Interessengemeinschaft Fahrzeugakustik und Antriebstechnik (IFA)

Unter tribologischem Verhalten oder aber Reibleistung werden alle verschleißbedingten Energie- und Stoffverluste zusammengefasst. Für Verbrennungsmotoren ist die Reibleistung die Differenz von indizierter, welche aus der Verbrennung umgesetzt wird, und effektiver (abgegebener) Leistung. Im Rahmen von Forschungsarbeiten für einem vollvariablen, nockenwellenlosen Ventiltrieb wurde analysiert, wie sich die mechanische Motorreibung auf einzelne Baugruppen des BMW K71 Forschungsmotors aufteilt. Es ergibt sich ein breit gefächertes Spektrum an Verlustleistungen, welche durch Lagerreibung, hydrodynamische Effekte und im speziellen Fall des Generators auch elektromagnetische Kräfte entstehen. Der Fokus lag dabei auf dem Einsparpotential im Bereich des Ventiltriebes.

Anteil der Baugruppen an der Gesamtreibleistung

Es existieren derzeit eine Vielzahl verschiedenster Messverfahren zur Bestimmung der Reibleistung bei Verbrennungsmotoren bzw. allgemein in jeglicher Form gelagerten Bauteilen, welche eine Analyse des Gesamtmotors, einzelner Komponenten oder aber Baugruppen erlauben. Unter der Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Prüfstandaufbaus und der erzielbaren Genauigkeit der Messmethoden, gilt es zunächst eine entsprechende Methode auszuwählen. Die Suche nach einer Methode, die alle Problemstellungen gleichermaßen exakt abbildet, ist aufgrund der Komplexität der auftretenden Kräfte und ihrer Korrelation untereinander aussichtslos. Vielmehr muss das Messverfahren, mit seinen spezifischen Vor- und Nachteilen, auf die Problemstellung angepasst werden. Die Ostfalia UAS, in die die IFA integriert ist, verfügt über mehrere Motorenprüfstände. Dabei ist der baulich neuste Prüfstand mit einer vierquadrantenfähigen Belastungseinheit ausgestattet. Das abgegebene bzw. aufgenommene Drehmoment wird dabei über einen Messflansch detektiert. Es sind Piezo- Druckaufnehmer vorhanden die in speziellen Zündkerzen eine Druckindizierung erlauben. Des weiteren kann an diesem Prüfstand der Kraftstoff in Temperatur, Druck und Volumenstrom konditioniert und erfasst werden. Die Kühlung der Arbeitsmedien (Motoröl und Kühlmittel) erfolgt hier über jeweils einen Plattenwärmetauscher, die über einen Kühlturm mit einer maximalen Kühlleistung von 250KW die Abwärme aus den Räumlichkeiten befördern.

Reibleistung in absoluten Zahlen

Aufgrund dieser Gegebenheiten fällt die Wahl der Messmethode auf die Schleppreibungsmessung in der Strip-Methode. Dabei wurden die folgenden Aufbauzustände gewählt (s. Tabelle). Alle Messungen wurden bei 40°C und 90°C Öltemperatur durchgeführt, um damit auch eine Aussage über die Abhängigkeit der Reibleistung von der Öltemperatur treffen zu können.

Für das Forschungsprojekt selbst ist die Reibleistung in Abhängigkeit der Drehzahl bei betriebswarmem Motor von besonderem Interesse. Mit Hilfe dieser Daten erfolgt eine Vorauslegung der Antriebsaggregate für den nockenwellenlosen Antrieb der Ladungswechselorgane.

Es ist eine eindeutige Abhängikeit des Reibmitteldrucks von der Motordrehzahl zu erkennen. Der Betrag der Reibung ist mit steigender Gleitgeschwindigkeit der Reibpartner streng monoton wachsend. Ebenfalls ist eine Abhängigkeit der Reibung von der Anzahl der Reibstellen ersichtlich. So ist der Reibmitteldruck des Gesamtmotors am größsten und sinkt durch die Komponentendemontage entsprechend der gewählten Aufbaustufe. Die berechnete Reibleistung nimmt im Rahmen dieser Studie Werte von 570W bis zu 1,04KW an. Über das gesamte Drehzahlband des Motors gemittelt, ohne Berücksichtigung des Drehzahlschwerpunktes im realen Betrieb, ergibt dies einen Reibleistungswert von 780W für den Ventiltrieb des Forschungsmotors.

Im Jahr 2016 wurde auf Basis des vorangegangenen Projektes zu vollvariablen Ventilsteuerungen, dem VVS-Projekt, ein neues Forschungsprojekt begonnen. Dieses Projekt widmet sich der Entwicklung einer vollvariablen Drehschiebersteuerung für Verbrennungsmotoren (VDS). Auf Grundlage der Erkenntnisse des vorangegangenen Projektes soll dieses Projekt die konzeptbedingten Problematiken eines vollvariablen, elektrohydraulisch gesteuerten Ventiltriebes lösen.

Bei den Problematiken geht es hauptsächlich um:

• Hohe Betätigungskraft aufgrund translatorischer Ventildynamik
• Hoher regelungstechnischer Aufwand aufgrund der hohen Anzahl sich ständig ändernder Parameter (Öldruck, Öltemperatur usw.)
• Package bzw. Mehrzylinderfähigkeit
• Wirtschaftlichkeit.  

Grundidee

Die Grundidee der VDS hat es zum Ziel, die hohen Betätigungskräfte des VVS-Systems, welche aufgrund der translatorischen Bewegung des Tellerventils erforderlich sind, zu reduzieren. Dies soll durch drehbare Ventile bzw. Drehschieber ermöglicht werden. Dadurch soll ein hydraulisches System zur Betätigung der Ventile überflüssig werden.

Die Herausforderungen dieses Forschungsprojektes lassen sich grundsätzlich in zwei Themenblöcken zusammenfassen.

1. Entwicklung eines elektromechanischen Hochgeschwindigkeitsaktuators für den Antrieb und die Regelung der Ventile
2. Entwicklung einer Drehschiebersteuerung.

Erstellung CAD Modell des Prototypen

Die Erstellung des CAD Modells des Prototypen hatte die Überführung des Konzeptes in eine geometrisch definierte Baugruppe zum Ziel. Dies war essenziell für sämtliche weitere
durchzuführende Meilensteine und wurde für die lineare als auch für die rotatorische Version desAktuators durchgeführt.

Bewegungssimulation

Auf Basis der generierten CAD Modelle wurden Bewegungssimulationen
durchgeführt, welche eine Analyse der generierten Aktuatorauslenkung zum Ziel hatte.

Konkretisierung sämtlicher Bauteile des Prototypen

• Dazu wurden die generierten CAD Modelle für beide Aktuatoren unter folgenden Aspekten optimiert bzw. angepasst.
  Bauteilspannungen - Zu erwartende Spannungen entsprangen Berechnungen und den Simulationen aus der Bewegungssimulation.
• Fertigung - Die Bauteile wurde mit Hinblick auf eine mechanische Fertigung angepasst.
• Toleranzen - Definition der Toleranzen für Fertigung und Funktion.

Auswahl des Piezosystems und der Werkstoffe

Der Auswahl des Piezosystems gingen zahlreiche Berechnungen und Abstimmungen mit
nationalen und internationalen Herstellern derartiger Systeme voran. Letztendlich wurde sich für das d-Drive System der Firma Piezosysteme Jena entschieden, da dieses System unseren technischen als auch finanziellen Anforderungen gerecht wird.

Die ausgewählten Komponenten ermöglichen eine Steuerung oder eine Regelung der
Piezoaktuatoren und somit der angestrebten Aktuatoren bis zu einer Arbeitsfrequenz von 100Hz. Zusätzlich verfügt dieses System über einen integrierten Funktionsgenerator, welcher Untersuchungen des linearen bzw. rotatorischen Aktuators unter dem Einfluss dynamischer Belastung ermöglicht.

Rapid Prototyping Modell des Prototypens des Hochgeschwindigkeitsaktuators

Wie bei der Definition der Meilensteine des Projektes beschrieben, soll nach Definition des finales CAD Modells und vor der mechanischen Fertigung ein Rapid Prototyping Modell des Aktuators erzeugt werden. Dies wurde für den linearen als auch für den rotatorischen Aktuator durchgeführt. Durch diese Vorgehensweise können Fehler in der Definition des CAD Modells detektiert werden und erste Eindrücke über die korrekte Funktion des Konzeptes gewonnen werden. Da das Erzeugen eines 3D Modells deutlich unkomplizierter und kostengünstiger ist als die mechanische Fertigung ist diese Vorgehensweise empfehlenswert. Die hier erzeugten Bauteile wurden mittels SLA-Verfahren (Stereolithografie-Verfahren) erzeugt. Bei beiden Modellen wurden sämtliche Bauteile mit Ausnahme der Federn als Kunststoffmodell gefertigt.

Messtechnik

Zu Beginn des Projektes wurde angenommen, dass auf bereits vorliegende Messtechnik zurückgegriffen werden kann. Diese Annahme konnte im Verlauf des Projektes nicht bestätigt werden. Aus diesem Grund wurde für die zu tätigenden Untersuchungen ein neues Messsystem beschafft.

Bei dem ausgewählten Messsystem handelt es sich um das OptoNCDT System der Firma Mikro Epsilon. Für die Messungen wurde der ILD1320-10 Sensor ausgewählt. Der Vorteil dieses Messsystems besteht in der einfachen Integration in die vorliegende Messumgebung. Mit einer Abtastrate von 2kHz und einer Auflösung von 1µm erfüllt
das Messsystem die von uns gestellten Anforderungen. Das Messsystem arbeitet nach dem
Lasertriangulationsverfahren. Das bedeutet, dass der Sensor die Bewegung eines bestimmten Körpers detektieren kann. Im Fall des linearen Aktuators ist dies die Position des Kolbens des Aktuators. Im Falle des rotatorischen Aktuators ist dies die Position der Welle.

Bau des Prototypen des Hochgeschwindigkeitsaktors

Aufgrund der guten Vorbereitung mussten hier lediglich die Konstruktionsmappen der beiden Aktuatoren der mechanischen Fertigung zur Verfügung gestellt werden. Besondere Vorkommnisse/Probleme sind bei der Umsetzung dieses Meilensteins nicht aufgetreten jedoch hat sich die geplante Bearbeitungszeit um 2 Monate verlängert. Dies ist auf die Fertigung des linearen Aktuators zurückzuführen.

Zur Optimierung der Reibung wurden Bauteile mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung
versehen. Dabei handelt es sich um eine Diamond like Carbon DLC-Beschichtung. Diese
Beschichtung hat das Ziel den Verschleiß zu minimieren und geringere Reibwerte zu ermöglichen.

Praktischer Test der Aktuatoren und Bewertung

Diese Untersuchungen haben eine Aussage bezüglich des
dynamischen Verhaltens der Aktuatoren unter dem Einfluss des erworbenen Piezosystems zum Ziel. Dazu wird das dynamische Verhalten des Prototypens mit Hilfe des Sensorsystems
analysiert.

EFRE - Europäischer Fonds für regionale Entwicklung

Das Forschungsprojekt „Vollvariable Drehschiebersteuerung für Verbrennungsmotoren“ startete mit der Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsaktuators. Die Entwicklung dieses Aktuators wurde in einem Zeitraum von 2,5 Jahren durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung gefördert. Wir bedanken uns an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich für diese Unterstützung ohne welche die Entwicklung des Aktuators nicht möglich gewesen wäre.