Nghiên cứu thiết kế cơ cấu xupap điện từ trên động cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC HOÀI ÂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU XUPAP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC SKC007507 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC HOÀI ÂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU XUPAP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 Hƣớng dẫn khoa học: TS LÝ VĨNH ĐẠT Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017 Trang i LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Ngọc Hồi Ân Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 07-11-1988 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: ấp – Sơn Phú – Giồng Trôm – Bến Tre Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc học tập, nghiên cứu: Giáo viên - Trƣờng trung cấp nghề Bến Tre Chỗ riêng địa liên lạc: ấp – Sơn Phú – Giồng Trôm – Bến Tre Điện thoại quan: 02753822854 Điện thoại nhà riêng: 0971348357 Fax: E-mail: ngochoaianckd@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …/… đến ……/ … Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 01/ 2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Hệ thống Common Rail động SORENTO – KIA Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: tháng 01/2012 Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: GVC.ThS.Châu Quang Hải Thạc sĩ: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo từ 10/2014 đến 10/2016 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật khí động lực Trang ii Tên luận văn: Nghiên cứu thiết kế cấu xupap điện từ động Ngày & nơi bảo vệ luận văn: tháng 10/2017 Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: TS.Lý Vĩnh Đạt Tiến sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Tại (trƣờng, viện, nƣớc): Tên luận án: Ngƣời hƣớng dẫn: Ngày & nơi bảo vệ: Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh Văn (Trình độ B1) Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 10/201211/2017 Nơi công tác Trƣờng trung cấp nghề Bến Tre Công việc đảm nhiệm Giáo viên IV CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ: XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN ĐỊA PHƢƠNG Ngày (Ký tên, đóng dấu) tháng năm 20…… Ngƣời khai ký tên Nguyễn Ngọc Hồi Ân Trang iii LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Ngọc Hoài Ân Trang iv LỜI CẢM ƠN Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Thầy TS.Lý Vĩnh Đạt Trong trình thực luận văn, bận rộn công việc nhƣng Thầy dành nhiều quan tâm tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn q Thầy, Cơ Ban Giám Hiệu, phịng Đào tạo Sau Đại Học, Thầy khoa Cơ khí Động lực, anh bạn lớp cao học CKD14B – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí minh tận tình giúp đỡ tạo điều kiện tốt để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn Thầy phản biện dành thời gian công sức để đọc đóng góp ý kiến q báu giúp em hồn thiện nội dung luận văn Con xin gửi lời biết ơn chân thành đến Cha, Mẹ gia đình ln bên cạnh ủng hộ, hết lịng động viên, tạo điều kiện tốt để yên tâm học tập, làm việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp Mặc dù cố gắng để hồn thành luận văn cách tốt có thể, nhƣng khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đƣợc đóng góp, chia sẻ ý kiến kinh nghiệm quý Thầy, Cô anh, bạn để đề tài hồn thiện phát triển mức cao Xin chân thành cảm ơn! TPHCM, ngày … tháng … năm 2017 Học viên thực Nguyễn Ngọc Hồi Ân Trang v TĨM TẮT Việc nghiên cứu phát triển ứng dụng công nghệ xu hƣớng chung nhiều hãng sản xuất ô tô giới nhằm đảm bảo sử dụng tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch giảm ô nhiễm môi trƣờng Các trạng thái tối ƣu việc điều khiển mô men xoắn phù hợp với điều kiện hoạt động khác nhằm cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu động Điều đƣợc thực xupap điện từ, xupap mang lại nhiều ƣu điểm việc cải thiện khí thải suất tiêu hao nhiên liệu dải tải trọng khác động Nghiên cứu đề xuất thiết kế cấu điều khiển xú páp đƣợc cải tiến từ hệ thống phân phối khí truyền thống động xăng xi lanh thẳng hàng nhằm điều khiển xupap động Kết cho thấy, việc điều khiển cách linh hoạt cơng suất động phát theo chế độ hoạt động, phƣơng pháp điều khiển xupap điện từ giảm đƣợc khoảng 13% đến 15% lƣợng nhiên liệu tiêu hao so với động thông thƣờng Đồng thời lƣợng khí phát thải CO giảm đƣợc khoảng 15%, hàm lƣợng khí HC sinh giảm đƣợc khoảng 8% Từ khóa: Xupap điện từ (EMV); tải động cơ; hệ thống điều khiển xú pap; khí thải; tiêu thụ nhiên liệu Trang vi ABSTRACT The research development and application of new technologies is a trend of many automobile manufacturers in the world To ensure the most economical use of fossil fuel resources and reduce environmental pollution The optimal strategies about driving torque at different operating conditions can improve the fuel consumption in engine This is performed by electromagnetic valve method that brings many advances in improving emissions and fuel consumption at various load ranges in engines The study proposes a design electromagnetic valve train, which is improved from the conventional valve train system in an inline SI engine with cylinders, to control for electromagnetic valve The results show that electromagnetic valve can reduce about 13% to 15% of fuel consumption compared with the conventional engine The concentration of CO reduces about 15%, whereas HC decreases about 8% when SI engine operates with different electromagnetic valve modes Keywords: electromagnetic valve (EMV); engine load; valve train system; emissions, fuel consumption Trang vii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC ii LỜI CAM ĐOAN iv LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT vi ABSTRACT vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xi DANH MỤC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC HÌNH xiii CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các nghiên cứu nƣớc 1.3 Các nghiên cứu nƣớc 1.4 Tổng quan điều khiển xupap 1.4.1 Ảnh hƣởng việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp (IVO) 1.4.2 Ảnh hƣởng việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp (IVC) 1.4.3 Ảnh hƣởng việc thay đổi thời điểm mở xupap xả (EVO) 1.4.4 Ảnh hƣởng việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả (EVC) 1.4.5 Hệ thống điều khiển xupap có thời điểm độ nâng thay đổi 1.4.5.1 Hệ thống VTEC xe Honda 1.4.5.2 Hệ thống VVT-i xe Toyota Trang viii 1.4.5.3 Hệ thống Valvetronic xe BMW 11 1.4.5.4 Nhận xét ƣu nhƣợc điểm hệ thống điều khiển xupap có thời điểm độ nâng thay đổi 13 1.4.6 Hệ thống điều khiển xupap không sử dụng trục cam (Camless engine) 14 1.4.6.1 Hệ thống MultiAir Fiat 15 1.5 Mục đích nghiên cứu 21 1.6 Đối tƣợng nghiên cứu 21 1.7 Phạm vi nghiên cứu giới hạn đề tài 21 1.8 Phƣơng pháp nghiên cứu 21 1.9 Nội dung nghiên cứu 22 1.10 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 22 1.11 Kết luận 23 CHƢƠNG 24 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24 2.1 Lịch sử phát triển 24 2.2 Khái niệm cấu xupap điện từ (EMVA) 26 2.3 Phân loại cấu xupap điện từ 26 2.3.1 Cơ cấu xupap điện từ dùng chấp hành solenoid: 27 2.3.2 Cơ cấu điện từ EMVA dùng chấp hành nam châm 29 2.4 So sánh ƣu nhƣợc điểm EMVA solenoid EMVA nam châm 32 2.5 Kết luận 33 CHƢƠNG 34 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU XUPAP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ 34 3.1 Nguyên lý hoạt động EMV 34 3.2 Thiết kế xupap điện từ (EMV) 35 Trang ix NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU XÚ PÁP ÐIỆN TỪ TRÊN ÐỘNG CƠ A STUDY OF ELECTROMAGNETIC VALVE TRAIN IN ENGINES (1) Nguyễn Ngọc Hoài Ân, (2)Lý Vĩnh Đạt Học viên cao học trƣờng ĐHSPKT TP Hồ Chí Minh Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM TÓM TẮT Việc nghiên cứu phát triển ứng dụng công nghệ xu hướng chung nhiều hãng sản xuất ô tô giới nhằm đảm bảo sử dụng tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch giảm nhiễm mơi trường Các trạng thái tối ưu việc điều khiển mô men xoắn phù hợp với điều kiện hoạt động khác nhằm cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu động Điều thực xupap điện từ, xupap mang lại nhiều ưu điểm việc cải thiện khí thải suất tiêu hao nhiên liệu dải tải trọng khác động Nghiên cứu sử dụng phần tử hữu hạn để phân tích thiết kế cấu, thơng số kích thước nam châm, phần ứng (armature) cuộn dây điều khiển Các thông số phân tích tối ưu hố để điều khiển xupap số vòng quay tối đa động Kết nghiên cứu thiết kế đáp ứng yêu cầu giới hạn không gian, thời gian đáp ứng lực từ diều khiển xupap Thiết kế cấu xupap điện từ điều khiển hồn tồn đóng mở xupap tốc độ khoảng 6000 vòng/phút động Một lực từ tạo khoảng 719 N (lớn lực lị xo xupap) để điều khiển xupap đóng lại cuộn dây điều khiển đuợc cung cấp dòng điện phù hợp Ngược lại, lực từ khoảng 416 N tạo điều khiển xupap trạng thái mở Từ khóa: Xupap điện từ (EMV); tải động cơ; hệ thống điều khiển xú pap; khí thải; tiêu thụ nhiên liệu; thời điểm xú páp biến thiên Trang 97 ABSTRACT The research development and application of new technologies is a trend of many automobile manufacturers in the world To ensure the most economical use of fossil fuel resources and reduce environmental pollution The optimal strategies about driving torque at different operating conditions can improve the fuel consumption in engine Finite element has been used to analyze the EMV design The optimization based on the criteria so that the EMV satisfies holding forces at closed and open states at high speed in SI engines The parameters include permanent magnet, armature dimensions, and electromagnetic coil sizes that have been examined and analyzed The results conclude that the EMV satisfies the requirement of dimension space limit Besides, the optimal EMV design meets also about transition time and holding force The holding force is created about 719 N when the desired current is supplied to the coils and the force drop efficiency 42.22 % Therefore, the EMV can fully control the closed and open of valve timings at high speed in SI engines Keywords: electromagnetic valve (EMV); engine load; valve train system;emissions, fuel consumption Trang 98 I GIỚI THIỆU Trong động đốt trong, đặc biệt động đánh lửa cƣỡng bức, thời điểm thời gian đóng mở xupap có ảnh hƣởng lớn đến hiệu suất tồn động nồng độ khí thải Bởi động đánh lửa truyền thống có thời gian thời điểm đóng mở xupap khơng thay đổi nên kết thỏa hiệp đƣợc đƣa hiệu quả, hiệu suất công suất tối đa động cơ, cách sử dụng cơng nghệ xupap biến thiên (VVT).[1]Để có đƣợc lợi ích đầy đủ đem lại từ việc sử dụng VVT, nhiều loại cấu điều khiển xupap khác đƣợc đề xuất thiết kế Hình 1: Cơ cấu EMVA dùng chấp hành solenoid  Cấu tạo: - Hai cuộn solenoid dƣới để điều khiển đóng mở xupap - Hai lò xo (spring) hồi vị giữ cho xupap hồi vị trí ban đầu lực từ Cơ cấu EMVA loại dùng solenoid có ngừng tác động ƣu điểm cấu tạo đơn giản dễ điều - Một lõi thép (clapper) để cảm ứng khiển Tuy nhiên, sử dụng chấp điện từ hành solenoid chúng tiêu thụ lƣợng - Thân xupap (valve) lõi thép lớn lƣợng điện dùng để điều khiển đƣợc thiết kế thành khối với xupap Đặc biệt khởi động, Cơ cấu EMVA dùng chấp hành nam xupap mở nhỏ vị trí trung gian (mid châm sử dụng lực hút điện từ nam open) cân lực lị xo châm vĩnh cửu lực điện từ đƣợc tạo hệ thống cần lƣợng điện đến từ solenoid để điều khiển hoạt động cuộn solenoid điều khiển hút xupap đóng đóng mở xupap khơng phải trục để động dễ dàng khởi động Đây cam dẫn động nhƣ loại động truyền nhƣợc điểm hệ thống thống Hệ thống khắc phục đƣợc khởi động dòng điện sụt áp đáng kể nhƣợc điểm EMVA dùng solenoid cung cấp cho động khởi động sử dụng nhiều lƣợng để điều dòng điện đến cuộn solenoid khơng ổn khiển.Bên cạnh đó,các động sử dụng hệ định để điều khiển xupap động thống loại bỏ bƣớm ga điều cơ.[2] khiển bƣớm ga mở hoàn toàn chế độ hoạt động (Unthrottled Engine).Dịng khơng khí nạp đƣợc điều khiển xupap nạp.Thời điểm khoảng mở xupap đƣợc điều khiển cách linh hoạt hồn tồn có Trang 99 khả cải tiến đáng kể hiệu suất nồng độ khí thải động cơ.[3] Tuy nhiên, nhƣợc điểm hệ thống EMVA dùng nam châm va đập mạnh xảy xupap bệ xupap thực việc đóng mở lực hút mạnh nam châm Đó lý làm cho động ồn hoạt động, cịn làm chi tiết xupap mau mòn xem xét phân tích phần tử hữu hạn (FEA) Các thơng số thiết kế đƣợc tối ƣu hố cho EMV hoạt động số vòng quay cao động (6000 vịng/phút) Bên cạnh đó, thiết kế EMV phải thoả mãn yêu cầu giới hạn không gian nắp máy Sự phân tích thiết kế EMV dựa vào chủ yếu mật độ từ thông trạng thái bão hòa từ armature cuộn dây đƣợc cung cấp khơng kích hoạt dịng điện phù hợp THIẾT KẾ CƠ CẤU XUPAP ĐIỆN TỪ (EMV) Cấu tạo II Kết cấu EMV dùng nam châm đƣợc thể hình Kết cấu bao gồm: - nam châm (2 nam châm phía Hình 2: Cơ cấu EMVA dùng chấp hành nam châm  Cấu tạo: - Hai nam châm (Permanent maget) - Các cuộn dây cảm ứng từ (Coil) - Lõi thép (phần ứng) để cảm ứng điện từ (Clapper hay armature) - Hai lò xo hồi vị (spring) - Thân xupap (valve) lõi thép cấu đƣợc thiết kế thành khối với Trong báo này, thiết kế EMV có chấp hành kết hợp nam châm vĩnh cửu lực từ đƣợc tạo cuộn dây (PM/EM), có cấu tạo ngun lý hoạt động đƣợc mơ tả [5], đƣợc tối ƣu hoá thông số thiết kế Các thông số ảnh huởng đến lực điện từ EMV đƣợc Trang 100 nam châm phía dƣới) (permanent magnet) tạo lực từ hút armature để mở đóng xupap - Một cặp cuộn dây điện từ (electromagnet) đóng vai trị điều khiển trạng thái đóng mở xupap Cuộn dây điều khiển lực từ tác động đến armature - Armature - lò xo (valve spring) - Thân xupap (valve) Cấu tạo xupap điện từ nhƣ có ƣu điểm tiết kiệm lƣợng tiêu hao thuận lợi việc điều khiển cho xupap mở hồn tồn minh họa hình (d) Tƣơng tự nhƣ xupap di chuyển từ dƣới lên đƣợc thể hình (e) đến hình (a) Hình 3.1: Kết cấu của EMV Nguyên lý hoạt động Khi chƣa cấp dòng điện cho cuộn dây, lực từ nam châm phía lớn lực lị xo nên hút armature lên phía làm cho xupap đóng lại hồn tồn hình (a) Khi cấp điện cho cuộn dây điện từ, từ thông qua cuộn dây tăng lên đáng kể Vì thế, từ thơng qua armature giảm xuống nhƣ thể hình (b) làm cho lực từ giữ armature giảm xuống Đến lực lị xo phía lớn lực giữ armature nam châm phía tạo ra, lực lị xo đẩy armature xuống làm cho xupap bắt đầu mở nhƣ hình (c) Khi armature vƣợt qua vị trí trung gian cuộn dây đƣợc ngắt điện lực từ nam châm phía dƣới hút armature xuống vị trí dƣới Trang 101 Hình 4: Nguyên lý hoạt động EMV Trang 102 III TỐI ƢU HÓA THIẾT KẾ EMV Bảng 1: Sự mô tả thông số Mô tả thông số Ký hiệu Các thông số thiết kế xupap điện từ bao gồm: độ dày, bán kính nam châm, kích thƣớc armature, kích thƣớc lõi cuộn dây, số vòng dây v.v ảnh hƣởng trực tiếp đến mật độ từ thơng armature Nó định đến lực hút cuộn dây không mang điện lực từ giảm cuộn dây đƣợc cung cấp dòng điện Các thơng số có ảnh hƣởng qua lại lẫn nhau, chúng tơi phải xem xét chúng với trƣờng hợp khác mà bao gồm tất phân tích cho thơng số Chúng tơi phân tích độ nhạy thơng số đến lực hút cơng cụ phân tích phần tử hữu hạn Các thơng số có ảnh hƣởng khơng đáng kể đƣợc bỏ qua để đơn giản q trình tối ƣu hóa Các thơng số xupap điện từ đƣợc thể Độ dày nam châm Hpm Bán kính nam châm Rpm Bán kính armature Ra Độ dày armature Ha Chiều cao lõi cuộn dây Hc Số am-pe vịng NI Tối ƣu hố thông số thiết kế dựa điều kiện: - Khi cuộn dây khơng đƣợc cung cấp dịng điện, nam châm phải tạo lực điện từ lớn lực lị xo xupap trạng thái đóng (khoảng 650 N nhƣ hình 6) - Khi có dịng điện cung cấp đến cuộn dây, lực từ armature phải có giá trị nhỏ lực lò xo xupap trạng thái đóng (khoảng 500 N nhƣ hình 6) - Khoảng chênh lệch hai lực từ hai trạng thái có giá trị lớn tối ƣu hình mơ tả đƣợc liệt kê bảng Hình 5: Các thơng số xupap điện từ cho phân tích độ nhạy Hình 6: Lực lò xo khoảng dịch chuyển armature Trang 103 Nam châm Nam châm tạo lực nam châm lớn lực lị xo để di chuyển armature tới vị trí đóng mở xupap Nam Kích thƣớc nam châm bao gồm dộ dày (H Pm ) bán kính (R pm ) nam châm, hai kích thƣớc ảnh hƣởng đến lực từ armature Phân tích kích thƣớc nam châm đƣợc khảo sát với thông số tối ƣu cuộn dây điện từ armature Ảnh hƣởng độ dày nam châm đến lực từ đƣợc thể hình châm đƣợc lựa chọn vật liệu NdFe35 750 với thông số kỹ thuật đƣợc thể chúng tơi thiết kế nam châm có dạng hình tròn Nam châm bao gồm cặp 650 LUC TU ( N ) bảng 3.2 Trong nghiên cứu này, đƣợc phân tích xem xét thiết kế xupap điện từ Giá trị hiệu Độ từ dƣ Độ thấm từ Độ kháng từ 1.22 µr 1.0997 Hc - Độ thấm từ chân khơng (A/m) 890000 µ0 4 x (H/m) 10 -7 1000 1500 CUONG DO DONG DIEN ( NI ) Hình 7: Ảnh hưởng độ dày nam châm đến lực từ Giá trị độ dày nam châm Hpm = mm tối ƣu so với trƣờng hợp khác cuộn dây chƣa đƣợc cấp dòng giá trị thấp Tại giá trị cƣờng độ dịng điện NI giá trị lực từ khoảng 710 N vƣợt giá trị lực lò xo, xupap Br(T) tƣơng đối 500 dây đƣợc cung cấp dịng điện lực giữ có NdFe35 Ký điện lực giữ có giá trị cao cuộn Bảng 2: Đặc tính từ nam châm Đặc tính 500 350 lực từ hệ thống xupap điện từ Do đó, thông số quan trọng cần 550 400 nam châm đƣợc thể hình định đến mật độ từ thơng để tạo 600 450 phía cặp phía dƣới Cấu tạo 3.6 Kích thƣớc đặc tính nam châm Hpm = 1mm Hpm = 2mm Hpm = 3mm Hpm = 4mm 700 đƣợc giữ vị trí đóng mở Khi cung cấp dịng điện cho cuộn dây giá trị lực từ giảm xuống, giá trị cƣờng độ dòng điện 1500 NI giá trị lực từ khoảng 420 N Giá trị nhỏ lực lò xo kết xupap đƣợc tách khỏi vị trí đóng mở Sự phân bố mật độ từ thôngcũng đƣợc phân tích FEA (Finite Element Anylysis) với Trang 104 dịng cung cấp NI 1500 NI tƣơng ứng Kết thể mật độ từ thơngđó qua armature với tất trƣờng hợp hầu nhƣ trạng thái bão hịa cuộn dây khơng đƣợc kích thích (hình 8) Do vậy, tất trƣờng hợp độ dày nam châm đạt lực từ cao lớn lực lị xo nam châm đƣợc phân tích Bán kính nam châm có giá trị lớn 13.5 mm không đƣợc xem xét khoảng không gian giới hạn kết cấu xupap điện từ Ảnh hƣởng bán kính nam châm đến lực từ đƣợc thể hình 10 Kết cho thấy giá trị lực từ giảm lực Rpm = 10.5 mm thấp so với trƣờng hợp khác Do vậy, thơng số tối ƣu bán kính nam châm nằm khoảng 11.5 ~13.5 mm Ta thấy đƣờng có giống Mật độ từ thơng chƣa đạt tới độ bão hòa lúc cuộn dây đƣợc cung cấp dòng điện mong muốn Do vậy, lực từ armature giảm Khi dòng điện đƣợc cung cấp cho cuộn dây, dịng từ có xu hƣớng qua lõi cuộn dây dễ dàng điện từ cuộn dây trở thành nam châm điện Dòng từ nam châm có độ dày mm giảm nhiều so với trƣờng hợp khác nhƣ thể hình Do đó, giá trị giảm lực so với trƣờng hợp khác lớn Do vậy, giá trị độ dày nam châm mm tối ƣu cho thiết kế xupap điện từ lực giữ cuộn dây đƣợc kích thích khơng kích thích Do đó, ảnh hƣởng giá trị bán kính đến lực từ không đáng kể khoảng 11.5 ~13.5 mm 750 Rpm = 10.5mm Rpm = 11.5mm Rpm = 12.5mm Rpm = 13.5mm 700 650 LUC TU ( N ) Hình 8: Sự phân bố từ thông armature với độ dày nam châm khác NI 600 550 500 450 400 350 500 1000 1500 CUONG DO DONG DIEN ( NI ) Hình 10: Ảnh hưởng bán kính nam châm đến lực từ Armature Kích thƣớc armature thiết kế xupap điện từ bao gồm độ dày bán kính armature Nó ảnh hƣởng tức đến dịng từ armature Bán kính độ dày Trong nghiên cứu này, bán kính armature có liên quan đến diện tích tiếp xúc Trang 105 Hình 9: Sự phân bố từ thơng armature với độ dày nam châm khác 1500 NI armature lõi thép Do vậy, định trạng thái bão hòa thiết kế xupap điện từ Trong phần này, armature đƣợc chế tạo từ thép non có độ dẫn từ tốt nhất, bán kính armature đƣợc khảo sát khoảng 19 ~22 mm độ dày armature từ ~12mm Trong đó, thơng số cuộn dây điện từ nam châm armature có giá trị tối ƣu Sự khảo sát đƣợc thực NI 1500 NI để tìm thiết kế armature tối ƣu Ảnh hƣởng bán kính armature đến lực từ đƣợc thể hình 11 Kết cho thấy armature có bán kính 20 mm tối ƣu Nó có lực giữ cao đạt 719 N NI giảm xuống 415 N 1500 NI Trong đó, bán kính armature khác có lực giữ lực giảm sút khơng thể thỏa mãn tính cần thiết tiêu chuẩn xupap điện từ 22 mm có mật độ thơng lƣợng thấp Do vậy, có lực giữ nhỏ so với trƣờng hợp khác Khi cuộn dây đƣợc cung cấp dòng điện mong muốn, mật độ thông lƣợng giảm Mật độ thông lƣợng armature có bán kính 21 mm 22 mm giảm đáng kể, chúng có giá trị thấp Tuy nhiên, khơng thể cịn thõa mãn giá trị cần thiết lực từ Trong giảm mật độ thơng lƣợng armature có bán kính 19 mm nhỏ, khơng thể thỏa mãn lực giảm sút cần thiết Giá trị bán kính tối ƣu armature 20 mm, mật độ thông lƣợng giảm đáng kể 1500 NI Do vậy, sinh lực từ nhỏ lực lò xo Cho nên, xupap điện từ hoạt động Ram = 19 mm Ram = 20 mm Ram = 21 mm Ram = 22 mm 800 700 hoàn toàn bán kính Luc Tu (N) 600 500 400 300 200 500 1000 1500 Cuong Do Dong Dien (NI) Hình 11: Ảnh hưởng bán kính armature đến lực từ Ảnh hƣởng đƣờng kính armature đến mật độ thơng lƣợng đƣợc đƣa Hình 12: Sự phân bố mật độ thơng lượng armature với bán kính armature khác NI FEA Kết đƣợc thể hình 12 hình 13 Tƣơng ứng với dòng NI 1500 NI Mật độ thơng lƣợng bán kính armature khơng đạt tới trạng thái bão hịa (hình 12) Armature có bán kính 21 mm Trang 106 Hình 13: Sự phân bố mật độ thơng Do đó, có lực giữ cao nhƣ lượng armature với bán kính hình 14 Lực lớn lực armature khác 1500 NI lị xo, armature đƣợc giữ dễ dàng Ảnh hƣởng độ dày armature đến vị trí đóng mở lực từ đƣợc khảo sát với thông số tối ƣu bán kính armature 20 mm Kết hình 14 cho thấy độ dày armature 12 mm có lực giữ lực giảm sút lớn so với trƣờng hợp khác Trong với độ dày mm 10 mm thỏa mãn lực từ cuộn dây đƣợc kích thích Hình 15: Sự phân bố mật độ thơng khơng đƣợc kích thích Độ dày tối ƣu 12 lượng armature với độ dày khác mm thõa mãn tiêu chuẩn xupap điện từ NI để đảm bảo xupap đƣợc đóng mở hồn Khi dịng điện mong muốn đƣợc cung tồn cấp tới cuộn dây mật độ thông 600 LUC TU ( N ) lƣợng qua armature giảm xuống Dẫn Ham = 8mm Ham = 10mm Ham = 12mm 700 đến kết giảm lực từ armature Hình 3.20 thấy đƣợc giá trị mật độ 500 400 thông lƣợng mm 10 mm thấp 300 200 Do vậy, chúng có lực từ nhỏ Tuy nhiên, 100 0 500 1000 1500 CUONG DO DONG DIEN ( NI ) lực giữ khơng thể giữ xupap tốc độ động lớn động đánh lửa Hình 14: Ảnh hưởng độ dày truyền thống Trong đó, giảm mật độ armature đến lực từ thông lƣợng với độ dày 12 mm 1500 NI Sự phân bố mật độ thông lƣợng tạo lực từ nhỏ lực lò xo Do đó, armature NI 1500 NI đƣợc thể xupap đƣợc tách vị trí đóng mở hình 15 hình 16 Kết cuộn dây có lƣợng hình 15 thể mật độ thông lƣợng độ dày armature không đạt tới trạng thái bão hòa NI Tuy nhiên, mật độ thông lƣợng độ dày 12 mm đạt tới giá trị cao Trang 107 Hình 17: Sự phân bố mật độ từ thơng Hình 16: Sự phân bố mật độ thơng armature kích thước lõi lượng armature với độ dày khác khác NI 1500 NI Cuộn dây điện từ Chúng ta xét ảnh hƣởng cuộn dây điện từ đến lực điện từ giá trị chiều giá trị chiều cao lõi cuộn Hc = 10mm, 11mm, 12mm, 13mm, 14mm Hình 18: Sự phân bố mật độ từ thơng Kích thƣớc lõi cuộn dây định lƣợng armature kích thước lõi từ thơng chạy qua lõi cuộn dây Kích thƣớc khác 1500 NI lõi cuộn dây điện lớn làm cho lực Trên hình 18 cho ta thấy mật độ từ điện từ giảm nhanh nhƣng không thỏa mãn thông armature giảm một lƣợng yêu cầu giới hạn không gian thiết lớn từ thông vào lõi cuộn dây Mật độ từ kế EMV Trong lõi cuộn dây điện từ có thông Hc = 10mm cao so với kích thƣớc nhỏ khiến cho mật độ từ trƣờng hợp khác Vì lực từ 1500 NI thông qua cuôn dây điện từ trạng lớn lực lị xo EMV khơng thái bảo hịa cuộn dây đƣợc cung cấp thể đóng đƣợc xupap Mật độ từ thơng điện Do lực điện từ giảm xuống không Hc = 14mm giảm cách đáng kể so đáng kể Hình 17 cho ta thấy mật độ từ với trƣờng hợp khác nhiên lực từ thông phụ thuộc vào kích thƣớc cuộn dây NI khơng đủ để thắng lực lò xo EMV NI 1500 NI Do khơng đáp ứng đƣợc u cầu thiết kế EMV Mật độ từ thông Hc = 12 mm vừa đáp ứng đƣợc lực từ lớn lực lò xo NI nhỏ lực lị xo 1500 NI nên đáp ứng đƣợc yêu cầu thiết Trang 108 kế EMV Hình 19 với kích thƣớc lõi (mm) cuộn dây Hc = 12 mm, lực từ đạt giá trị lớn NI (lớn 650 N) nhỏ Độ dày nam châm (mm) 497 N 1500 NI Vì Hc = 12 mm thơng số tối ƣu cuộn dây arm Lực từ NI (N) R 12 pm Chiều cao lõi cuộn dây (mm) pm Bán kính nam châm (mm) H H 12 Fh 71 c 8.86 Lực từ 1500 NI (N) 41 5.32 Tỉ lệ lực từ giảm(%) Hình 19: Sự ảnh hưởng cuộn dây Fe 42.22 điện từ đến lực từ EMV KẾT LUẬN Từ kết phân tích nhƣ ta đƣợc thơng số tối ƣu thiết kế EMV đƣợc liệt kê bảng 3.6 Các thông số tối ƣu thỏa mãn yêu cầu lực từ cuộn dây điện từ đƣợc cấp điện không cấp điện Lực từ để giữ cho xupap đóng NI khoảng 718 N giảm 42% (415 N) 1500 NI Bảng 3: Các thơng số tối ưu hóa thiết kế EMV Mô tả thông số Ký Giá trị hiệu Độ dày armature (mm) Bán kính armature H 12 R 20 arm Thiết kế EMV với chấp hành kết hợp nam châm cuộn dây điện từ (PM/EM) đƣợc đề xuất nghiên cứu để khắc phục nhƣợc điểm cấu EMV truyền thống Cơ cấu EMV có cấu tạo đơn giản, dễ điều khiển tiêu tốn lƣợng thấp trình điều khiển thời điểm xú páp dộng xăng Phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc áp dụng dể phân tích mật dộ từ thơng tối ƣu hố thơng số thiết kế EMV Thơng số tối ƣu kích thƣớc armature 20 mm 12 mm tƣơng ứng với bán kính độ dày armature, cịn chiều dài bán kính nam châm tƣơng ứng mm 12,5 mm, chiều cao lõi cuộn dây tối ƣu 12 mm Với thông số thiết kế tối ƣu đó, EMV tạo lực từ khoảng 719 N 416 N cuộn dây không đƣợc cung cấp đƣợc cung cấp dịng diện phù hợp Các lực từ điều khiển đóng mở xupap, đáp ứng hoàn toàn việc điều khiển xú páp kể động hoạt động tốc độ tối đa Trang 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Dũng, Trang bị điện điện tử ô tô đại, NXB Đại học Quốc Gia, 2013 [2] Liu, J J., Yang, Y P., Xu, J H., Electromechanical valve actuator with hybrid NMF for camless engine, Proceedings of the 17th World Congress, the International Federation of Automatic Control, Seoul, Korea, July 6-11, 2008 [3] Jinho Kim, D.K Lieu, Designs for a New, Quick-Response, Latching Electromagnetic Valve, University of California, 2005 [4] Jinho Kim, D.K Lieu, A New Electromagnetic Engine Valve Actuator with Less Energy Consumption for Variable Valve Timing, Journal of Mechanical Science and Technology, 2007 [5] Shiao, Y J and Dat, L V., Actuator control for a new hybrid EMV in spark ignition engines, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, DOI: 10.1177/0954407012471279 (2013) [6]Nguyễn Văn Trạng, Giáo trình động đốt trong, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2005 [7]Yaojung Shiao, Ly Vinh Dat, Efficiency Improvement for an Unthrottled SI Engine at Part Load, International Journal of Automotive Technology, vol.13, no 6, pp 885-893, 2012 [8]Yaojung Shiao, Ly Vinh Dat, A New Electromagnetic Valve train with PM/EM Actuator in SI Engines, Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering, Vol 37, No 1A, 2013 [9] Ly Vinh Dat, Le Nam Anh, Tran Anh Tuan, A Design Of Novel Valve Train System For Cylinder Deactivation In SI Engine, International Journal of Mechanical Engineering and Applications, 2015 THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ 1/ Họ tên: Nguyễn Ngọc Hoài Ân Ðơn vị: Truờng Trung cấp nghề Bến Tre Ðiện thoại: 0971.348.357 Email: ngochoaianckd@gmail.com 2/ Họ tên: Lý Vĩnh Ðạt Ðơn vị: Truờng Ðại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM Ðiện thoại:0903.707.702 Email: datckd@gmail.com Trang 110 S K L 0 ... thiết kế cấu xupap điện từ Nhằm mục đích thiết kế xupap với thơng số tối ƣu đem lại hiệu sử dụng cao Trang 33 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU XUPAP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ 3.1 Nguyên lý hoạt động. .. tƣợng nghiên cứu - Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế tối ƣu xupap điện từ động - Tập trung nghiên cứu thiết kế tối ƣu thông số thành phần xupap 1.7 Phạm vi nghiên cứu giới hạn đề tài - Nghiên cứu. .. 32 2.5 Kết luận 33 CHƢƠNG 34 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU XUPAP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ 34 3.1 Nguyên lý hoạt động EMV 34 3.2 Thiết kế xupap điện từ (EMV)