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Fachvorträge Excerpt ii: from elektromagnetik
the Proceedings of the COMSOL Users Conference 2006 Frankfurt
Linearmotoren zur Ventilsteuerung von Verbrennungsmotoren
Riheb Wislati *,1 , Helmut Haase 1 , Christoph Hartwig 2
1 Leibniz Universität Hannover, Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik,
2 TRW Automotive GmbH, Engine Components,
*Dipl.-Ing. Riheb Wislati, Inst. für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik, Appelstr. 9A, D-30167 Hannover,
wislati@geml.uni-hannover.de.
Zusammenfassung
Zur Optimierung von Verbrennungsmotoren hinsichtlich
Kraftstoffverbrauch, Abgasverhalten und Durchzugsfähigkeit
wird der Einsatz einer variablen Ventilsteuerung
(VVS) untersucht. Eine VVS wird unter Anderem erreicht
mit dem Einsatz von elektromagnetischen Aktuatoren
(EMA).
Im vorliegenden Beitrag sind zwei EMA-Ansätze präsentiert.
Bei dem ersten handelt es sich um einen elektromagnetischen
Aktuator mit Umschwingprinzip, bei dem zweiten
handelt es sich um einen linearen Hybridschrittmotor.
Das statische Verhalten beider Aktuatoren wird mit Hilfe
von COMSOL Multiphysics (CM) simuliert und untersucht.
Die Modelle sind dabei in 2D ausgeführt.
Stichwörter
Variable Ventilsteuerung, Aktuator, Elektromagnet,
Hybridschrittmotor.
1. Einführung
In den konventionellen Verbrennungsmotoren erfolgt die
Steuerung der Ein- und Auslassventile über die Nockenwelle,
die mit der halben Kurbelwellendrehzahl dreht (Abbildung1).
Diese mechanische Kopplung zwischen Ventil,
Nockenwelle und Kurbelwelle erlaubt keine flexible
Steuerung des Gaswechselvorgangs. Er kann nur für einen
Betriebspunkt optimal ausgelegt werden, da sowohl die
Steuerzeiten als auch der Ventilhub durch das Profil der
Nocken bestimmt werden [1].
Aufgrund begrenzter Ressourcen und immer strenger werdender
Emissionsrichtlinien haben sich die Prioritäten der
Automobilindustrie bei der Ent-icklung von Verbrennungsmotoren
in den letzten Jahren wesentlich geändert. Die Reduzierung
der Schadstoffemissionen und die Minimierung
des Kraftstoffverbrauchs stellen z.Z. die wichtigsten Ziele
dar. Zur Verbesserung des Gaswechselprozesses wird gegenwärtig
die variable Ventilsteuerung (VVS) untersucht.
Die daraus resultierenden Vorteile sind [1]:
• Verbesserung des Teillastverbrauchs
• Optimierung des Drehmomentverlaufs
• Bestimmung des Restgasanteils im Frischgemisch
(interne Abgasrückführung)
• Verbessertes Startverhalten
• Zylinderabschaltung
• Gesteuertes Entweichen des Kompressionsdrucks
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Abbildung 1. Konventioneller Ventiltrieb mit Nockenwelle.
In [2] sind die wichtigsten Ausführungsarten der VVS erläutert
worden. Dazu gehören Systeme, die Nockenwellen
verwenden und eine mechanische oder hydraulische Variabilität
am Nockenwellenantrieb bereitstellen, wie z.B.
beim Vanos-System (Variable Nockenwellensteuerung)
von BMW oder dem VETEC-System (Variable Timing
and Lift Electromagnetic Control) von Honda. Weiterhin
gibt es Systeme, bei denen ein Übertragungsglied zwischen
Nocken und Ventil eingesetzt wird (Valvetronic von
BMW). Andere Systeme verzichten auf den Einsatz einer
Nockenwelle. Dabei bieten sich u. A. elektromagnetische
Aktuatoren (EMA) zur Ventilsteuerung an. Der Aktuator
kann dabei rotatorisch [3] oder linear [4] [5] [6] ausgeführt
werden. Die meisten Publikationen befassen sich mit dem
linearen Ansatz.
In diesem Dokument werden nur Aktuatoren für die Steuerung
der Einlassventile untersucht. Sie stellen gegenüber
den Auslassventilen die geringeren Ansprüche an ihren
Antrieb. Dabei soll ein Hub von 8mm in weniger als 3ms
erreicht werden. Das bedeutet für eine bewegliche Masse
von 100g eine erforderliche Kraft von maximal 440N bei
einem sinusförmigen Beschleunigungsprofil.
2. Der elektromagnetische Aktuator mit
Umschwingprinzip
Der Aktuator besteht aus einem Öffner- und Schließer-Magnet,
sowie einem schwingungsfähigen Feder-Masse-System
bestehend aus dem Ventil, der Ankerplatte und zwei
Federn (Abbildung 2). Die Elektromagnete dienen dazu,
das Ventil in den Endpositionen festzuhalten und dem System
die während einer Schwingung durch Reibung verlorene
Energie, aus der Batterie zuzuführen. Wenn beide
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Abbildung 2. Elektromagnetischer Aktuator mit Umschwingprinzip.
Elektromagnete nicht bestromt sind, befindet sich der Anker
in der Mitte des Luftspaltes.
In Abbildung 3 wird der Ventilhub eines solchen Systems
mit dem eines herkömmlichen Systems mit Nockenwelle
verglichen. Der EMA hat den Vorteil, die Öffnungsdauer
des Ventils zu variieren. Damit kann die zugeführte Luftmenge
während des Ansaugtaktes ohne Einsatz der verlustbehafteten
Drosselklappe geregelt werden. Mit dem
EMA-System kann man weiterhin die Öffnungs- und
Schließzeitpunkte des Ventils unabhängig vom Kurbelwellenwinkel
einstellen. Dies ermöglicht eine Anpassung
des Gaswechselvorgangs an die Motorlast und Geschwindigkeit
des Fahrzeugs.
Mit Hilfe von COMSOL Multiphysics (CM) wird ein ebenes
2D-Modell vom oberen Elektromagnet erstellt und
statisch simuliert. Das Feldbild ist in Abbildung 4 für eine
Stromdichte S = 4A/mm 2 dargestellt. Dabei wurden die
nichtlinearen magneti-schen Eigenschaften von Eisenkreis
und Anker be-rücksichtigt (siehe Abbildung 5). Des Weiteren
ist aus der Kraft-Weg-Kennlinie in Abbildung 6 zu erkennen,
dass eine Maximalkraft von 530N erreicht wird.
Die geforderte Hubzeit von weniger als 3ms erfordert eine
Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems von mehr als
167 Hz. Folglich sind eine kleine bewegte Masse und/oder
eine steife Feder notwendig. Eine große Federsteifigkeit
erfordert sehr große Kräfte von den Elektromagneten. Da
Abbildung 3. Ventilhub.
Abbildung 4. Feldbild des oberen Elektromagneten.
allerdings das Bauvolumen der Aktuatoren und damit auch
deren Kraftdichte begrenzt sind, wird eine Feder mit kleiner
Steifigkeit empfohlen. In diesem Fall wird der Einsatz
einer kleinen bewegten Masse notwendig.
Der beschriebene Aktuator mit Umschwingprinzip ist zwar
hinsichtlich der Öffnungs- und Schließzeiten variabel, aber
nicht hinsichtlich des Hubs. Dies lässt sich beispielsweise
mit dem Einsatz von Linearmotoren erzielen. Dieser Ansatz
hat weiterhin den Vorteil, auf das Feder-Masse-System
verzichten zu können.
Abbildung 5. Relative Permeabilität der Eisenteile.
Abbildung 6. Kraft-Weg-Kennlinie.
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3. Linearer Hybridschrittmotor
Abbildung 7. Prinzipdarstellung eines linearen Hybridschrittmotors.
Eine mögliche Ausführungsform eines linearen Hybridschrittmotors
ist in Abbildung 7 dargestellt. Dieser Motor
zeichnet sich durch den Einsatz von Elektro- und Dauermagneten
aus, die im Läufer angeordnet sind. Die Funktionsweise
des Motors basiert darauf, dass bei Bestromung
einer Spule der Dauermagnetfluss in einem Pol verstärkt
und im anderen kompensiert wird. Dadurch wird die tangentiale
Magnetkraft den erregten Pol und damit den Läufer
so verschieben, dass sich die Zähne genau gegenüber
stehen.
Ausgehend von der in Abbildung 7 (oben) dargestellten
Lage wird die Erregerspule 1 abgeschaltet und die Spule 2
so durchflutet, dass der Fluss im rechten Pol des Elektromagneten
2 verstärkt wird. In diesem Fall wird der Läufer
um die halbe Zahnbreite x 0 nach rechts verschoben. Durch
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Abschaltung der Spule 2 und Umpolung der Stromrichtung
in Spule 1 kann der nächste Schritt erzeugt werden
usw. [7].
In unserer Anwendung wird die Topologie nach Abbildung
8 gewählt. Anders als in Abbildung 7 sind die Dauer- und
Elektromagnete am Ständer angeordnet, um die Masse des
Läufers zu reduzieren. Die Spezifikation dieses Motors ist
in Tabelle 1 ausgeführt.
Größe Wert
Ständerzahnteilung 2 mm
Zahnbreite (Ständer) 2 mm
Nuttiefe (Ständer) 1 mm
Läuferzahnteilung 2 mm
Zahnbreite (Läufer) 2 mm
Nuttiefe (Läufer) 1 mm
Polteilung 18 mm
Anzahl der Phasen 2
Anzahl der Pole pro Phase 2
Anzahl der Zähne pro Pol 3
Luftspalt 0,1 mm
Tabelle 1. Spezifikation des Hybridschrittmotors.
Der gewählte Hybridschrittmotor ist in 2D mit Hilfe von
CM simuliert. Das Feldbild bei einer Stromdichte von
S = 10A/mm 2 ist in Abbildung 8 dargestellt. Dabei führt
nur die untere Wicklung Strom. Die Kraft auf den Läufer
wurde mit Hilfe des Maxwell’schen Spannungstensors
in Funktion des Stellwegs berechnet (Abbildung 9). Die
erforderlich Maximalkraft von 440 N wurde trotz hoher
Stromdichte nicht erreicht. Der Betrag der magnetischen
Flussdichte im Läufer und in den Ständerzähnen ist für
unterschiedliche Schrittstellungen in Abbildung 10 dargestellt.
Abbildung 8. Simulation des Hybridschrittmotors. Abbildung 9. Kraft-Weg-Kennlinie.
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Abbildung 10. Feldbild in Abhängigkeit vom Stellweg.
4. Fazit und Ausblick
Die Simulation des Aktuators mit Umschwingprinzip hat
gezeigt, dass die erforderliche Maximalkraft sogar bei einer
kleinen Stromdichte erreicht wurde. Dieser Aktuator
hat allerdings den Nachteil, dass er keine variable Hubsteuerung
ermöglicht. Weiterhin wird bei diesem Ansatz
das Beschleunigungsprofil vom Feder-Masse-System vorgeschrieben.
Deswegen wurde für die VVS der mögliche
Einsatz eines Linearmotors untersucht.
Bei dem gewählten Linearmotor handelt es sich um einen
Hybridschrittmotor, bei dem die Dauer- und Permanentmagnete
am Ständer angebracht sind. Es konnte anhand
der Simulation in CM gezeigt werden, dass die maximal
geforderte Kraft nicht erreicht werden konnte. Allerdings
erlaubt der Linearmotor ein lineares Beschleunigungsprofil,
wodurch der Wert der geforderten Maximalkraft sich
verringert.
Das zur Verfügung stehende Bauvolumen für den Linearmotor
ist begrenzt und schränkt damit die Möglichkeit ein,
größere Kräfte zu erzielen. Es ist daher erforderlich, eine
Parameteruntersuchung durchzuführen, um die optimale
Topologie zu ermitteln.
Literatur- und Quellenangaben
[1] Butzmann, S., Sensorlose Regelung elektro-magnetischer
Aktuatoren für die Betätigung von Gas-ventilen
im Otto-Motor, Universität Bochum 2000.
[2] Hannibal, W., Überblick über variable Ven-tilsteuerungen,
Patentrechte, Tagungsunterlagen Variable Ventilsteuerung,
Haus der Technik e.V., 2000.
[3] Warburton, A.; Fleming L.; Scott, J.; Butler, N., Intelligent
Valve Actuation (IVA) System for Gasoline and
Diesel Engines, SAE, 2005-01-0772.
[4]. Montanari, M.; Ronchi, F.; Rossi, C., Trajec-tory
Generation for Camless Internal Combustion Engine
Valve Control, Proceedings of IEEE Interna-tional
Symposium on Industrial Electronics, Rio de Janeiro,
Brazil, 2003.
[5]. Chang, W.S.; Parlikar, T.A.; Seeman, M.D.; Perreault,
D.J.; Kassakian, J.G.; Keim, T.A., A New Electromagnetic
Valve Actuator, IEEE Power Elect-ronics in
Transportation, 2002.
[6] Wang, Y.; Megli, T.; Haghgooie, M.; Peter-son, K.S.;
Stefanopoulou, A.G., Modelling and Con-trol of Electromechanical
Valve Actuator, SAE, 2002-01-1106.
[7] Kallenbach, E.; Eick, R.; Quendt, P.; Ströhla, T.; Feindt,
K; Kallenbach, M., Elektromagnete, 2. Auflage, Teubner
2003.
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