Driven by the strict fuel consumption and CO2 legislations in Europe and many countries, various technologies have been developed to improve the fuel economy of conventional internal combustion engines. Gasoline engine downsizing has become a popular and effective approach to reduce fleet CO2 emissions of passenger cars. This is typically achieved in the form of boosted direct injection gasoline engines equipped with variable valve timing devices. Downsized gasoline engines reduce vehicle fuel consumption by making engine operate more at higher load to reduce pumping losses and also through reducing total engine friction losses. However, their compression ratio (CR) and efficiency are constrained by knocking combustion as well as the low speed pre-ignition phenomena. Miller cycle is typically achieved in an engine with reduced effective CR through Early Intake Valve Closure (EIVC) or Later Intake Valve Closure (LIVC). This technology has been adopted on modern gasoline engines to reduce in-cylinder charge temperature and enable a higher geometric CR to be used for better fuel economy. The present work investigated the effectiveness and underlying process of a Miller cycle based approach for improving fuel consumption of a boosted downsized gasoline engine. A single cylinder direct injection gasoline engine and the testing facilities were set up and used for extensive engine experiments. Both EIVC and LIVC approaches were tested and compared to the conventional Otto cycle operation with a standard cam profile. Synergy between Miller cycle valve timings and different valve overlap period was analysed. Two pistons with different CRs were used in the Miller cycle engine testing to enable its full potential to be evaluated. The experimental study was carried out in a large engine operation area from idle to up to 4000rpm and 25.6bar NIMEP to determine the optimal Miller cycle strategy for improved engine fuel economy in real applications. In addition, the increased exhaust back pressure and friction losses corresponding to real world boosting devices were calculated to evaluate Miller cycle benefits at high loads in a production engine. The results have shown that EIVC combined with high CR can offer up to 11% reduction of fuel consumption in a downsized gasoline engine with simple setup and control strategy. At the end, this thesis presents an Miller cycle based approach for maximising fuel conversion efficiency of a gasoline engine by combining three-stage cam profiles switching and two-stage variable compression ratio.

La réduction de la consommation des véhicules est un enjeu majeur pour les constructeurs. Parmi les stratégies employées, l’utilisation de lois de levée de soupape variables est en voie de démocratisation.Le premier objectif de cette thèse est de présenter la recherche et le pré dimensionnement d’un mécanisme offrant à la soupape trois levées distinctes : une pour la pleine charge, une pour les faibles charges et une permettant de désactiver un ou plusieurs cylindres pour les charges intermédiaires. Le pré dimensionnement comprend notamment les conditions d’usinabilité des cames, le calcul des ressorts de distribution et la contrainte de pression de contact entre les cames et les poussoirs.Le mode de fonctionnement de ce mécanisme est piloté par la position de deux actionneurs électromagnétiques choisis pour leur temps de réponse faible. Le deuxième objectif de la thèse est de proposer une optimisation afin de réduire leurs dimensions et faciliter leur intégration. Cette optimisation nécessite une modélisation multi-physique (magnétique, électrique, mécanique) du comportement de l’actionneur et permet de définir le profil de commande et les ressorts.Compte tenu du nombre de paramètres d’entrée et du temps de calcul d’une itération, l’optimisation présente un coût de calcul important. Nous présentons donc deux algorithmes de création de modèles de substitution par krigeage. Le premier permet d’approximer une fonction fine dans tout le domaine d’étude à un coût limité. Le second est inclus dans une boucle d’optimisation et n’utilise le modèle fin que lorsque l’approximation n’est pas suffisamment fiable. Ils permettent tout deux de réduire le coût d’optimisation. / Abstract : As the constraint on vehicle consumption tightens, variable valve lift strategies are used to increase engines efficiency. This thesis focuses on issues related to the design of a three-stage electromagnetic valve tappet. First of all, the tappet has to fit inside the engine and has to offer three different valve lifts: a full lift for high speed and torque requirements, a low lift for small loads and a lift allowing cylinder deactivation for medium loads. The tappet dimensioning includes, for example, cams feasibility, spring parameters and contact pressure between cams and tappets. Valve lift selection is made by two electromagnetic actuators in order to obtain a short transition time. Their size, however, hinders their integration. Hence, we realize an optimization aiming to reduce its volume and define the command profile and its return springs. This optimization requires a multi-physics model (electric, magnetic and dynamic) to simulate the actuator behavior. Due to the parameter number and the computational time needed per iteration, the optimization is expensive. Hence we suggest two metamodels algorithms to be used in the optimization. The first algorithm, off-line, is able to create iteratively a predictor precise in the entire domain studied with a lesser cost than Latin Hypercube Sample. The second, in-line, refines the predictor inside the optimization loops and uses it when the predicted error is small.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potenziale zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von stöchiometrisch homogen betriebenen Ottomotoren in der Teillast untersucht. Im Gegensatz zur konventionellen Laststeuerung über die Drosselklappe bezeichnet die betrachtete, drosselfreie Laststeuerung die Quantitätsregelung einzig über den Hubverlauf der Gaswechselventile. Nach einer Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen zur drosselfreien Laststeuerung werden konkurrierende Bilanzierungsverfahren von Ladungswechsel- und Hochdruckteil von 4-Takt Verbrennungsverfahren vorgestellt. Anhand theoretischer Betrachtungen folgt für eine belastbare Bewertung der Prozessgüte allein die Bilanzierung in den Grenzen der Unteren Totpunkte (UT-UT). Im ersten Teil der motorischen Untersuchungen am Vollmotor wird das effektive Potenzial mechanisch variabler Ventiltriebe ermittelt. Dabei bleibt die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem gedrosselten Referenzmotor aufgrund sinkender Restgasverträglichkeit als Folge einer nachteiligen Abnahme der Ladungsbewegung hinter den Erwartungen zurück. Im Widerspruch zu mechanisch gekoppelten Systemen wird zur bedarfsgerechten Anpassung der Ladungsbewegung die Forderung nach maximaler Flexibilität der Ventilhubgestaltung abgeleitet. Im zweiten Teil der motorischen Untersuchungen am Einzylinder-Forschungsmotor werden die maximalen Freiheitsgrade eines nockenwellenlosen Ventiltriebs basierend auf dem Prinzip eines elektromotorischen Linearantriebs systematisch eingesetzt. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Beeinflussung des Einströmvorgangs in den Brennraum wird die Reduzierung der Drosselverluste durch Hubverlaufsformung sowie gezielte Restgasverdünnung im Vergleich von interner zu externer Rückführung betrachtet. Der Einfluss der Gemischbildung wird über die konkurrierende Darstellung von innerer und äußerer Kraftsteinspritzung aufgezeigt. Neben den maximalen Potenzialen werden ebenso die Grenzen der Entdrosselung dargestellt. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen gelingt zwar die Realisierung einer bedarfsgerechten Ladungsbewegung mit Hilfe vollvariabler Ventilhübe, jedoch wird eine fortgesetzte Verbrauchsverbesserung durch die Gewährleistung einer sicheren Entflammung limitiert.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potenziale zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von stöchiometrisch homogen betriebenen Ottomotoren in der Teillast untersucht. Im Gegensatz zur konventionellen Laststeuerung über die Drosselklappe bezeichnet die betrachtete, drosselfreie Laststeuerung die Quantitätsregelung einzig über den Hubverlauf der Gaswechselventile. Nach einer Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen zur drosselfreien Laststeuerung werden konkurrierende Bilanzierungsverfahren von Ladungswechsel- und Hochdruckteil von 4-Takt Verbrennungsverfahren vorgestellt. Anhand theoretischer Betrachtungen folgt für eine belastbare Bewertung der Prozessgüte allein die Bilanzierung in den Grenzen der Unteren Totpunkte (UT-UT). Im ersten Teil der motorischen Untersuchungen am Vollmotor wird das effektive Potenzial mechanisch variabler Ventiltriebe ermittelt. Dabei bleibt die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem gedrosselten Referenzmotor aufgrund sinkender Restgasverträglichkeit als Folge einer nachteiligen Abnahme der Ladungsbewegung hinter den Erwartungen zurück. Im Widerspruch zu mechanisch gekoppelten Systemen wird zur bedarfsgerechten Anpassung der Ladungsbewegung die Forderung nach maximaler Flexibilität der Ventilhubgestaltung abgeleitet. Im zweiten Teil der motorischen Untersuchungen am Einzylinder-Forschungsmotor werden die maximalen Freiheitsgrade eines nockenwellenlosen Ventiltriebs basierend auf dem Prinzip eines elektromotorischen Linearantriebs systematisch eingesetzt. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Beeinflussung des Einströmvorgangs in den Brennraum wird die Reduzierung der Drosselverluste durch Hubverlaufsformung sowie gezielte Restgasverdünnung im Vergleich von interner zu externer Rückführung betrachtet. Der Einfluss der Gemischbildung wird über die konkurrierende Darstellung von innerer und äußerer Kraftsteinspritzung aufgezeigt. Neben den maximalen Potenzialen werden ebenso die Grenzen der Entdrosselung dargestellt. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen gelingt zwar die Realisierung einer bedarfsgerechten Ladungsbewegung mit Hilfe vollvariabler Ventilhübe, jedoch wird eine fortgesetzte Verbrauchsverbesserung durch die Gewährleistung einer sicheren Entflammung limitiert.