das insbesondere eine Dimensionierung von fahrzeugseitigem Energiespeichersystem und wegseitiger Energieversorgungsinfrastruktur in einem fahrleitungsfreien Betriebskonzept (DockingPrinzip) erlaubt. Im Gegensatz zur deterministischen Energiebedarfsbestimmung ermöglicht die stochastische Modellierung mit einer Kombination aus Markov-Kette und Semi-Markov-Prozess die Berücksichtigung von Zuverlässigkeitsvorgaben im Sinne einer Missionserfüllung. Schließlich kann so die Größe hybrider Fahrzeugenergiespeichersysteme und die Lage von Nachladestationen entlang der Strecke optimiert werden. Die Wirksamkeit der Modellierung wird anhand einer Fallstudie basierend auf Messdaten für ein Straßenbahnfahrzeug demonstriert. Für die Auslegung der wegseitigen Energieversorgungsinfrastruktur werden die Belastungsgänge des Nachladeprozesses in Form von zeitgewichteten Belastungsdauerkurven für charakteristische Netztopographien hergeleitet. Ein Laden des fahrzeugseitigen Energiespeichers aus einer wegseitigen Energie-Vorsammel-Station (Docking-Station) bringt einerseits eine erhebliche Glättung des Leistungsverlaufs beim Energiebezug. Andererseits ist ein elektrischer Anschluss dieser Station an das Niederspannungsnetz in gewöhnlichen städtischen Siedlungsstrukturen innerhalb weniger hundert Meter möglich.