Projekt 22381/02

Weiterentwicklung einer Aktuatorik und Regelung (RPA – Rotatorischer Permanentmagnet-Antrieb) für die vollvariable Ventilsteuerung – Folgeprojekt

Projektträger

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das RPA-System (RPA - Rotatorischer Permanentmagnet Antrieb) erlaubt als vollvariable, elektromechanische Ventilsteuerung für Otto- und Dieselmotoren die Nutzung erheblicher, bisher ungenutzter Effizienzpotenziale des verbrennungsmotorischen Energiewandlungsprozesses und damit die Schonung der begrenzten fossilen Energieressourcen.
Ziele des Projektes sind eine weitere Reduktion des systeminternen Energiebedarfs sowie die Sicherstellung der Dauerfestigkeit aller mechanischen Komponenten. Ergänzender Schwerpunkt der Arbeiten ist die Regelung des Systems mit einem kostengünstigen Sensor.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Weiterentwicklung des RPA-Systems umfasst die Fortführung des mechanischen Aufbaus des Sys-tems einschließlich der Erprobung der Dauerfestigkeit, die komplette Identifikation der Parameter des Simulationsmodells einschließlich der Verfeinerung der Modellstruktur mit dem Ziel, eine detailgetreue Abbildung der Realität zu erreichen, die Entwicklung der Ansteuerelektronik für den Aktuator insbesondere in Hinblick auf höhere Verlustleistungen und Stromspitzen, die Reglerentwicklung und -erprobung mit Schwerpunkt auf Robustheit, Steuerzeitengenauigkeit und befriedigendes Geräuschverhalten, die Realisierung der vollen Variabilität des Ventilhubes sowie die Entwicklung eines motortauglichen Positionssensors, welcher die erforderliche Auflösung für eine effektive Positionsreglung gewährleistet.
Dazu wurden die Arbeiten in insgesamt 7 Arbeitspakete gegliedert. Im AP1 Detailkonstruktion und Musterbau RPA IV und AP3 Weiterentwicklung des RPA-IV und Erprobung wurden die Aktuatorik an wesentlichen Stellen verbessert sowie drei weitere Baustufen der Aktuatorik konstruiert, gebaut und dauererprobt. Im AP2 Entwicklung adaptiver Regler wurde ein Regelverfahren zur selbstständigen Anpassung an geänderte Einflüsse implementiert. Parallel dazu wurde im AP4 Sensorentwicklung ein motor- und serientauglicher Drehwinkelsensor konzipiert und getestet. Im AP 5 Systemidentifikation wurde zur Verbesserung der Regelgüte und der energetischen Effizienz die komplette Regelstrecke vermessen und realitätsgetreuer modelliert. Im AP6 Entwicklung thermisches Modell wurde thermische Verlustsrecke realitätsgetreu modelliert und mit Messungen abgeglichen. Im AP7 Entwicklung einer integrierten Elektronik wurde eine verbesserte, jedoch nicht-integrierte Elektronik gebaut und getestet.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes zur Entwicklung des RPA-Systems wurden folgende Aufgabenstellungen erfolgreich bearbeitet:
die Konstruktion und Fertigung mehrerer mechanischer Baustufen des Systems, die Beseitigung von konstruktiven Schwachstellen sowie die Erprobung auf Dauerfestigkeit des Systems,
die Weiterentwicklung des Systems hinsichtlich Industrialisierbarkeit
die komplette Identifikation der Parameter des Simulationsmodells einschließlich der Verfeinerung der Modellstruktur mit dem Ziel, eine detailgetreue Abbildung der Realität zu erreichen,
die Entwicklung der Ansteuerelektronik in Hinblick auf Reduzierung der Verlustleistung und der Stromspitzen,
die Reglerentwicklung und -erprobung mit Schwerpunkt auf einer Anpassung an geänderte Umweltbedingungen, um jederzeit eine befriedigende Steuerzeitengenauigkeit und Geräuschverhalten zu gewährleisten,
die Entwicklung eines motortauglichen Drehwinkelsensors, der die erforderliche Auflösung für eine effektive Positionsreglung gewährleistet,
die Entwicklung eines thermischen Modells und die Umsetzung eines Konzeptes zur Versorgung von jedem Aktuator mit Kühlwasser.

Als Ergebnis des Förderprojekts lässt sich hervorheben, dass wie schon im Vorgängerprojekt in sehr kurzer Zeit ein außerordentlich großer Projektfortschritt erzielt werden konnte. Innerhalb der Projektlaufzeit wurde eine weitere Baustufe der Aktorik (RPA-IV) in einer Kleinserie von 20 Einheiten gebaut, mit der die im Meilenstein 1 definierten Anforderungen erfüllt werden konnten. Diese wurden beim Kunden Volks-wagen AG auf einem Einzylinder-Verbrennungsmotor hinsichtlich mechanischer Stabilität und thermody-namischer Effektivität positiv bewertet, so dass Anfang 2007 die Zusammenarbeit intensiviert wurde. Während der Testphase beim Kunden wurde eine weitere Baustufe (RPA-V) in 1-facher Ausführung mit höherer Kraftausbeute sowie einem motortauglichen Sensorprinzip konzipiert und gebaut. Auch dieser Aktuator wurde dem Volkswagen-Konzern vorgestellt und positiv bewertet.
Der Anspruch an die sechste Baustufe der Aktorik (RPA-VI) wurde weit höher als bislang gelegt, da diese Aktuatoren auch im 4-Zylinder-Otto- und -Dieselverbrennungsmotor eines Testfahrzeugs verbaut werden sollen. Ein wesentlicher Punkt bei der Konzeption der Aktorik war, dass es sich hierbei um eine Sonderlösung zur uneingeschränkten Darstellung aller Funktionalitäten handeln soll. Der Anspruch, bei der Konstruktion ein Serienkonzept zu berücksichtigen, wurde verlassen. Es konnten somit auch Materialien ver-wendet werden, die im Automotive-Bereich bislang noch keinen Serieneinsatz gefunden haben sowie Fertigungstechniken mit aussichtsreicher aber ungeprüfter Serienumsetzungsmöglichkeit. Diese Baustu-fe wurde in einer Kleinserie von 70 Einheiten produziert und wird derzeit auf dem Test-Zylinderkopf montiert (Stand 04/2008). Die im Meilenstein 2 definierten Anforderungen sind im Wesentlichen erfüllt, jedoch noch nicht von einem Automobilhersteller bzw. -zulieferer bewertet. Gespräche zur Lizenzvergabe an Automobilhersteller bzw. -zulieferer sind noch nicht abgeschlossen und hängen im beträchtlichen Maße auch von den Ergebnissen der thermodynamischen Untersuchungen beim Kunden ab.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das RPA-System wurde dem VW-Konzern während zahlreicher Besprechungstermine vorgestellt. Die Entwicklung wurde vom VW-Konzern begleitet und teilfinanziert. In die Entwicklung ist zudem ein namhafter Automobilzulieferer eingebunden. Das System wurde auf dem 27sten Internationalen Wiener Motorensymposium durch den VW-Konzern vorgestellt. Weiterhin soll das System auf einem Messestand des 17. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik präsentiert werden. Derzeit laufen Gespräche zur Kooperation mit weiteren deutschen Automobil-Forschungseinrichtungen.


Fazit

Die Entwicklungsgeschwindigkeit ist deutlich höher als zu Beginn des Projektes angenommen, so dass innerhalb der Projektlaufzeit Kleinserien von 3 Baustufen gefertigt wurden. Die jüngste Baustufe wird den hohen Erwartungen seitens der Automobilindustrie hinsichtlich mechanischer Stabilität, Leistungsbedarf und dynamischer Belastbarkeit vollauf gerecht. Dank des Förderungskapitals ist es gelungen, das System für Kleinserien soweit zu entwickeln, dass es als Tool für Thermodynamik-Untersuchungen vermarktet werden kann. Derzeit erstellt der Automobilzulieferer Valeo eine Akquise zur Vermarktung des Ventiltriebs. Ein Serieneinsatz ist ab 2015 denkbar.