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Doctor's Theses (authored and supervised):

G. Kellermayr:
"Innermotorische Optimierungsmaßnahmen am Pkw-Dieselmotor hinsichtlich zukünftiger C02-Ziele und Emissionsgesetzgebungen";
Supervisor, Reviewer: H. Eichlseder, B. Geringer; Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik | TU Graz / IFA .TU Wien, 2019; oral examination: 2019-04-10.



English abstract:
Diesel engines are an efficient propulsion system with a lang range for passenger cars. Therefore they are the first choice for customers with high annual mileage. Efficient engines are also required to meet mandatory fleet average C02 emissions. The C02 emissions of gasoline engines are, in comparable vehicle classes, about 30 3 higher than diesel-powered vehicles. However, since the diesel gate, this propulsion system has fallen into disrepute. Future statutory requirements also require a drastic reduction in NOx emissions, which is why diesel engine development is currently heavily focused on the subject of nitrogen oxides. By Euro 6c, the outdated NEDC, which no langer corresponds to today's driving pattern, will be replaced by the more realistic WLTC. F'rom Euro 6d-Temp also RDE test methods are executed. In the course of this work, various measures for increasing efficiency and reducing emissions were investigated both experimentally on a transient engine test bench and numerically using lD charge cycle simulations and OD combustion analyses.
This dissertation has been organized into five different topics: EGR systems, cylinder deactivation, pre-turbine-catalysts, variable compression ratio, and turbocharging with low cylinder numbers. The advantages and disadvantages of high and low pressure exhaust gas recirculation have been evaluated for internal engine NOx reduction, in conjunction with the increasing load requirements resulting from the new statutory test conditions. Each of the two systems has distinct advantages in terms of NOx emissions and fuel consumption in different operating ranges.
An important key element to meet future emission limits is the thermal management of the exhaust aftertreatment systems. Modified camshafts were used to evaluate the possibilities of cylinder deactivation in terms of increasing the exhaust gas temperature in the low load range. Another unconventional way to achieve a higher temperature level of the exhaust aftertreatment components is the positioning of these components upstream of the turbine of the turbocharger. For this purpose a 0.41 oxidation catalyst was installed upstream of the turbine and investigated on the engine test bench. The sluggish boost pressure buildup and the influencing parameters, thermal inertia, volume and pressure lass before turbine, were analyzed with charge-exchange simulations. To increase the efficiency of an engine, the variability of the compression ratio (variable compression ratio, VCR) is always sought. Using different pistons, the potentials of a 2- stage switchable VCR system on diesel engines were evaluated in terms of fuel consumption, emissions and specific performance, and examined in detail with simulations and lass analyses. The reduction of displacement and number of cylinders has recently led to significant fuel consumption reductions. In the course of this work, the effects of the number of cylinders on the turbocharging, especially on the turbine side, were considered. Using measurements, simulations and theoretical considerations, it was possible to explain the reasons and the extent^of the dependence of the pumping mean effective pressure on the number of cylinders, even with the same turbocharger efficiency. Contrary to the general view that the three-cylinder engine is the optimum for turbocharging, it has been shown that in diesel engine-typical conditions, the 4-cylinder engine always achieves the lowest pumping lasses. The reason for this behaviour is that the pressure in the exhaust manifold decreases less with shorter ignition intervals. Therefore the throttle lasses in the exhaust phase are lower.

German abstract:
Dieselmotoren stellen für Pkw ein effizientes Antriebssystem mit hoher Reichweite dar. Sie sind deshalb die erste Wahl für Kunden mit hohen jährlichen Kilometerleistungen. Auch die Einhaltung der gesetzlich festgelegten C02-Flottenemissionen bedarf effizienter Motoren. Die C02-Emissionen von Benzinmotoren liegen, in vergleichbaren Fahrzeugklassen, etwa 30 3 höher als bei dieselbetriebenen Fahrzeugen. Seit dem Diesel-Abgasskandal ist diese Form des Antriebes jedoch in Verruf geraten. Zukünftige gesetzliche Anforderungen bedingen zudem eine drastische Absenkung der NOx-Emissionen, weshalb die Dieselmotorenentwicklung aktuell stark auf das Thema Stickoxide fokussiert ist. Mit Euro 6c wird der veraltete und den heutigen Fahrleistungen nicht mehr entsprechende NEFZ-Testzyklus durch den realitätsnäheren WLTC-Testzyklus ersetzt. Ab Euro 6d-Temp kommen auch RDE-Testmethoden zu Einsatz. Im Zuge dieser Arbeit wurden verschiedene Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und Emissionsminderung sowohl experimentell an einem transienten Motorprüfstand als auch numerisch mithilfe von lD-Ladungswechselsimulationen und OD-Motorprozessrechnungen untersucht. Diese Dissertation wurde in fünf verschiedene Themengebiete gegliedert: AGR-Systeme, Zylinderabschaltung, Pre-Turbine-Catalysts, Variables Verdichtungsverhältnis und Turboaufladung bei niedriger Zylinderzahl. Zur innermotorischen NOx-Reduktion, in Verbindung mit den steigenden Lastanforderungen durch die neuen gesetzlichen Prüfbedingungen, wurden die Vor-und Nachteile der Hoch und Niederdruck-Abgasrückführung bewertet. Jedes der beiden Systeme hat in unterschiedlichen Betriebsbereichen deutliche Vorteile betreffend der NOx-Emissionen als auch des Kraftstoffverbrauchs. Ein wichtiges Schlüsselelement zur Erfüllung zukünftiger Emissionsgrenzwerte ist das Thermomanagement der Abgasnachbehandlungssysteme. Mit modifizierten Nockenwellen konnten die Möglichkeiten einer Zylinderabschaltung zur Erhöhung der Abgastemperatur im niedrigen Lastbereich bewertet werden. Eine andere unkonventionelle Möglichkeit ein höheres Temperaturniveau der Abgasnachbehandlungskomponenten zu erreichen, ist die Positionierung dieser Komponenten vor der Turbine des Turboladers. Am Motorprüfstand wurde zu diesem Zweck ein 0.41 Oxidationskatalysator vor Turbine eingebaut. Der träge Ladedruckaufbau und die Einflussgrößen, thermische Trägheit, Volumen und Druckverlust vor Turbine, wurden mit Ladungswechselsimulationen analysiert. Zur Effizienzsteigerung eines Motors wird immer wieder die Variabilität des Verdichtungsverhältnisses (Variable Compression Ration, VCR) angestrebt. Mithilfe von verschiedenen Kolben wurden die Potentiale eines 2-stufig schaltbaren VCR-Systems am Dieselmotor im Hinblick auf Verbrauch, Emissionen und spezifische Leistung bewertet und ausführlich mit Simulationen und Verlustteilungen untersucht. Die Reduktion von Hubraum und Zylinderzahl führte in letzter Zeit zu erheblichen Verbrauchsabsenkungen. Im Zuge dieser Arbeit wurden die Auswirkungen der Zylinderzahl auf die Turboaufladung, im speziellen auf die Turbinenseite, betrachtet. Mit Messungen, Simulationen und theoretischen Betrachtungen konnten die Gründe und Ausmaße der Abhängigkeit des Ladungswechselmitteldrucks von der Zylinderzahl, auch bei gleichen Turboladerwirkungsgraden, erläutert werden. Entgegen der allgemeinen Auffassung, dass der Dreizylindermotor das Optimum für die Turboaufladung darstellt, wurde gezeigt, dass bei dieselmotor-typischen Bedingungen der 4-Zylindermotor immer die niedrigsten Ladungswechselverluste erzielt. Ursache dafür ist, dass der Druck im Abgaskrümmer bei kürzeren Zündabständen weniger stark absinkt und daher die Drosselverluste in der Ausströmphase geringer ausfallen.

Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.