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Fachgebiet Elektronikentwicklung < zurück |
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Numerische Analyse schnellwirkender elektromagnetischer Ventilaktoren mit der Finite-
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Dr. Michael Ertl Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch Zusammenfassung der Dissertation Im automotiven Bereich werden an Aktorsysteme äußerst strikte Spezifikationen im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei gleichzeitig verstärktem Preisdruck gefordert. So verlangen moderne schnellwirkende elektromagnetische Schaltventile für die Hochdruck-Direkteinspritzung bei Ottomotoren weitere Verbesserungen der Schaltgeschwindigkeit und der Reproduzierbarkeit des Schaltverhaltens. Die Entwicklung geht hin zu gewichtsreduzierten Konstruktionen in Kombination mit komplexen Ansteuerungskonzepten, die jedoch zunehmend Strukturschwingungs- und Schallabstrahlungsprobleme verursachen. Der innovative Ansatz der Arbeit liegt in der Implementierung eines numerisches Berechnungsverfahrens, das erstmals in der Lage ist, die Dynamik schnellwirkender elektromagnetischer Einspritzventile auf Basis der Finite-Elemente-Methode mit hoher Genauigkeit nachzubilden. Die Simulation der Ventildynamik erweist sich hierbei als hochgradig nichtlinear. So muß neben der nichtlinearen Magnetik, der induzierten Wirbelstromverteilung auch das komplexe Prellverhalten beim Schalten des Ventils unter hohen Schaltgeschwindigkeiten und -kräften berücksichtigt werden. Betrachtet man die Bedeutung für die Wissenschaft, wurde in der Arbeit die Grundlage für die genaue Berechnung der Dynamik schnellwirkender elektromagnetischer Schaltaktoren geschaffen. Die gute übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Werten verdeutlicht die Notwendigkeit, alle beteiligten physikalischen Felder, ihre wechselseitigen Kopplungen sowie die wesentlichen dynamischen und nichtlinearen Effekte zu berücksichtigen. Hinsichtlich der industriellen Anwendbarkeit bietet das vorgestellte Verfahren die Möglichkeit der effizienten Entwicklung und der zeitoptimalen Ansteuerung elektromagnetischer Schaltaktoren. Die Optimierung der Schaltdynamik ist nun bei einer sehr geringen Anzahl an tatsächlich aufgebauten Prototypen möglich, wodurch die Entwicklungszeiten und -kosten stark reduziert werden können. Dabei wird deutlich, daß die robusten und kostengünstigen elektromagnetische Schaltventile gegenüber den hochdynamischen, jedoch wesentlich teuren piezoelektrischen Schaltaktoren in vielen automotiven Anwendungen hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit konkurrenzfähig sind. Der Nutzen dieser Arbeit für die Umwelt liegt vor allem in der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, der aus der erhöhten Dosiergenauigkeit optimierter elektromagnetischer Einspritzventile resultiert. Die erreichte höhere Schaltdynamik führt über die genauere Kraftstoffzumessung und optimierten Verbrennungsverlauf zu einer Verminderung der Schadstoffentstehung. Das reduzierte Prellverhalten beim Schalten der Einspritzventile trägt letztlich zu einer reduzierten Schallabstrahlung bei. < zurück |
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