In recent years gasoline engines have become increasingly complex, for example through the introduction of electronic control and monitoring systems for ignition, fuel injection and exhaust aftertreatment. Parallel to this the requirements placed upon engines have also increased hence the need to develop new engine technologies. This demand for new technologies is, in part, due to the self obligation of the automobile industry to reduce the CO2 emissions about 25% by 2005, and also to the increasingly stringent future exhaust limits. Some promising solutions are currently in development, e.g. the direct injection gasoline engine and variable valve trains. All these new technologies are characterised by increasing complexity and significantly higher degrees of freedom. The associated application expenditure rises drastically with the number of free parameters and also with improved quality standards. Possible solutions to meet the future requirements of the development process are based on model-based parameter optimisation and the use of test methods, such as "Design of Experiments" (DoE). The idea behind this approach is to produce models to describe the dependence of the responses of interest (i.e. fuel consumption) on the adjusted engine parameters. With these models offline optimisation of the engine can be carry out, independently of testbench resources. The measured data for the models are produced with the help of statistically designed experiments. Thus, the testing and analysis processes are structured and the expenditure limited. In the following the DoE methodology will be employed of a gasoline engine with electromechanical valve train. / Der Ottomotor im Kraftfahrzeug hat in den letzten Jahren mit dem Einzug elektronischer Steuer- und Regelsysteme für Zündung, Einspritzung und Abgasnachbehandlung einen sehr hohen technischen Stand erreicht. Die wachsenden Ansprüche an die Motorenentwicklung im Hinblick auf Verbrauchsreduzierung bei gleichzeitiger Erfüllung der zukünftigen Abgasgrenzwerte, verschärfen den Druck zur Entwicklung weiterführender Technologien. Hierbei gibt es bereits einige vielversprechende Lösungsansätze, wie z.B. die Direkteinspritzung oder variable Ventilsteuerungen. All diese neuen Technologien zeichnen sich durch eine wachsende Komplexität durch die signifikant höhere Anzahl von Freiheitsgraden aus. Der damit verbundene Applikationsaufwand steigt drastisch durch die wachsende Anzahl freier Parameter, aber auch durch die steigenden Anforderungen an die Qualität der Applikationsergebnisse. Einen möglichen Lösungsansatz zur Realisierung der zukünftigen Anforderungen an den Entwicklungsprozess stellen die modellgestützte Parameteroptimierung sowie der Einsatz der "Statistischen Versuchsplanung" (SVP) - "Design of Experiments" (DoE) - dar. Der Grundgedanke basiert auf der Erstellung von Modellen zur Beschreibung der Abhängigkeiten variierter Verstellparameter. Mit diesen Modellen können Offline-Optimierungen unabhängig von Prüfstandsressourcen durchgeführt werden. Die für die Modellbildung benötigten Messdaten werden mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung erzeugt. Dadurch wird der Prozess strukturiert und der Aufwand wird begrenzt. In der Arbeit wird der Einsatz der DoE-Methodik am Beispiel eines Ottomotors mit elektromechanischer Ventilsteuerung (EMVS) aufgezeigt.

In recent years gasoline engines have become increasingly complex, for example through the introduction of electronic control and monitoring systems for ignition, fuel injection and exhaust aftertreatment. Parallel to this the requirements placed upon engines have also increased hence the need to develop new engine technologies. This demand for new technologies is, in part, due to the self obligation of the automobile industry to reduce the CO2 emissions about 25% by 2005, and also to the increasingly stringent future exhaust limits. Some promising solutions are currently in development, e.g. the direct injection gasoline engine and variable valve trains. All these new technologies are characterised by increasing complexity and significantly higher degrees of freedom. The associated application expenditure rises drastically with the number of free parameters and also with improved quality standards. Possible solutions to meet the future requirements of the development process are based on model-based parameter optimisation and the use of test methods, such as "Design of Experiments" (DoE). The idea behind this approach is to produce models to describe the dependence of the responses of interest (i.e. fuel consumption) on the adjusted engine parameters. With these models offline optimisation of the engine can be carry out, independently of testbench resources. The measured data for the models are produced with the help of statistically designed experiments. Thus, the testing and analysis processes are structured and the expenditure limited. In the following the DoE methodology will be employed of a gasoline engine with electromechanical valve train. / Der Ottomotor im Kraftfahrzeug hat in den letzten Jahren mit dem Einzug elektronischer Steuer- und Regelsysteme für Zündung, Einspritzung und Abgasnachbehandlung einen sehr hohen technischen Stand erreicht. Die wachsenden Ansprüche an die Motorenentwicklung im Hinblick auf Verbrauchsreduzierung bei gleichzeitiger Erfüllung der zukünftigen Abgasgrenzwerte, verschärfen den Druck zur Entwicklung weiterführender Technologien. Hierbei gibt es bereits einige vielversprechende Lösungsansätze, wie z.B. die Direkteinspritzung oder variable Ventilsteuerungen. All diese neuen Technologien zeichnen sich durch eine wachsende Komplexität durch die signifikant höhere Anzahl von Freiheitsgraden aus. Der damit verbundene Applikationsaufwand steigt drastisch durch die wachsende Anzahl freier Parameter, aber auch durch die steigenden Anforderungen an die Qualität der Applikationsergebnisse. Einen möglichen Lösungsansatz zur Realisierung der zukünftigen Anforderungen an den Entwicklungsprozess stellen die modellgestützte Parameteroptimierung sowie der Einsatz der "Statistischen Versuchsplanung" (SVP) - "Design of Experiments" (DoE) - dar. Der Grundgedanke basiert auf der Erstellung von Modellen zur Beschreibung der Abhängigkeiten variierter Verstellparameter. Mit diesen Modellen können Offline-Optimierungen unabhängig von Prüfstandsressourcen durchgeführt werden. Die für die Modellbildung benötigten Messdaten werden mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung erzeugt. Dadurch wird der Prozess strukturiert und der Aufwand wird begrenzt. In der Arbeit wird der Einsatz der DoE-Methodik am Beispiel eines Ottomotors mit elektromechanischer Ventilsteuerung (EMVS) aufgezeigt.

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.