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T. Leiber:
"Systemanalyse und Entwicklung einer Heuristik zur Auslegungsoptimierung elektromechanischer Aktuatoren für die Betätigung von Gaswechselventilen von Otto-Verbrennungsmotoren";
Supervisor, Reviewer: G. Brasseur, H.-P. Lenz; TU-Graz Institut für elektrische Messtechnik und Messsignalverarbeitung, 2006; oral examination: 2006-09.

The electrical valve train enables a reduction of fuel consumption and emissions in Otto combustion engines. It is therefore important to chose an actuator with a low electrical power consumption. In this thesis a compact dynamic model is developed which enables a layout optimisation of different actuators. In the development of the model a main emphasis was placed that the model was kept simple but at the same time a good match with reality was achieved. Starting from set requirements for the layout of an electrical valve train two different actuator versions based on a spring- masse-oscillator principle were modelled and analysed. The dynamic model was integrated in an optimisation and evaluation heuristics. In an iterative procedure a optimum layout for the set requirements was derived employing both the heuristics and dynamic model. The procedure led to the conclusion that an actuator which is characterized by a long magnet form and alever based valve actuator can lead to favourable results in dynamic operation. The benefits comprise a lower electrical power consumption in combination with a higher switching dynamics for given package constraints. However the trade-off is a higher weight of the actuator. The procedure which was developed in this thesis emphases that a layout optimisation for applications where the dynamic behaviour mainly determines the energy consumption requires a dynamic model. A layout optimisation focused on stationary operating conditions would have led to different and misleading results.

Die elektromechanische Ventilsteuerung ermöglicht die Verbrauch- und Emissionsreduzierung bei Otto-Verbrennungsmotoren. Ziel ist primär die Wahl einer Aktuatorik mit möglichst geringem elektrischem Leistungsbedarf. In der vorliegenden Arbeit wurde ein kompaktes dynamisches Modell entwickelt, mit Hilfe dessen eine Auslegungsoptimierung von unterschiedlichen Aktuatoren durchgeführt werden konnte. Besonderes Augenmerk wurde darauf gelegt, dass das Modell möglichst einfach aufgebaut ist, zugleich jedoch eine detailgetreue Abbildung der Realität ermöglicht- Ausgehend von den gestellten Anforderungen an den Ventiltrieb wurden zwei Ausführungsformen eines Feder-Masse-Schwinger-Wirkprinzips modelliert und analysiert. Das dynamische Modell wurde in eine Optimierungs- und Bewertungsheuristik integriert, mit Hilfe derer iterativeine optimale Auslegung für vom Autor gestellte Randbedingungen abgeleitet wurde. Mit Hilfe des Verfahrens konnte festgestellt werden, das ein Aktuator, der durch eine längliche Magnetform und eine Betätigung des Ventils über einen Hebelmechanismus charakterisiert ist, zu vorteilhaften Eigenschaften im dynamischen Betrieb führt. Diese Vorteile umfassen zum einem einen kleiner elektrischen Leistungsbedarf sowie eine höhere erreichbare Schaltdynamik bei gegebenen Einbaurandbedingungen. Diese Vorteile gehen jedoch zu Lasten eines höheren Gewichts. Das vom Autor entwickelte Verfahren zeigt auf, dass eine Auslegungsoptimierung für Anwendungen, bei denen das dynamische Verhalten primär die Energiebilanz bestimmt, ein dynamisches Modell erfordert. Eine Auslegungsoptimierung nur für stationäre Betriebszustände hätte zu abweichenden und irrtümlichen Ergebnissen geführt.