[ES] Se espera que la nueva generación de motores de encendido provocado represente la mayor parte del mercado en el contexto de la propulsión de vehículos con o sin hibridación. Sin embargo, la tecnología actual todavía tiene desafíos críticos por delante para cumplir con los nuevos estándares de emisiones de CO2 y contaminantes. Consecuentemente están surgiendo nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia de los motores y que estos cumplan con las nuevas normativas anti-contaminación. Entre otras, una de las tendencias más seguidas en la actualidad es la reducción de tamaño de los motores, concepto conocido como "downsizing", bajo la técnica de la turbosobrealimentación. Las nuevas tecnologías de turbocompresores, como las turbinas de geometría variable (TGV), se empiezan a considerar para su aplicación en las exigentes condiciones de funcionamiento de los nuevos motores de encendido provocado. En este trabajo, a partir de datos experimentales obtenidos en la sala de ensayos del motor, se propone una metodología de calibración del modelo completo de motor 1-D: se realiza un análisis teórico dirigido a asegurar el control total sobre cualquier aspecto de la simulación. En otras palabras, el modelo de motor 1-D se ajustó completamente con respecto a los datos experimentales del motor. Además, se demuestra la necesidad del postprocesamiento y validación de datos experimentales relacionados con mapas de turbocompresores, ya que se requiere desacoplar fenómenos como la transferencia de calor y las pérdidas por fricción de los denominados mapas experimentales de turbocompresores. De acuerdo con esto, se presenta una metodología para la obtención de mapas de turbocompresores, basada en una campaña experimental dividida en varias tipologias de ensayos y seguida de la etapa de modelado. La etapa de modelado se lleva a cabo utilizando modelos de turbocompresores integrales ya desarrollados o disponibles en la literatura. Adicionalmente se aborda la mejora en la precisión de las simulaciones cuando se comparan mapas de turbocompresores postprocesados con mapas puramente experimentales. Aprovechando el modelo de motor 1-D altamente validado y físicamente representativo así como los mapas validados del turbocompresor, se discute cómo las incertidumbres experimentales o las variables "fuera de control" pueden afectar los resultados experimentales. Se propone una metodología para superar este punto desde la perspectiva del modelado. Lo anterior permite realizar comparativas que en las se analiza exclusivamente el impacto de diferentes tecnologías de turbina o unidades de turbinas. Además, tomando como base el modelo ya desarrollado, es posible explorar diferentes cálculos de optimización, estrategias de control y proporcionar comparaciones de tecnología de turbinas en plenas cargas y cargas parciales de motor en un amplio rango de revoluciones. También se aborda el impacto de la altitud y se evalúan los transitorios de carga para dos tecnologías de turbinas analizadas: VGT y WG. Como conclusión, se demuestra que la tecnología VGT muestra menos limitaciones en condiciones de trabajo extremas, como en la curva de plena carga, donde la tecnología WG representa una limitación en términos de máxima potencia. Las diferencias a plena carga se vuelven aún más evidentes en condiciones de trabajo en altitud. Cuando se trata de cargas parciales, las diferencias en el consumo de combustible son menores, pero potencialmente beneficiosas para los VGT. / [CA] S'espera que la nova generació de motors d'encesa per espurna representi la major part del mercat en el context de la propulsió de vehicles amb o sense hibridació. No obstant això, la tecnologia actual encara té reptes crítics per davant per complir amb els nous estàndards d'emissions de CO2 i contaminants. Conseqüentment estan sorgint noves tecnologies per millorar l'eficiència dels motors i que aquests compleixin amb les noves normatives anti-contaminació. Entre d'altres, una de les tendències més seguides en l'actualitat és la reducció de grandària dels motors, concepte conegut com "downsizing", sota la tècnica de la turbosobrealimentación. Les noves tecnologies de turbocompressors, com les VGT, es comencen a considerar per la seva aplicació en les exigents condicions de funcionament dels nous motors d'encesa per espurna. En aquest treball, a partir de dades experimentals obtingudes a la sala d'assajos de l'motor, es proposa una metodologia de calibratge del model complet de motor 1-D: es realitza una anàlisi teòrica dirigit a assegurar el control total sobre qualsevol aspecte de la simulació. En altres paraules, el model de motor 1-D es va ajustar completament respecte a les dades experimentals del motor. A més, es demostra la necessitat del posprocesamiento i validació de dades experimentals relacionats amb mapes de turbocompressors, ja que es requereix desacoblar fenòmens com la transferència de calor i les pèrdues per fricció dels denominats mapes experimentals de turbocompressors. D'acord amb això, es presenta una metodologia per a l'obtenció de mapes de turbocompressors, basada en una campanya experimental dividida en diverses tipologies d'assajos i seguida de l'etapa de modelatge. L'etapa de modelatge es porta a terme utilitzant models de turbocompressors integrals ja desenvolupats disponibles a la literatura. A més a s'aborda la millora en la precisió de les simulacions quan es comparen mapes de turbocompressors postprocessats amb mapes purament experimentals. Aprofitant el model de motor 1-D validat i físicament representatiu així com els mapes validats del turbocompressor, es discuteix com les incerteses experimentals o les variables "fora de control" poden afectar els resultats experimentals. Es proposa una metodologia per superar aquest punt des de la perspectiva de la modelització. L'anterior permet realitzar exclusivament la comparació de tecnologies / unitats de turbines. A més, prenent com a base el model ja desenvolupat, és possible explorar diferents càlculs d'optimització, estratègies de control i proporcionar comparacions de tecnologia de turbines a càrregues completes i parcials del motor en un ampli rang de revolucions del motor. També s'aborda l'impacte de l'altitud i s'avaluen els transitoris de càrrega per a dues tecnologies de turbines analitzades: VGT i WG. com a conclusió, es demostra que la tecnologia VGT mostra menys limitacions en condicions de treball extremes, com en la corba de plena càrrega, on la tecnologia WG representa una limitació en termes de màxima potència. Les diferències a plena càrrega es tornen encara més evidents en condicions de treball en altitud. Quan es tracta de càrregues parcials, les diferències en el consum de combustible són menors, però potencialment beneficioses per als VGT. / [EN] The new generation of spark ignition (SI) engines is expected to represent most of the future market share in the context of power-train with or without hybridization. Nevertheless, the current technology has still critical challenges in front to meet incoming CO2 and pollutant emissions standards. Consequently, new technologies are emerging to improve engine efficiency and meet new pollutant regulations. Among others, one of the most followed trends is engine size reduction, known as downsizing, based on the turbocharging technique. New turbocharger technologies, such as variable geometry turbines (VGT), are evaluated for their application under the demanding operating conditions of SI engines. In this work, from experimental data obtained in an engine test cell, a 1-D complete engine model calibration methodology was conducted: a theoretical analysis aimed at ensuring full control on any aspect of the simulation. In other words, the 1-D engine model was fully fitted with respect to the experimental engine data. Furthermore, it is evidenced the requirement of post-processing and validating the experimental data dealing with turbocharger maps, since phenomena such as heat transfer and friction losses are required to be decoupled from the so-called experimental turbocharger maps. Accordingly, a methodology for turbocharger maps obtention is presented, based on an experimental campaign divided into several test typologies and followed by the modelling stage. The modelling stage is carried out making usage of already developed integral turbocharger models available in the literature. Additionally, the improvement in the accuracy of the simulations when post-processed turbocharger maps are compared against purely experimental maps is addressed. Taking advantage of the highly validated and physically representative 1-D gas-dynamics engine model and turbocharger validated maps, it is discussed how experimental uncertainties or "out-of-control" variables may impact the experimental results. A methodology is proposed to overcome this point from the modelling perspective. The previous allows performing exclusively turbine technologies/units comparison. In addition, taking as a basis the already developed model, it is possible to explore different optimization calculations, control strategies and provide turbine technology comparisons at engine full and partial loads in a wide range of engine speed. Also, the altitude impact is addressed and load transients are evaluated for two analysed turbine technologies: VGT and WG. In all, it was found that VGT technology shows fewer limitations in extreme working conditions, such as full load curve, where the WG technology represents a limitation in terms of the maximum power output. Full load differences become even more evident in altitude working conditions. When it comes to partial loads, differences in fuel consumption are minor but potentially beneficial for VGTs. / Gómez Vilanova, A. (2022). Modelling and analysis methodology of SI IC engines turbocharged by VGT [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181929 / TESIS

Knocking is a type of abnormal combustion which depends on several physical factors and results in high frequency pressure oscillations inside the combustion chamber of a spark-ignited internal combustion engine (ICE). These oscillations can damage the engine and hamper its efficiency, which is why it is important for automakers to understand the knocking behavior so that it can be avoided during engine operation. Due to the catastrophic outcomes of knocking a lot of research has been done in the past on prediction of its occurrence. There can be several causes of knocking but when it occurs due to auto-ignition of fuel in the end-gas it’s called spark-knock. There are various mathematical models that predict the phenomenon of spark-knock. In this thesis, several of the previously published knock prediction models for heavy-duty natural-gas engine are studied and analyzed. The main objective of this project is to assess the accuracy of different types of knock prediction models.Amongst all the types of knock prediction models emphasize has been given to empirical correlation models, particularly to the ones which are based on chemical kinetics pertaining to the combustion process of methane. These are the models that claim to predict ignition delay time based on concentration of air and fuel in the unburned zone of the cylinder. The models are assessed based on the knocking behavior they represent across the engine operation range. Results pertaining to the knock prediction models are evaluated in a 1D engine simulation model using AVL BOOST. The BOOST performance prediction model is calibrated against experimentally measured engine test-cell data and the same data is used to assess the knock prediction models.The knock prediction model whose results correlate with experimental observations is analyzed further while other models are discarded. Using the validated model, variation in knock occurrence is evaluated with change in the combustion phasing. Two of the parameter that are used to define the combustion phasing are spark-advance and combustion duration. It was found that when the brake mean effective pressure is kept constant the knock prediction parameter increases linearly with increase in spark advance and decreases linearly with increase in combustion duration. The variation of knock prediction parameter with spark advance showed increasing gradient with increase in engine torque. / Knack i en förbränningsmotor är en typ av onormal förbränning. Det är ett komplicerat fenomen som beror på flera fysiska faktorer och resulterar i högfrekventa tryckoscillationer inuti förbränningskammaren. Dessa oscillationer kan skada motorn och fenomenet hämmar motorns effektivitet. Knack kan uppstå på två sätt i en Otto-motor och detta examensarbete kommer att handla om självantändning. Självantändning, i detta fall, är när ändgasen börjar brinna utan att ha blivit påverkad av flamfronten eller gnistan från tändstiftet. Det finns flera olika matematiska modeller som i olika grader kan prediktera knackfenomenet. I detta examensarbete studeras några av de tidigare publicerade prediktionsmodellerna för knack i Otto-förbränning och modelleras för analys. Huvudsyftet med detta projekt är således att bedöma noggrannheten hos olika typer av knackmodeller. Extra fokus har lagts på empiriska korrelationsmodeller, särskilt till de som är baserade på kemisk kinetik avseende förbränningsprocessen av metan. Dessa modeller förutsäger den tid det tar för ändgasen att självantända, baserat på dess koncentration av luft och bränsle. Knackmodellerna bedöms sedan utifrån det beteende som de förutsäger över motorns driftområde och dess överensstämmelse med kända motorkalibreringsstrategier. Resultatet av knackpredikteringen för de olika knackmodellerna utvärderas och valideras i en motorsimuleringsmodell i mjukvaran AVL BOOST. BOOST-modellen kalibreras mot experimentellt uppmätta motortestdata. Baserat på resultaten från de valda knockmodellerna så blev den modell som bäst korrelerar med kända motorkalibreringsstrategier analyserad djupare. Den utvalda modellen var en ECM modell och den utvärderas ytterligare med avseende på variation i predikterad knack-parameter. Detta görs genom att modifiera två förbränningsparametrar: tändvinkel och förbränningsduration. Det visade sig att modellerna predikterade en linjär ökning då tändningen tidigareläggs och ett linjärt minskande vid längre förbränningsduration, vilket är i enlighet med motortestdata. Vidare visade det sig att variationer i tändvinkel resulterade i en högre gradient i knackpredikteringen vid högre motorbelastningar och korresponderande minskning vid lägre belastning.

Forskning inom motorutveckling bedrivs för att möta kommande emissionskrav och samtidigt minska bränsleförbrukningen. Kommande förbud mot dieseldrivna fordon planeras i flera städer runt om i världen. Alternativa bränsle som exempelvis naturgas ses som en lovande ersättning även för tunga fordon. Metan som är huvudkomponenten av naturgas har en fördelaktigt förhållande mellan väte och kol vilket gör den attraktiv för CO2-reducering. Hur som helst, bränslets låga cetantal och den höga aktiveringsenergin som krävs för att tända naturgas förutsätter tändstiftsantändning.En fördel av att använda en encylindrig motor inom forskning är möjligheten att studera fenomen utan negativa gasväxlingsinteraktioner från intilliggande cylindrar. Jämfört med en fullmotor möjliggörs även ett snabbare utbyte av motordelar samt lägre bränsleförbrukning.Fokus för detta examensarbete var genomförandet av ett flexibelt bränslesystem för en tändstiftsantänd encylindrig motor. Motorn är en tändstiftsantänd Scania 9 liters som modifieras för encylinder körning. Flexibilitet som t.ex. laddningshomogenitet, selektiv fyllning av inloppsporter och förberedelser för direktinsprutning av flytande bränsle realiserades. För enkel användning är motorn styrd av en eftermarknadsmotorstyrenhet som använder ett användarvänligt grafiskt gränssnitt för ändring av driftsparametrar. Säkerhetshänsyn vid blandning av gasformiga bränsle och luft långt innan inloppsporterna har implementerats. / Most of the fundamental research in internal combustion engines is driven by the ever-increasing stringency of emissions regulations along with the need for increased fuel economy. The proposed ban on diesel vehicles in several cities around the world combined with extensive availability, has made natural gas a promising substitute even for heavy-duty applications. The high hydrogen-to-carbon ratio of methane, the major component of natural gas, makes it attractive from an emissions reduction perspective. CO2 emissions from natural gas combustion are particularly low. However, the low cetane number and high activation energy required to ignite natural gas, requires spark-ignition.In a research setting, it is often advantageous to have a single cylinder engine. The main benefit is the ability to study phenomena without adverse interactions which multi-cylinder operation may cause. This is especially important for gas-exchange studies. Quicker replacement of parts and lower fuel consumption are secondary benefits.The focus of this thesis was the implementation of a flexible fueling system for a single cylinder spark-ignited engine. The engine is a Scania 9-liter spark-ignited engine modified for single cylinder operation. Flexibility in terms of charge homogeneity, selective intake port filling and provisions for liquid fuel direct injection have been provided. For ease of use, the engine is controlled by an aftermarket engine control unit with a graphical user interface for configuration. Safety considerations when mixing gaseous fuels and air well upstream of the intake ports have been implemented.

Knack i en förbränningsmotor är en typ av onormal förbränning. Det är ett komplicerat fenomen som beror på flera fysiska faktorer och resulterar i högfrekventa tryckoscillationer inuti förbränningskammaren. Dessa oscillationer kan skada motorn och fenomenet hämmar motorns effektivitet. Knack kan uppstå på två sätt i en Otto-motor och detta examensarbete kommer att handla om självantändning. Självantändning, i detta fall, är när ändgasen börjar brinna utan att ha blivit påverkad av flamfronten eller gnistan från tändstiftet. Det finns flera olika matematiska modeller som i olika grader kan prediktera knackfenomenet. I detta examensarbete studeras några av de tidigare publicerade prediktionsmodellerna för knack i Otto-förbränning och modelleras för analys. Huvudsyftet med detta projekt är således att bedöma noggrannheten hos olika typer av knackmodeller. Extra fokus har lagts på empiriska korrelationsmodeller, särskilt till de som är baserade på kemisk kinetik avseende förbränningsprocessen av metan. Dessa modeller förutsäger den tid det tar för ändgasen att självantända, baserat på dess koncentration av luft och bränsle. Knackmodellerna bedöms sedan utifrån det beteende som de förutsäger över motorns driftområde och dess överensstämmelse med kända motorkalibreringsstrategier. Resultatet av knackpredikteringen för de olika knackmodellerna utvärderas och valideras i en motorsimuleringsmodell i mjukvaran AVL BOOST. BOOST-modellen kalibreras mot experimentellt uppmätta motortestdata. Baserat på resultaten från de valda knockmodellerna så blev den modell som bäst korrelerar med kända motorkalibreringsstrategier analyserad djupare. Den utvalda modellen var en ECM modell och den utvärderas ytterligare med avseende på variation i predikterad knack-parameter. Detta görs genom att modifiera två förbränningsparametrar: tändvinkel och förbränningsduration. Det visade sig att modellerna predikterade en linjär ökning då tändningen tidigareläggs och ett linjärt minskande vid längre förbränningsduration, vilket är i enlighet med motortestdata. Vidare visade det sig att variationer i tändvinkel resulterade i en högre gradient i knackpredikteringen vid högre motorbelastningar och korresponderande minskning vid lägre belastning. / Knocking is a type of abnormal combustion which depends on several physical factors and results in high frequency pressure oscillations inside the combustion chamber of a spark-ignited internal combustion engine (ICE). These oscillations can damage the engine and hamper its efficiency, which is why it is important for automakers to understand the knocking behavior so that it can be avoided during engine operation. Due to the catastrophic outcomes of knocking a lot of research has been done in the past on prediction of its occurrence. There can be several causes of knocking but when it occurs due to auto-ignition of fuel in the end-gas it’s called spark-knock. There are various mathematical models that predict the phenomenon of spark-knock. In this thesis, several of the previously published knock prediction models for heavy-duty natural-gas engine are studied and analyzed. The main objective of this project is to assess the accuracy of different types of knock prediction models. Amongst all the types of knock prediction models emphasize has been given to empirical correlation models, particularly to the ones which are based on chemical kinetics pertaining to the combustion process of methane. These are the models that claim to predict ignition delay time based on concentration of air and fuel in the unburned zone of the cylinder. The models are assessed based on the knocking behavior they represent across the engine operation range. Results pertaining to the knock prediction models are evaluated in a 1D engine simulation model using AVL BOOST. The BOOST performance prediction model is calibrated against experimentally measured engine test-cell data and the same data is used to assess the knock prediction models. The knock prediction model whose results correlate with experimental observations is analyzed further while other models are discarded. Using the validated model, variation in knock occurrence is evaluated with change in the combustion phasing. Two of the parameter that are used to define the combustion phasing are spark-advance and combustion duration. It was found that when the brake mean effective pressure is kept constant the knock prediction parameter increases linearly with increase in spark advance and decreases linearly with increase in combustion duration. The variation of knock prediction parameter with spark advance showed increasing gradient with increase in engine torque.

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.

Spark ignited engines are still important for conventional as well as for hybrid power trains and are thus objective to optimization. Today a lot of functionalities arise from software solutions, which have to be calibrated. Modern engine technologies provide an extensive variability considering their valve train, fuel injection and load control. Thus, calibration efforts are really high and shall be reduced by introduction of virtual methods. In this work a physical 0D combustion model is set up, which can cope with a new generation of spark ignition engines. Therefore, at first cylinder thermodynamics are modeled and validated in the whole engine map with the help of a real-time capable approach. Afterwards an up to date turbulence model is introduced, which is based on a quasi-dimensional k-epsilon-approach and can cope with turbulence production from large scale shearing. A simplified model for ignition delay is implemented which emphasizes the transfer from laminar to turbulent flame propagation after ignition. The modeling is completed with the calculation of overall heat release rates in a 0D entrainment approach with the help of turbulent flame velocities. After validation of all sub-models, the 0D combustion prediction is used in combination with a 1D gas exchange analysis to virtually calibrate the modern engine torque structure and the ECU function for exhaust gas temperature with extensive simulations. / Moderne Ottomotoren spielen heute sowohl in konventionellen als auch hybriden Fahrzeugantrieben eine große Rolle. Aktuelle Konzepte sind hochvariabel bezüglich Ventilsteuerung, Kraftstoffeinspritzung und Laststeuerung und ihre Optimierungspotentiale erwachsen zumeist aus neuen Softwarefunktionen. Deren Applikation ist zeit- und kostenintensiv und soll durch virtuelle Methoden unterstützt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein physikalisches 0D Verbrennungsmodell für Ottomotoren aufgebaut und bis zur praktischen Anwendung geführt. Dafür wurde zuerst die Thermodynamik echtzeitfähig modelliert und im gesamten Motorenkennfeld abgeglichen. Der Aufbau eines neuen Turbulenzmodells auf Basis der quasidimensionalen k-epsilon-Gleichung ermöglicht anschließend, die veränderlichen Einflüsse globaler Ladungsbewegung auf die Turbulenz abzubilden. Für den Brennverzug wurde ein vereinfachtes Modell abgeleitet, welches den Übergang von laminarer zu turbulenter Flammenausbreitung nach der Zündung in den Vordergrund stellt. Der restliche Brennverlauf wird durch die physikalische Ermittlung der turbulenten Brenngeschwindigkeit in einem 0D Entrainment-Ansatz dargestellt. Nach Validierung aller Teilmodelle erfolgt die virtuelle Bedatung der Momentenstruktur und der Abgastemperaturfunktion für das Motorsteuergerät.

Spark ignited engines are still important for conventional as well as for hybrid power trains and are thus objective to optimization. Today a lot of functionalities arise from software solutions, which have to be calibrated. Modern engine technologies provide an extensive variability considering their valve train, fuel injection and load control. Thus, calibration efforts are really high and shall be reduced by introduction of virtual methods. In this work a physical 0D combustion model is set up, which can cope with a new generation of spark ignition engines. Therefore, at first cylinder thermodynamics are modeled and validated in the whole engine map with the help of a real-time capable approach. Afterwards an up to date turbulence model is introduced, which is based on a quasi-dimensional k-epsilon-approach and can cope with turbulence production from large scale shearing. A simplified model for ignition delay is implemented which emphasizes the transfer from laminar to turbulent flame propagation after ignition. The modeling is completed with the calculation of overall heat release rates in a 0D entrainment approach with the help of turbulent flame velocities. After validation of all sub-models, the 0D combustion prediction is used in combination with a 1D gas exchange analysis to virtually calibrate the modern engine torque structure and the ECU function for exhaust gas temperature with extensive simulations.:Contents 1 Introduction. 2 Thermodynamic modeling with real-time capability. 3 Quasi-dimensional modeling of turbulence and global charge motion. 4 Physical modeling of ignition delay. 5 Combustion modeling based on a 0D entrainment approach. 6 Virtual engine calibration with a quasi-dimensional combustion model. 7 Summary and outlook. / Moderne Ottomotoren spielen heute sowohl in konventionellen als auch hybriden Fahrzeugantrieben eine große Rolle. Aktuelle Konzepte sind hochvariabel bezüglich Ventilsteuerung, Kraftstoffeinspritzung und Laststeuerung und ihre Optimierungspotentiale erwachsen zumeist aus neuen Softwarefunktionen. Deren Applikation ist zeit- und kostenintensiv und soll durch virtuelle Methoden unterstützt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein physikalisches 0D Verbrennungsmodell für Ottomotoren aufgebaut und bis zur praktischen Anwendung geführt. Dafür wurde zuerst die Thermodynamik echtzeitfähig modelliert und im gesamten Motorenkennfeld abgeglichen. Der Aufbau eines neuen Turbulenzmodells auf Basis der quasidimensionalen k-epsilon-Gleichung ermöglicht anschließend, die veränderlichen Einflüsse globaler Ladungsbewegung auf die Turbulenz abzubilden. Für den Brennverzug wurde ein vereinfachtes Modell abgeleitet, welches den Übergang von laminarer zu turbulenter Flammenausbreitung nach der Zündung in den Vordergrund stellt. Der restliche Brennverlauf wird durch die physikalische Ermittlung der turbulenten Brenngeschwindigkeit in einem 0D Entrainment-Ansatz dargestellt. Nach Validierung aller Teilmodelle erfolgt die virtuelle Bedatung der Momentenstruktur und der Abgastemperaturfunktion für das Motorsteuergerät.:Contents 1 Introduction. 2 Thermodynamic modeling with real-time capability. 3 Quasi-dimensional modeling of turbulence and global charge motion. 4 Physical modeling of ignition delay. 5 Combustion modeling based on a 0D entrainment approach. 6 Virtual engine calibration with a quasi-dimensional combustion model. 7 Summary and outlook.