Die Entwicklung zukünftiger Dieselantriebssysteme unterliegt fortwährend neuen Anforderungen der lokalen Gesetzgebung und des globalen Absatzmarktes. Umweltschutzbedingungen und die Energieeffizienz der Aggregate bilden den zentralen Ansatz, welcher als Triebfeder für Forschung und Entwicklung im Bereich der Hochleistungsdieselmotoren anzusehen ist. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen im Bereich Energierekuperation durchgeführt. Basis für die praktischen Versuche bildeten Hochleistungsdieselmotoren aus dem Nutzfahrzeugsektor. Das System für die Energierückgewinnung wurde in einer Vorstudie unter Betrachtung von Amortisation, Gewicht, Leistungsdichte, Bauraum und Effizienz bestimmt. Die Wahl fiel hierbei auf das thermische Verbundverfahren in Verbindung mit zweistufiger Aufladung. Die auf Basis der Motorsystemsimulation entwickelte Wirkungsgradstudie der Einzelkomponenten des zweistufigen Turbocompoundsystems ermöglichte die Ermittlung von spezifischen Parametern zur Bauteiloptimierung und zeigte die Grenzen der Energierückgewinnung auf. Das hieraus abgeleitete Minimum für den ökologischen und ökonomischen Betrieb von thermischen Verbundverfahren liegt bei 67.5% Systemwirkungsgrad. In einer anschließenden Untersuchung wurden Betriebseigenschaften unter Berücksichtigung der Leistungsdichte erarbeitet. Die Ergebnisse zeigen, verglichen mit Daten standardisierter Aufladesysteme, einen Kraftstoffverbrauchsvorteil im Zyklus von 0.5 – 3.5%. Neben der stationären Betrachtung konnten die thermischen Verbundverfahren hinsichtlich ihres instationären Verhaltens im Emissionszyklus und in der Lastannahme geprüft werden. Die hieraus erarbeiteten Randbedingungen und Ergebnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung von Modellparametern, welche eine optimierte Energierekuperation bei Turbocompoundsystemen in differenzierten Betriebszuständen erlauben. Die untersuchten zweistufigen aufgeladenen Turbocompoundsysteme vereinen die Technologien von Turbocompound und Downsizing in einem Motorsystem und sind somit der Herausforderung gewachsen, zukünftige Emissionsvorgaben bei gleichzeitiger Wirkungsgradsteigerung in der Antriebstechnologie zu realisieren.

Mit dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde eine geschlossene Kette von Versuchsträger und Messtechniken geschaffen, die eine detaillierte und grundlegende Analyse der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung von der Ausbildung des Sprays in der kalten Einspritzkammer über die Detektion der Kraftstoffverdampfung in der heißen Einspritzkammer und der spektralen Analyse der Verbrennung des Kraftstoffes in den verschiedenen Wellenlängenbereichen im Transparentmotor ermöglichen. Für eine richtige Interpretation der optischen Messungen ist die quantitative Analyse des Verbrennungsprozesses im Einzylinder-Forschungsmotor hinsichtlich der Abgasemissionen und des Wirkungsgrades der Verbrennung unentbehrlich. So zeigte die optische Grundvermessung der Einspritzdüsen mit den unterschiedlichen Spritzlochgeometrien in der kalten Einspritzkammer unter der Anwendung der Streulichtmesstechnik eine sehr gute Strahlsymmetrie des Sprays während des Einspritzvorganges und eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Einspritzvorgänge. Dies liegt unter anderem in der Bauform der Einspritzdüse mit Sackloch begründet. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Durchflusskoeffizienten des Spritzloches ein kompakteres Spray mit einer höheren Eindringgeschwindigkeit und düsenfernerem Strahlaufbruch generiert. Die Versuche zum Verdampfungsverhalten des Kraftstoffsprays in der heißen Einspritzkammer unter Einsatz der kombinierten Streulicht- und Schattenmesstechnik zeigten für die Spritzlochgeometrien mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten eine Verlagerung des verdampften Kraftstoffvolumens in düsenferne Gebiete und eine Erhöhung der Eindringtiefe des flüssigen Kraftstoffes. Die Anwendung der Streulichtmesstechnik zur Detektion des flüssigen Kraftstoffes und der Einsatz von Kamerasystemen zur Erfassung des Eigenleuchtens im ultravioletten Spektralbereich und im sichtbaren Spektralbereich der Verbrennung im Transparentmotor belegen eine deutliche Intensivierung des Strahlaufbruchs in düsenfernen Bereichen für die Einspritzdüsen mit steigendem Durchflusskoeffizienten. Das führt zu einer verbesserten Gemischaufbereitung unter der Ausnutzung des in diesen Gebieten vermehrt zur Verfügung stehenden Sauerstoffes. Im Emissionspunkt mit hohem Einspritzdruck wird die Brennraumwand intensiv in die Gemischaufbereitung und die Verteilung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches eingebunden. Die Einführung zusätzlicher motorrelevanter Parameter wie Voreinspritzung und Abgasrückführung im Emissionspunkt verdeutlichen die Möglichkeit der Absenkung der Rußemissionen beim Einsatz von Spritzlöchern mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten. In diesen Betriebspunkten mit geringer Motorlast wird mit der weiteren Optimierung der Strömungsverhältnisse im Spritzloch durch den Einsatz der ks-Spritzlochgeometrie die Gemischbildung und Verbrennung so intensiviert, dass eine nochmalige Senkung der Rußemissionen erzielt werden konnte. Durch den Einsatz von Einspritzdüsen mit ks-Spritzlochgeometrie kann gegenüber Einspritzdüsen mit konischen Spritzlöchern eine positive Beeinflussung der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung in allen untersuchten Lastpunkten nachgewiesen werden. So erzielt man im Schwärzungspunkt mit der Erhöhung des Durchflusskoeffizienten sinkende Rußemissionen und eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Verbrennung. Im Leistungspunkt konnte ein Abnehmen der Rußemissionen bei einem vergleichbaren Wirkungsgrad der Verbrennung festgestellt werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Spritzlochgeometrie der Einspritzdüse einen wichtigen Parameter darstellt, die Wechselwirkung des Sprayaufbruchs und die Ausnutzung der Ladungsbewegung im Brennraum mit der Interaktion des aufbereiteten Kraftstoffes an der Brennraumwand so zu steuern, dass die Abgasemissionen schon innermotorisch gesenkt und der Aufwand an Abgasnachbehandlungssystemen auf ein Minimum reduziert werden kann.

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte eine Analyse des Einflusses von Harnstoff-SCR-Technik auf die Partikelemission. Zudem wurde mit der Partikelkonfektionierung durch motorische Maßnahmen eine Möglichkeit zur Verbesserung der katalytischen Partikeloxidation aufgezeigt und untersucht. Untersuchungen mit einem Nfz-Dieselmotor zeigen, dass im Teillastbetrieb mit einem Harnstoff-SCR-System eine deutliche Partikelminderung möglich ist. Sie basiert im Wesentlichen auf der Oxidation organisch löslicher Bestandteile der Partikel im Katalysator. Reduktionsmitteldosierung drängt die Oxidation leicht zurück, die SCR erweist sich als zur Partikeloxidation konkurrierend. Die Charakteristik der Partikelgrößenverteilung wird durch das SCR-System nicht wesentlich verändert, jedoch kann analog zur emittierten Partikelmasse auch die Partikelanzahl deutlich abgesenkt werden. Eine Analyse hinsichtlich der Partikelbestandteile in unterschiedlichen Partikelgrößenklassen hat gezeigt, dass der Anteil organisch löslicher Substanzen mit zunehmender Partikelgröße absinkt. Durch Veränderung des Einspritzbeginns des Kraftstoffs ist die Konfektionierung der Partikelemission im Sinne besserer katalytischer Oxidation möglich. Dabei wird durch Frühverstellung der Anteil organisch löslicher Komponenten der Partikel deutlich erhöht, gleichzeitig ist eine intensive Nanopartikelbildung zu beobachten. Ein Katalysator auf V2O5/WO3/TiO2-Basis ist sehr gut zur Oxidation sowohl der Nanopartikel als auch des größten Teils der organisch löslichen Komponenten geeignet. Damit wird insgesamt eine deutliche Partikelminderung erzielt. Abgasrückführung behindert die Partikelkonfektionierung zunächst deutlich. Durch die dabei jedoch mögliche noch weitere Verlagerung des Einspritzzeitpunktes nach "früh" kann der negative Einfluss aber weitgehend kompensiert werden, so dass eine ähnlich gute Partikelminderung wie im Betrieb ohne AGR bei gleichzeitiger Minderung der Stickoxidemission möglich ist.

Der stetig anwachsende Bedarf und die innovative Weiterentwicklung im Bereich der Großdieselmotoren als Antrieb für Schiffe und Generatoranlagen erfordert ebenfalls die Weiterentwicklung der Abgasturbolader. Hohe Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit ist nur durch moderne Fertigungsverfahren und einer optimalen Ausnutzung der eingesetzten, hochwertigen Werkstoffe zu erreichen. Dies gilt insbesondere für die integralen Radialturbinenräder in Abgasturboladern, die aufgrund der hohen Betriebsbelastungen einen zentralen Punkt bei der Auslegung darstellen. Lebensdauerbegrenzend ist die hochzyklische Ermüdung aufgrund Resonanzschwingungen an der Beschaufelung der Turbinenräder. Die vorliegende Arbeit soll die Auslegungsmethodik zur Berechnung und Beurteilung der zu erwartenden Schwingbeanspruchungen der Turbinenräder im Hinblick der realen Geometrie verbessern. Dazu wird ein einfaches Berechnungsmodell zur Identifizierung der kritischen Schaufelmoden und Bestimmung der Schwingbeanspruchungen im integralen Turbinenrad erarbeitet. Das Modell wird auf vorhandene Turbinenräder angewendet und aus den Ergebnissen werden Hinweise für eine systematische Beurteilung der Schaufelmoden, Knotendurchmesser und Schaufelgestaltung bezüglich der kritischen Schwingbeanspruchungen angegeben. Desweiteren wird der Einfluss der Verstimmung (engl. Mistuning) des Schwingverhaltens realer, integraler Turbinenräder ausführlich im Hinblick auf die Schwingbeanspruchungen untersucht. Die wesentlichen Ursachen für die Verstimmung sind die innerhalb der Fertigungstoleranzen auftretenden Geometrieabweichungen der Schaufeln. Dabei wird ein Überblick über die typischen Geometrie- und Frequenzabweichungen Radialturbinen gegeben und Auswirkungen auf das Schwingverhalten des Rades wie Lokalisierung der Schwingformen und Amplitudenüberhöhungen ermittelt und in einen systematischen Zusammenhang mit den geometrischen Ursachen, der Komplexität der Schaufelschwingformen und Knotendurchmesser gestellt. Es zeigt sich, dass unter gewissen Voraussetzungen bei Radialturbinen KD0 und KD1 Schwingformen weniger sensibel auf die Verstimmung reagieren. Hieraus können Hinweise für die Verbesserung des Auslegungsprozess abgeleitet werden. Die Kenntnis über das reale Schwingverhalten verstimmter Turbinenräder ermöglicht die korrekte Auswahl geeigneter Schaufeln zur Applikation von Dehnmessstreifen, wodurch eine sichere Beurteilung der Betriebsbeanspruchungen erst möglich wird.