Lang-Lkw sind ein neues Fahrzeugkollektiv, das aus fünf verschiedenen Fahrzeugkombi-nationen besteht. Die unterschiedlichen Lang-Lkw können bis zu L = 25,25 m lang sein. Durch die größere Länge ergeben sich gegenüber konventionellen Lkw abweichende fahrgeometrische Eigenschaften. Im Ausland sind Lang-Lkw teils seit mehreren Jahrzehnten im Einsatz. Die Aus-wirkungen auf das deutsche Straßennetz sind aus den ausländischen Erfahrungsberichten je-doch nicht abschätzbar. In Deutschland gab es bisher vereinzelte Fahrversuche. Diese Fahrver-suche konnten aber durch ihre eng abgesteckten Randbedingungen nicht auf das gesamtdeut-sche Netz übertragen werden. Daher wurde vom 01.01.2012 bis 31.12.2016 ein großangelegter Feldversuch in Deutschland durchgeführt. Im Feldversuch sollten wirtschaftliche, betriebliche und fahrzeugtechnische Fragestellungen beantwortet werden. Die Ergebnisse der begleitenden Forschung haben gezeigt, dass Lang-Lkw die vorhandenen Verkehrsanlagen befahren können. Entwurfsempfehlungen für die Fortschreibung der Regelwerke konnten aus den bisherigen Arbeiten noch nicht abgeleitet werden. Aus diesem Grund lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Befahrbarkeit von Verkehrsanlagen. Das Ziel war es, praxisgerechte Empfehlungen für die Planung von Autobahnen, Landstraßen sowie von Nebenanlagen zusammenzufassen. Eingangs wurde in umfangreichen Fahrversuchen das Fahrverhalten der Lang-Lkw auf Auto-bahnen, Landstraßen und Rastanlagen erhoben. Dazu wurden verschiedene Erfassungsmetho-den angewendet. Mit Nachfolgefahrten und einer anschließenden fotogrammetrischen Auswer-tung wurde das Fahrverhalten der Lang-Lkw erfasst. Des Weiteren wurde auf Rastanlagen und Knotenpunkten das Fahrverhalten mit einem stationären Laserscanner aufgenommen. Anhand der Fahrversuche entstanden Schleppkurven der Fahrzeuge auf den vermessenen Verkehrsan-lagen. Anhand der realen Schleppkurven aus den Messungen wurden die Fahrzeuge in einem Simula-tionstool kalibriert. In einem zweiten Schritt wurde jenes Fahrzeug gewählt, das mit seiner Schleppkurve die Schleppkurven der anderen Lang-Lkw mit abdeckt. Auf Grundlage dieses repräsentativen Fahrzeuges konnten weitere vertiefende fahrgeometrische Simulationen auf unterschiedlichen Verkehrsanlagen durchgeführt werden. In der Auftragsforschung für die BASt wurde in Zusammenarbeit mit Fahrzeugtechnikern der TU München eine umfassende statistische Auswertung von Fahrzeugdaten durchgeführt, um ein 85%-Fahrzeug für die Lang-Lkw zu bestimmen (LIPPOLD U. A. 2019). Das dabei bestimmte Be-messungsfahrzeug entspricht in seinen Abmessungen dem in dieser Arbeit verwendeten reprä-sentativen Lang-Lkw. Als Ergebnis der weiterführenden Simulationen wurden geometrische Empfehlungen für Ent-wurfselemente und Prüfroutinen für die Freigabe des Streckennetzes abgeleitet. Konkret sind diese Empfehlungen zum Entwurf von Knotenpunkten an Autobahnen, Anschlussstellen, Nothal-tebuchten, Rastanlagen und Knotenpunkten im nachgeordneten Netz. Die Empfehlungen wer-den im Kapitel 6 als Hinweise für die Planungspraxis diskutiert. Lang-Lkw werden künftig an Bedeutung gewinnen, um Lkw-Fahrten zu reduzieren. Mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit ist eine entsprechende entwurfstechnische Anpassung der Verkehrsanlagen auf Autobahnen und auf Knotenpunkten sowie die Prüfung des Streckennetzes möglich.:Vorwort 6 Inhaltsverzeichnis 7 1 Einleitung 10 2 Stand der Forschung 11 2.1 Konzepte für Lang-Lkw 11 2.2 Technischer Aufbau von Lang-Lkw 14 2.3 Einsatz von Lang-Lkw 14 2.3.1 Grundlagen für den Betrieb von Lang-Lkw auf öffentlichen Straßen 14 2.3.2 Wissenschaftliche Begleitforschung 15 2.4 Fahrgeometrische Grundlagen 15 2.5 Beeinflussung des Kurvenfahrverhaltens 18 2.6 Ausnutzung des „BO-Kraftkreises“ 21 2.7 Fahrverhalten auf Kreuzungen und Einmündungen 24 2.8 Fahrverhalten auf Kreisverkehren 25 2.9 Parken von Lang-Lkw 26 2.9.1 Auslastung von Rastanlagen 26 2.9.2 Untersuchungen zur Umgestaltung von Parkflächen für Lang-Lkw 27 2.9.3 Internationale Untersuchungen zur Parkraumgestaltung für Lang-Lkw 27 2.9.4 Lösungsansätze für den Parkraumbedarf 31 2.10 Schlussfolgerungen für die Festlegung der Methodik 34 3 Stand des Regelwerkes 36 3.1 Fahrzeuggrundmaße nach StVZO 36 3.2 Verkehrsraum und Lichtraumprofil 36 3.3 Autobahnen 37 3.3.1 Autobahnknotenpunkte 38 3.3.2 Nothaltebuchten 39 3.4 Plangleiche Knotenpunkte im nachgeordneten Netz 40 3.4.1 Elemente plangleicher Knotenpunkte 40 3.4.2 Elemente von Kreisverkehren 41 3.5 Rastanlagen 42 3.6 Schlussfolgerungen für die Festlegung der Methodik 43 4 Ziel der Untersuchung und Vorgehensweise 44 4.1 Untersuchungsziel 44 4.2 Untersuchungsmethodik 45 4.2.1 Nachfolgefahrten 45 4.2.2 Messtechnik am Lkw 47 4.2.3 Lasermessung von Fahrvorgängen 48 4.2.4 Vermessung der Verkehrsanlagen 50 4.2.5 Simulation von Schleppkurven 51 4.3 Auswahl der Fahrzeugtypen 51 4.4 Durchführung der Untersuchung 53 4.4.1 Feldmessung an Autobahnen 53 4.4.2 Simulationen an Autobahnen 54 4.4.3 Feldmessungen im nachgeordneten Netz 55 4.4.4 Simulationen auf plangleichen Knotenpunkten 57 4.4.5 Messungen und Simulationen auf Rastanlagen 60 5 Darstellung und Interpretation der Ergebnisse 62 5.1 Autobahnen 62 5.1.1 Indirekte Rampen 62 5.1.2 Eingeschränkte Querschnitte in Rampen 63 5.1.3 Ein- und Ausfädelungsstreifen 64 5.1.4 Verflechtungsstrecken 66 5.1.5 Nothaltebuchten 67 5.2 Landstraßen (nachgeordnetes Netz) 70 5.2.1 Einmündungen und Kreuzungen 71 5.2.1.1 Feldmessungen auf plangleichen Knotenpunkten 71 5.2.1.2 Simulationen auf plangleichen Knotenpunkten 76 5.2.2 Kreisverkehre 81 5.2.2.1 Feldmessungen auf Kreisverkehren 81 5.2.2.2 Simulationen auf Kreisverkehren 83 5.3 Rastanlagen 86 5.3.1 Luftbildanalyse 86 5.3.2 Fahrversuche auf Rastanlagen 89 5.3.2.1 Schrägparken 90 5.3.2.2 Längsparken 91 5.3.2.3 Befahren von GST-Parkstreifen 93 5.3.2.4 Mischnutzung 94 5.3.3 Simulationen auf Rastanlagen 96 5.3.3.1 Fahrgassen und Verzweigungen 96 5.3.3.2 Schrägparken 98 5.3.3.3 Längsparken 101 5.3.3.4 Telematikgestütztes Parken auf überlangen Schrägparkständen 103 5.3.3.5 Nutzung von Trenninseln 106 5.3.3.6 Temporäre Parkstandfreigabe 111 6 Empfehlungen für den Einsatz von Lang-Lkw 115 6.1 Entwurfselemente für Autobahnen 115 6.2 Entwurfselemente für Landstraßen 116 6.3 Entwurfselemente für Rastanlagen 118 6.3.1 Umbaumaßnahmen 118 6.3.2 Ausbaumaßnahmen 121 6.3.3 Neubaumaßnahmen 122 6.4 Verkehrstechnische und verkehrsrechtliche Empfehlungen 123 7 Zusammenfassung 124 Literaturverzeichnis 125 Abbildungsverzeichnis 131 Tabellenverzeichnis 138 Verzeichnis der Anhänge 139 Anhang 140

Die Veröffentlichung „Schwere Nutzfahrzeuge – Standards und Normen für alternative Antriebe“ der NPM AG6 analysiert den aktuellen Stand der Normung und Standardisierung im Bereich alternativer Antriebssysteme für schwere Nutzfahrzeuge und formuliert auf dieser Basis Empfehlungen an die Normungsgremien und politischen Handlungsträger. Betrachtet werden nur die Antriebstechnologien, die von den Arbeitsgruppen der NPM als Zukunftstechnologien definiert wurden. Es wird in diesem Zusammenhang keine Bewertung dieser Zukunftstechnologien vorgenommen, sondern ausschließlich der Status der Normungsarbeiten und eventuell bestehende Lücken aufgezeigt. Die betrachteten alternativen Antriebstechnologien sind die folgenden: Oberleitungs-Lkw, NFZ mit BZ-Systemen, batterieelektrische NFZ (mit Megawatt Charging System [MCS]) und strombasierte Kraftstoffe. Für die Oberleitungs-Lkw und die batterieelektrisch betriebenen Nutzfahrzeuge gibt es bereits ein umfangreiches Normenwerk, das kontinuierlich an den aktuellen Stand der Technik und an die besonderen Herausforderungen von Nutzfahrzeugen angepasst werden muss. Für mit einem BZ-System betriebene NFZ sind fahrzeugseitig ebenfalls die nötigen normativen Grundlagen bereits geschaffen. Das Normenwerk für die Betankungsschnittstellen muss geprüft und im Bedarfsfalle für höhere Drücke oder flüssigen Wasserstoff angepasst werden. Der Handlungsbedarf bei strombasierten Kraftstoffen und Wasserstoff wird derzeit durch die bestehenden Normungsgremien adressiert. Allgemein lässt sich festhalten, dass im Vergleich zu früher, die Normungsarbeit heute die nötigen Schnittstellen und die grundsätzlichen Anforderungen praktisch vor oder zeitgleich mit der Entwicklung und der Markteinführung durchgeführt werden muss. Umso entscheidender wird es in Zukunft sein, die Normungsgremien mit den dafür notwendigen Kapazitäten und Mitteln auszustatten.:Kurzfassung Executive Summary 1 Einleitung 2 Schwere Nutzfahrzeuge als besondere Herausforderung 3 Verfügbare und Betrachtete Technologien 4 Stand der Normen 4.1 Betrachtungsumfang 4.2 Oberleitungs-Lkw 4.3 Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzelle 4.4 Batterieelektrische NFZ mit Megawatt Charging System (MCS) 4.5 Strombasierte Kraftstoffe: Wasserstoff und synthetische Folgeprodukte 5 Fazit Impressum / Based on an analysis of the current state of standardisation and norms related to alternative drive systems for heavy commercial vehicles, the publication “Heavy commercial vehicles – standards and norms for alternative drive systems” by the NPM’s WG6 contains recommendations for standardisation bodies and political actors. Only drive technologies which were deemed to be technologies of the future by the NPM’s working groups are being given consideration. In this context, the technologies are not evaluated as such, but the current state of standardisation work and potential gaps are demonstrated. The following alternative drive technologies form part of the publication: overhead line HGVs, commercial vehicles with fuel cell systems, battery-electric commercial vehicles (with Megawatt Charging System (MCS)) and electricity-based fuels. A comprehensive body of norms is already available for overhead line HGVs and battery-electric commercial vehicles. These norms need to be continuously amended to take into account the state of the art and the particular challenges posed by commercial vehicles. The necessary normative basis for commercial vehicles powered by fuel cell systems has also been established as far as vehicles are concerned. The normative body for fuelling interfaces needs to be checked and if necessary adapted to allow for higher pressure or for hydrogen. The to-do-list for electricity-based fuels and hydrogen is currently being addressed by the existing standardisation bodies. It is to be noted that in general, today’s standardisation work in terms of the necessary interfaces and basic requirements needs to be carried out prior to or simultaneously with their development and market launch. In future, it will be all the more important to provide standardisation bodies with the necessary capacities and funds.:Kurzfassung Executive Summary 1 Einleitung 2 Schwere Nutzfahrzeuge als besondere Herausforderung 3 Verfügbare und Betrachtete Technologien 4 Stand der Normen 4.1 Betrachtungsumfang 4.2 Oberleitungs-Lkw 4.3 Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzelle 4.4 Batterieelektrische NFZ mit Megawatt Charging System (MCS) 4.5 Strombasierte Kraftstoffe: Wasserstoff und synthetische Folgeprodukte 5 Fazit Impressum

A top-down approach is presented to achieve cost reduction and optimization of the fuel cell system for a medium duty truck. Key inputs are customer usage and drive cycles leading to optimization of power and torque needs, followed by a three-way optimization between fuel cell system, hydrogen storage and battery size. This is supported by technological developments to reduce component costs / Ein Top-Down-Ansatz zur Reduzierung der Kosten des Brennstoffzellensystems eines Lastkraftwagens wird vorgestellt. Haupteingangsdaten, wie Kundenfahrzyklen und Verbrauch werden benutzt erforderliche Leistung und Drehmoment zu ermitteln und optimieren. Ein Optimierungsverfahren zwischen dem BZ System, dem Wasserstoffspeicher und der Batterie folgt um einen optimierten E-Antriebsstrang für das Fahrzeug darzustellen. Der Prozess wird von technologischen Fortschritten untermauert, um weitere Kostenreduzierung auf Komponentenebene zu erreichen.

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.

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

zweimal im Jahr erscheinende Zeitschrift über aktuelle Themen der TU Chemnitz, ergänzt von Sonderheft(en)

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