FH Lippe und Höxter Simulationstechnik Prof. Dr.-Ing. Schmitt Dipl.-Ing. Kuhlmann

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1 Elektromagnetische Feldberechnung eines Stellsystems Bei modernen NKW-Fahrzeugen mit Dieselmotoren werden u.a. Reiheneinspritzpumpen mit elektromagnetischen Stellwerken eingesetzt. Bei der Hubschieber- Reiheneinspritzpumpe der Fa. BOSCH wird je ein elektromagnetisches Stellwerk für die Variation der Einspritzmenge (8) bzw. des Förderbeginns (6) verwendet, siehe Abb. 1. Abb. 1: Hubschieber-Reiheneinspritzpumpe 1 Pumpenzylinder 2 Hubschieber 3 Regelstange 4 Pumpenkolben 5 Nockenwelle 6 Förderbeginn-Stellmagnet 7 Hubschieber-Verstellwelle 8 Regelweg-Stellmagnet 9 Regelweggeber 10 Anschlussstecker 11 Induktiv-Drehzahlgeber Funktion des Mengenstellwerkes Zum Verändern der Kraftstoffmenge verschiebt ein Stellmagnet (8) infolge Bestromung der Spule die Regelstange, die ihrerseits die Regelhülse der Pumpenkolben. Ein induktiver Wegaufnehmer erfasst die Regelstangenposition (Istposition). Der Mikroprozessor im Steuergerät errechnet aus Fahrpedalstellung, Drehzahl sowie einer Reihe von Korrekturgrößen in Verbindung mit im Speicher abgelegten Kennfeldern die Solleinspritzmenge bzw. den Sollwert der Regelstangenstellung. Ein elektronischer Regler, der den Erregerstrom für den gegen eine Rückstellfeder arbeitenden Stellmagneten bestimmt, vergleicht den Sollwert mit dem rückgemeldeten Istwert der Regelstangenposition. Bei Abweichungen wird der Erregerstrom solange verändert, bis sich die Regelstange genau in der gewünschten Sollstellung befindet.

2 Funktion des Förderbeginnstellwerkes Zur Variation des Förderbeginns verschiebt der Stellmagnet (6) über einen Exzenter die Hubschieber-Verstellwelle, die wiederum den Hubschieber verstellt und damit den Förderbeginn festlegt. Über einen Bewegungsfühler an der Einspritzdüse kann der Soll-Einspritzbeginn erfasst und in einen Spritzbeginn-Regelkreis eingebunden werden. Da die Stellmagnete für die Fördermenge bzw. den Förderbeginn konstruktiv gleich sind, wird für die elektromagnetische Feldberechnung nur das Stellsystem der Fördermenge untersucht. Magnetspule Gehäuse Magnetanker Magnetkern Magnetkreisberechnung mit dem Programm MAXWELL Im Folgenden werden kurz die wichtigsten Schritte zur Erstellung des Rechenmodells genannt: Erstellen der Gesamtstruktur (rz-geometrie) Eingabe der Materialkennwerte, d.h. der Magnetisierungskennlinie B = f(h) (Werkstoff: 9SMn 28K für Gehäuse, Magnetkern und Magnetanker) Zuordnung der Materialien Definition des Magnetankers für die Kraftberechnung einschl. Positionierung Definition der Spule bzw. der Stromdichte Berechnung des Magnetkreises Grafikdarstellung (Magnetfluss bzw. Magnetfeldlinien; magn. Flussdichte) Berechnung der resultierenden Magnetkraft auf den Anker in Bewegungsrichtung Regelstangenbewegung Druckbolzen Regelweg max. 0 Abb. 2: Aufbau des Stellmagneten Windungszahl w = 272 Max. Spulenstrom I = 11A Spulenwiderstand R = 0,62 Ohm Regelweg (Stellweg) RW = 0 21mm Federvorspannung (RW = 0mm: 10N; RW = 21mm: 50N)

3 Die Berechnung des Magnetkreissystems mit dem Programmsystem MAXWELL erfolgt bei unterschiedlichen Regelwegpositionen bei Variation des Spulenstromes. In den folgenden Abbildungen wird für eine mittlere Regelwegposition (RW = 11mm) und einem Spulenstrom von I = 6A die Magnetfeldlinien und die magnetische Flussdichte gezeigt. Abb. 3: Magnetfeldlinien des Stellmagneten (RW = 11mm; I = 6A; F = 32,1N) Abb. 4: Magnetische Flussdichte des Stellmagneten (RW = 11mm; I = 6A; F = 32,1N) Die Darstellung der Magnetfeldlinien und der magnetischen Flussdichte erlauben eine Beurteilung der konstruktiven Auslegung des Stellmagneten. Hierbei sind insbesondere die Verhältnisse von Nutz- und Streufluss bzw. die magnetische Aussteuerung des Materials (Sättigungseffekte etc.) interessant.

4 Die Auswertung der axialen Magnetkraftkomponenten als Funktion des Regelweges bei Variation des Spulenstromes zeigt Abb. 5. Als weitere Kennlinie ist die Gegenkraft der Rückstellfeder eingezeichnet. Tabelle: Relative Abweichungen zwischen analytischer und experimenteller Kraftbestimmung 70 Ankerkraft (N) Spulenstrom 10A A 6A Federkennlinie 10 4A 0 2A Regelweg (mm) Abb. 5: Magnetkraft Weg Kennlinie des Stellsystems bei Variation des Spulenstromes Um eine Aussage über die Qualität der analytischen Berechnung der Magnetkräfte auf den Anker zu erhalten, wurde ferner eine experimentelle Ankerkraftmessung durchgeführt. In der Folgenden Tabelle sind die relativen Abweichungen der Ankerkräfte zwischen Rechnung (Istwert) und Versuch (Sollwert) bei verschiedenen Regelwegen und Spulenströmen dargestellt. rel. Istwert - Sollwert Fehler (%) = 100% Sollwert Spulenstrom Regelweg I = 2A I = 4A I = 6A I = 8A I = 10A 6mm 7,3% 14,1% 10,0% 10,1% 7,1% 11mm 23,8% 22,2% 14,0% 11,5% 4,3% 16mm 24,3% 22,1% 15,9% 9,7% 2,2%

5 Die Bewertung der Ergebnisse zeigt, dass die analytisch bestimmten Magnetkräfte für dieses Stellsystem immer größer sind gegenüber den gemessenen Werten. Als Unsicherheit in der Bewertung ist die unbekannte Toleranzsituation der geometrischen Abmaße des Stellmagneten zu nennen, ferner die korrekte Windungszahl (Toleranz der Windungszahl: Δw = 4) und Abweichungen der Material (Magnetisierungskurve). Die Untersuchungen zeigen, dass mit dem Programmsystem MAXWELL ein brauchbares Werkzeug zur numerischen Feldberechnung von Magnetsystemen zur Verfügung steht.