Projekt 19805/01

Entwicklung und Erprobung einer neuartigen Aktuatorik und Regelung zur vollvariablen elektromechanischen Steuerung der Ventile von Fahrzeugot-tomotoren (IVC-System der 2. Generation)

Projektträger

LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Feringastr. 11
85774 Unterföhring
Telefon: 089/2872468-10

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das IVC-System (IVC - Innovative Valve Control) erlaubt als vollvariable, elektromechanische Ventilsteuerung für Ottomotoren die Nutzung erheblicher, bisher ungenutzter Effizienzpotenziale des ottomotorischen Energiewandlungsprozesses und damit die Schonung der begrenzten fossilen Energieressourcen. Ziele des Projektes sind eine weitere Reduktion des systeminternen Energiebedarfs, die Realisierung des für die Motorsteuerung günstigen Ventilteilhubs sowie die Sicherstellung der Dauerfestigkeit der mechanischen Komponenten. Ergänzender Schwerpunkt der Arbeiten ist die Regelung des Systems mit einem kostengünstigen Sensor.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung des IVC-Systems umfasst den mechanischen Aufbau des Systems einschließlich der Erprobung der Dauerfestigkeit des neuartigen Systems zur mechanischen Fixierung, die Erstellung ei-nes Simulationsmodells, das eine detailgetreue Abbildung der Realität gewährleistet, die Reglerentwicklung mit Schwerpunkt auf Robustheit, Steuerzeitengenauigkeit und befriedigendem Geräuschverhalten sowie die Entwicklung eines motortauglichen Positionssensors, der die erforderliche Auflösung für eine effektive Positionsreglung gewährleistet.
Dazu wurden die Arbeiten in insgesamt 8 Arbeitspakete gegliedert. Im AP Modellidentifikation und Modellentwicklung wurden die Grundlagen für den CAE-Prozess des Projektes gelegt. Darauf aufbauend sollten in den AP Entwicklung alternativer Regleransätze sowie Reglerentwicklung und Erprobung die regelungstechnischen Ziele umgesetzt werden. Parallel dazu wurde in den AP Aktuatorentwicklung ohne und mit mechanischer Fixierung die neue Aktuatorik der 2. Generation in einem inkrementellem CAD-Prozess entworfen und gefertigt. In dem AP Ansteuerelektronik und Sensorentwicklung sollte die Leistungshardware und Sensorelektronik konzipiert, entworfen und gefertigt werden. Das durchgängige AP Aktuatorerprobung und Analyse beinhaltete die Durchführung von Dauererprobungen an Aktuatortypen verschiedener Entwicklungsstufen am Prüfstand.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes zur Entwicklung des IVC-Systems wurden folgende Aufgabenstellungen erfolgreich bearbeitet:
· die Konstruktion des mechanischen Aufbaus des Systems einschließlich der Erprobung der Dauerfestigkeit des neuartigen Systems mit und ohne mechanische Fixierung,
· die komplette Identifikation der Parameter des Simulationsmodells einschließlich der Verfeinerung der Modellstruktur mit dem Ziel, eine detailgetreue Abbildung der Realität zu erreichen,
· die Weiterentwicklung der Ansteuerelektronik in Hinblick auf Reduzierung der Verluste, EMV-Störungen und Verringerung der Baugröße,
· die Reglerentwicklung und -erprobung mit Schwerpunkt auf Robustheit, Steuerzeitengenauigkeit und befriedigendes Geräuschverhalten sowie die Realisierung des Teilventilhubes und des elektronischen Spielausgleiches,
· die Entwicklung eines motortauglichen Positionssensors, der eine robuste Reglung am Motor gewährleistet.
Das Projekt leistete einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zum Nachweis der Entwicklungsreife des Gesamtsystems als Entscheidungsgrundlage für eine Produktentwicklung im größeren Umfang. Dazu wurde anhand erster Prototypen am Funktionsprüfstand nachgewiesen, dass der Motorbetrieb als Voraussetzung für thermodynamische Untersuchungen zur Bestätigung der Effizienzpotenziale möglich ist und eine für die Motoruntersuchungen ausreichende Haltbarkeit erreicht.
Im Juli 2002 wurde eine Machbarkeitsstudie zum Einzelventiltrieb (Meilenstein 1) vorgestellt. Im Dezember 2002 konnte die Regelbarkeit am Einzelventiltrieb (1/2 Twin) mit Einsatz eines Triangulationslasersensors (Meilenstein 2) bestätigt werden. Im April 2003 konnte der Nachweis der Dauerhaltbarkeit des mechanischen Aufbaus über eine Laufzeit von 20 Millionen Zyklen (Meilenstein 3) erbracht werden. Im Oktober 2003 konnte abschließend die Regelbarkeit am Twin-Aktuator mit einem hochwertigen Sensor im winkelsynchronen Betrieb (Meilenstein 4) bestätigt werden. Damit wurde das Projekt insgesamt erfolgreich abgeschlossen.
Die Arbeiten zum Erreichen der Dauerhaltbarkeit auf Lebensdauer, zur Entwicklung eines motortauglichen Sensors mit ausreichender Auflösung sowie zur Motorapplikation des Reglers werden über das Projekt hinaus weiter fortgeführt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zur Präsentation der Ergebnisse ist die Beteiligung an Fachkongressen zur Thematik des vollvariablen elektromechanischen Ventiltriebs vorgesehen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse in die Firmenpräsentation unter anderem auch im Internet (www.lsp-ias.de) eingearbeitet.


Fazit

Bei der Aktuatorentwicklung stellte die Realisierung der mechanischen Fixierung die größte Herausforderung dar. Nachdem an einer ersten Baustufe die Funktion dargestellt werden konnte, war eine völli-ge Neukonstruktion erforderlich (Baustufe 2), um die erforderliche Festigkeit zu erreichen, mit der ein Motorbetrieb sicher gestellt werden konnte. Trotz der großen Entwicklungsschritte konnte in einem Zeitraum von 17 Monaten ein Twin-Aktuator entwickelt werden, in dem die mechanische Fixierung integriert werden konnte. Zudem wurde der Nachweis einer vom Kunden als Voraussetzung für die Motorerprobung geforderten mechanischen Dauerhaltbarkeit erbracht. Die vor Durchführung des Projektes erreich-te Modellierungstiefe war nicht ausreichend, um einen robusten Regler zu implementieren. Der Schwerpunkt der Arbeiten war daher die Verfeinerung der Modellierung, insbesondere des Magnetsystems, um eine möglichst genaue Abbildung der Realität zu erreichen. Des Weiteren wurden verbesserte Regelungskonzepte entwickelt und implementiert, die als zielführend beurteilt werden konnten. Zudem wurde ein motortauglicher am Aktuator applizierbarer kostengünstiger Positionssensor entwickelt. Die im Pro-jekt definierten Meilensteine wurden mit geringer zeitlicher Verzögerung fast vollständig erreicht.