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.

Today, the investigation of fuel economy improvements in internal combustion engines (ICEs) has become the most significant research interest among the automobile manufacturers and researchers. The scarcity of natural resources, progressively increasing oil prices, carbon dioxide taxation and stringent emission regulations all make fuel economy research relevant and compelling. The enhancement of engine performance solely using incylinder techniques is proving increasingly difficult and as a consequence the concept of exhaust energy recovery has emerged as an area of considerable interest. Three main energy recovery systems have been identified that are at various stages of investigation. Vapour power bottoming cycles and turbo-compounding devices have already been applied in commercially available marine engines and automobiles. Although the fuel economy benefits are substantial, system design implications have limited their adaptation due to the additional components and the complexity of the resulting system. In this context, thermo-electric (TE) generation systems, though still in their infancy for vehicle applications have been identified as attractive, promising and solid state candidates of low complexity. The performance of these devices is limited to the relative infancy of materials investigations and module architectures. There is great potential to be explored. The initial modelling work reported in this study shows that with current materials and construction technology, thermo-electric devices could be produced to displace the alternator of the light duty vehicles, providing the fuel economy benefits of 3.9%-4.7% for passenger cars and 7.4% for passenger buses. More efficient thermo-electric materials could increase the fuel economy significantly resulting in a substantially improved business case. The dynamic behaviour of the thermo-electric generator (TEG) applied in both, main exhaust gas stream and exhaust gas recirculation (EGR) path of light duty and heavy duty engines were studied through a series of experimental and modelling programs. The analyses of the thermo-electric generation systems have highlighted the need for advanced heat exchanger design as well as the improved materials to enhance the performance of these systems. These research requirements led to the need for a systems evaluation technique typified by hardware-in-the-loop (HIL) testing method to evaluate heat exchange and materials options. HIL methods have been used during this study to estimate both the output power and the exhaust back pressure created by the device. The work has established the feasibility of a new approach to heat exchange devices for thermo-electric systems. Based on design projections and the predicted performance of new materials, the potential to match the performance of established heat recovery methods has been demonstrated.

Dans les systèmes radio mobiles, la diversité représente une technique efficace pour lutter contre l'évanouissement dû aux multi-trajets. La pleine diversité spatiale est atteinte dans les systèmes multiple-input multiple-output (MIMO). Mais, souvent l'intégration d'antennes multiples au niveau de l'émetteur ou du récepteur est coûteuse. Comme alternative, dans les réseaux sans fil multi-hop, la diversité coopérative garantit des gains de diversité spatiale en exploitant les techniques MIMO traditionnelles sans avoir besoin d'antennes multiples. En outre, la diversité coopérative fournit au réseau : un débit important, une énergie réduite et une couverture d'accès améliorée.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de concevoir des schémas de codage pour le canal à relais afin de réaliser une meilleure performance en termes de gain de diversité et de gain de codage. D'abord, nous étudions un système de turbo-codage distribué à L-relais en mode soft-decode-and-forward. Ensuite, nous proposons un système de turbocodage coopératif distribué à L-relais en utilisant la concaténation en parallèle des codes convolutifs. Enfin, afin d'améliorer la fiabilité de détection au niveau du noeud relais, nous proposons la technique de sélection d'antenne/relayage-soft. Pour une modulation BPSK, nous dérivons des expressions de la borne supérieure de la probabilité d'erreurbinaire où les différents sous-canaux sont supposés à évanouissement de Rayleigh, indépendants et pleinement entrelacés avec une information instantanée d'état de canal idéal. Une validation des résultats théoriques est également menée par la simulation.

Cette thèse aborde la problématique de la modélisation multiphysique en génie électrique, avec une application à l'étude des vibrations d'origine électromagnétique des cages de développantes. Cette étude comporte quatre parties : la construction de la densité de courant, le calcul des forces locales, le transfert de solutions entre maillages et la résolution des problèmes couplés. Un premier enjeu est de correctement représenter les courants, cette opération est effectuée en deux étapes : la construction de la densité de courant et l'annulation de la divergence. Si des structures complexes sont utilisées, l'imposition du courant ne peut pas toujours être réalisée à l'aide de méthodes analytiques. Une méthode basée sur une résolution électrocinétique ainsi qu'une méthode purement géométrique sont testées. Cette dernière donne des résultats plus proches de la densité de courant réelle. Parmi les nombreuses méthodes de calcul de forces, les méthodes des travaux virtuels et des forces de Laplace, considérées par la littérature comme les plus adaptées au calcul des forces locales, ont été étudiées. Nos travaux ont montré que bien que les forces de Laplace sont particulièrement précises, elles ne sont pas valables si la perméabilité n'est plus homogène. Ainsi, la méthode des travaux virtuels, applicable de manière universelle, est préférée. Afin de modéliser des problèmes multi-physiques complexes à l'aide de plusieurs codes de calculs dédiés, des méthodes de transferts entre maillages non conformes ont été développées. Les procédures d'interpolations, les méthodes localement conservatives et les projections orthogonales sont comparées. Les méthodes d'interpolations sont réputées rapides mais très diffusives tandis que les méthodes de projections sont considérées comme les plus précises. La méthode localement conservative peut être vue comme produisant des résultats comparables aux méthodes de projections, mais évite l'assemblage et la résolution de systèmes linéaires. La modélisation des problèmes multi-physiques est abordée à l'aide des méthodes de transferts de solutions. Pour une classe de problème donnée, l'assemblage d'un schéma de couplage n'est pas unique. Des tests sur des cas analytiques sont réalisés afin de déterminer, pour plusieurs types de couplages, les stratégies les plus appropriées.Ces travaux ont permis une application à la modélisation magnéto-mécanique des cages de développantes est présentée.

Dans cette thèse, nous proposons d'optimiser la longueur de la séquence d'apprentissage quand un détecteur basé sur le critère Maximum a posteriori (MAP) est utilisé. Nous considérons une transmission mono-antenne sur un canal sélectif en fréquence et une transmission multi-antennes (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) sur un canal non sélectif en fréquence. Nous étudions le cas d'un récepteur non itératif et le cas d'un turbo-détecteur composé d'un détecteur MAP d'un décodeur MAP. La longueur optimale de la séquence d'apprentissage est trouvée en maximisant un Rapport Signal à Bruit (RSB) utile qui tient compte de la perte en termes de débit due à l'utilisation des symboles pilotes. Nous considérons ensuite un système OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) mono-antenne. Nous considérons le cas où le mode FDD (Frequency Division Duplexing) est utilisé. Nous étudions le problème de l'optimisation conjointe de la voie de retour et de l'allocation des puissances. Nous proposons aussi des algorithmes d'allocation de la modulation à faible complexité utilisant une quantité limitée de ressources sur la voie de retour pour un système OFDM. Nous mettons en évidence deux méthodes pour utiliser la voie de retour et donnons une condition analytique permettant de choisir entre ces deux méthodes.

L'idée des turbo-codes, construction très performante permettant l'encodage de l'information classique, ne pouvait jusqu'à présent pas être transposé au problème de l'encodage de l'information quantique. En effet, il subsistait des obstacles tout aussi théoriques que relevant de leur implémentation. A la version quantique connue de ces codes, on ne connaissait ni de résultat établissant une distance minimale infinie, propriété qui autorise de corriger un nombre arbitraire d'erreurs, ni de décodage itératif efficace, car les turbo-encodages quantiques, dits catastrophiques, propagent certaines erreurs lors d'un tel décodage et empêchent son bon fonctionnement. Cette thèse a permis de relever ces deux défis, en établissant des conditions théoriques pour qu'un turbo-code quantique ait une distance minimale infinie, et d'autre part, en exhibant une construction permettant au décodage itératif de bien fonctionner. Les simulations montrent alors que la classe de turbo-codes quantiques conçue est efficace pour transmettre de l'information quantique via un canal dépolarisant dont l'intensité de dépolarisation peut aller jusqu'à p = 0,145. Ces codes quantiques, de rendement constant, peuvent aussi bien être utilisés directement pour encoder de l'information quantique binaire, qu'être intégrés comme modules afin d'améliorer le fonctionnement d'autres codes tels que les LDPC quantiques.

This research investigates techniques for iterative channel estimation to maximize channel capacity and communication security. The contributions of this dissertation are as follows: i) An accurate, low-complexity approach to pilot-assisted fast-fading channel estimation for single-carrier modulation with a turbo equalizer and a decoder is proposed. The channel is estimated using a Kalman filter (KF) followed by a zero-phase filter (ZPF) as a smoother. The combination of the ZPF with the KF of the channel estimator makes it possible to reduce the estimation error to near the Wiener bound. ii) A new semi-blind channel estimation technique is introduced for multiple-input-multiple-output channels. Once the channel is estimated using a few pilots, a low-order KF is employed to progressively predict the channel gains for the upcoming blocks. iii) The capacity of radio channels is investigated when iterative channel estimation, data detection, and decoding are employed. By taking the uncertainty in decoded data bits into account, the channel Linear Minimum Mean Square Error (LMMSE) estimator of an iterative receiver with a given pilot ratio is obtained. The derived error value is then used to derive a bound on capacity. It is shown that in slow fading channels, iterative processing provides only a marginal advantage over non-iterative approach to channel estimation. Knowing the capacity gain from iterative processing versus purely pilot-based channel estimation helps a designer to compare the performance of an iterative receiver against a non-iterative one and select the best balance between performance and cost. iv) A Radio channel is characterized by random parameters which can be used to generate shared secret keys by the communicating parties when the channel is estimated. This research studies upper bounds on the rate of the secret keys extractable from iteratively estimated channels. Various realistic scenarios are considered where the transmission is half-duplex and/or the channel is sampled under the Nyquist rate. The effect of channel sampling interval, fading rate and noise on the key rate is demonstrated. The results of this research can be beneficial for the design and analysis of reliable and secure mobile wireless systems. / Graduate / 0544

Sum-product algorithm can be employed for obtaining the marginal probability density functions from a given joint probability density function (p.d.f.). The sum-product algorithm operates on a factor graph which represents the dependencies of the random variables whose joint p.d.f. is given. The sum-product algorithm can not be operated on factor-graphs that contain loops. For these factor graphs iterative sum-product algorithm is used. A factor graph which contains loops can be divided in to loop-free sub-graphs. Sum-product algorithm can be operated in these loop-free sub-graphs and results of these sub-graphs can be combined for obtaining the result of the whole factor graph in an iterative manner. This method may increase the convergence rate of the algorithm significantly while keeping the complexity of an iteration and accuracy of the output constant. A useful by-product of this research that is introduced in this thesis is a good approximation to message calculation in factor nodes of the inter-symbol interference (ISI) factor graphs. This approximation has a complexity that is linearly proportional with the number of neighbors instead of being exponentially proportional. Using this approximation and the sub-graph idea we have designed and simulated joint decoding-equalization (turbo equalization) algorithm and obtained good results besides the low complexity.

L'utilisation de la modulation à phase continue (CPM) est particulièrement intéressante lorsque le canal de communication comporte une forte non-linéarité et un support spectral limité, en particulier pour la voie aller, lorsque l'on dispose d'un amplificateur par porteuse à bord du satellite, et pour la voie retour où le terminal d'émission travaille à saturation. De nombreuses études ont été effectuées sur le sujet mais les solutions proposées reposent sur la démodulation/décodage itératif des CPM couplées à un code correcteur d'erreur de type convolutif ou bloc. L'utilisation de codes LDPC n'a pas été à ce jour abordée de façon précise. En particulier, il n'existe pas à notre connaissance de travaux sur l'optimisation des codes basés sur des graphes creux adaptés à ce type de schémas. Dans cette étude, nous proposons d'effectuer l'analyse asymptotique et le design d'un schéma Turbo-CPM basé sur des graphes creux. Une étude du récepteur associé comportant les fonctions de démodulation sera également effectuée. / The use of the continuous phase modulation (CPM) is interesting when the channel represents a strong non-linearity and in the case of limited spectral support; particularly for the uplink, where the satellite holds an amplifier per carrier, and for downlinks where the terminal equipment works very close to the saturation region. Numerous studies have been conducted on this issue but the proposed solutions use iterative CPM demodulation/decoding concatenated with convolutional or block error correcting codes. The use of LDPC codes has not yet been introduced. Particularly, no works, to our knowledge, have been done on the optimization of sparse graph-based codes adapted for the context described here. In this study, we propose to perform the asymptotic analysis and the design of turbo-CPM systems based on the optimization of sparse graph-based codes. Moreover, an analysis on the corresponding receiver will be done.

Orientador: Celso de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-12T06:34:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mataveli_LuisOtavio_M.pdf: 877476 bytes, checksum: afc5fb9153e7311af03669d45d798a73 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O desempenho dos sistemas de comunicação sem fio que utilizam a técnica de múltiplo acesso CDMA é limitado pela interferência. A proposição de um algoritmo de escolha de seqüências de espalhamento foi feita para buscar uma diminuição na interferência média do sistema. Nos padrões atuais, como CDMA2000 e WCDMA, não são definidos nenhum critério para escolha das seqüências. Por isso, nesta dissertação será analisado o desempenho do algoritmo de escolha de seqüências de espalhamento proposto anteriormente juntamente com o uso de códigos corretores de erro em canais com desvanecimento seletivo em freqüência. Será analisado o comportamento das seqüências Walsh, Gold e m-deslocadas. O algoritmo analisado apresenta bons resultados sem o uso de codificação, mas, como maneira de analisar um sistema mais próximo do real, serão utilizados os códigos convolucionais e turbo. Palavras-chave: Algoritmo de busca, sistemas CDMA, espalhamento espectral, códigos convolucionais, códigos turbo. / Abstract: The performance of wireless communication systems that use the multiple access code division technique, CDMA, is interference-limited. A sequence selection algorithm allows a reduction in the mean interference of the system. In the standards like CDMA2000 and WCDMA no algorithm is defined for choosing the sequences. For this reason, in this dissertation we evaluate the performance of the proposed spread sequences selection algorithm together with error correcting codes over frequency selective fading channels. It is analyzed the behavior of Walsh, Gold, and shifted-m sequences. The algorithm had shown good results without channel coding, but to analyze a system similar to a real one, convolutional and turbo codes are going to be used. Key words: Selection algorithm, CDMA systems, spread spectrum, convolutional codes, turbo codes. / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica