Die Vielfalt der Parametereinstellungen von Ottomotoren steigt kontinuierlich an, so dass der Aufwand für die Motorapplikation stetig zunimmt. Aufgrund dessen gewinnt die virtuelle Motorapplikation an Bedeutung und kommt immer häufiger zum Einsatz. Primäres Ziel ist es, die Effizienz und die Leistung des Motors bei gleichzeitiger Emissionsreduktion bis zur Motorlaufgrenze zu erhöhen. Die Laufgrenze wird durch hohe zyklische Verbrennungsschwankungen definiert und kann mithilfe von Schwankungen des indizierten Mitteldrucks von Motorzyklus zu Motorzyklus detektiert werden. Diese Zyklenschwankungen definieren die Stabilität des Brennverfahrens und ein Ziel der Motorapplikation ist es deshalb, diese Schwankungen auf ein bestimmtes Niveau zu begrenzen.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Neuentwicklung eines nulldimensionalen, physikalisch basierten Zyklenschwankungsmodells. Dieses soll zyklische Verbrennungsschwankungen prädiktiv beschreiben können. Zunächst wird eine umfassende Messdatenbank erzeugt, die aus Messungen an fünf verschiedenen Ottomotoren mit unterschiedlichen Brennverfahren besteht. Hierbei handelt es sich sowohl um konventionelle als auch um unkonventionelle Ottomotoren; letztere zeichnen sich durch eine verlängerte Expansion über den Kurbeltrieb oder den Ventiltrieb aus. Für die Untersuchung der Zyklenschwankungen werden bestimmte Motorparameter variiert, um diese Schwankungen hinsichtlich des Einflusses der Strömungsmechanik, der chemischen Gaszusammensetzung und der Thermodynamik experimentell zu charakterisieren.

Das Zyklenschwankungsmodell basiert auf drei bereits entwickelten, nulldimensionalen Turbulenz-, Zünd und Verbrennungsmodellen, die zunächst sowohl mit 3D CFD Daten als auch mit Messdaten kalibriert werden. Diese drei Modelle können bisher nur das gemittelte Arbeitsspiel darstellen. Als erstes wird ein Stochastikmodell entwickelt, um Schwankungen auf bestimmte Parameter aufprägen zu können. Aus einer umfangreichen Literaturrecherche werden die bedeutendsten Ursachen für Zyklenschwankungen ermittelt. Im neuentwickelten Zyklenschwankungsmodell werden vor allem die Ergebnisse aus 3D CFD Large Eddy Simulationen herangezogen, die sowohl die lokalen als auch die globalen Strömungsschwankungen als die physikalischen Hauptursachen für zyklische Verbrennungsschwankungen identifiziert haben. Diese Größen werden im nulldimensionalen Turbulenzmodell berechnet, womit es zum ersten Mal möglich ist, auf diese Größen Schwankungen innerhalb der null-/eindimensionalen Simulationsumgebung aufzuprägen. Bei der ersten Validierung wird gezeigt, dass das neuentwickelte Zyklenschwankungsmodell qualitativ die in den Experimenten identifizierten zyklischen Verbrennungsschwankungen reproduzieren kann. Um diese auch quantitativ zu beschreiben, werden neben der Aufprägung von Schwankungen auf die Parameter der physikalischen Ursachen Rechenterme eingeführt, die die Einflüsse durch die Variation bestimmter Motorparameter auf die Zyklenschwankungen beschreiben.

Das finale Zyklenschwankungsmodell wird zunächst anhand der Messdaten des Auslegungsmotors und mittels eines kommerziellen Zyklenschwankungsmodells, das dem Stand der Technik entspricht, verifiziert. Es wird gezeigt, dass das neuentwickelte Zyklenschwankungsmodell nicht nur die Schwankungen des indizierten Mitteldrucks, sondern auch die zugrundeliegenden Schwankungen in der Verbrennung reproduzieren kann. Im nächsten Schritt wird das neue Zyklenschwankungsmodell, ohne einer weiteren Kalibrierung, erfolgreich anhand der anderen untersuchten Ottomotoren und Variationen verschiedener Motorparametern validiert.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass das neu entwickelte Zyklenschwankungsmodell viel versprechende Ergebnisse zeigt. Somit kann dieses auch für eine virtuelle Motorapplikation verwendet werden, selbst in Fällen ohne real vorhandenen Prüfstandsmotor.