Mit der starken Verbreitung des turboaufgeladenen Dieselmotors seit etwa 10 Jahren gewinnt auch der mittels Abgasturbolader aufgeladene Ottomotor mehr an Bedeutung. Im dynamischen Betriebsverhalten zeigen diese Motoren, vor allem bei Drehzahlen unter 2000 U/min, einen verzögerten Mitteldruckaufbau. Mit konventionellen Ansätzen ist dieses Problem nicht zufrieden stellend zu lösen, deshalb wurden Ansätze zur Unterstützung im dynamischen Betrieb erstellt. In dieser Arbeit wurden die Lösungen mit dem größten Potential zur Verbesserung untersucht. Die untersuchten Ansätze greifen zum Einen in das Gebiet der gezielten Einspeisung von dauerhaft verfügbarer Zusatzenergie und zum Anderen zur Verteilung der Verdichtungsarbeit auf zwei Aufladestufen. Als Zielstellung für die Verbesserungen des dynamischen Betriebsverhaltens wurde das Erreichen eines effektiven Mitteldruckes von 16.5 bar in einer Zeit kleiner einer Sekunde ab einer Motordrehzahl von 1700 U/min formuliert. Im Falle der Einspeisung von Zusatzenergie muss diese beliebig oft und in kurzen Abständen verfügbar sein. Im Kapitel Einspeisung von Zusatzenergie wurden die Konzepte elektrische unterstützter ATL sowie elektrischer Zusatzverdichter miteinander verglichen. Mit Hilfe rechnerischer Parameterstudien wurden die Randbedingungen für den Einsatz eines elektrischen Verdichters ermittelt. Dabei wurde festgestellt, dass die Dimensionierung des eingesetzten Boosterverdichters ein Kompromiss zwischen Potential im Transientbetrieb und ausreichender Kennfeldbreite zur Anhebung der stationären Volllast im untersten Motordrehzahlbereich ist. Die Berechnungen haben zudem ergeben, dass die zu erwartende Begrenzung der verfügbaren elektrischen Bordnetzleistung den eBooster vorrangig für den Einsatz von Motoren mit einem Hubraum kleiner 2.5 l prädestiniert. Eine weitere Variante sieht die serielle Anordnung eines mechanisch angetriebenen Zusatzverdichters vor. Für die Umsetzung als zuschaltbares System reduziert sich die Auswahl auf einen mit geringem Massenträgheitsmoment gekennzeichneten Spirallader. Als dritte Variante wurde eine geregelte zweistufige Aufladung aufgegriffen. Der Vergleich der Simulationsergebnisse wies für alle drei Varianten das Potential zur Umsetzung der formulierten Forderung zur Dynamikverbesserung nach. Bei einer Motordrehzahl von 2000 U/min erreichten der Pscroll nach 580 ms und die beiden anderen Varianten nach jeweils 850 ms das Zielmoment. Gleichzeitig ergab die Analyse des für den Druckaufbau im System verantwortlichen Parameters Massenstrom der Strömungsmaschinen eine unterschiedliche Charakteristik der einzelnen Varianten. Während der Pscroll unabhängig von der Motordrehzahl sofort nach Lastaufschaltung eine hohe Überschussluftmasse, bezogen auf die vom Motor geschluckte Masse, fördert, vergeht sowohl beim eBooster als auch bei der zweistufigen Aufladung durch die notwendige Hochlaufzeit der Radialverdichter eine Zeitspanne bis zum Aufbau einer Überschussmasse. Die Zeitspanne während des Hochlaufs von der Ausgangsdrehzahl bis zur Enddrehzahl beträgt beim Pscroll nur etwa 80 ms, während bei den anderen Systemen ein Zeit von weniger als 400 ms auch theoretisch nicht darstellbar ist. Bei dem Übergang zu realen Hardwarekomponenten am Prüfstand vergrößerte sich der Abstand zwischen Pscroll und dem elektrischen Zusatzverdichter. Das System Pscroll greift auf weitestgehend bekannte und erprobte Technik zurück, wodurch gegenüber der Simulation keine Einschränkungen zu verzeichnen waren. Mit dem eBooster ergaben sich für den Elektromotor deutliche Abweichungen von dem für die Simulation zur Verfügung gestellten Wirkungsgradverlauf über der Drehzahl im Vergleich zum Tatsächlichen. Speziell in der Beschleunigungsphase ergeben sich gravierende Einbussen. Mit dem höheren Leistungsangebot am Prüfstand (4 kW statt 2.5 kW) gegenüber der Simulation konnte das Potential des Systems nachgewiesen werden. Bei einer Leistungsbeschränkung reduzieren sich die Gewinne spürbar.

Es werden Möglichkeiten untersucht, das Kaltstart- und Warmlaufverhalten von Ottomotoren mit Sekundärlufteinblasung zu optimieren. Das für die Untersuchungen eingesetzte, innovative Sekundärlufteinblasesystem mittels Sekundärluftlader weist aufgrund der Baugröße, des Gewichts, der Leistungsfähigkeit und insbesondere der einfachen, thermodynamischen Betätigung Potenziale auf, die bisher eingesetzte Sekundärluftpumpe zu ersetzen. Den experimentellen Untersuchungen wurde die Entwicklung der Abgasgesetzgebung sowie eine theoretische Betrachtung der Entstehungsmechanismen von Abgasemissionen vorangestellt. Mittels eines Simulationsmodells werden die Abhängigkeiten des Sekundärluftladers von den motorischen Randbedingungen abgebildet. Somit kann eine Vorauswahl für das Luftmassenförderverhalten des Sekundärluftladers bei unterschiedlichen Einsatzbereichen getroffen werden. Die im Start- und Warmlauf, ebenso im Lastwechsel, gemessenen Ergebnisse wurden zur Analyse der Emissionsverbesserungsmechanismen eingesetzt. Insbesondere der Einblasezeitpunkt der Sekundärluft und das Hochlaufverhalten des Sekundärluftsystems zeigen einen enormen Einfluss auf die Höhe der Rohemissionen. Eine Gegenüberstellung aller gemessenen Varianten mit Sekundärluftpumpe und Sekundärluftlader zeigt einen deutlichen Emissionsvorteil des Sekundärluftladersystems. Zusätzlich bewirkt der Sekundärluftlader, durch die Bordnetzentlastung eine Motorlastabsenkung bei verbessertem Ansprechverhalten und höherem Sekundärluftmassenstrom. Ergebnis ist eine Verringerung der HC-Rohemissionen zwischen 20% und 30%. Die Vorteile im Gewicht und Bauvolumen sowie der geringere Verkabelungsaufwand runden die deutlichen Vorteile des Sekundärluftladers gegenüber der Sekundärluftpumpe ab. Durchgeführte Untersuchungen bei Tieftemperatur (-7°C) und unter Höhenbedingungen haben ebenfalls Vorteile gegenüber der Sekundärluftpumpe ausgewiesen. Die theoretische Abschätzung des Einsatzfeldes für den Sekundärluftlader ist ab einem Hubraum von 1,2°l Hubraum durchgeführt und als positiv bewertet worden. / The paper investigates possible ways of optimizing the cold-start and warm-up performance of gasoline engines with secondary air injection. Due to its size, weight, performance capability, and especially its simple, thermodynamic operation the innovative secondary air injection system used for the investigations and featuring a secondary air charger has the potential to replace the secondary air pump used to date. The experimental investigations are preceded by the development of exhaust emission legislation and a theoretical analysis of the process leading to exhaust emissions. A simulation model is used to illustrate the dependencies of the secondary air charger on boundary engine conditions. Consequently it is possible to make a preselection for the air mass conducting properties of the secondary air charger in various fields of application. The results obtained by measurement in starting, warm-up, and in load changes, were used to analyze the emission improvement processes. The level of raw emissions is affected enormously by the time of injection of secondary air and the acceleration performance of the secondary air system. A comparison of all the measured variants with the secondary air pump and secondary air charger indicates that the secondary air charger system has a distinct emission advantage. In addition, by relieving the vehicle power supply the secondary air charger brings about a reduction in engine load, improved response, and higher secondary air mass flow. The result is a 20% to 30% reduction in raw HC emissions. The significant advantages over the secondary air pump are rounded off by benefits in terms of weight and bulk volume and a reduction in the amount of wiring. Tests conducted at low temperature (-7°C) and under high altitude conditions have also indicated advantages over the secondary air pump.

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.

Die Zulieferindustrie im Automobilbereich sieht sich heutzutage hochkomplexen Systemen bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren gegenüber. Applikationssteuergeräte mit passendem Datenstand werden selten von Fahrzeugherstellern an Dritte für die Entwicklung am Verbrennungsmotor bereitgestellt. Eine Alternative bieten Prototypensteuergeräte mit individuellen Softwarepaketen, die in ihrer Funktionalität auf die Bedürfnisse der Entwicklungsingenieure zugeschnitten sind. Die FlexECU von ETAS ist ein gutes Beispiel für solch ein offenes, kostengünstiges und seriennahes Prototypensteuergerät. Hauptbestandteil dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration eines Momentemodells in eine vorhandene Motorsteuerungssoftware sowie die Applikation dieses Modells am Motorprüfstand. Die Motivation für die Erweiterung der jetzigen Motorsteuerungssoftware um das Momentemodell ist, den Entwicklungsingenieuren ein möglichst seriennahes Steuergeräteumfeld bei der Erarbeitung innovativer verbrauchs- und schadstoffoptimierter Konzepte für den Verbrennungsmotor bereitzustellen. Bei der Evaluation wird gezeigt, dass die Integration und die Funktion des Momentenmodells grundsätzlich gelungen ist. Diese Arbeit bildet den Grundstein für eine umfangreiche Entwicklung, die noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird, bis eine voll umfängliche abgesicherte Software geschaffen ist. / Nowadays, the automotive supplier industry is confronted with highly complex systems for the development of internal combustion engines. Vehicle manufacturers very rarely provide third party developers with their engine control units with calibration access and matching description and data files for internal combustion engines. An alternative are prototype control units with individual software packages, which in their functionality are adapted to the needs of development engineers. One example for such an open, cost-effective and field-proven control system development platform is FlexECU from ETAS. The essential part of this thesis is the development and integration of a torque-based system structure for an existing engine management system and the calibration of this model on an engine test bench. The motivation for this improvement is to provide development engineers with a control unit environment as close to serial as possible for the development of consumption- and emission-optimized concepts for internal combustion engines. The evaluation shows that integration as well as functionality of the torque-based system structure has generally been achieved. This thesis lays the foundations for an extensive development of this system – although the creation of a fully verified and validated software will still take some time.

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.