Während der bisherigen Verbrauchsoptimierung konventioneller Nutzfahrzeuge lag der Fokus verstärkt auf der Reduktion des Energiebedarfs für die Traktionsaufgabe. Dieser zielte vor allem auf die Verbesserung der Effizienz des Antriebstrangs. Einen bisher wenig betrachteten Ansatz bietet auch die Optimierung des Energiebedarfs der Nebenaggregate. Ziel dieser Arbeit war die Optimierung der Betriebsstrategien verschiedener Nebenaggregate am Beispiel typischer 12 m und 18 m Stadtbusse. Dabei waren folgende Randbedingungen zu erfüllen: • Die entwickelten Strategien sollten auf aktuellen Fahrzeugsteuergeräten umgesetzt werden können. • Am Fahrzeug sollten möglichst geringe technische Änderungen vorgenommen werden. • Es sollte kein hybrider Ansatz mit verändertem Antriebstrang oder zusätzlichen elektrischen Maschinen verfolgt werden. Basis für alle durchgeführten Optimierungsaufgaben bildete ein Multi-Domänen-Fahrzeugmodell, in dem neben dem konventionellen Antriebsstrang alle betrachteten Nebenaggregatesysteme inklusive derer Steuerung physikalisch modelliert integriert sind. Ausgehend von gemessenen und nachsimulierten realen Fahrprofilen liefert dieses Gesamtfahrzeugmodell die zeitlichen Verläufe der Verbrennungsmotorbetriebspunkte und den Energiebedarf der verschiedenen Nebenaggregatesysteme. Für diese Systeme wurden im Anschluss mit Hilfe der Dynamischen Programmierung nach Bellmann optimale Steuersequenzen berechnet. Diese legten unter dem Gesichtspunkt minimalen Kraftstoffeinsatzes unter anderem die Ein- und Ausschaltzeitpunkte sowie die Betriebspunkte des Kompressors, der Lichtmaschinen sowie des Hauptlüfters fest. Die resultierenden Steuergesetze bilden, mathematisch bewiesen, das absolute Optimum, deren dazugehöriger Kraftstoffverbrauch nicht mehr unterboten werden kann und dienen somit als Referenz. Da diese Methodik mit sehr rechenaufwendigen Algorithmen aktuell nicht echtzeitfähig in ein Fahrzeugsteuergerät implementiert werden kann, wurden aus dem optimalen Systemverhalten verschiedene heuristische Regeln abgeleitet, die dann anhand der Referenz bewertet und gegebenenfalls noch verbessert werden konnten. So entstanden implementierbare heuristische Regeln die auf allen analysierten Linien weit über 90 % des maximal möglichen Einsparpotentials ausschöpften.

Technikerarbeit zur Erlangung des Titels „Staatlich geprüfter Techniker“ in der Fachrichtung Kraftfahrzeugtechnik

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.

Der weltweit steigende Mobilitätsbedarf führt in der Zukunft zur weiteren Zunahme des Primärenergiebedarfs. Die Rohstoffvorräte unserer Erde sind begrenzt. Rohstoffe, die heute verbraucht werden, stehen zukünftigen Generationen nicht mehr zur Verfügung. Die sparsame und effiziente Nutzung der Ressourcen stellt deshalb den Schlüssel zu einer nachhaltigen Entwicklung dar. Im Mittelpunkt steht dabei der Energieverbrauch. Vor allem die Industrieländer stehen vor der Herausforderung, ihren Verbrauch an begrenzten Energierohstoffen Schritt für Schritt zurückzufahren. Der Wirtschaftsbereich der Europäischen Union kann dabei eine positive Bilanz vorweisen. Eingeschlossen in diese Bilanz ist der Verkehrsbereich. Die modernen Fahrzeugflotten konnten durch die ständige Weiterentwicklung den Streckenkraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen erheblich absenken. Eine Entwicklung, die noch nicht am Ende ist. Trotz dieser positiven Tendenz gerät die globale Bilanz durch eine dramatische Zunahme der Fahrzeugflotten, besonders in den Entwicklungsländern, kontinuierlich in eine Schieflage. Die Energieverbräuche steigen und die Ressourcen der Energieträger Öl, Gas und Kohle nehmen ab. Es ist bekannt, dass weltweit besonders in hochentwickelten Industrieländern dieser Entwicklung durch Alternativ-Konzepte entgegengesteuert wird. Im Verkehrsbereich sind dies unter anderem veränderte Fahrzeugkonzepte (z. B. Hybridfahrzeuge) sowie die mittel- und längerfristige Substitution der konventionellen, mineralölstämmigen Kraftstoffe durch Erdgaskraftstoffe (SynFuel, nach der Shell-Mittel-Destillat-Synthese, SMDS, hergestellt) oder Kraftstoffe (Sun Fuel) aus regenerativen Energieträgern wie Restholz, Energiepflanzen oder Biomüll. Diese Entwicklungen werden durch eine permanente Reduzierung der Abgasemissionen von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen begleitet. Insbesondere sind dies einerseits die limitierten Schadstoffe, welche in den einzelnen Ländern gesetzlich verankert sind, und andererseits die CO2-Emission, die z. B. noch auf einer freiwilligen Selbstverpflichtung der Automobilindustrie (in Deutschland 140 g/km CO2 – Ausstoß) basieren. Kapitel 1: Einführung 2 Alle diese Entwicklungen gilt es im Voraus abzuschätzen bzw. mit fundierten Betrachtungen in den Entwicklungsprozess einzuordnen. Dies gilt besonders für solche Länder, z. B. Ägypten, die den Technikfortschritt aus ökonomischer und ökologischer Betrachtung in sehr kurzer Zeit einzuführen haben. Die Simulationswerkzeuge aller Art werden bekannterweise dazu genutzt, um Fehlentwicklungen zu vermeiden. Je nach Aufgabe und Zielstellung sind diese Werkzeuge fachgerecht anzupassen und zu verifizieren. Im Speziellen werden konventionelle und alternative Antriebskonzepte für Fahrzeuge der verschiedensten Einsatzbedingungen mit einem Simulationswerkzeug bewertet. 1.1 Aufgabenstellung und Zielstellung

Das Konzept „Downsizing“ für Otto- und Dieselmotoren zur Verbesserung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission ist inzwischen durch viele praktische Beispiele und theoretische Untersuchungen zweifelsfrei bestätigt worden. Da „Downsizing“ aber untrennbar mit der Aufladung verbunden ist, wächst der Bedarf nach Aufladetechnologien, die das Hauptmanko des „Downsizing“ – das mangelhafte Drehmoment bei niedriger Motordrehzahl – überwinden. Mit zunehmender spezifischer Leistung und damit höheren Aufladegraden tritt diese Problematik immer stärker in den Vordergrund. Vor diesem Hintergrund hat sich für den Pkw-Dieselmotor die Aufladung mit VTG durchgesetzt. Beim Ottomotor wurde bislang der Schritt vom einfacheren Wastegate-Lader zur VTG noch nicht unternommen. Die Gründe dafür sind insbesondere in der höheren thermischen Belastung, aufgrund der höheren Abgastemperatur, und der größeren Luftdurchsatzspanne zu finden. Andererseits besteht inzwischen speziell beim Ottomotor ein großer Bedarf bezüglich der Verbesserung des Kraftstoffverbrauches und der Fahrdynamik in Kombination mit der Turboaufladung. Vor dem Hintergrund der in den letzten Jahren durchgeführten Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Benzindirekteinspritzung und der Aufladetechnik, stellt sich inzwischen verstärkt die Frage, ob durch den Einsatz einer VTG am Ottomotor ähnlich große Verbrauchseinsparungen und Verbesserungen in der Fahrdynamik erzielt werden können, wie dies vor einigen Jahren beim Pkw-Dieselmotor der Fall war. Im Rahmen der durchgeführten Arbeit wurden die Potentiale einer VTG an einem direkteinspritzenden Ottomotor eingehend durch Experimente und Motorprozesssimulation untersucht. Bei der direkten Übertragung der heute üblichen Diesel-VTG-Technik auf die Anwendung am Ottomotor können allerdings nur unwesentliche Verbesserungen beim spezifischen Kraftstoffverbrauch erzielt werden. Um die volle Drehzahlspanne des Ottomotors in seiner Basisabstimmung bedienen zu können, muss der Verstellbereich der VTG extrem ausgereizt werden, was Wirkungsgradnachteile mit sich bringt. Mit dem Übergang auf ein 2-flutiges Zwillingsstromturbinengehäuse in Kombination mit VTG wird es möglich, den Gaswechsel des Motors zu verbessern, da der Auslassvorgang der einzelnen Zylinder weniger durch die anderen Zylinder behindert wird. Der Effekt ist allerdings wesentlich schwächer ausgeprägt als bei einem 2-flutigen Wastegate Lader, da hier die Flutentrennung bis kurz vor das Turbinenrad erfolgen kann. Bei der VTG-Zwillingsstromturbine endet die Trennung konstruktionsbedingt bereits vor dem Leitgitter. Im Bereich des beschaufelten Ringkanales treffen die beiden bis dorthin getrennten Abgasstränge aufeinander und beeinflussen sich hier wieder gegenseitig, wobei die negativen Auswirkungen geringer sind als bei einer 1-flutigen Turbine, ganz ohne Trennung im Turbinengehäuse. Die bessere Nutzung der kinetischen Energie aus dem Vorauslassstoß, die bei Stoßaufladung mit getrennt geführten Abgaskanälen üblicherweise möglich ist, kann allerdings bei einer VTG-Turbine nicht erreicht werden. Speziell im unteren Motordrehzahlbereich, wo die Leitschaufeln weit geschlossen sind, werden die Druckpulsationen stark gedämpft und haben somit nur noch einen geringen Anteil an der Totalenthalpie des Abgases. Wie sich aus den Untersuchungen zeigte, kann dieser Nachteil der VTG aber durch den kleineren Turbinendurchsatz bei kleiner Schaufelstellung überkompensiert werden, wodurch das Drehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen angehoben werden kann. Eine wesentlich bessere Flutentrennung kann durch die Verwendung einer VTG-Doppelstromturbine erreicht werden. Durch zwei über den Turbinenumfang getrennt geführte Spiralkanäle können die Überströmquerschnitte verkleinert, und damit die gegenseitige Beeinflussung der Abgasströme wesentlich verringert werden. Die Verhältnisse sind in dieser Ausführung vergleichbar mit Wastegate- Zwillingsstromturbinen, was die Effektivität der Flutentrennung anbelangt. Das volle Potential dieser optimierten Flutentrennung kann durch eine geänderte Applikation der Nockenwellenverstellungen im Motorkennfeld ausgeschöpft werden. Es ist damit möglich, längere Ventilüberschneidungen im unteren Motordrehzahlbereich zu realisieren und damit den Spülluftanteil in diesem Kennfeldbereich wesentlich zu steigern. Diese Maßnahme hat einen sehr positiven Einfluss auf die Motorbetriebswerte aufgrund: • Verringerter Klopfempfindlichkeit durch Reduktion des Restgasanteiles. • Absenkung der mittleren Abgastemperatur vor Turbine und damit der Möglichkeit, das Verbrennungsluftverhältnis anzuheben. • Verringerung der notwendigen Durchsatzspanne für Verdichter und Turbine und damit der Möglichkeit den Lader bei besseren Wirkungsgraden zu betreiben. Aufgrund des mit der Doppelstromanordnung begrenzten Zuströmquerschnittes über den Umfang der Turbine (180° pro Turbinenstrang) stellt sich allerdings ein geringerer Maximaldurchsatz für die Turbine ein. Die Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass dadurch der mittlere Abgasdruck vor Turbine im oberen Volllastdrehzahlbereich ansteigt. Um dies zu verhindern, kann die Doppelstromturbine mit einer so genannten Stau–Stoß–Umschaltung versehen werden, mit der die beiden Turbinenstränge bei hohen Motordrehzahlen verbunden werden. Bei geöffnetem Umschaltventil kann sich das Abgas auf beide Turbinenstränge verteilen, und die Pulsation wird zusätzlich reduziert. Beide Effekte bewirken ein Absinken der Turbinenleistung und damit die gewünschte Begrenzung des Ladedruckes. Gleichzeitig ist es auch möglich, das Stoß–Stau–Umschaltventil als zusätzliches Wastegate zu betreiben, wodurch der Durchsatzbereich der Turbine noch weiter gesteigert werden kann. Die Kombination der geschilderten Maßnahmen: • VTG mit Doppelstromturbine • Stoß-Stau-Umschaltung • Vergrößerte Ventilüberschneidung hat bei den durchgeführten Untersuchungen zu einer Steigerung des stationären Volllastdrehmomentes von 40 % bei nM = 1500 1/min geführt, bei gleichzeitiger Verbesserung des Spüldruckgefälles um ca. 400 mbar im Nennleistungspunkt gegenüber dem 1-flutigen Wastegate-Basislader. Im Instationärbetrieb konnte am Beispiel eines Lastsprunges bei nM = 1800 1/min eine Verkürzung der Zeit bis zum Erreichen von 90 % des Nennmomentes um ca. 50 % festgestellt werden. Obgleich auf Basis der untersuchten Varianten bezüglich der aerodynamischen Auslegung der Einzelkomponenten, der Regelbarkeit der VTG und der mechanischen Haltbarkeit noch weitere Entwicklungsaktivitäten notwendig sein werden, kann aufgrund der sehr positiven Untersuchungsergebnisse von einem großen Potential für die Aufladung von DI-Ottomotoren mit variabler Turbinengeometrie ausgegangen werden.

Die Abgasturboaufladung erweist sich als sinnvolles Hilfsmittel den Kraftstoffverbrauch eines Hubkolbenverbrennungsmotors bei gleichbleibender Fahrdynamik zu verringern und somit die Effizienz des Motors zu erhöhen. Zur optimalen Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie werden Abgassysteme moderner Pkw – Motoren äußerst kompakt ausgeführt, um der Abgasturboladerturbine ein möglichst hohes Enthalpiegefälle zur Verfügung zu stellen. Diese Umstände, sowie zunehmend kleinere Zylinderzahlen mit großen Zündabständen führen dazu, dass sich die Eintrittsbedingungen von Radialturbinen von Abgasturboladern heutiger Motoren periodisch ändern. Die Strömungsmaschine kann aufgrund ihrer Trägheit dem Druckanstieg nicht unverzögert folgen und wird vorwiegend bei niedrigen Schnelllaufzahlen betrieben. Die Entwicklung von Abgasturboladern und deren Anpassung an den Verbrennungsmotor erfolgen überwiegend auf Grundlage von messtechnisch ermittelten Kennfeldern von Verdichter und Turbine. Diese werden an stationär betriebenen Heißgasprüfständen ermittelt. Aufgrund der stationären Leistungsbilanz zwischen beiden Strömungsmaschinen an diesen Prüfständen beschreiben stationär gemessene Turbinenkennfelder nicht den gesamten motorrelevanten Betriebsbereich der Turbine. Für die Entwicklung innovativer Turboladerturbinen sind Untersuchungen der Turbinenwirkungsgrade und Durchsatzkennzahlen in diesen Betriebspunkten essentiell. Zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen aufgeladenen Verbrennungsmotoren und Aufladesystemen stellt die Motorprozessrechnung eine wichtige Technologie dar. Die numerische Beschreibung des Turboladerverhaltens im Motorbetrieb erfolgt ebenfalls auf Basis von gemessenen Turboladerkennfeldern. Aufgrund des eingeschränkten Messbereichs der Turbinenkennfelder werden diese stark extrapoliert und beschreiben das thermodynamische Verhalten der Turboladerturbine fragwürdig. Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Verfahren an einem erweiterten Heißgasprüfstand zur Vermessung und Untersuchung von Turboladerturbinen in motorrelevanten Betriebszuständen vor. Parallel wird ein Berechnungsmodell entwickelt, um Messergebnisse zu plausibilisieren und die numerische Beschreibung instationärer Turbinenströmungen zu untersuchen. Die Methode basiert auf der Ausnutzung zusätzlicher Beschleunigungsleistung zur Erhöhung der Aufnahme der Turbinenleistung, um niedrigere Schnelllaufzahlen unter motorrealistischen Randbedingungen untersuchen zu können. Mit Hilfe eines geeigneten Druckverlaufes werden temporär stationäre Strömungszustände erzeugt, sodass thermodynamische Zustände in der Turbine zuverlässig beschrieben werden können. Ferner werden Betriebsbedingungen der Turbinenuntersuchung denen der Turboladerturbine im Motorbetrieb angepasst. Kurzzeitig stellen sich quasi-stationäre Zustände ein, woraufhin phasenkorrigierte Messgrößen die Strömung in den Schaufelkanälen der Turbine belastbar beschreiben. Durch Variation der pulsierenden Strömung können Wirkungsgrad- und Massendurchsatzkennfelder mit hoher Abtastrate erweitert werden, wodurch verlässliche Interpolationen der Turbinenkennfelder bei niedrigen Laufzahlen möglich sind. Am Heißgasprüfstand lassen sich Turbineneintrittstemperatur, Druckamplitude und mittleres Druckverhältnis mit speziellen Impulsgeneratoren einstellen. Auch eine instationäre Massenstrommessung und Temperaturmessung ist möglich. Die instationäre Messmethode bildet eine Synthese mit stationären Turbinenvermessungen und deckt einen Großteil des Turbinenbetriebes aufgeladener Hubkolbenverbrennungsmotoren ab. Damit hat dieses Verfahren das Potential Turboladerkennfelder die am stationären Heißgasprüfstand ermittelt wurden sinnvoll zu ergänzen. Ergebnisse der neuen Messmethode werden mit Resultaten äquivalenter Simulationsrechnungen auf Grundlage stationär und instationär ermittelter Kennfelder verglichen. Auf Basis erweiterter Turbinenkennfelder können Wechselwirkungen zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Aufladeaggregat mit Hilfe der Motorprozessrechnung genauer untersucht werden. Dies ermöglicht eine ideale Anpassung des Abgasturboladers an den Motor, wodurch Effizienz und Dynamik verbessert sowie Abgasemissionswerte des Antriebes reduziert werden können.

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.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.

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.