Nghiên cứu tối ưu hóa thời điểm cảu xú páp điện từ trên động cơ xăng

Trang 1

ie BO GIAO DUC VA BAO TAO E

li TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT F

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

al CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÁP TRƯỜNG al

NGHIEN CUU TOI UU HOA THIET KE HE THONG

IE XU PAP DIEN TU’ TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG |

m MA SO: T2015 - 52TD iE

NANA

Trang 2

& 1449 4đ 02 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHÓ HỖ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

có BAO CAO TONG KET -

DE TAI KH&CN CAP TRUONG TRONG DIEM

NGHIEN CUU TOI UU HOA THIET KE HE THONG

Trang 3

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm T2015-52TĐÐ

CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA DE TAI NGHIEN CỨU VÀ ĐƠN VỊ PHÓI HỢP THỰC HIỆN

Chủ nhiệm đề tài: TS Lý Vĩnh Đạt

Trang 4

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD MUC LUC Trang

Danh sách thành viên tham gia và đơn vị phôi hợp thực hiện i

Mu TỤC: cvescsescceseesvesssccervensesecsiveasscossiazesnnsesscenzurencansvenvavee genes casenesarensseres secetrsesesineaeeds ii Dan mute Binh 0111 iv

Danh mục bắng biểu 5 nh H000 me vii

Che fr VAS ER, on sss csssnsnnc vesninvonnnsscsveevssns neveesnestscesnonscenseccestanenanenstensnes viii

Thong tin kết quả nghiên cứu 266cc e1 re ix

Chương! Téng quan oiieeeeccccssssssssssessesseccneessssseueeeceeccesssnerseecensoseanneseseceeesoeusanss 01

1.1 Tính cấp thiết của đề tài nhe rieria 01

1.2 Tổng quan đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước eccccceceeeecee 02

1.3 Mục tiêu của đề tài ch re 04

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu -.4 2 1 cerrree 04

1,5 Phương pháp nghiên cứu sseneerrrrrrrrrrrrrrrrrrrirriiiirrrdrrrrrrere 04

1.6 Nội dung nghiên cứu cv 22h11 Hee 04

Chương2 Cơ sở lý thuyết của xupap điện từ ii 05

3.1, Xpab: đIẾN Bice scersnsanccrsmmernenrranectereierianennmnnenicncrninniattonnoneesnasinnennenaiiennannant 05 2.1.1 Khái niệm cơ cấu xupap điện từ (EMVA) sec 06

2.1.2 Phân loại cơ cấu xupap điện từ csrthereierre 07 2.1.3 So sánh ưu nhược điểm của EMVA solenoid và EMVA nam châm 11

2.2 Phần mềm Maxwell 1 2

2.2.1 Giới thiệu phần mềm Maxwell 12

2.2.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm Maxwell

2.2.3 Các lệnh tạo mô hình 3D cơ bản trong MaxWell, x«vceeerecrrrerer 22

Chương3 Ứng dụng phần mềm Maxwell đề thiết kế xupap điện từ 24

3,1, Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EMV eeeeeeiiireriee 24

3.2 Thiết kế xupap điện từ trên phần mềm Maxwell c e 25

3,2.1 Thiết kẾ lò xo:XUDAP cizztecn1c ngon Ha ngHĩ Hà g0 100111844080.1011011680141Áe 25 3.2.2 Thiết kế armature va thân Xup4P cty 26

Trang 5

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD 3.2.3 Thiét ké nam cham

3.2.4 Thiết kế cuộn dây điện từ

3.3 Tính toán các thông số của xupap điện từ (EMV)

3.3.1 Giới thiệu các công cụ phần tử hữu hạn

3.3.2 Tối ưu hóa các thông số trong thiết kế xupap điện từ ce 34

3.4 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng -s-ccecS2irtrrirrerree 35 3.4.1 Nam châm ch n2 15001 1ö đá 181060ả40102101181411544411L5141808.Ae 35

3.4.2 Armature 38 3.4.3 Cuộn dây điện từ cọ, HH H1 rên 42 3.4.4 Sự phân bố mật độ từ thơng caro CƠ

3.5, LỰC BÌỮ cuocccnaucinnnikn nh GE nh H00810111010010014100 481114100 0001 nghe 47

Kết luận oscccscsrsnssesessecerceseoputensecenscnnsesnaesnversceennnsnas dnssinauiGtussaavsonedusaussstssansontenssesoes 49

Tài liệu tham khảo - eo css-ssseseesrsrsrerrersrerserereeeeeeAnA000nTmnxrreee Sl Phụ lỤc -c-«ss<ssessssesseerreesrtrerekeerrsrrrsrirsrorererenninA140101000000818 52

Trang 6

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD Hinh 2.1 Hinh 2.2 Hinh 2.3 Hinh 2.4 Hinh 2.5 Hinh 2.6 Hinh 2.7 Hinh 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Hinh 2.23 Hình 2.24 DANH MỤC HÌNH Trang Động cơ khơng cánh bướm ga «cv srikirerrtirrrirrrirrrrrrrrierrree 6

Cơ câu EMVA dùng bộ chấp hành solenoid -c .ecceceecre 7 Nguyên lý hoạt động của EMVA dùng bộ chấp hành solenoid 8

Cơ cầu EMVA dùng bộ chấp hành nam châm

Nguyên lý hoạt động của EMVA dùng bộ chấp hành nam 10

§o sánh giữa EMVA đùng bộ chấp hành solenoid và nam châm 12

Khởi động Maxwell 13 s10 k2 13

Giao diện khi vào Maxwell 13 - «say min 13

Giao diện trong môi trường Maxwell 3D ccccecerseeersrrreerrrer 14

Thanh Menu trong Maxwell 3]D co eneerrrerirrrrrrrrrriirrrrrrrerrrrrer 15 Các thuộc tính trong cửa số Project Manager cccssccrrrrree 15

Cửa số Message Manager -ctrttrrerrriierrierrrrrrerrriee 16

Cửa số ProperiCS ‹‹ co 2812100116088531000136150180181130181544E5351818315G1004g04E 16 Các thuộc tính trong hộp thoại Attribute của cửa số Properties 17 Cửa số Progress

Cửa số Coordinate Entry Fielđs c2 svcstertrrrerrriirrrirre 17

Thanh trạng THÁI cach ga tegeerkf TC 18

Giao diện cửa số 3D Modeler -csc2rrxrtrereriiiriiee 18

Cay thir tid SD Mod elet DQ6BÏBHEsesseeesinasenoieiealA000101000412 00001000 19

Các đối tượng trong ctra sé 3D Modeler

Thanh Tool Bar -«c sex E191 13121410101 0k tiện 20

Các lệnh tương tác với đối tượng thiết kế .ssoececeesre 20

Hộp thoại Solution Typ€ ese HH HH nhai 21

Hộp thoại Set Model Units ceheiieieiiiiree 21

Trang 7

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD

Hinh 2.25 H6p thoai Select Definition để chọn vật liệu

Hình 2.26 Các lệnh trong DDraw ÌMenu - sàn HH 11 te 32 Hình 2.27 Các lệnh tạo mô hình 3D trên thanh công cụ . ‹-+ 23

Hình 3.1 Kết cấu của EMV dùng nam châm : 5555c-5-52cSvvserrrveeecee 24

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của EMV nh hy 25 Hinh 3.3 Lực lò xo và khoảng dịch chuyển của armature - c-c-cccccc- 26 Hinh 3.4 Cấu tạo của armature và xupap trong hệ thống xupap điện từ

Hình 3.5 Diện tích tiếp xúc giữa armature và lõi thép ceseceeiiieerie 28

Hình 3.6 Cấu tạo của nam châm -25222tz 2211107111121 1111211171 30

Hình 3.7 Tiết điện dây dẫn à nho mtrre 31

Hình 3.8 Đường cong B-H trên vật liệu sắt nguyên chất -xcees 33 Hình 3.9 Hình dạng của lõi thép

Hình 3.10 Các thông số của xupap điện từ cho phân tích độ nhạy 35

Hình 3.11 Ảnh hưởng của độ dày nam châm đến lực từ ccccccccrrecrerree 36

Hình 3.12 Sự phân bố từ thông trên armature với độ dày nam châm khác

h8) 0 37

Hình 3.13 Sự phân bế từ thông trên armature với độ dày nam châm khác

nhau tại 1500 NI

Hình 3.14 Ảnh hưởng của bán kinh nam châm đến lực từ 38 Hình 3.15 Ảnh hưởng của đường kính armature đến lực từ 39 , Hinh 3.16 Sy phan bố mật độ từ thông trên armature với bán kính

armature khác nhau tại 0 NĨ -. c cv mằngang 40

Hình 3.17 Sự phân bố mật độ từ thông trên armature với bán kính armature

3i:1501101 00718911800 ÔÔÔÔÔốÔÔốốỐ gốc 40

Hình 3.18 Ảnh hưởng của độ dày armature đến lực từ cc 41

Hình 3.19 Sự phân bố mật độ từ thông trên armature với độ dày khác

Trang 8

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-S2TD Hinh 3.20 Hinh 3.21 Hinh 3.22 Hinh 3.23 Hinh 3.24 Hinh 3.25 Hinh 3.26 Hinh 3.27 Hinh 3.28 Hinh 3.29 Hinh 3.30

nhau tai 0 NI

Sự phân bố mật độ từ thông trên armature với độ dày khác

nhau tai 1500 TNĨ «cc-ce ch EuàtcIã là 411311416 0063 1511048 TEEN ga (EsU1t 42 Sự phân bố mật độ từ thông trên armature của các kích thước

lõi khác nhau tại ÌNT - - 552k 3k 1939k 4tr0 100 pườn 43 Sự phân bố mật độ từ thông trên armature của các kích thước

lõi khác nhau tại 1500 ÌNÏ iiisicic6esecst6 tag 62346020404 42146111800601 43 Sự ảnh hưởng của cuộn dây điện từ đến lực từ trong EMV

83

Cấu trúc của EMV: (A) thiết kế trên máy tính; (B) mô hình

THẤN ĂcĂSSSYseessensexeemrsrslg343534.4184E146S00LSE12051330181543:2.457 800011 44

Sự phân bố mật độ từ thông khi armature ở vị trí phía trên - 45

Sự phân bố mật độ từ thông khi armature ở vị trí phía đưới 46

Sự phân bế mật độ từ thông khi armature ở vị trí phía trên và đưới 46

Sự phân bố mật độ từ thông trong thiết kế tối ưu của EMV 47

Lực từ và lực của lo xo khí armature dịch chuyến Lực từ tại những giá trị cường độ dòng điện khác nhau 48

Trang 9

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐÐ

DANH MUC BANG BIEU

Bang 3.1 Diện tích cần thiết ở trên cùng và dưới cùng của armature 29

Bảng 3.2 Đặc tính từ của nam châm NdFe35 - -cceHehr 30 Bảng 3.3 Mật độ dòng điện của các dây dẫn có kích thước khác nhau 31 Bảng 3.4 Quá trình phân tích cho xupap điện tỪ ceeeneerrrerrrer 34

Bảng 3.5 Sự mô tả của các thông số

Bảng 3.6 Các thông số tối ưu hóa trong thiết kế BMV iiiiierd 44

Trang 10

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD Ký hiệu BDC DOHC EEVC EEVO EIVC EIVO EMV EMVA ETCS-I EVC EVO FEA GDI HC HCCI IVC IVO LEVC LEVO LIVC LIVO MIVEC DANH MUC CAC TU VIET TAT Tén goi Điểm chết dưới Hai trục cam đặt trên nắp xy lanh Xupap xả đóng sớm Xupap xả mở sớm Xupap nạp đóng sớm Xupap nạp mở sớm Xupap điện từ

Cơ cầu xupap điện từ

Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thong minh Xupap xả đóng Xupap xả mở Phân tích phần tử hữu hạn Động cơ phun xăng trực tiếp Khí xá hydrocacbon Động cơ nén tự cháy Xupap nạp đóng Xupap nạp mở Xupap xá đóng trễ Xupap x4 mở trễ Xupap nạp đóng trễ Xupap nạp mở trễ

Hệ thống điều khiển thời điểm đóng mở xupap tiên tiến điều khiển bằng điện tử của Mitsubishi

Trang 11

Đề tài NCKH cắp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHÓ HO CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC — Tp HCM, Ngày — thắng — năm THÔNG TIN KÉT QUÁ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: “Nghiên cứu toi wu hod thiét ké hé thẳng xt pip dién ti trên động cơ xăng”

- Mã số: T2015-52TĐÐ

- Chủ nhiệm: TS LÝ VĨNH ĐẠT

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 12 tháng 2 Mục tiêu:

Nghiên cứu mô hình hoá hệ thống xupap điện tử trên động cơ xăng Nghiên cứu đề xuất

cơ cầu xupap điều khiển điện từ kết hợp giữa nam châm vĩnh cửu và cuộn dây điều khiển Từ cơ cấu điều khiển xupap điện từ đề xuất, nghiên cứu còn tối ưu hoá các thông số kết cấu của hệ thống bằng phần mềm mô phỏng sao cho cơ cấu xupap điện từ có khả năng điều

khiển sự đóng mở xupap đáp ứng về mặt thời gian, trạng thái điều khiển và vận tốc dịc

chuyển đối với tốc độ động cơ cực đại ở trên động cơ xăng 3 Tính mới và sáng tạo:

Nghiên cứu đã đề xuất ra một thiết kế cơ cấu xupap điện từ mới khác với các đề xuất

của các nghiên cứu liên quan về xupap điện từ Thiết kế mới này có sự kết hợp giữa nam

châm vĩnh cửu và cuộn dây điều khiến hoàn toàn khác với nguyên lý hoạt động của cơ cầu xupap điện từ nghiên cứu trước đó Kết quả của nghiên cứu là thiết kế một cơ cầu xupap điện từ với các thông số đã được tối ưu hoá mà có kha năng điều khiển hoàn toàn sự đóng mở của xupap đáp ứng được ở số vòng quay cực đại trên động cơ xăng

4 Kết quả nghiên cứu:

Nghiên cứu xây dựng thành cơng mơ hình tốn học của cơ cấu điều khiển xupap điện từ và mô phỏng, phân tích, tối ưu hố các thơng số kết cầu bằng phần mềm chuyên ngành

Một thiết kế mới EMV với bộ chấp hành kết hợp giữa nam châm và cuộn dây (PM/EM) đã được đề xuất trong nghiên cứu này để khắc phục các nhược điểm của cơ cấu EMV truyền

thống Cơ cấu EMV này có cầu tạo đơn giản, dễ điều khiển và tiêu tốn năng lượng tiêu hao thấp trong quá trình điều khiển thời điểm xú páp trên động cơ xăng Các lực do cơ cấu tạo

ra có thể điều khiển đóng và mở xupap, nó đáp ứng hoàn toàn việc điều khiển xupap ké ca

khi động cơ hoạt động ở tốc độ tối đa trên động cơ xăng

Trang 12

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐ

5 Sản phẩm:

- 01 cơ cấu xupap điện từ được thiết kế với các thông số được tối ưu hoá

- 01 bài báo khoa học thuộc tạp chí cơ khí tồn qc được cơng bố - 01 bai bao khoa hoc thuéc tap chi SCEI duoc cong bố

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quá nghiên cứu và khả năng áp dụng: Kết quả của để tài góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển xupap trên động cơ, giảm

thiểu tiêu hao nhiên liệu, giảm 6 nhiém môi trường Cơ cấu điều khiển xupap điện từ là bước đầu cho hướng nghiên cứu ứng dụng điều khiển tối ưu hoá thời điểm xupap trên xe, ,

góp phần cải tiễn đáng kế suất tiêu hao nhiên liệu, khí xả trên xe

Trang 13

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐÐ INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1 General information: Project title: “The study on designing of electromagnetic valve train in SI engines" Code number: T2015-52TD

Coordinator: PhD LY VINH DAT

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education Duration: 12 months

2 Objective(s):

The purpose of research proposes a new electromagnetic valve train design with PM/EM actuator hybrid , which differs from the existing electromagnetic valve trains This study also optimizes design parameters in electromagnetic valve train by the finite elecment analysis This analysis ensures the electromagnetic valve train can control the opening and close timng of valve in SI engines at maximun engine speed,

3 Creativeness and innovativeness:

A novel electromagnetic valve train is proposed in this study, the EMV with PM/EM

actuators differs from EMVs about structure, operating principle The PM/EM atuator

hybrid can reduce energy consumption in operating processes The results of study show

that this EMV design with optimized parameters can meet the controling of valve timing in

engine about response time, soflt landing 4, Research results:

The study has been built a mathematic model of electromagnetic valve train The simulation, analysis and optimization of electromagnetic valve train have aslo been

performed in finite elecment analysis A new EMV desing is proposed to overcome the

disadvantages of the conventional EMVs Struture of this EMV is simple, easy control and

small energy consumptionin controling valve timing The electromagnetic forces is created by EMV can satisfy the controling valve timing at maximun engine speed inSI engines 5 Products:

- 01 electromagnetic valvetrain simulation model with opimal parameters

- 01 published paper (National Mechanical conference)

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

The study takes part in effectively increasing of controling valve timing in SI

engines, reduces fuel consumption, improving engine efficiency and reducing emissions

Trang 14

Dé tai NCKH cdp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐ

———ƑỄ——ễ—— - ee

Chương 1 TỎNG QUAN

1.1, Tính eấp thiết của đề tài

Trong cuộc sống hiện đại cùng với sự phát triển của xã hội việc vận chuyển hàng

hóa và đi lại của con người giữa vùng này và vùng khác, giữa nước nay và nước

khác là một nhu cầu không thể thiếu Ngành vận tải nói chung và ngành vận tải ôtô nói riêng có chức năng vận chuyển hành khách và hàng hóa, nhằm đáp ứng nhu cầu

đi lại của con người cũng như nhu câu cho sản xuất và tiêu đùng Là mạch máu của

nền kinh tế quốc dân, có liên quan trực tiếp đến tất cả các ngành ở mỗi quốc gia,

giao lưu liên vận quốc tế Là khâu then chết, là đòn bẩy đối với toàn bộ các hoạt động kinh tế văn hóa xã hội

Ngành công nghệ ô tô cũng luôn luôn thay đổi và phát triển để đáp ứng những

nhu cầu đó Tuy nhiên, sự nóng lên của toàn cầu, sự cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên đang là một trong nhưng vấn để quan tâm của tất cả các nước trên thế giới

Những điều luật, những tiêu chuẩn lần lượt ra đời để giảm thải nguồn khí xã trên xe

ô tô, điều đó bắt buộc các hãng xe ơ tơ trên tồn thế giới phải liên tục nghiên cứu và

áp dụng những công nghệ mới nhất trên các dòng xe của mình để vừa đáp ứng

những tiêu chuẩn nghiêm ngặt đó, vừa tăng tính kinh tế nhiên liệu, tăng công suất

động cơ nhằm thu hút khách hàng và mang lại nhiều lợi nhuận cho công ty Có

nhiều công nghệ ra đời để giâm thải thành phần độc hại trong khí thải, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và tăng công suất động cơ như cải thiện kết cấu buông cháy, sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải EGR thì công nghệ tác động trực tiếp vào hệ

thống cung cấp hỗn hợp hòa khí vào bên trong xy lanh, nghĩa là tác động vào hệ

thống điều khiển xupap hiện đang được nhiều hãng xe ứng dụng Hệ thống đó luồn được cải tiến và nâng cấp nhưng vẫn còn một số nhược điểm như: thành phần hỗn

hợp hòa khí không được tối ưu, nếu hỗn hợp quá đậm dẫn đến cháy không hoàn toàn sinh ra khí độc HC, CO và ngược lại hỗn hợp quá nhạt sẽ sinh ra khí độc

NOx.Với những động cơ truyền thống sử dụng trục cam kiểu cơ khí thì việc đóng

mở xupap được điều khiển bởi biên dạng cam dẫn đến thời gian và độ mở của

Trang 15

phân phôi khí thông minh VVT cũng ra đời để thay đổi thời điểm và độ mở của xupap Tuy nhiên, nó cũng khơng hồn tồn khắc phục được những nhược điểm trên do nó chỉ hoạt động trong một số chế độ làm việc của động cơ Từ đó, động cơ

không trục cam (camless engine) ra đời nhằm thay đổi thời điểm và độ mở của

xupap ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ Trên động cơ không trục cam người ta sử dụng áp suất dầu thủy lực hoặc lực điện từ để điều khiển đóng mở xupap do đó

độ chính xác rất cao, ngoài ra hệ thống điều khiển không trục cam còn đảm nhận việc điều khiển lưu lượng không khí vào xy lanh nên có thể lại bỏ cánh bướm ga,

Điều đó gop phan ting công suất động cơ, giảm lượng tiêu hao nhiên liệu và giảm lượng khí thải độc hại ra mơi trường bên ngồi

Hệ thống xú páp điều khiển bằng điện tử (Electromagnetic valvetrain) góp phần điều khiển các xú pắp trong động cơ xăng một cách chính xác và hiệu quả hơn Nó khắc phục các nhược điểm của hệ thống phân phấi truyền thống là: muốn điều

khiển thời điểm đóng mở xú páp tối ưu đòi hỏi các cơ cấu điều khiển rất phức tạp

và khoảng thời gian mở các xú páp là cố định do giới hạn của biên dạng của mấu cam .Vì vậy việc áp dụng hệ thống điều khiển xú páp điện tử trên động cơ góp phần nâng cao hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu tương ứng với các chế độ hoạt

động khác nhau trên động cơ

Với mong muốn đó, người nghiên cứu quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu

tối ưu hoá thiết kế hệ thống xú páp điện tử trên động cơ xăng”

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Việc nghiên cứu thiết kế hệ thống xú páp điện tử giúp cho quá trình điều khiển

xú páp trong động cơ được hiệu quả và chính xác hơn nhằm nâng cao hiệu suất của động cơ, đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả ngoài nước:

Gần đây một số bộ chấp hành đã được phát triển để điều khiển thời điểm xú páp

biến thiên trên động cơ xăng như: cơ khí, thuỷ lực, mô tơ và điện từ Trong khi bô

chấp hành sử dụng điện từ (EMV) có cấu tạo đơn giản và điều khiến thời điểm đóng

mở xú páp trong dải hoạt động rộng (do không phụ thuộc trục cam điều khiển) so với sự điều khiển của các bộ chấp hành khác Việc sử dụng EMV sẽ loại bỏ các bướm ga và trục cam trên động cơ gọi là động cơ không trục cam (camless engine) Động cơ không trục cam dùng thời điểm xú pap nạp để điều khiển tải động cơ, vì vay nó có thể giảm đáng kể công tốn hao của quá trìng hút (do sức cản cánh bướm

Trang 16

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD

_——_“——_—

ga) qua đó cải thiện hiệu suất và khí xả trên động cơ [8] Động cơ không trục cam

thường sử dụng các bộ chấp hành lả điện từ (EMVA) hay điện - thuỷ lực (EHVA)

có thể tối ưu hoá thời điểm đóng mở xú páp để nâng cao hiệu suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và khí xả trên động cơ Tuy nhiên bộ chấp hành dùng điện-

thuỷ lực có nhược điểm lớn về sự tiêu hao nhiên liệu và khả năng tạo ra độ nâng xú

pắp lặp lại trong các chu kỳ hoạt động của động cơ [9] Hệ thống điều khiển điện - thuỷ lực có thể điều khiển các trạng thái thời điểm xú páp một cách linh hoạt

hơnvới cầu tạo phức tạp hơn nhưng sự điều khiển của hệ thống điện - thuỷ lực thiếu

chính xác và kém hiệu quả do ảnh hưởng của độ nhớt và nhiệt độ của chất lỏng [7]

EMV sử dụng bộ chấp hành là hai cuộn solenoid đã được nghiên cứu bởi [2]

Ưu điểm của bộ chấp hành này là kết cấu đơn giản và dé dàng điều khiển Tuy

nhiên EMV sử dụng solenoid tiêu hao năng lượng lớn trong quá trình hoạt động Một đòng điện lớn phải được cung cắp dé điều khiển xú páp ở trạng thái trung gian đến vị trí đóng khi động cơ khởi động Bên cạnh đó, một lượng năng lượng liên tục được sử dụng để duy trì việc giữ xú páp ở trạng thái đóng và mở tương ứng So sánh với EMV sử dụng solenoid, EMV sử dụng kết hợp lực nam châm vĩnh cửu và cuộn dây nam châm điện (PM/EM) có một số ưu điểm về năng lượng tiêu thụ, điều

khiển và thời gian đáp ứng [3]

Một số cơ cấu EMV với bộ chấp hành sử dụng sự kết hợp giữa các lực nam châm đã được đề xuất Một thiết kế mới về EMV đã được thực hiện bởi Kim & Lieu [4] Nghiên cứu này sử dụng phân tích phân tử hữu hạn để so sánh hai cấu tạo

EMV mà tác giả đề xuất Nghiên cứu của họ đã chỉ ra rằng EMV có thể điều khiển

xú páp đáp ứng được về thời gian và có thé duoc str dung hiệu quả trên động cơ đốt

trong Bên cạnh đó, thiết kế mới này không cần sử dụng một lượng năng lượng lớn

so với hệ thống truyền thống với bộ chấp hành 2 cuộn solenoid Xú páp điện từ với

su két hợp các lực điện từ (MMF) do nam châm và cuôn day sinh ra có một số ưu

điểm về sự va đập khi đóng xú páp, sự đáp ứng nhanh và ít tiêu hao năng lượng hơn so với hệ thống EMV truyền thống [5] Tương tự một cơ cấu EMV mới được giới

thiệu trong [1], EMV này sử dụng nam châm và cuộn dây kết hợp với nhau để điều

khiển sự đóng mở xú páp Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng EMV mới này có thể đạt được 15 % sự goảm thể tích và lực điện từ có thể tăng 20 % nhờ thiết kế phần

ứng (armature) đặc biệt Kết hợp các trạng thái điều khiển xú páp và các ưu điểm

Trang 17

Dé tai NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐ

xe cTTmmTmTmrmr=r=-rnr-===

của nam châm vĩnh cửu, thiết kế EMV mới này chỉ cần một lượng năng lượng nhỏ để điều khiển xú pấp so với các EMV khác

1.3 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu mơ hình hố hệ thống xú páp điện tử, thiết kế và tối ưu hoá hệ thống

xú páp điện tử trên động cơ xăng

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống điều khiển xú páp trên động cơ xăng Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tối ưu hoá thiết kế hệ thống điều khiển xú páp bằng điện tử trên

động cơ xăng

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- _ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: trên cơ sở thu thập và tham khảo tài liệu ˆ

về hệ thống điều khiển về xupap điện từ của động cơ đốt trong để xây dựng

phương pháp thiết kế xupap điện từ

- Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: mơ hình hố hệ thống và mô phỏng số

để tối ưu hoá các thông số thiết kế của hệ thống xupap 1.6 Nội dung nghiên cứu:

-_ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống xupap điện từ trên động cơ

-_ Mơ hình hố và thiết kế hệ thống xupap điện từ trên động cơ

Trang 18

Dé tai NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD

rr

CHUONG2

CƠ SỞ LÝ THUYÉT XUPAP ĐIỆN TỪ

2.1 Xupap điện từ

Ngày nay từ những sự ảnh hưởng tiêu cực của sự biến đổi khí hậu toàn cầu và

sự cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ nên buộc các hãng sản xuất ô tô luôn phải đầu tư các dự án nghiên cứu, cải tiến hiệu suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ nhằm

tăng sức cạnh tranh trên thị trường và đáp ứng được các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của

các quốc gia, khu vực Một động cơ đốt trong truyền thống sử dụng trục cam kiểu cơ khí, thời điểm đóng mở và khoảng mởcủa xupap nạp và xupap xả được điều khiển bởi biên dạng của cam Khi đó xupap sẽ được dẫn động bởi trục cam, vấu cam sẽ tác dụng trực tiếp vào xupap dé điều khiển động co đóng mở xupap.Với mỗi vấu cam sẽ chỉ điều khiển một xupap nên thời gian và độ mở của xupap là cố định

Các kỹ sư cần phải lựa chọn phương án tốt nhất giữa tính kinh tế nhiên liệu, khí thải

và công suất đầu ra phù hợp để tối ưu hoá thiết kế trục cam Việc tận dụng biên dạng cam chỉ hiệu quả ở trong một phạm vi hẹp của chế độ hoạt động của động cơ ˆ

Với những giải pháp tối ưu về công suất đầu ra, tính kinh tế nhiên liệu, giảm lượng

khí thải độc hại ở những dải tốc độ động cơ khác nhau Từ đó động cơ sử dụng công

nghệ phân phối khí thông minh để thay đổi thời điểm và độ mở của xupap là giải

pháp nhằm khắc phục những hạn chế của hệ thống điều khiển xupap trên động cơ

có trục cam kiểu truyền thống Một số ví dụ điển hình như Honda VTEC, Mitsubishi MIVEC, Toyota VVT-i, Nissan Neo VVL, Những phương pháp này

cũng không khắc phục hoàn toàn được các nhược điểm trên do nó chỉ hoạt động

trong một số chế độ làm việc của động cơ :

Để có thể thay đổi thời điểm và độ mở của xupap ở tất cả các chế độ làm việc

của động cơ thì người ta sử dụng động cơ không trục cam — camless engine.Trên động cơ không trục cam người ta dùng áp suất đầu thủy lực hoặc lực điện từ

(Electromagnetic Valve Train) dé điều khiển đóng mở xupap do đó thời điểm đóng

mớ và độ nâng của xupap có thể điều chỉnh tự do theo mọi chế độ hoạt động và nó có thể điều khiển ngắt giảm số xy lanh hoạt động, Bên cạnh đó, việc điều khiển thời điểm và đô nâng của xupap một cách chính xác, các hệ thống điều khiển xupap

Trang 19

không trục cam còn đảm nhận nhiệm vụ điều khiển lượng không khí nạp vào xy

lanh, do vậy động cơ có thể loại bỏ cánh bướm ga (unthrottled engine) gop phần giảm đáng kể công hao phí của quá trình nạp (pumping losses) Điều đó góp phần

làm tăng công suất cho động cơ và giảm lượng khí thải ô nhiễm môi trường Throttle P Mata Intake Valve

Hình 2.1 Động cơ không cánh bướm ga

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật trên ôtô, các hệ thống điều khiển xupap bằng lực điện từ cũng lần lượt được cải thiện và cho ra đời nhiều

hệ thống khác nhau với chất lượng ngày cảng tăng lên Trong phần này sẽ trình bày

về cơ cầu xupap điện từ (EMVA: Electromagnetic Valve Actuator)

2.1.1 Khái niệm cơ cấu xupap điện tir (EMVA)

Co cdu EMVA (Electromagnetic Valve Actuator) str dung luc hut dién tt cha nam châm và lực điện từ được tạo ra từ các cuộn dây cảm biến để điều khiển hoạt

động đóng mở của xupap chứ không phải là trục cam dẫn động như các loại động

cơ truyền thống

“> Ưu điểm:

~_ Điều khiển các xupap một cách độc lập vì vậy nó có thể tối ưu hóa thời điểm

và khoảng thời gian mở của xupap trong một đải hoạt động rộng

Trang 20

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm `

phương pháp khác để nâng cao hiệu quả cải tiến hiệu suất, nó cũng được sử dụng để

điều khiển nhiệt độ buống cháy và đánh lửa tự động trong các động cơ GDI, HCCI

(Homogeous charge compression Ignition) * Nhược điểm:

Giá thành vẫn còn cao để sử dụng trên động cơ

Tuy là công nghệ mới nhưng với sự tiến bộ của khoa học- kỹ thuật các cơ

cầu mới sẽ nhanh chóng ra đời để thay thế cho các công nghệ cũ

2.1.2 Phân loại cơ cấu xupap điện từ

C6 hai loai co cấu xupap điện từ hiện nay:

Cơ cấu xupap điện từ dùng bộ chấp hành solenoid Cơ cấu xupap điện từ dung bộ chấp hành nam châm

2.1.2.1 Cơ cấu xupap điện từ dùng bộ chấp hanh solenoid Spring yy — — Söolenoid 8mm Clapper —Y.— L~ Gas Valve Hình 2.2 Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành solenoid [2] & “+ Cau tao:

Hai cuộn solenoid trên và dưới để điều khiển đóng mở của xupap

Trang 21

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD ee

Cơ cầu EMVA loại dùng solenoid có ưu điểm là cấu tạo đơn giản và dễ điều

khiển Tuy nhiên, khi sử dụng bộ chấp hành solenoid thì chúng tiêu thụ một lượng

lớn năng lượng điện dùng để điều khiển các xupap Đặc biệt khi khởi động, các

xupap mở nhỏ ở vị trí trung gian (mid open) do sự cân bằng lực của 2 lò xo vì vậy

hệ thống cần một năng lượng điện đến cuộn solenoid điều khiển hút xupap đóng để động cơ dễ dàng khởi động Đây cũng là nhược điểm của hệ thống này vì khi khởi động dòng điện sụt áp đáng kể do cung cấp cho động cơ khởi động vì thế dòng điện

đến cuộn solenoid không ổn định để điều khiển các xupap trên động cơ

+* Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu là dựa trên nguyên lý dao động điều hòa của 2 lò xo hồi vị, nó được dẫn động bởi lực điện từ sinh ra ở 2 cuộn solenoid Khoảng

dịch chuyển của lõi thép giới hạn trong phạm vi 8 zw và khoảng chuyển tiếp giữa

mở và đóng hoặc đóng và mở của xupap cần một khoảng thời gian it hon 4 ms Quá trình thay đổi thời điểm đóng mở của xupap đạt được nhờ sự điều khiển của điện áp đặt vào cuộn dây của solenoid Thời điểm hoạt động của xupap giữa các kỳ của xupap nạp và xupap thải diễn ra rất linh hoạt Closed Valve Mid Position Open Valve Actuator == Closing Spring Magnet Armature Valve | — _—¬ Spring Opening = = Z| Magnet Valve

Hình 2,3 Nguyên lý hoại động của EMVA đùng bộ chấp hành solenoid

-~_ Ở trạng thái xe dừng tức là không có dòng điện trong các cuộn solenoid, dö

sự cân bằng của 2 lò xo, tuy nhiên lò xo trên có độ cứng cao hơn lò xo đưới

Trang 22

Dé tai NCKH cp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD

—— —-=————————

- Khi chỉ cập dòng điện tới cuộn solenoid ở phía trên thì sẽ sinh ra một từ trường, lực từ sinh ra có độ lớn lớn hơn lực lò xo hồi vị ở phía trên nên nén lò xo ở phía trên làm xupap đóng lai (Closed Valve)

- Tương tự khi chỉ cung cấp dòng điện tới cuộn solenoid ở phía dưới thì tạo ra lực hút nén lò xo ở phía dưới làm xupap mở ra (Open Valve) Hình 2.4 Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành nam châm + Cấu tạo:

- Hai nam chém (Permanent maget) -_ Các cuộn dây cảm ứng tir (Coil)

-_ Lõi thép (phần ứng) để cảm ting dign tit (Clapper hay armature)

~_ Hai lò xo hồi vị

Thân xupap vả lõi thép của cơ cấu được thiết kế thành một khối với nhau

Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành nam châmsử dụng lực hút điện từ của nam

châm và lực điện từ được tạo ra từ các solenoid để điều khiển hoạt động đóng mở của xupap chứ không phải là trục cam dẫn động như các loại động cơ truyền

thống.Hệ thống này khắc phục được nhược điểm của EMVA dùng solenoid là sử

dụng nhiều năng lượng để điều khiến.Bên cạnh đó,các động cơ sử dụng hệ thống

nay sẽ loại bổ bướm ga hoặc điều khiển bướm ga mở hoàn toàn đối với các chế độ

hoạt động (Unthrottled Engine) Dòng không khí nạp được điều khiển bởi các

Trang 23

Đề tài NCKH cấp cấp Trường Trọng điểm Trườ ié MS:T2015-52TD :

— ——Ễễễ

và hoàn toàn vì thế nó có khả năng cải tiến đáng kế hiệu suất và nồng độ khí thải trên động cơ

** Nguyên lý hoạt động:

Khi lõi thép của cơ cấu di chuyển lên, xuống cũng chính là lúc xupap hoạt

động đóng mở Lõi thép hoạt động trong phạm vigiới hạn là 8mm Nguyén lý hoạt

động được thé hiện qua hinh 2.5 Permanent magnet @ Valve is fully closed Ei = +——— Magnetic Flux by PM

wees » Magnetic Flux by Cail

(@) at the upper (b) at starting (c) at the lower

{c) Valve is fully opening

Hinh 2.5 Nguyén ly hoat déng của EMV dùng bộ chấp hành nam châm [4]

Ở thời điểm ban đầu, nam châm tạo ra dòng từ thông đi qua lõi thép theo chiều

mũi trên #3; 2.5 (a) để tạo ra một lực từ trường hút lõi thép của cơ cầu dich chuyển lên phía trên, vì thế xupap được dịch chuyển lên trên nén lò xo lại giúp cho xupap đóng lại Điều đó thực hiện được là do lực hút của nam châm lớn hơn lực hồi vị của lò xo Để thực hiện việc mở xupap, cuộn dây sẽ được cấp dòng điện tới làm nó sinh ra một dòng từ ngược với chiều của lực từ của nam châm như trên hinh 2.5 (b) Nó

làm suy yếu dòng từ của nam châmvì vậy lực từ trường của nam châmtạo ra trên

sẽ giảm đi, vì thế lực xo lo thắng lực hút nam châm giúp cho xupap được

armature

Trang 24

Để tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD

cùng chiều với dòng từ của nam châm Điều này làm cho lõi thép nhanh chóng bị

hút xuống và giữ ở vị trí thấp nhất, lúc này xupap mở hoàn toàn, Sau đó cuộn dây

được ngất dòng điện, xupap được giữ ở vị trí mở hoàn toàn bằng lực hút của nam

châm.Để thực hiện quá trình đóng xupap thì cuộn dây được cấp dòng điện sao cho làm suy yếu lực từ của nam châm, quá trình này cũng giống như quá trình mở của

xupap.Quá trình lập lại như thế tạo nên sự hoạt động đóng, mở xupap

Ngoài ra việc điều khiển đóng, mở xupap được thực hiện bởi sự cấp dòng đến các cuộn dây cảm ứng từ sớm hay muộn và điều đó được quyết định bởi ECU động cơ

2.1.3 So sánh ưu nhược điểm của EMVA solenoid và EMVA nam châm

Hệ thống EMVA loại dùng nam châm mang lại hiệu quả hơn về mặt năng lượng cần cung cấp cho hệ thống hoạt động so với loại dùng solenoid Hệ thống

EMVA dùng bộ chấp hành nam châm khắc phục được nhược điểm của loại ding

solenoid do khi ở trạng thái động cơ ngừng hoạt động các xupap được đặt ở vị trí đóng hoàn toàn bởi lực hút nam châm đặt bên trên Khi cấp dòng tới nam châm điện

thì xupap được hút xuống vị trí mở bởi lực hút điện từ Do đó hệ thống không cần

nhiều năng lượng điện tiêu thụ cho việc hút,giữ xupap về vị trí mở hay đóng hoàn toàn, cho phép xupap hoạt động ở hai trạng thái đóng và mở hoàn toàn, điều này

khác với loại dùng bộ chấp hành solenoid Hệ thống EMVA dùng solenoid phải dùng nguồn năng lượng lớn để điều khiển đóng mở xupap, bên cạnh đó nó phải cấp

nguồn năng lượng để duy trì các trang thái đóng mở của xupap Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống EMVA dùng nam châm là sựva đập mạnh xây ra giữa các xupap

và bệ xupap khi thực hiện việc đóng mở do lục hút quá mạnh của các nam châm

Đó cũng chính là lý do làm cho động cơ ồn khi hoạt động, hơn nữa nó còn làm các chỉ tiết xupap mau mòn đi

Trang 25

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD Operating condition Current Valve closure |—— command Storing current

Stop engine Catehing current

sory) Holding current Valve opened |- Reference Operating condition Current command Valve closure Valve opened | - (b) vev] Reference Hình 2.6 So sdnh giita EMVA dùng bộ chấp hành solenoid (a) và nam châm (b) 6] 2.2, Phan mém Maxwell

2.2.1 Giới thiệu phần mềm Maxwell

Maxwell là phần mềm dùng để thực hiện các mô phỏng và tính toán Được

đánh giá là phần mềm mô phỏng trường điện từ hàngđầu dành cho kỹ sư chuyên về

thiết kế và phân tích các thiết bị cơ điện trường trong động cơ, bộ truyền động, máy

biến áp, cảm biến và cuộn cảm

lãi quyết các

Maxwell sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn để

vấn đề liên quan tới trường điện, trường điện từ tĩnh trong miền tần số biến thiên

(theo thời gian) Một ưu điểm nỗi bật của Maxwell là tiến trình xử lý tự động tại

những vị trí người dùng mong muốn để tạo ra các vùng làm việc độc lập, đưa ra các ' đặc tính của vật liệu để trích dữ liệu ra bên ngoài.Nhờ tính năng độc đáo này

Maxwell có thể giải quyết vấn đề một cách hiệu quả bằng việc tạo ra mắt lưới phù hợp với trình độ chính xác cao Điều này được chứng tỏ thông qua quá trình tương

thích tự động, chúng sẽ phân tích các thành phần phức tạp thu được trong tiến trình xử lí, giúp kỹ sư và đễ dàng trong khi thiết kế

Trang 26

ài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐ MAXWELL® 13 AN

Hinh 2.7 Khoi dng Maxwell 13

Một đặc điểm nữa của Maxwell đó là khả năng phát hiện wifi, làm giảm các kiểu models cần phân tích thông qua phương pháp phân tích được ứng dụng trong Simplorer, một phần mềm mô phỏng hệ thống đa vùng của ANSYS Khả năng cho phép tạo ra mét dong thiết kế điện từ mạnh mẽ, giúp người dùng liên kết chính xác các mạch phức tạp với các models của Maxwell, tạo hiệu suất cao trong việc thiết kế các hệ thống cơ điện và điện công suất

2.2.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm Maxwell[10]

Giới thiệu về cấu trúc giao diện phần mềm:

Khởi động phần mềm Ansoft Maxwell v13 bằng cách Click vào biểu tượng

Trang 27

a

Trong phần nay không trình bay phan thiét ké bing Maxwell 2D nên không trình bày giao diện của môi trường thiết kế Maxwell 2D mà chỉ trình bày giao diện của Maxwell 3D

Để thiết kế trong môi trường Maxwell 3D, click chon Project > Insert Maxwell 3DDesign hoc Click vao biểu tượng Bồ trên thanh công cụ như trên hình 2.9 Thanh Menu —#= b#&50ØĐ® “Xfu 00A0 ® Ý BA & AC ca g bering 0 miter T Cửa sổ Project Manager Civa sd Message Manager Thanh trang : -

thai XN Coordinate Entry Fields_ ` Cửa sé Property

Brea re tex pecan, x [GTh: [Linuiz |0a0012tvcveavjm |

Hình 2.9 Giao diện trong môi trường Àáaxwell 3D

“Thanh Menu (Menu Bar) như thể hiện trên Anh 2.10:

File Edit View Project Draw Modeler Maxwell3D Tools Window Help

Hinh 2.10 Thanh Menu trong Maxwell 3D

- Cac lénh trong File (File Menu): Tao Project mai (New), mở project đã có

sẵn (Open), đóng project hiện hanh (Close), luu project (Save, Save As), cài

dat cira sé (Page Setup), in ra két qua (Print)

Trang 28

- Các lệnh trong Edit (Edit Menu): gồm các lệnh Undo (Ctrl + Z), Redu

(Ctrl + Y), Cụt (Ctrl + X), Paste (Ctrl + V), Delete (Delete), Rename (F2) và

các nhóm lệnh Select,

Các lệnh trong View (View Menu): cài đặt các tùy chọn biển thị, ấn hoặc

hiện các đối tượng hình học

Các lệnh trong Projeet (Project Menu): gầm các tùy chọn thiết kế 2D hoặc

3D

- Cac lệnh trong Draw (Draw Menu): chứa các lệnh vẽ các đối tượng hình học

- Cac lénh trong Modeler (Modeler Menu): chia cdc lénh để thao tác các đối tượng hình học và phân tích

- Cac lénh trong Maxwell 3D (Maxwell 3D): gồm các lệnh cài đặt trong quá

trình phân tích đối tượng hình học

-_ Các lệnh trong Tool (Tool Menu), Window (Window Menu) và Help

(Help Menu): gồm các lệnh chạy bản in, quản lý cửa số giao diện và các

cách thức hỗ trợ

+» Cửa số Project Manager: bao gồm tất cả những thuộc tính của đối tượng thiết kế như trên hừnh 2 11

Trang 29

=———-.5 1 -

“+ Cita so Message Manager: hién thi nhitng cảnh báo, lỗi có thể xảy ra trước

khi bắt đầu mô phỏng được thể hiện trên ñừnh 2.12

BN The exis ol torque it tetel to positive Glibal:2 {510 PM Nov 28, 2006] <p Very conduction path: Conduction path vaidaie cuccers [10 PM Ho 2 AY Metre inductance’: Maina it changed dus te design change (&:10 PM No Cửa sổ Message | Manager 7 - Í

Tình 2.12 Của sé Message Manager

+* Cửa số Property: hiển thị tất cả các thông số, thuộc tính và cho phép bạn thay

> Trong hộp thoại Attribute của cửa số Properties hiển thị các thuộc tính của

đối tượng thiết kế và người dùng có thể điêu chỉnh và thay đổi Các thuộc

tính được thể hiện trên hìn 2.14

o_ Name: tên của đối tượng thiết kế

o Material: thiét lap vat ligu

o Orientation: su dinh huong trong môi trường 3D

thay đổi các thuộc tính)

o Display Wireframe: chỉ hiện các cạnh của vật thê

o Color: hién thị màu sắc của vật thể

Transparent: độ trong, suốt của vật thể Độ trong suốt tăng dần từ 0 đến

100%

Trang 30

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD a (ESEEfinsgg—— = — a= GB Maowet300eeignt (Magnetostate) tì CH Definitions Bgeet[ TT |$ In C=?> chen na > Hình 2.14 Các thuộc tính trong hộp thoại Atribute của của số Properties +4+* Cửa số Progress: hiến thị tiến độ của việc xử lý như hiển thị trên hình 2.15 Progress i i tot_act - MaxwellModell - Setupl: Adaptive Sree Cr] | Cửa sé Progress 5 a a Factor (Est memory = IMB disk = MB) g 7 Hình 2.15 Của số Progress

+* Cửa số Coordinate Entry Eields: cửa số này sẽ xuất hiện khi thực hiện yêu

cầu về nhập tọa độ như trên hình 2.16 Các hệ trục tọa độ bao gồm: Cartesian Cartesian “5

Cylindrical

Spherical

“Ct De lz: Jabsolute_~] [Cartesian +] Imm (Dé-cat), Cylindrical (tea 46 try), Spherical (toa độ cầu) m————————

Hinh 2.16 Cita sé Coordinate Entry Fields

Trang 31

Dé tai NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD ee

Thanh Trang

thai | Nothing is selected

Enter the box position

Hinh 2.17 Thanh trang thai

$ Của số 3D Modeler: có giao diện như “nh 2 !8,cho phép người dùng quan sát và thao tác trên các đối tượng hình học Các đối tượng trong cửa số 3D Modeler có thể được kéo, xoay, di chuyển bằng các lệnh trên thanh công cụ (Toolbar) hoặc kết hợp các phím tắt của bàn phim và chuột rot act - MaxwellModell 30 Modeler nna Toe el

Hình 2.18 Giao diện của số 3D Modeler

Khi click chuột phải vào cửa số 3D Modeler cũng cho phép lựa chọn nhanh các lệnh mà không cần phải vào thanh Menu

4 Cây thư mục 3D Modeler Design: bao gồm chỉ tiết các thao tác hình học đã

được thực hiện như trên inh 3.19 Các khối, mặt phẳng, hệ trục tọa độ đều được

thể hiện trên cây thư mục 3D Modeler Design

Trang 32

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐ eee Vật liệu © 6ÿ sesl 1008 Vật thể BỊ-[đ 5ubtract a EQ Subtract Lịch sử các lệnh GG SeparateBody của đối tượng *- HH SpitEdit eG Cores © S$ vacuum f @ Region a kK Caordinate Systems » | AB, Global +] & Planes +: @ Usts

Hình 2.19, Cây thư mục 3D Modeler Design

+ Các đối tượng thiết kế trong cửa số 3D Modelerđược thể hiện trên #ừn% 2.20 Điểm Cạnh Hệ trục tọa độ a Mặt phẳng ` Gốc tọa độ Mặt phẳng vat thé

Hình 2.20 Các đối tượng trong của số 3D Modeler

+» Thanh Công cụ (Tool Bar):

Phần lớn các lệnh trong thanh Menu xuất hiện trên thanh công cụ như trên hình

2.21 dưới dạng biểu tượng trực quan hơn Bắt kỳ tùy chọn nào trên thanh công cụ

có thể được tùy chỉnh thêm vào hoặc an đi bằng cách click chuột phải trên thanh công cụ hoặc vào Tools > Customize

Trang 33

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD a Các lệnh tạo Các lệnh ghét Các lệnh ge mặt phẳng tách vật thể 7 xoay, di Các lệnh chuẩn 2 di Baep's! ý Các lệnh vẽ Các lệnh vẽ

khối 3D đường trong Các lệnh vẽ ¬

Các lặnh để môi trường 3D các hình 2D Thiết lập vật liệu tạo môi trường

thiết kế

Hinh 2.21 Thanh Tool Bar

“> Các lệnh xoay, di chuyến, phóng to, thu nhỏ đối tượng như trên jin#: 2.22 Các lệnh xoay Thu nhỏ”

.— N MỊN CN

Di chuyển —>* + sh

Phóng to, Thu nhỏ Tự đông điều chỉnh phù bằng cách kéo hợp với giao diện chuột

Hình 2.22 Các lệnh tương tác với đối tượng thiết kế,

s* Các thao tác chuột với các đối tượng hình học:

- Phong to, thu nho: Ấn giữ tổ hợp phim SHIFT + ALT kết hợp với kéo rê

chuột trái trên cửa số 3D Modeler

~_ Di chuyển: An gitt phim SHIFT kết hợp với kéo rê chuột trái trên cửa số 3D Modeler - Xoay: An giữ phím ALT kết hợp với kéo rê chuột trải trên cửa số 3D Modeler 4 Thiết lập trạng thái thiết kế: Maxwell > Solution Type Có các thuộc tính được thể hiện trên hình 2.23

- Magetostatic: tir trường tĩnh

-_ Eddy Current điện trường xoáy ~_ Transient: điện trường nhất thời

- Electrostatic: dòng điện tĩnh

- DC Conduetor: dong điện một chiều

Trang 34

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐ —_———ễĂễ.——.Ề- kẻ - Electric Transient: dong nhất thời | Solution Type: vidul - Maxwell3DDesi Magnetic: @ Magnetostatic © Eddy Current © Transient Electric: © Electrostatic & DC Conduction TT Include Insutator Field © Electiic Transient

Hình 2.23 Hộp thoại Solution Type

+ Cài đặt đơn vị thiết kế: Click chon Modeler > Units Chon don vi dé thiết kế như trên hình 2.24 | Select units; [mm x | mil ^ | I~ Rescale to x mile mileNaut mileTen

Hình 2.24 Hộp thoại Set Model Units

s* Chọn vật liệu cho đối tượng: Trên hộp thoại Assign Material trên thanh công

cu Click chon Select Xuất hiện hộp thoại Seleet Definitionthé hién trên hình

2.25 Trong ô Search by Name tim va chon vat liéu Click Ok,

Trang 35

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐ ————_———ễ_—-DỐDnỐ.Ầ.`ẺỀỒỐỐỒ Tae Retin ee ee aan | saa Fees | mm .¬

Hinh 2.25, H6p thoai Select Definition để chọn vật liệu

2.2.3 Cac lénh tao mé hinh 3D co ban trong Maxwell

Sử dụng các lệnh trong nhóm lệnh Draw (Draw Menu)có các lệnh như hình 2.26 oe [ Vẽ đường thẳng “Braw] Modeler Maxwel3D T: Vẽ đường cong Cung tròn qua ¬ 3Point điểm

“Ý! Equation Based Curve | 2) Center Point

Vẽ Hình chữ nhật = Hon Based Sue Rectangle CL | Cung tròn qua

Vẽ Elipse ===—— Ellipse tâm và 2 điểm a ă —> Circle _

kia O _Regular Polygo€—————>†” Vẽ đa giác đều

rủ Equatien Based Surface

Vẽ khối trụ e Box — rE khối hình hộp chữ nhật

Cylinder

Vẽ khối chói Regular Polyhedrow€———†——Vẽ khối tăng trụ

hoặc côn SMS Gone Q phe ` |—vẽ khối cầu

Vẽ vòng xuyến———ø; Tom:

= Helin VE đường xoắn ốc

Hình 23.26 Các lệnh trong Draw Menu

Các lệnh này có thể được chọn nhanh bằng các biểu tượng trực quan trên

thanh công cụ (Tool Bar) như bình 2.27

Trang 36

_——————————————ễ—>—— TS

Trang 37

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TD CHUONG 3 UNG DUNG PHAN MEM MAXWELL DE THIET KE XUPAP ĐIỆN TỪ 3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EMV permanent magnet, electromagnet armature valve spring _ Spring retainer: valve spring cylinder head valve

Hình 3.1 Kết cấu của của EMV dùng nam châm

Kết cấu của EMV đùng bộ nam châm được thể hiện trên hinh 3.1 Kết cầu bao gồm 4 nam châm (2 nam châm phía trên và 2 nam châm phía dưới), một cặp cuộn

dây điện từ, armature, 2 lò xo và thân xupap

Khi chưa cấp dòng điện cho cuộn dây, lực từ của 2 nam châm phía trên lớn hơn

lực lò xo nên hút armature lên phía trên và làm cho xupap đóng lại hoàn toàn hinh

ừ thông qua cuộn dây tăng lên đáng

ư thể hiện trên hừn# 3.2 (b) làm cho 3.2 (a) Khi cấp điện cho 2 cuộn dây điện từ, tt

kể Vì thế, từ thông qua armature giảm xuống nh

lực từ giữ armature cũng giảm xuống Đến khi lực lò xo phía trên lớn hơn lực giữ

armature do 2 nam cham phia trén tao 1a, lực lò xo sẽ day armature di xuống làm

cho xupap bắt đầu mở như ### 3.2 (6) Khi armature vượt qua vị trí trung gian thì

cuộn dây sẽ được ngắt điện và lực từ của nam châm phía dưới sẽ hút armature đi xuống vị trí dưới cùng là cho xupap mở hoàn toàn được minh họa trên hừuh 3.2

(4)

ap đi chuyển từ đưới lên trên được thể hiện trong hình 3.2

Tương tự như vậy khi xup

(e) đến hình 3.2 (a)

Trang 38

Để tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2015-52TĐÐ

Mình 3.2 Nguyên ly hoat déng cua EMV

3.2 Thiết kế xupap điện từ trên phần mềm Maxwell

3.2.1 Thiết kế lò xo xupap

Lô xo xupap là một bộ phận quan trọng trong cơ cau xupap dién tk (EMV) Lo xo trong xupap phải tích trữ một năng lượng đủ lớn khi lò xo nén lại và nhanh *

chóng giải phóng khi giãn ra để có thể điều khiển xupap đóng mở một cách nhanh

chóng Khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, lực lò xo phải có giá trị đủ lớn để thắng được lực từ của nam châm và đóng mở xupap tức thời Do đó thiết kế lò xo trong,

xupap điện từ phải có mô-men quán tính rất nhỏ và độ đàn hồi rất cao để có thể đáp

ứng được tức thời việc đóng mở xupap đúng thời điểm khi tốc độ động cơ cao Khi tính toán thiết kế lò xo cần phải đảm bảo tỉ lệ a ở một giá trị nhỏ và nó quyết định

thời gian của việc chuyển từ trạng thái xupap đóng sang mở hoặc ngược lại Được - thể hiện qua công thức:

r và (3.1)

—=t, =z.l—

2 mm k

Với T: là chu kì dao động của lò xo (m3)

Trang 39

De tti NCKH cap Trudng Trong diém MS:T2015-52TĐ

"¬ Tan tắn tải trọng đặt trước vào lò xo và khe hở nhiệt của xupap khi

i : ệ thống điều khiển xupap luôn tổn tại ở nhiệt cũ

„ ad vi Bài của “HE Vì thế, để khắc phục bee xưng tây ceiyo ly

nêm sức tải trọng ban _ để giúp các Xupap đóng kín và hoạt động in nat

Trén hình 3.3 cho ta thấy tải trọng ban đầu đặt vào là 150N xã tị hở hit nh

xupap là 0.25 mm Năng lượng tích trữ của lò xo phía trên là 497 N khi xị vi

trí mở và 650 N cho lò xo phía đưới khi xupap ở vị trí đồng, “_ 700 + 8.75, 616) Pre- load (150N) { (4, - 497) —}— -600 Foree (N)

Hinh 3.3 Luc lò xo và khoảng dịch chuyên của armature 3.2.2 Thiết kế armature va than xupap

ò rất quan trọng trong việc điều khiển sự đóng Armaturevà xupap đóng một vai tr

và mở của hệ thống EMV Nó điều khiển thời điểm của xupap giống như trục cam

và xupap trong động co truyền thống Xui

liệu có nhiệt độ cao Vì vậy, xupap chịu ảnh hưởng của sự giãn nỏvì

nhiệt Có một

pap tiếp xúc trực tiếp với buồng đốt nhiên

bù đấp cho sự giãn nỡ nhiệt tại vị trí đóng

iện từ được thiết kế theo những yếu tố

phân bố của các lực từ Khối lượng khe hở tồn tại gitra armature và xupap để

Armature va xupap trong hé théng xupap di

ảnh hướng như: khối lượng, kích thước và Sự

của xupap điện từ được thiết kế phụ thuộc vào những hạn chế của

sự chuyển động

e của armature va xupap chịu sự ảnh

cân bằng khối lượng Trong khi đó, kích thước

Trang 40

Đề tại NCKH cấp Trường Trọng điểm MS;T2015-52TĐ

hưởng của sự giãn nở nhiệt Cấu ụ et tạo củ ao cla armature va xupap cla x1 “sa

A ak `

tupap điện từ

biêu diễn trong hành 3.3

pap điện từ được

Tình 3.4 Cấu tạo của armafure va xupap trong hé thống xupap điện từ

Armature trong hệ thống xupap điện từ được thiết kế theo sự nghiên cứu

của lực

từ Lực hút dùng dé hut armature tới vị trí trên hoặc dưới của

lõi thép được tạo ra bởi các nam châm Kich thude armature được quyết định bởi

mật độ từ thông đi qua nó Thông thường, lực hút được sinh ra bởi mật độ từ

thông, xảy ra ở trạng thái bão

hòa Độ lớn của lực từ liên quan đến diện tích tiếp xúc giữa

armature với lõi thép

như trong hình 3.5 Độ liên kết từ thông đi qua diện

tích tiếp xúc được tính bởi công thức:

A, = NBA,

(3.2) Trong đó: 4: DO lign két tir thong

N: Số vòng của cuộn đây

B,: Mật độ từ théng ¢ trang thái bão hòa

Định dạng
Số trang	74
Dung lượng	38,08 MB