Projekt 22381/01

Entwicklung der Aktuatorik und der Regelung einer neuen Aktuatorik für die vollvariable Ventilsteuerung (RPA – Rotatorischer Permanentmagnet Antrieb)

Projektträger

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand des Projektes war die Entwicklung einer neuartigen Aktuatorik (RPA- Rotatorischer Permanentmagnetantrieb) für die vollvariable elektromechanische Ventilsteuerung.
Motivation zur Konzipierung dieser neuartigen Aktuatorik sind die veränderten Rahmenbedingungen und Forderungen aus der Automobilindustrie, die mit der im Vorgängerprojekt (IVC-System - gefördert durch die DBU - AZ 19805/01) nicht mehr erreicht werden konnte. Die Aktuatorik soll sowohl für Dieselmotoren als auch für turboaufgeladene Ottomotoren applizierbar sein.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung des RPA-Systems umfasst den mechanischen Aufbau des Systems in mehreren Baustufen, einschließlich der Erprobung der Dauerfestigkeit des neuartigen Systems sowie die Entwicklung der Regelung, Sensorik und Ansteuerelektronik
Dazu wurden die Arbeiten in insgesamt 5 Arbeitspakete gegliedert. Im AP1 Entwicklung Mechanik Prinzipmuster und AP2 Entwicklung Mechanik (A-Muster) wurden alle erforderlichen Schritte zur Umsetzung mehrerer mechanischer Prototypen unternommen. Parallel dazu wurde im AP3 Sensorentwicklung ein motortauglicher Ventilhubssensor konzipiert und gefertigt. Im AP4 Entwicklung Ansteuerelektronik wurde eine externe Leistungs- und Auswerteelektronik mit integrierter analoger Stromregelung gefertigt. Im AP5 Reglerentwicklung und Erprobung wurden die regelungstechnischen Ziele umgesetzt sowie das Gesamtsystem auf Tauglichkeit geprüft.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes zur Entwicklung des RPA-Systems wurden folgende Aufgabenstellungen weitestgehend erfolgreich bearbeitet:
· die Konstruktion und den Prototypenbau von 4 mechanischer Baustufen (RPA I, RPA II, RPA III, RPA IIImod) der Aktuatorik einschließlich einer eingeschränkten Erprobung auf Dauerfestigkeit des neuartigen Systems,
· Die Konzeption, Auslegung und teilweisen Konstruktion einer 5. Baustufe (RPA IV)
· die Erstellung eines Simulationsmodells und Teilvalidierung des Simulationsmodells durch Drehmo-mentmessungen,
· die Reglerentwicklung und -erprobung mit Schwerpunkt auf Robustheit, Steuerzeitengenauigkeit und befriedigendes Geräuschverhalten sowie die Realisierung der vollen Variabilität des Ventilhubes,
· die Entwicklung der Ansteuerelektronik entsprechend der Anforderungen der neuartigen Aktuatorik,
· die Entwicklung eines motortauglichen Positionssensors, der die erforderliche Auflösung für eine effektive Positionsreglung gewährleistet.
Bereits im September 2005 wurde der erste Prototyp der ersten Baustufe fertiggestellt, mit dem die im Meilenstein 1 definierten Anforderungen komplett erfüllt werden konnten. So wurde die komplette Variabilität des Ventilhubes mit Auftreffgeschwindigkeiten des Ventils im Sitz kleiner 0,5 m/s gezeigt, wobei Flugzeiten kleiner 3 ms erreicht wurden. Der Leistungsbedarf für unterschiedliche Betriebspunkte ohne Last wurde dargestellt. Mit der vierten Baustufe des Aktuators (RPA III mod) wurden die Kriterien für den Meilenstein 2 noch nicht komplett erfüllt. So ist die Auftreffgeschwindigkeit im Mittel kleiner als 0,2m/s, es gibt jedoch einige Verläufe mit Auftreffgeschwindigkeiten größer als 0.2m/s. Die Dynamik unter Last kann derzeit nur mit einer Flugzeit von 3,1ms statt der erwarteten 3 ms dargestellt werden. Ohne Last können derzeit nur Dynamiken mit 2,7ms statt der erwarteten 2.5 ms erreicht werden. Bei Dauerversuchen wurden Schwachstellen des Systems gefunden und behoben. In ersten Dauererprobungen auf ei-nem motorähnlichen Prüfstand wurden bereits mehrere Millionen Zyklen durchlaufen. Der Betrieb unter Druck konnte gezeigt werden. Der entwickelte Positionssensor ist motortauglich, erfordert jedoch eine aufwändige Temperaturkompensation (Nichtlinearität des Signals) und erfordert eine aufwändige Ventil-konstruktion. Deutlich hervorzuheben ist jedoch, dass die Arbeiten an der derzeitigen Baustufe 9 Monate vor fristgerechtem Ablauf des Forschungsauftrags abgeschlossen werden. Die im Meilenstein 2 des Förderantrages definierten Anforderungen wurden vollständig erfüllt. Da die gesetzten Meilensteine die Anforderungen des Kooperationspartner noch nicht hinreichend erfüllen für ein Entscheidung im Hinblick auf Serienentwicklung, muss die Entwicklung fortgesetzt werden. Die im Rahmen dieses Projektes konzipierte Baustufe RPA IV hat das Potenzial, die Anforderungen des Kooperationspartners weitestgehend zu erfüllen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine erste Veröffentlichung ist anlässlich des 27. Internationalen Wiener Motorensymposiums (27.-28. April 2006) geplant


Fazit

Die Entwicklungsgeschwindigkeit ist deutlich höher als zu Beginn des Projektes angenommen. Nach 5 Monaten war der erste Prototyp in Betrieb und sowie die Regelung weitgehend gelöst. Im Vergleich erforderte das Vorgängerprojekt IVC-System (AZ 19805/01) für einen vergleichbaren Entwicklungsstand 3 Jahre Entwicklungszeit. Bei der Konstruktion des mechanischen Aufbaus des RPA stellte die Realisierung der Ventilankopplung und des Rotors eine der größten Herausforderungen dar. Die Machbarkeit des Konzeptes sowie die Motortauglichkeit konnte nach Abschluss von 4 Baustufen (RPA III mod) bewiesen werden. Das Ziel, eine ausreichende Motortauglichkeit zu gewährleisten, damit mit thermodynamischen Untersuchungen begonnen werden kann, wurde im Januar durch die Inbetriebnahme eines Einzylinderversuchsmotors bestätigt. Die Anforderungen des Kooperationspartners an den Ventiltrieb (Zielerreichungsgrad für Serienentwicklung) wurden jedoch noch hinreichend erreicht. Um die Chancen auf eine Serienentwicklung zu wahren, ist ein Weiterentwicklung des RPA-Systems erforderlich.

Übersicht

Fördersumme

370.000,00 €

Förderzeitraum

09.06.2004 - 09.06.2006

Bundesland

Bayern

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik