Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität. / Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.

La gestion thermique est un des moyens de réduction de la consommation spécifique d’un véhicule. Avec le réchauffement climatique, les normes de dépollution deviennent de plus en plus sévères et les constructeurs automobiles cherchent à améliorer le rendement des véhicules. Le but de ces travaux de recherche est de valoriser, par simulation numérique, les nouveaux systèmes de gestion thermique en fonction du cycle d’homologation et de la température ambiante.Un modèle de simulation 1-D du moteur et de ses circuits de refroidissement et de lubrification ont été développés en utilisant le logiciel GT-Suite. Quatre cycles d’homologation ont été choisis : NEDC, WLTC, AH et AU. De plus, un nouveau cycle a été proposé durant cette étude. Le bilan d’énergie effectué pendant les différentes phases des cycles souligne l’importance du stockage et de la récupération d’énergie.Le stockage d’énergie dans un volume eau et/ou d’huile abouti à l’amélioration de la montée en température des deux fluides. Plusieurs configurations ont été proposées comme, par exemple, un carter d’huile multifonctionnel.Ainsi, une réduction importante de la consommation en carburant est obtenue.La récupération de chaleur au sein des gaz d’échappement est ensuite mise en oeuvre. L’échangeur est caractérisé sur un banc d’essais puis modélisé. Le réchauffement indirect et direct d’huile abouti à une réduction importante des frottements et de la consommation. Une configuration est proposée afin de contrôler la température maximale de l’huile.Finalement, différentes stratégies comme : le type d’huile, l’isolation du moteur, une température de régulation plus élevée etc… ont été étudiées et valorisées. / Thermal management proved itself in improving the fuel efficiency of the engine. Nowadays, automotive companies tend to apply different strategies to answer the greenhouse severe laws. The PhD aim is to valorize and analyze the different thermal management strategies with numerical simulations over different driving cycles and ambient conditions. A 1-D simulation code of the engine and its hydraulic circuits were built using GT-Suite. Four known driving cycles were chosen: NEDC, WLTC, AH and AU. In addition, an in-house developed driving cycle was introduced. An energy balance made over the different stages of the driving cycles underlines the importance of the heat storage and the exhaust heat recovery strategies.Heat recovery was applied over the coolant and the oil at ambient temperatures of -7°C and 20°C. Hot coolant storage and hot oil storage led to improve the coolant and lubricant initial temperatures respectively. Different configurations (total of 7) were proposed and studied. A multifunctional oil sump was introduced. Important fuel consumption savings were obtained. Exhaust heat recovery was then valorized. Heat exchanger was characterized over experimental setup then added to the engine model. Indirect and direct heating of the lubricant as well as both strategies back to back were tested. Remarkable friction reduction and fuel savings were obtained. Special configuration was proposed to control the lubricant high temperature instead of the bypass on the exhaust line. The study ended by valorizing minor strategies as the oil’s grade influence, the engine insulation, high temperature set point …

Energy and environmental impacts are two factors that will influence urban region composition in the near future. One emerging issue is the effect on water usage resulting from changes in regional or urban transportation trends. With many regions experiencing stresses on water availability, transportation planners and users need to combine information on transportation-related water consumption for any region and assess potential impacts on local water resources from the expansion of alternative transportation modes. This thesis will focus on use-phase water consumption factors for multiple vehicle modes, energy and fuel pathways, roads, and vehicle infrastructure for a given transportation network. While there are studies examining life cycle impacts for energy generation and vehicle usage, few repeatable models exist for assessing overall water consumption across several transportation modes within urban regions. As such, the question is: is it possible to develop a traceable decision support model that combines and assesses water consumption from transportation modes and related mobility infrastructure for a given mobility network? Based on this, an object-oriented system model of transportation elements was developed using the Systems Modeling Language (SysML) and Model-Based Systems Engineering principles to compare water consumption across vehicle modes for assessing the resiliency of existing infrastructure and water resources. To demonstrate the intent of this model, daily network usage water consumption will be analyzed for current and alternative network scenarios projected by policies regarding the expansion of alternative energy. The model is expected to show variations in water consumption due to fluctuations in energy pathways, market shares, and driving conditions, from which the model should help determine the feasibility of expanding alterative vehicles and fuels in these networks. While spatially explicit data is limited compared to the national averages that are used as model inputs, the analytical framework within this model closely follows that of existing assessments and the reusable nature of SysML model elements allows for the future expansion of additional transportation modes and infrastructure as well as other environmental analyses.

Purpose of this project is a) the evaluation of the Thrust Specific Fuel Consumption (TSFC) of jet engines in cruise as a function of flight altitude, speed and thrust and b) the determination of the optimum cruise speed for maximum range of jet airplanes based on TSFC characteristics from a). Related to a) a literature review shows different models for the influence of altitude and speed on TSFC. A simple model describing the influence of thrust on TSFC seems not to exist in the literature. Here, openly available data was collected and evaluated. TSFC versus thrust is described by the so-called bucket curve with lowest TSFC at the bucket point at a certain thrust setting. A new simple equation was devised approximating the influence of thrust on TSFC. It was found that the influence of thrust as well as of altitude on TSFC is small and can be neglected in cruise conditions in many cases. However, TSFC is roughly a linear function of speed. This follows already from first principles. Related to b) it was found that the academically taught optimum flight speed (1.316 times minimum drag speed) for maximum range of jet airplanes is inaccurate, because the derivation is based on the unrealistic assumption of TSFC being constant with speed. Taking account of the influence of speed on TSFC and on drag, the optimum flight speed is only about 1.05 to 1.11 the minimum drag speed depending on aircraft weight. The amount of actual engine data was extremely limited in this project and the results will, therefore, only be as accurate as the input data. Results may only have a limited universal validity, because only four jet engine types were analyzed. One of the project's original value is the new simple polynomial function to estimate variations in TSFC from variations in thrust while maintaining constant speed and altitude.

Purpose - Find optimal flight and design parameters for three objectives: minimum fuel consumption, Direct Operating Costs (DOC), and environmental impact of a passenger jet aircraft. --- Approach - Combining multiple models (this includes aerodynamics, specific fuel consumption, DOC, and equivalent CO2 mass) into one generic model. In this combined model, each objective's importance is determined by a weighting factor. Additionally, the possibility of further optimizing this model by altering an aircraft's wing loading is analyzed. --- Research limitations - Most models use estimating equations based on first principles and statistical data. --- Practical implications - The optimal cruise altitude and speed for a specific objective can be approximated for any passenger jet aircraft. --- Social implications - By using a simple approach, the discussion of optimizing aircraft opens up to a level where everyone can participate. --- Value - To find a general answer on how to optimize aviation, operational and design-wise, by using a simple approach.

This thesis explains how the classified design parameters of existing passenger jets can be determined. The classified design parameters are; the maximum lift coefficient for landing and take-off, the maximum aerodynamic efficiency and the specific fuel consumption. The entire concept is based on the preliminary sizing of jet powered civil aeroplanes. This preliminary sizing is explained in detail because it is the foundation of the final result. The preliminary sizing is combined using reverse engineering which is not a strict method. Therefore, only the basics are explained. By applying reverse engineering on the preliminary sizing and aiming for the classified design parameters as output, formulas are derived to calculate the maximum lift coefficients, the maximum aerodynamic efficiency and the specific fuel consumption. The goal is to calculate these parameters, using only aircraft specifications that are made public by the manufacturer. The calculations are complex with mutual relations, iterative processes and optimizations. Therefore, it is interesting to integrate everything in a tool. The tool is built in Microsoft Excel and explained in detail adding operating instructions. The program is executed for miscellaneous aeroplanes, supported with the necessary comments. Investigated aeroplanes are: Caravelle 10B (Sud-Aviation), Boeing 707-320C, BAe 146-200 (British Aerospance), A320-200 (Airbus), "The Rebel" (based on A320), Boeing SUGAR High, Boeing 747-400, Blended Wing Body VELA 2 (VELA) and Dassault Falcon 8X.

Purpose - This thesis presents a comparison of aircraft design concepts to identify the superior propulsion system model among turbo-hydraulic, turbo-electric and classic jet propulsion with respect to Direct Operating Costs (DOC), environmental impact and fuel burn. --- Approach - A simple aircraft model was designed based on the Top-Level Aircraft Requirements of the Airbus A320 passenger aircraft, and novel engine concepts were integrated to establish new models. Numerous types of propulsion system configurations were created by varying the type of gas turbine engine and number of propulsors. --- Findings - After an elaborate comparison of the aforementioned concepts, the all turbo-hydraulic propulsion system is found to be superior to the all turbo-electric propulsion system. A new propulsion system concept was developed by combining the thrust of a turbofan engine and utilizing the power produced by the turbo-hydraulic propulsion system that is delivered via propellers. The new partial turbo-hydraulic propulsion concept in which 20% of the total cruise power is coming from the (hydraulic driven) propellers is even more efficient than an all turbo-hydraulic concept in terms of DOC, environmental impact and fuel burn. --- Research Limitations - The aircraft were modelled with a spreadsheet based on handbook methods and relevant statistics. The investigation was done only for one type of reference aircraft and one route. A detailed analysis with a greater number of reference aircraft and types of routes could lead to other results. --- Practical Implications - With the provided spreadsheet, the DOC and environmental impact can be approximated for any commercial reference aircraft combined with the aforementioned propulsion system concepts. --- Social Implications - Based on the results of this thesis, the public will be able to discuss the demerits of otherwise highly lauded electric propulsion concepts. --- Value - To evaluate the viability of the hydraulic propulsion systems for passenger aircraft using simple mass models and aircraft design concept.

Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis / Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis

[ES] Con el aumento de la demanda de soluciones más amigables con el medio ambiente en la industria de la automoción, el motor de combustión interna alternativo (MCIA) enfrenta actualmente grandes desafíos para minimizar su consumo de recursos no renovables y especialmente, para reducir sus emisiones contaminantes. Debido a que el aporte de los MCIAs es fundamental para cubrir las necesidades de movilidad y de generación de energía alrededor de todo el mundo, y el hecho de que diferentes alternativas, como los motores eléctricos e hibrido, están y continuaran enfrentado múltiples obstáculos para su implementación masiva en el futuro cercano, la investigación continua en MCIA es fundamental para cumplir con los propósitos de reducción de emisiones. En este aspecto, una aproximación para el aumento de la eficiencia del motor y la reducción del consumo de combustible es mediante la implementación de alternativas dirigidas a reducir las pérdidas mecánicas por fricción. Estas alternativas tribológicas incluyen aquellas que requieren modificaciones en los componentes del motor, como materiales y acabados superficiales, y el uso de formulaciones de aceite lubricante de menor viscosidad o aditivos que mejoren las condiciones de lubricación del motor. Con la contante evolución y mejoras en el MCIA y las condiciones de trabajo cada vez más severas, también surgen nuevas alternativas tribológicas para enfrentar los nuevos desafíos del motor, y por tanto se requiere de investigaciones adicionales en este tema. Durante el desarrollo de esta Tesis, uno de los objetivos consistió en contribuir a la investigación del uso de aceites de baja viscosidad para el ahorro de combustible como un efecto conjunto con las condiciones de conducción del vehículo. Para llevar a cabo este objetivo, se desarrollaron ensayos experimentales bajo condiciones estacionarias en un banco de motor con formulaciones de aceite de diferente viscosidad HTHS, algunas de ellos con aditivo modificador de fricción para expandir el rango de reducción de fricción a condiciones de lubricación más severas. Los mapas de consumo de combustible resultantes de estos ensayos fueron utilizados en un modelo de simulación del vehículo para estimar su consumo de combustible como función del aceite y las condiciones de trabajo de tres ciclos de conducción. Con el objetivo de expandir los conocimientos en los fundamentos de lubricación de los MCIAs y tener la capacidad de evaluar otras alternativas para reducir las pérdidas por fricción, se consideró necesario enfocar la investigación en el conjunto pistón-camisa, que es el par tribológico con mayor aporte a las perdidas por fricción. Para conseguir este objetivo, durante esta Tesis se desarrolló una maqueta específica para el ensamble pistón-camisa, y un modelo teórico para simular la lubricación del segmento de compresión. Para la primera parte, la maqueta se desarrolló basada en el método de camisa flotante, en el cual la camisa fue aislada del resto del motor y la fuerza de fricción generada en la interfaz pistón-camisa pudo ser medida mediante sensores de fuerza. En esta instalación se desarrollaron diferentes ensayos los cuales permitieron llevar a cabo un análisis exhaustivo de los fundamentos de lubricación de este par tribológico como función de diferentes parámetros que tiene impacto en las condiciones de lubricación. Este estudio se complementó con el desarrollo de un modelo de lubricación para el segmento de compresión basado en el método de diferencias finitas. Finalmente, se llevó a cabo una comparativa de resultados experimentales y teóricos para el segmento de compresión, lo cual permitió validar los ensayos experimentales en la maqueta de camisa flotante, así como el modelo de simulación desde el punto de vista de datos de entrada, condiciones de contorno y supuestos. / [CA] Amb l'augment de la demanda de solucions més amigables amb el medi ambient en la indústria de l'automoció, el motor de combustió interna alternatiu (MCIA) s'enfronta actualment a grans desafiaments per minimitzar el seu consum de recursos no renovables i especialment, per reduir les seves emissions contaminants . Tenint en compte que l'aportació dels MCIA és fonamental per a cobrir les necessitats de mobilitat i generació d'energia arreu de tot el món, i el fet que diferents alternatives, com els motors elèctrics i híbrids, estan i continuaran enfrontat múltiples obstacles per a la seva implementació massiva al proper futur, la investigació contínua en MCIA és fonamental per complir amb els propòsits de reducció d'emissions. En aquest aspecte, una aproximació per a l'augment de l'eficiència del motor i la reducció de consum de combustible és mitjançant la implementació d'alternatives dirigides a reduir les pèrdues mecàniques per fricció. Aquestes alternatives tribològiques inclouen aquelles que requereixen modificacions de components del motor, com materials i acabats superficials, i l'ús de formulacions d'oli lubricant de menor viscositat o additius que milloren les condicions de lubricació del motor. Amb la constant evolució i millores en el MCIA i les condicions de treball cada vegada més severes, també sorgeixen noves alternatives tribològiques per enfrontar els nous desafiaments del motor, i per tant es requereix d'investigacions addicionals en aquest tema. Durant el desenvolupament d'aquesta Tesi, un dels objectius va consistir a contribuir a la investigació de l'ús d'olis de baixa viscositat per a l'estalvi de combustible com un efecte conjunt amb les condicions de conducció de vehicle. Per dur a terme aquest objectiu, es van desenvolupar assajos experimentals sota condicions estacionàries en un banc de motor amb formulacions d'oli de diferent viscositat HTHS, algunes d'elles amb additiu modificador de fricció per expandir el rang de reducció de fricció a condicions de lubricació més severes . Els mapes de consum de combustible resultants d'aquests assajos van ser utilitzats en un model de simulació del vehicle per estimar el seu consum de combustible com a funció de l'oli i les condicions de treball de tres cicles de conducció. Amb l'objectiu d'expandir els coneixements en els fonaments de lubricació dels MCIAs i tenir la capacitat d'avaluar altres alternatives per reduir les pèrdues per fricció, es va considerar necessari enfocar la recerca al conjunt pistó-camisa, que és el parell tribològic amb major aportació a les perdudes per fricció. Per aconseguir aquest objectiu, durant aquesta Tesi es va desenvolupar una maqueta específica per al acoblament pistó-camisa, i un model teòric per simular la lubricació del segment de compressió. Per a la primera part, la maqueta es va desenvolupar basada en el mètode de camisa flotant, en el qual la camisa va ser aïllada de la resta del motor i la força de fricció generada en la interfície pistó-camisa va poder ser mesurada mitjançant sensors de força. En aquesta instal·lació es van desenvolupar diferents assajos els quals van permetre dur a terme una anàlisi exhaustiva dels fonaments de lubricació d'aquest parell tribològic com a funció de diferents paràmetres que tenen impacte en les condicions de lubricació. Aquest estudi es va complementar amb el desenvolupament d'un model de lubricació per al segment de compressió basat en el mètode de diferències finites. Finalment, es va dur a terme una comparativa de resultats experimentals i teòrics per al segment de compressió, la qual cosa va permetre validar els assajos experimentals a la maqueta de camisa flotant, així com el model de simulació des del punt de vista de dades d'entrada, condicions de contorn i hipòtesis. / [EN] With the increasing demand for greener solutions in the automotive industry, the ICE is currently facing great challenges to minimize the consumption of nonrenewable resources and specially to reduce its harmful emissions. Given that the contribution of the ICE is fundamental to cover the actual mobility and power generation needs worldwide, and the fact that different power-train alternatives, such as electric and hybrid vehicles, are and will continue facing multiple obstacles for their large-scale implementation in the near future, the continuous research on the ICE is fundamental in order to meet the emissions reduction targets. In this regard, one approach to increase the engine efficiency and reduce the fuel consumption, is through the implementation of alternatives aimed to reduce the friction mechanical losses. These tribological alternatives include those that require modifications to the engine components, such as materials and surface finishes, and the use of lubricant oil formulation of lower viscosity or additives that improve the lubrication performance of the engine. With the ongoing evolution and improvement of the ICE and the increasingly severe working conditions, new tribological solutions also emerge to face the new challenges in the ICE, and therefore further research is required on this subject. During the development of this Thesis, one of the objectives was to contribute to the research on low viscosity engine oils for fuel economy as a joint effect with the driving conditions of the vehicle. To accomplish this, experimental tests were performed under stationary conditions in an engine bench test for oil formulations of different HTHS viscosity, some of them with friction modifier additive to expand the friction reduction effect to more severe lubrication conditions. The resultant fuel consumption maps were then employed in a vehicle model to estimate the fuel consumption of the vehicle as function of the oil formulation and the working conditions of the three driving cycles. With the aim of expanding the knowledge on the lubrication fundamentals of the engine and to have the capability to assess other alternatives to further reduce the friction mechanical losses, it was deemed necessary to focus the research on the piston-cylinder liner assembly, the tribo-pair of major friction share. In order to achieve this objective, a test rig was developed in this Thesis specific for the piston-liner assembly, and a theoretical model to estimate the lubrication of the piston compression ring. For the first part, the test rig was designed based on the floating liner method, where the cylinder liner was isolated from the rest of the engine and the friction force generated in the piston-liner conjunction could be measured by means of force sensors. Different tests were developed in this test rig which allowed a comprehensive analysis of the piston lubrication fundamentals as function of different parameters having an impact on the lubrication performance of this assembly. This study was complemented with the development of a piston compression ring lubrication model based on the finite differences method. A comparison of experimental and theoretical results was performed for the piston compression ring that helped to validate both the experimental tests in the floating liner and the simulation model from the point of view of input data, boundary conditions and assumptions. / Bastidas Moncayo, KS. (2021). Experimental and analytical study of the mechanical friction losses in the piston-cylinder liner tribological pair in internal combustion engines (ICE) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172188

[EN] This research work presents the study of a low pressure EGR loop influence on a SI gasoline turbocharged direct injection engine in steady and transient testing conditions, with an optimization process of the original engine calibration in order to minimize the engine fuel consumption when cooled EGR is introduced in steady testing conditions. The cooled EGR strategy was also evaluated operating in synergy with other fuel consumption reduction strategies, such as: lean burn, multi-injection, higher coolant temperature and in-cylinder induced swirl motion. To fulfill the main objectives of this research work, firstly, a methodical process was followed, where a global methodology was first developed in order to obtain high accuracy engine tests, based on the experimental tools chosen that could comply with the requirements of the testing conditions, and the appropriate theoretical tools and procedure to post-process the tests performed. Secondly, a specific methodology was developed for each stage of the study and testing conditions, taking into account optimization processes or parametric tests in order to study the effect of a single parameter on engine's outputs or optimize an engine parameter in order to minimize the engine fuel consumption. As a first stage of the study, a basic analysis of the impact of cooled EGR on the engine combustion, performance, air management and exhaust emissions is presented. Afterwards, an optimization of the combustion phasing in order to minimize the fuel consumption was performed, and therefore the potential of cooled EGR in order to reduce the engine fuel consumption was observed for low load, part load and full load engine conditions, for two different engine speeds. In addition, a study in transient conditions of the engine operating with cooled EGR was performed. NEDC cycles were performed with different EGR valve openings and therefore a comparison of different cooled EGR rates influence on the engine performance, air management and accumulated exhaust emissions was presented. The second stage, consisted in a methodology developed to optimize the VVT setting and injection timing, for part load engine conditions, in order to maximize the cooled EGR potential to reduce engine fuel consumption. After this optimization, a synergy analysis of the optimum engine condition operating with cooled EGR and three other engine fuel consumption reduction strategies was performed. These strategies were tested to investigate and evaluate the potential of increasing the cooled EGR operational range to further decrease the engine fuel consumption. Furthermore, a basic study of the potential to reduce the engine fuel consumption and impact on combustion, air management and exhaust emissions of a lean burn strategy, in part load engine conditions, was presented as introduction of the final study of the cooled EGR strategy operating in synergy with the lean burn strategy in order to investigate the potential to control the exhaust emissions and reduce the engine fuel consumption. / [ES] El objetivo de este trabajo de investigación es estudiar la influencia de un lazo de baja presión de EGR en las prestaciones de un motor de gasolina de encendido provocado turbosobrealimentado e inyección directa, en condiciones de ensayos estacionarios y transitorios, con un proceso de optimización de la calibración original del motor para minimizar el consumo de combustible del motor. La estrategia de "cooled EGR" fue también evaluada operando en sinergia con otras estrategias usadas para reducir el consumo de combustible del motor, entre ellas: mezcla pobre, múltiples inyecciones, operación a alta temperatura del fluido refrigerante del motor y movimiento de "swirl" inducido en el cilindro. Para cumplir con los objetivos mencionados, se siguió un proceso metódico donde previamente se desarrolló una metodología global para obtener resultados de indudable calidad, basados en el uso de herramientas experimentales que cumplieran con los requerimientos de las condiciones de ensayo, y las apropiadas herramientas teóricas y procedimiento para post-procesar los ensayos realizados. En segundo lugar, se desarrolló una metodología específica para cada etapa del estudio, teniendo en cuenta los procesos de optimización o estudios paramétricos que se pudieran realizar. Como primera etapa, se presenta un estudio básico del impacto del "cooled EGR" en la combustión, prestaciones, renovación de la carga y emisiones contaminantes del motor. Seguidamente, se procedió a la optimización del centrado de la combustión con la finalidad de minimizar el consumo de combustible del motor y poder analizar el potencial del "cooled EGR" como estrategia de reducción de consumo de combustible. El estudio presentado se realizó para baja, media y alta carga del motor con dos diferentes regímenes de giro del motor. Adicionalmente, se llevó a cabo un estudio del motor operando en condiciones transitorias con "cooled EGR". Se realizaron una serie de ensayos usando el ciclo NEDC como base y se probaron diferentes estrategias sencillas de control de la apertura de la válvula de EGR para analizar la influencia del "cooled EGR" en condiciones transitorias. La segunda etapa consiste en el desarrollo de una metodología para optimizar los parámetros del diagrama de distribución (VVT) y el inicio de inyección, para cargas medias del motor, con la finalidad de maximizar el potencial de reducción de consumo de combustible de la estrategia "cooled EGR". Una vez realizada la optimización, se llevó a cabo un estudio usando la configuración óptima encontrada, operando en sinergia con otras tres estrategias usadas para reducir el consumo de combustible del motor. Estas estrategias fueron evaluadas con la finalidad de incrementar el rango de operación de la estrategia "cooled EGR" para lograr reducir aún más el consumo de combustible del motor. Adicionalmente, se llevó a cabo un estudio básico sobre la influencia de operar con mezcla pobre en la combustión, prestaciones, renovación de la carga y emisiones contaminantes del motor, como introducción al último estudio llevado a cabo sobre la posibilidad de usar la estrategia de mezcla pobre en conjunto con la estrategia de "cooled EGR", con la finalidad de analizar el potencial de controlar las emisiones contaminantes y reducir el consumo de combustible del motor al mismo tiempo. / [CA] L'objectiu d'este treball d'investigació és estudiar la influència d'un llaç de baixa pressió d'EGR en les prestacions d'un motor de gasolina d'encesa provocat turbosobrealimentat i injecció directa, en condicions d'assajos estacionaris i transitoris, amb un procés d'optimització del calibratge original del motor per a minimitzar el consum de combustible del motor. L'estratègia de "cooled EGR" va ser també avaluada operand en sinergia amb altres estratègies usades per a reduir el consum de combustible del motor, entre elles: mescla pobra, múltiples injeccions, operació a alta temperatura del fluid refrigerant del motor i moviment de `"swirl" induït en el cilindre. Per a complir amb els objectius mencionats, es va seguir un procés metòdic on prèviament es va desenrotllar una metodologia global per a obtindre resultats d'indubtable qualitat, basats en l'ús de ferramentes experimentals que compliren amb els requeriments de les condicions d'assaig, i les apropiades ferramentes teòriques i procediment per a post- processar els assajos realitzats. En segon lloc, es va desenrotllar una metodologia específica per a cada etapa de l'estudi, tenint en compte els processos d'optimització o estudis paramètrics que es pogueren realitzar. Com a primera etapa, es presenta un estudi bàsic de l'impacte del "cooled EGR" en la combustió, prestacions, renovació de la càrrega i emissions contaminants del motor. A continuació, es va procedir a l'optimització del centrat de la combustió amb la finalitat de minimitzar el consum de combustible del motor i poder analitzar el potencial del "cooled EGR" com a estratègia de reducció de consum de combustible. L'estudi presentat es va realitzar per a baixa, mitja i alta càrrega del motor amb dos diferents règims de gir del motor. Addicionalment, es va dur a terme un estudi del motor operand en condicions transitòries amb "cooled EGR". Es van realitzar una sèrie d'assajos usant el cicle NEDC com a base i es van provar diferents estratègies senzilles de control de l'obertura de la vàlvula d'EGR per a analitzar la influència del "cooled EGR" en condicions transitòries. La segona etapa consistix en el desenrotllament d'una metodologia per a optimitzar els paràmetres del diagrama de distribució (VVT) i l'inici d'injecció, per a càrregues mitges del motor, amb la finalitat de maximitzar el potencial de reducció de consum de combustible de l'estratègia "cooled EGR". Una vegada realitzada l'optimització, es va dur a terme un estudi usant la configuració òptima trobada, operant en sinergia amb altres tres estratègies usades per a reduir el consum de combustible del motor. Estes estratègies van ser avaluades amb la finalitat d'incrementar el rang d'operació de l'estratègia "cooled EGR" per a aconseguir reduir encara més el consum de combustible del motor. Addicionalment, es va dur a terme un estudi bàsic sobre la influència d'operar amb mescla pobra en la combustió, prestacions, renovació de la càrrega i emissions contaminants del motor, com a introducció a l'últim estudi dut a terme sobre la possibilitat d'usar l'estratègia de mescla pobra en conjunt amb l'estratègia de "cooled EGR", amb la finalitat d'analitzar el potencial de controlar les emissions contaminants i reduir el consum de combustible del motor al mateix temps. / Rivas Perea, ME. (2016). Assessment of fuel consumption reduction strategies on a gasoline turbocharged direct injection engine with a cooled EGR system [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68497