(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu cải tiến điều khiển xú páp điện từ trên động cơ đốt trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THÀNH THẮNG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN ĐIỀU KHIỂN XÚ PÁP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG NGÀNH:KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 3 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: NGUYỄN THÀNH THẮNG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN ĐIỀU KHIỂN XÚ PÁP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS LÝ VĨNH ĐẠT Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Thành Thắng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 22 /10/1982 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Việt Xuyên, Thạch Hà, Hà Tĩnh Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 354 An Bình, Biên Hịa, Đồng Nai Điện thoại quan: Fax: Điện thoại 0985966415 E- mail:thangvhp82@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ : 09/2003 đến 03/ 2007 Nơi học (trường, thành phố): Sĩ quan kỹ thuật quân sự, TP Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí động lực Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 12/2009 đến 07/ 2012 Nơi học (trường, thành phố): Đại học giao thông vận tải TPHCM, TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật khí tơ Mơn thi tốt nghiệp: Điều khiển động Lý thuyết ô tô Ngày thi tốt nghiệp: 29/05/2012, Trường Đại học giao thông vận tải TPHCM Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ : 10/2015 đến 04/ 2017 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật khí động lực Tên luận văn: Nghiên cứu cải tiến điều khiển xú páp điện từ động đốt Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 22/04/2017 Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Người hướng dẫn: TS Lý Vĩnh Đạt III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác 04/2007 đến Trường Sĩ quan kỹ thuật quân (Cơ sở 2) Công việc đảm nhiệm Giáo viên LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 02 năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Thành Thắng i CẢM TẠ Em xin chân thành cảm tạ thầy TS Lý Vĩnh Đạt hướng dẫn tận tình, bảo dìu dắt em trình thực đề tài Em xin cảm tạ q thầy bạn khoa Cơ khí Động Lực trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật tạo điều kiện hỗ trợ cho em trình thực đề tài ii TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu đề xuất hệ thống xú páp điện từ (EMV) ứng dụng cho động không trục cam, kết hợp cấu điều khiển nam châm vĩnh cữu cuộn dây điện từ (PM/EM), để điều khiển đóng mở xú páp Đề tài xây dựng mơ hình tốn cho phận cho hệ thống thông qua liên hệ toán học số liệu thực nghiệm Và cơng cụ Matlab/Simulink, mơ hình hệ thống mơ để đánh giá hiệu cấu trúc đề xuất Một thuật toán fuzzy logic tìm hiểu, ứng dụng để khắc phục nhược điểm va đập xú páp điện từ Các thông số động học, động lực học điều khiển hệ thống phân tích Nghiên cứu sở cho việc cải tiến, chế tạo định hướng ứng dụng cho cấu trúc EMV đề xuất Kết đề tài rằng, hệ thống EMV kết hợp cấu điều khiển nam châm vĩnh cữu cuộn dây điện từ đáp ứng yêu cầu thời gian, vận tốc, độ mở… động hoạt động khoảng tốc độ 6000rpm 3.33ms thời gian dịch chuyển ngắn mà xú páp đạt Vận tốc di chuyển tối đa đạt 3.7m/s Độ mở hoàn toàn khoảng tốc độ 6000rpm Bộ điều khiển giảm va đập fuzzy logic giảm 50% va đập xú páp armature thời điểm đóng mở xú páp hồn tồn, làm biên độ dao động vận tốc va đập giới hạn 0.3m/s iii ABSTRACT This research proposes a new system of electromagnetic valve (EMV) which is applied for camless engine The permanent magnet and electromagnetic coil (PM / EM) are put together to control valves in this type of hybrid EMV Mathematical models for the EMV system are built using mathematical equations and experimental data Beside that, system’s model have been simulated in Matlab/Simulink environment to evaluate the effectiveness of the proposed structure In addition, a fuzzy controller was created for a EMV soft landing control The kinetic, dynamics and controller parameters of the system is analyzed The result of research is the basis for the improvement, manufacture and application oriented EMV proposed structure The results of the research show that combines EMV system control structure permanent magnet and electromagnetic coil meet the requirements of time, speed, aperture when the engine is operating within speeds below 6000rpm 3.33ms is the shortest time that shift valve achieved The maximum velocity reaches 3.7m/s Full aperture between speeds below 6000rpm Soft landing controller with fuzzy logic is more than 50% also reduce impact of valve and armature at the valve open or closed completely, making the oscillation amplitude of the impact velocity lower limit 0.3m/s iv MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC ii LỜI CAM ĐOAN i CẢM TẠ ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH SÁCH CÁC HÌNH viii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Dẫn nhập 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Tình hình nghiên cứu nƣớc 1.3.1 Nghiên cứu nƣớc 1.4 Mục tiêu đề tài 1.5 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.6 Đối tƣợng nghiên cứu 10 1.7 Giá trị đề tài 10 1.8 Phƣơng pháp nghiên cứu 10 1.9 Kế hoạch thực 11 Chƣơng II 12 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 1.1 Khái quát cấu điều khiển xú páp điện từ 12 1.1.1 Giới thiệu cấu điều khiển xú páp điện từ 12 1.1.2 Khái niệm cấu điều khiển xú páp điện từ (EMV) 13 1.1.3 Phân loại cấu điều khiển xupap điện từ 14 1.1.4 So sánh ưu nhược điểm EMV solenoid EMV nam châm 18 1.1.5 Ƣu điểm cấu xú páp điện từ so với xú páp thƣờng 19 2.1 Đặc điểm kỹ thuật hệ thống EMV 19 2.1.1 Thời gian đáp ứng 19 2.1.2 Điều khiển soft landing 20 2.2 Hệ thống điều khiển xú páp điện từ 21 v c Đồ thị vận tốc phần ứng d Đồ thị vận tốc xú páp Hình 4.8 Đồ thị đặc tính động học hệ thống EMV tốc độ 3000(vịng/phút) có khơng có điều khiển soft landing Ở tốc độ 4000(vịng/phút), hình (4.9a b) kết động học hệ thống tương tự Tổng góc mở xú páp khoảng 2400 Trong đó, 1500 cho thời gian di chuyển xú páp nên góc mở xú páp hồn tồn cịn 900 Khác với hệ thống phân phối khí thơng thường, góc đóng, mở xú páp phụ thuộc vào biên dạng cam 57 dẫn động nên góc dịch chuyển xú páp cố định Trong đó, hệ thống xú páp điện từ, dịch chuyển xú páp tổng hợp lực từ, lực điện từ lực đàn hồi lò xo nên thời gian di chuyển bị giới hạn Dẫn đến, tốc độ động tăng, thời gian hoạt động xú páp ngắn lại góc quay tiêu tốn cho q trình đóng mở tăng lên, làm góc mở hoàn toàn xú páp giảm xuống Đây nhược điểm hệ thống xú páp điện từ Kết va đập phần ứng xú páp, hiệu phương pháp fuzzy logic tương tự trường hợp tốc động 3000rpm Khi ứng dụng điều khiển fuzzy để điều khiển soft landing, dao động phần ứng xú páp gần bị triệt tiêu hồn tồn, có nghĩa tiếng gõ biến dạng chi tiết hệ thống EMV giảm đáng kể Khi xú páp di chuyển vị trí đóng hồn tồn, dao động phần ứng xú páp giảm so với mở hồn tồn Và điều khiển soft landing dao động bị dập tắt hoàn toàn Nguyên nhân giảm dao động phần ứng bị hạn chế dịch chuyển nam châm giới hạn trên, xú páp bị cản trở đế xú páp Đồ thị vận tốc phần ứng xú páp (hình 4.9c d )cũng thể kết tương tự Dao động vận tốc thời điểm mở hồn tồn lớn đóng xú páp hồn toàn Biên độ dao động vận tốc giảm nửa áp dụng fuzzy logic để xuất xung điện điều khiển xú páp tiến vị trí đóng/mở hồn tồn 58 a Đồ thị vị trí phần ứng b Đồ thị vị trí xú páp 59 c Đồ thị vận tốc phần ứng d Đồ thị vận tốc xú páp Hình 4.9 Đồ thị đặc tính động học hệ thống EMV tốc độ 4000(vòng/phút) có khơng có điều khiển soft landing Ở tốc độ 5000(vịng/phút), góc mở hồn tồn xú páp tối đa khoảng 450 Tuy nhiên, không điều khiển soft landing, dao động xú páp bắt đầu mở hồn tồn nên xú páp khơng thể trì góc mở hồn tồn cố định Đồ thị vận tốc phần ứng xú páp hình (4.10a b) thể rõ điều Từ góc 60 1000 đến 1450, vận tốc phần ứng thay đổi liên tục Vận tốc cho biết xú páp đứng yên, xảy xú páp mở hồn tồn đóng hồn tồn Điều có nghĩa tốc độ động tăng lên khoảng 5000(vịng/phút) xú páp điện từ bắt đầu khơng thể mở hồn tồn, làm lượng khí nạp vào động giảm so với hệ thống phân phối khí dùng trục cam Hiệu việc điều khiển soft landing cho xú páp thể rõ (hình 4.10c d) Dao động vận tốc chi tiết triệt tiêu khoảng thời gian ngắn, nên va đập xú páp phần ứng dập tắt góc mở hồn tồn tăng lên so với không điều khiển soft landing a Đồ thị vị trí phần ứng 61 b Đồ thị vị trí xú páp c Đồ thị vận tốc phần ứng 62 d Đồ thị vận tốc xú páp Hình 4.10 Đồ thị đặc tính động học hệ thống EMV tốc độ 5000(vịng/phút) có khơng có điều khiển soft landing Khi tốc độ động tăng lên mức 6000(vòng/phút), (hình 4.11a b) xú páp mở khơng hồn tồn Góc mở xú páp tính từ thời điểm bắt đầu nhấc đến đóng hồn tồn 2400, tương ứng với khoảng thời gian 6,66 ms Q trình đóng mở xú páp, lượng cung cấp cho cuộn dây điện từ để làm giảm lực va đập thường xuyên phần ứng Do xú páp đóng, mở mà khơng bị va đập, xú páp dịch chuyển đến gần cuối vị trí mở cuộn dây cấp thêm dòng điện để làm giảm đáng kể lực điện từ tác dụng lên phần ứng sử dụng soft landing điều khiển cho thấy kết đạt tối ưu so với không điều khiển soft landing Vận tốc dịch chuyển phần ứng xú páp giảm đáng kể (hình 4.11c,d) nhiên đồ thị vận tốc cho thấy vận tốc đổi dấu cách liên tục từ dương sang âm vị trí trung gian, chứng tỏ khơng có thời gian dừng cho xú páp vị trí mở hồn tồn khơng đáp ứng kịp hoạt động động cách liên 63 tục Thậm chí, nhược điểm tăng hoạt động tốc độ cao Những động cao tốc, hoạt động dải tốc độ cao 6000rpm khơng thể ứng dụng hệ thống xú páp điện từ a Đồ thị vị trí phần ứng 64 b Đồ thị vị trí xú páp c Đồ thị vận tốc phần ứng 65 d Đồ thị vận tốc xú páp Hình 4.11 Đồ thị đặc tính động học hệ thống EMV tốc độ 6000(vịng/phút) có khơng có điều khiển soft landing 66 Chƣơng KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Đề tài “Nghiên cứu cải tiến điều khiển xú páp điện từ động đốt trong” giải vấn đề sau: - Trình bày sở lý thuyết phân phối khí đặc điểm hệ thống phân phối khí truyền thống động đốt - Trình bày cấu tạo, phân loại, nguyên lý hoạt động đặc điểm hệ thống xú páp điện từ nói chung hệ thống xú páp điện từ dùng chấp hành nam châm vĩnh cữu kết hợp cuộn dây điều khiển nói riêng - Xây dựng mơ hình tốn học phận hệ thống EMV mô hoạt động hệ thống phần mềm Simulink để phân tích, đánh giá hiệu hệ thống EMV - Đề xuất phương pháp điều khiển soft landing hệ thống EMV fuzzy logic chứng minh hiệu phương pháp thông qua mô 5.2 Khuyến nghị hƣớng phát triển Do giới hạn thời gian thiết bị, nhiều vấn đề liên quan đến đề tài chưa quan tâm cách trọn vẹn Trong tương lai gần, hướng phát triển sau giúp đề tài hồn thiện - Đề tài q trình mơ tiền chế tạo, sử dụng để tính tốn, dự đoán, ước lượng hiệu hệ thống EMV đề xuất Chế tạo kiểm nghiệm thực tế hoạt động hiệu hệ thống bước phát triển tất nhiên tương lai gần đề tài - Việc mô hoạt động hệ thống phân phối khí truyền thống hay loại xú páp điện từ khác giúp việc đánh giá hiệu mô hình EMV đề xuất tăng tính thuyết phục - Việc giải toán phương pháp điều khiển soft landing dừng lại mức 67 đề xuất phương pháp khả thi mà chưa đạt kết điều khiển tối ưu chưa có so sánh với phương pháp điều khiển khác Giải toán điều khiển soft landing cần thiết để đạt hiệu giảm va đập cao - Nhược điểm hệ thống xú páp điện từ đáp ứng kịp hoạt động động cao tốc, tốc độ động ngày tăng Việc nghiên cứu, thiết kế cấu trúc xú páp điện từ khắc phục nhược điểm yêu cầu bắt buộc để áp dụng xú páp điện từ thực tiễn 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tạp chí : [1] Lý Vĩnh Đạt (2010) Nghiên cứu thiết kế cấu xú páp điện từ động xăng Tạp chí Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí , lần IV, tr 392-402 [2] Giglio, B Iorio and G Police (2002) Analysis of Advantages and of Problems of ectromechanical Valve ctuators SAE 2002 World Congress Detroit, Michigan March 4-7 [3] Jieng-Jang Liu, Yee-Pien Yang, Jia-Hong Xu (2008) Electromechanical Valve Actuator with Hybrid MMF for Camless Engine Proceedings of the 17th World Congress The International Federation of Automatic Control Seoul, Korea [4] Jinho Kim and D.K Lieu (2005) Designs for a New, Quick-Response, LatchingElectromagnetic Valve Proceedingof International Electric Machines and Drives Con-ference2005,pp l773~1779 [5] Chun Tai, Andrew Stubbs", Tsu-Chin Tsao (2011) Modeling and Controller Design of an Electromagnetic Engine Valvet Proceedings of the American Control Conference Arlington, VA June 25-27 [6] Bülent ÖZDALYAN, Oğuzhan DOĞAN (2010) Effect of a semi electromechanical engine valve erformancand emissions in a single cylinder spark ignited engine J Zhejiang Univ-Sci A (Appl Phys & Eng) 11(2):106-114 [7] Katherine S Peterson Anna G Stefanopoulou (2001) Extremum Seeking Controlfor SoftLanding of lectromechanical Valve Actuator University of Michigan Ann Arbor, MI [8] Y Wang, T Megli, and M Haghgooie (2002) Modeling and Control of Electromechanical Valve Actuator SAE 01-1106 69 [9] Jieng-Jang Liu, Pai-Hsiu Lu,Yee-Pien Yang, Da-Hau Ye (2008) Energy Compensation Method for Soft-Landing Control in amless Engine with ectromagnetic Valve Actuator Dept of Mechanical Engineering, National Taiwan University,Taipei, Taiwan [10] Yaojung Shiao and LyVinhDat (2013) Actuatorcontrol for a new hybrid electromagneti valvetrain in spark ignition engines ProcI Mech E Part D:J Automobile Engineering 0(0)1–11Imech 70 S K L 0 ... tài: “NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN ĐIỀU KHIỂN XÚ PÁP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG? ?? 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 1.3.1 Nghiên cứu nƣớc Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu điều khiển vận tốc xú páp điện từ. .. toán nghiên cứu cải tiến điều khiển vận tốc xú páp động xăng - Xây dựng mơ hình điều khiển vận tốc xú páp điện từ động xăng phần mềm Matlab Simulink dựa thông số kỹ thuật hệ thống điều khiển xú páp. .. Đối tƣợng nghiên cứu Lĩnh vực đề tài nghiên cứu hệ thống xú páp điện từ động xăng ảnh hưởng điều khiển vận tốc xú páp điện từ ảnh hưởng thời điểm đóng mở xú páp điện từ đến hiệu suất động chủ