Hannover, Univ., Diss., 2001. / Computerdatei im Fernzugriff.

Hannover, Univ., Diss., 2001. / Computerdatei im Fernzugriff.

Hannover, Universiẗat, Diss., 1999.

Hannover, Universiẗat, Diss., 2001.

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Zugl.: Aachen, Univ., Diss., 2009

One elementary part of a centrifugal compressor is the volute, which is located downstream the impeller. Its purpose is to collect the flow and increase the static pressure by converting kinetic energy into potential energy. Despite its significant effect onto the design point and operating range of the compressor, the number of publications regarding this component is quite small. Therefore, a numerical optimization of the volute housing is performed in order to identify important geometric parameters and find an optimal volute geometry. For this purpose, a new density-based CFD solver for all Mach numbers is developed as well as an automated geometry generation tool for the volute housing. The results show, that a volute with an inlet eccentricity of 0.9 and a slightly lower radial volute channel offers the best compressor efficiency. Moreover, the actual cross-sectional shape of the volute has only a minor influence onto the performance. As a result, the isentropic efficiency could be improved by up to 2 % compared to the reference compressor model, in particular at high off-design flow rates. These results are a novelty in the scientific community and help to design more efficient compressors. / Das Spiralgehäuse eines Radialverdichters wird im Gegensatz zum Laufrad kaum in wissenschaftlichen Arbeiten untersucht. Um wichtige Geometrieparameter und Einflussfaktoren dieses Bauteils zu identifizieren, wird daher eine Optimierung mittels genetischer Algorithmen durchgeführt. Dazu wird zunächst ein dichte-basierter CFD-Löser entwickelt und validiert, um die komplexe Strömung in einem Radialverdichter mit hoher Genauigkeit simulieren zu können. Darauf aufbauend wird das Spiralgehäuse parametrisiert und ein Programm entwickelt, welches die komplexe Geometrie automatisiert erstellt. Durch die neuartige Kombination von numerischer Optimierung, automatisierter Geometrieerstellung und CFD-Simulation des Spiralgehäuses können erstmals Aussagen zur optimalen Geometrie sowie über Verlusteffekte für eine Vielzahl an Geomtrievarianten getroffen werden. Mit Hilfe dieses Wissens können sparsamere und effizientere Radialkompressoren für viele Bereiche des Maschinenbaus entwickelt werden.

One elementary part of a centrifugal compressor is the volute, which is located downstream the impeller. Its purpose is to collect the flow and increase the static pressure by converting kinetic energy into potential energy. Despite its significant effect onto the design point and operating range of the compressor, the number of publications regarding this component is quite small. Therefore, a numerical optimization of the volute housing is performed in order to identify important geometric parameters and find an optimal volute geometry. For this purpose, a new density-based CFD solver for all Mach numbers is developed as well as an automated geometry generation tool for the volute housing. The results show, that a volute with an inlet eccentricity of 0.9 and a slightly lower radial volute channel offers the best compressor efficiency. Moreover, the actual cross-sectional shape of the volute has only a minor influence onto the performance. As a result, the isentropic efficiency could be improved by up to 2 % compared to the reference compressor model, in particular at high off-design flow rates. These results are a novelty in the scientific community and help to design more efficient compressors. / Das Spiralgehäuse eines Radialverdichters wird im Gegensatz zum Laufrad kaum in wissenschaftlichen Arbeiten untersucht. Um wichtige Geometrieparameter und Einflussfaktoren dieses Bauteils zu identifizieren, wird daher eine Optimierung mittels genetischer Algorithmen durchgeführt. Dazu wird zunächst ein dichte-basierter CFD-Löser entwickelt und validiert, um die komplexe Strömung in einem Radialverdichter mit hoher Genauigkeit simulieren zu können. Darauf aufbauend wird das Spiralgehäuse parametrisiert und ein Programm entwickelt, welches die komplexe Geometrie automatisiert erstellt. Durch die neuartige Kombination von numerischer Optimierung, automatisierter Geometrieerstellung und CFD-Simulation des Spiralgehäuses können erstmals Aussagen zur optimalen Geometrie sowie über Verlusteffekte für eine Vielzahl an Geomtrievarianten getroffen werden. Mit Hilfe dieses Wissens können sparsamere und effizientere Radialkompressoren für viele Bereiche des Maschinenbaus entwickelt werden.

Es werden Möglichkeiten untersucht, das Kaltstart- und Warmlaufverhalten von Ottomotoren mit Sekundärlufteinblasung zu optimieren. Das für die Untersuchungen eingesetzte, innovative Sekundärlufteinblasesystem mittels Sekundärluftlader weist aufgrund der Baugröße, des Gewichts, der Leistungsfähigkeit und insbesondere der einfachen, thermodynamischen Betätigung Potenziale auf, die bisher eingesetzte Sekundärluftpumpe zu ersetzen. Den experimentellen Untersuchungen wurde die Entwicklung der Abgasgesetzgebung sowie eine theoretische Betrachtung der Entstehungsmechanismen von Abgasemissionen vorangestellt. Mittels eines Simulationsmodells werden die Abhängigkeiten des Sekundärluftladers von den motorischen Randbedingungen abgebildet. Somit kann eine Vorauswahl für das Luftmassenförderverhalten des Sekundärluftladers bei unterschiedlichen Einsatzbereichen getroffen werden. Die im Start- und Warmlauf, ebenso im Lastwechsel, gemessenen Ergebnisse wurden zur Analyse der Emissionsverbesserungsmechanismen eingesetzt. Insbesondere der Einblasezeitpunkt der Sekundärluft und das Hochlaufverhalten des Sekundärluftsystems zeigen einen enormen Einfluss auf die Höhe der Rohemissionen. Eine Gegenüberstellung aller gemessenen Varianten mit Sekundärluftpumpe und Sekundärluftlader zeigt einen deutlichen Emissionsvorteil des Sekundärluftladersystems. Zusätzlich bewirkt der Sekundärluftlader, durch die Bordnetzentlastung eine Motorlastabsenkung bei verbessertem Ansprechverhalten und höherem Sekundärluftmassenstrom. Ergebnis ist eine Verringerung der HC-Rohemissionen zwischen 20% und 30%. Die Vorteile im Gewicht und Bauvolumen sowie der geringere Verkabelungsaufwand runden die deutlichen Vorteile des Sekundärluftladers gegenüber der Sekundärluftpumpe ab. Durchgeführte Untersuchungen bei Tieftemperatur (-7°C) und unter Höhenbedingungen haben ebenfalls Vorteile gegenüber der Sekundärluftpumpe ausgewiesen. Die theoretische Abschätzung des Einsatzfeldes für den Sekundärluftlader ist ab einem Hubraum von 1,2°l Hubraum durchgeführt und als positiv bewertet worden. / The paper investigates possible ways of optimizing the cold-start and warm-up performance of gasoline engines with secondary air injection. Due to its size, weight, performance capability, and especially its simple, thermodynamic operation the innovative secondary air injection system used for the investigations and featuring a secondary air charger has the potential to replace the secondary air pump used to date. The experimental investigations are preceded by the development of exhaust emission legislation and a theoretical analysis of the process leading to exhaust emissions. A simulation model is used to illustrate the dependencies of the secondary air charger on boundary engine conditions. Consequently it is possible to make a preselection for the air mass conducting properties of the secondary air charger in various fields of application. The results obtained by measurement in starting, warm-up, and in load changes, were used to analyze the emission improvement processes. The level of raw emissions is affected enormously by the time of injection of secondary air and the acceleration performance of the secondary air system. A comparison of all the measured variants with the secondary air pump and secondary air charger indicates that the secondary air charger system has a distinct emission advantage. In addition, by relieving the vehicle power supply the secondary air charger brings about a reduction in engine load, improved response, and higher secondary air mass flow. The result is a 20% to 30% reduction in raw HC emissions. The significant advantages over the secondary air pump are rounded off by benefits in terms of weight and bulk volume and a reduction in the amount of wiring. Tests conducted at low temperature (-7°C) and under high altitude conditions have also indicated advantages over the secondary air pump.