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P.K Rumplmayr:
"Gesamtsystembetrachtung eines Dieselmotors mit Beschichtung des Brennraums zur Reduktion der Wandwärmeverluste";
Supervisor, Reviewer: H. Eichlseder, B. Geringer; Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik | TU Graz / IFA .TU Wien, 2020.

Every scientific debate concerning the internal combustion engine leads to the major question of its actual overall efficiency. In general, between one third and half of the supplied fuel energy is converted into work. The rest is distributed almost equally into wall heat losses and exhaust gas enthalpy. The aim of this work was to examine the subject of combustion chamber coating with materials of low thermal conductivity according to the state of the art as well as to point out optimization measures. Particular attention was paid to the reduction of wall heat losses and the increase in exhaust gas temperature, considering the current emission legislation.

The first part of the thesis covers the theoretical potential of combustion chamber coating in order to reduce wall heat losses. This was done by Simulation calculations. The focus hereby was put on the coupling of the engine simulation software with the heat conduction model. The simulation results demonstrate that currently avialable coatings reduce the wall heat losses by about 10 % over a wide range of the engine map. This corresponds to a reduction of fuel consumption of 1.5 % to 2.5 %.

The second part of the work is about the examination of the combustion chamber coating on an engine test bed. For this purpose, the behavior of several pistons with different insulating coatings in a single-cylinder research engine was compared to previous simulation results.
The measurement data was statistically analyzed in order to avoid neglecting neither the measurement accuracy nor the reproducibility of the results. Despite the use of high-precision measuring technology the simulation results could not be confirmed. A detailed evaluation of the measurement data supported by simulation and engine process analysis showed that presumed small differences between the coatings were caused by external influences. None of the coatings tested showed an insulating effect. A final analysis suggests that the heat transfer between working gas and combustion chamber wall seems to change significantly when a coating is applied. This also explains the discrepancy between measurement and simulation since this effect is not reflected by the heat transfer model of the engine process calculation. An in-depth research of the basic mechanisms of heat transfer in the boundary layer is necessary to clarify these circumstances.

Bei jeder thematischen Auseinandersetzung mit der Verbrennungskraftmaschine, führt kaum ein Weg an der substanziellen Frage, nach deren tatsächlicher Effizienz vorbei. Im Allgemeinen wird nur etwa ein Drittel bis maximal die Hälfte der dem Motor zugeführten Brennstoffenergie in Arbeit umgewandelt. Der Rest geht zu etwa gleichen Teilen über die Brennraumwand und das Abgas verloren. Ziel dieser Arbeit war es, das Thema Beschichtung des Brennraums mit Materialien niedriger Wärmeleitfähigkeit nach dem derzeitigen Stand der Technik aufzuarbeiten sowie etwaige optimierende Maßnahmen aufzuzeigen. Ein spezielles Augenmerk wurde dabei vor allem auf die Reduktion der Wandwärmeverluste und die Erhöhung der Abgastemperatur, unter Berücksichtigung der aktuellen Emissionsgesetzgebung, gelegt. Der erste Teil der Arbeit setzt sich mit dem theoretischen Potential einer Beschichtung des Brennraums zur Reduktion der Wandwärmeverluste auseinander. Dies wurde anhand von Simulationsrechnungen ausgeführt. Im Fokus hierbei stand die Koppelung der Ladungswechselsimulation mit einem Wandwärmeleitungsmodell. Die Simulationsergebnisse legen dar, dass der Wandwärmeverlust mit derzeit am Markt zur Verfügung stehenden Beschichtungsmaterialien über weite Kennfeldbereiche um etwa 10 % reduziert werden kann. Dies entspricht einer Verbrauchsminderung von 1.5 % bis 2.5 %. Während des zweiten Teils der Arbeit wurde die Beschichtung des Brennraums praktisch am Motorprüfstand untersucht. Hierfür wurden Kolben mit verschiedenen Isolierbeschichtungen herangezogen und deren Verhalten im Einzylinder Forschungsmotor im Bezug auf die im Vorfeld simulierten Auswirkungen miteinander verglichen. Die Messergebnisse wurden einer statistischen Auswertung unterzogen um sowohl die Messgenauigkeit als auch die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bei dem Vergleich nicht außer Acht zu lassen. Trotz des Einsatzes hochpräziser Messtechnik konnten die Simulationsergebnisse nicht bestätigt werden. Eine detaillierte, durch Simulation und Motorprozessrechnung unterstützte Auswertung der Messergebnisse zeigte, dass kleinere vermeintliche Differenzen zwischen den Beschichtungen schlussendlich eindeutig auf äußere Einflüsse zurückzuführen waren. Bei keiner der untersuchten Beschichtungen konnte eine isolierende Wirkung nachgewiesen werden. Eine abschließende Analyse legt die Vermutung nahe, dass sich der Wärmeübergang zwischen Arbeitsgas und Brennraumwand im beschichteten Fall deutlich zu ändern scheint. Dadurch kann auch die Diskrepanz zwischen Messung und Simulation erklärt werden, da dieser Effekt vom Wärmeübergangsmodell der Motorprozessrechnung nicht abgebildet wird. Um diesbezüglich Klarheit zu schaffen ist eine tiefergreifende Erforschung der grundlegenden Mechanismen des Wärmeübergangs in der Grenzschicht erforderlich.