Sự phân bố mật độ từ thông trong EMV tại 0 NI và 1500 NI đƣợc thể hiện nhƣ trong
hình 3.27. Hình (a) thể hiện mật độ từ thơng khi armature ở vị trí phía trên và cuộn dây
điện từ chƣa đƣợc cấp điện. Khi có dịng điện chạy trong cuộn dây điện từ thì từ thơng đi vào lõi cuộn dây với mật độ cao hơn nhƣ trên hình 3.27 (b). Điều này làm giảm lƣợng từ thông qua armature làm cho lực từ giữ armature giảm và armature đi xuống nhờ lực lò xo, làm cho xupap mở.
Hình 3.27: Sự phân bố mật độ từ thơng khi armature ở vị trí phía trên và dƣới.
Sự phân bố mật độ từ thông cho armature tại 0 NI và 1500 NI với các thông số tối ƣu đƣợc thể hiện trong hình 3.28. Giá trị mật độ từ thơng tại 0 NI là lớn nó chỉ bão hịa tại vùng giữa. Do đó nó lực từ sinh ra lớn hơn lực lò xo để giữ armature ở vị trí trên cùng. Mật độ từ thông giảm đáng kể khi cuộn dây đƣợc cấp điện và làm cho lực từ giảm. Vì thế có thể hút hoặc tách armature của EMV khi thiết kế theo các thông số tối ƣu.
Hình 3.28: Sự phân bố mật độ từ thông trong thiết kế tối ƣu của EMV.
3.5 Lực giữ.
Đƣờng cơng lực từ và lực của lị xo đƣợc thể hiện trong hình 3.29. Lực giữ có giá trị lớn hơn lực của lị xo ở vị trí trên cùng và vị trí dƣới cùng. Vì vậy, nó đảm bảo xupap điện từ có thể đóng và mở với tốc độ lớn nhất của động cơ đánh lửa truyền thống. Ngoài ra, kết quả từ đồ thị cũng cho thấy giá trị lực giữ nhỏ hơn lực của lị xo tại vị trí đóng và
sự dịch chuyển của armature.
Hình 3.29: Lực từ và lực của lo xo khi armature dịch chuyển.
Hình 34.29cũng cho thấy sự dịch chuyển của armature rõ rệt ở hai vùng, một là
gần vị trí kết thúc trên cùng khoảng 2 ~ 4 mm và một vùng khác là gần vị trí kết thúc dƣới cùng khoảng -2 ~ -4 mm. Những vùng này lần lƣợc là kết thúc của sự đóng và mở xupap. Trong những vùng này, giá trị của lực từ là cao, cho nên sự điều khiển cung cấp dòng điện cho cuộn dây làm lực từ giảm nhẹ. Vận tốc ban đầu của xupap sẽ giảm và việc điều khiển hoạt động của cơ cấu ơn hịa hơn. Vùng ở giữa của khoảng dịch chuyển -2 ~ 2 mm lực từ hầu nhƣ bằng 0 và lực của lo xo luôn ln lớn hơn lực từ, do đó sự điều khiển là không cần thiết. Lực từ đƣợc đƣa ra trong cơ cấu xupap điện từ với những giá trị cƣờng độ dịng điện khác nhau đƣợc thể hiện trong hình 3.30.
Hình 3.30: Lực từ tại những giá trị cƣờng độ dòng điện khác nhau. 3.6 Kết luận 3.6 Kết luận
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng thiết kế này có thể dáp ứng về yêu cầu giới hạn không gian, thời gian dáp ứng và lực từ diều khiển xú páp.
Các thông số thiết kế tối ƣu thỏa mãn yêu cầu về lực từ khi cuộn dây điện từ đƣợc cấp điện và không cấp điện. Lực từ để giữ cho xupap đóng tại 0 NI khoảng 718 N và giảm 42% (415 N) tại 1500 NI.
CHƢƠNG 4
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
4.1 Kết luận
Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã đạt đƣợc một số kết quả nhƣ sau: - Nghiên cứu thành công cơ cấu xupap điện từ trên động cơ.
- Kết quả cho thấy cơ cấu xupap điện từ đƣợc tối ƣu hóa phù hợp hoạt động. - Nghiên cứu đƣợc cách thức hoạt động, quá trình vận hành của xupap điện từ.
4.2 Hƣớng phát triển của đề tài:
Do thời gian, kinh phí và kiến thức hạn nên đề tài còn tồn tại nhiều vấn đề chƣa đƣợc giải quyết nhƣ: nghiên cứu chế tạo cơ cấu xupap điện từ và lắp đặt lên động cơ…Do vậy hƣớng phát triển tiếp theo của đề tài là nghiên cứu lắp lên động cơ và đánh giá mức tiết kiệm tiêu hao nhiên liệu của các chế độ bằng thực nghiệm trên băng thử. Hoàn thiện hệ thống điều khiển xupap điện từ ứng với chế độ tải khác nhau hoàn toàn tự động. Bên cạnh đó, đánh giá ảnh hƣởng của xupap điện từ đến động cơ thông qua các thông số nhƣ: nguồn năng lƣợng, khả năng hao mòn xupap, tuổi thọ các chi tiết, rung động...
Đề tài đã đạt đƣợc một số kết quả nhất định đem lại nhiều ý nghĩa về mặt khoa học cũng nhƣ thực tiễn cao khi đã đƣợc áp dụng trên các phƣơng tiện giao thơng vận tải. Mang tính thiết thực đem lại cho học viên những kinh nghiệm sau những năm tháng tìm hiểu và nghiên cứu cùng với sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hƣớng dẫn là Thầy Tiến Sĩ Lý Vĩnh Đạt đã giúp cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp về đề tài:”Nghiên cứu thiết kế cơ cấu xupap điện từ trên động cơ” trong lĩnh vực nghiên cứu các tính năng điều khiển xupap nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải độc hại, động lực học và sức kéo của những phƣơng tiện giao thơng, nó đóng vai trị chủ yếu trong công tác thiết kế mẫu, thiết kế chế tạo mới, thiết kế cải tiến thay đổi đặc trƣng phƣơng tiện cho phù hợp những điều kiện khai thác khác nhau, kể cả vấn đề tính tốn kiểm nghiệm các đặc tính kỹ thuật của phƣơng tiện sau khi phục hồi và sửa chữa lớn.
Tuy trong quá trình làm đề tài em đã cố gắng rất nhiều nhƣng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các quý thầy cô và các bạn chân thành góp ý, giúp em có thể hồn thiện mảng kiến thức của mình ngày một vững vàng hơn trong quá trình học tập và làm việc sau này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Jinho Kim, D.K. Lieu. Designs for a New, Quick-Response, Latching Electromagnetic Valve. University of California, 2005.
[2] 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.
[3] Đỗ Văn Dũng. Trang bị điện và điện tử trên ô tô hiện đại. NXB Đại học Quốc Gia, 2013.
[4] Nguyễn Văn Trạng. Giáo trình động cơ đốt trong. NXB. Đại học Quốc gia TP.
HCM, 2005.
[5]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.
[6] 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.
[7] 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
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
1Học viên cao học trƣờng ĐHSPKT TP. Hồ Chí Minh
2Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ mới đang là xu hướng chung của nhiều hãng sản xuất ô tô trên thế giới nhằm đảm bảo sử dụng tiết kiệm nhất nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ơ nhiễm mơi trường. Các trạng thái tối ưu nhất là việc điều khiển mô men xoắn phù hợp với từng điều kiện hoạt động khác nhau nhằm cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu trong động cơ. Điều này được thực hiện bằng xupap điện từ, xupap này mang lại nhiều ưu điểm trong việc cải thiện khí thải và suất tiêu hao nhiên liệu ở các dải tải trọng khác nhau trong động cơ. Nghiên cứu này sử dụng phần tử hữu hạn để phân tích thiết kế cơ cấu, các thơng số như kích thước của nam châm, phần ứng (armature) và cuộn dây điều khiển. Các thơng số này được phân tích và tối ưu hố để có thể điều khiển xupap ở số vịng quay tối đa trên động cơ. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng thiết kế này có thể đáp ứng về yêu cầu giới hạn không gian, thời gian đáp ứng và lực từ diều khiển xupap. Thiết kế cơ cấu xupap điện từ có thể điều khiển hồn tồn sự đóng mở xupap ở tốc độ khoảng 6000 vòng/phút trên động cơ. Một lực từ được tạo ra khoảng 719 N (lớn hơn lực lị xo xupap) để điều khiển xupap đóng lại khi cuộn dây điều khiển đuợc cung cấp một dòng điện phù hợp. Ngược lại, một lực từ khoảng 416 N được tạo ra khi điều khiển xupap về trạng thái mở.
Từ khóa: Xupap điện từ (EMV); tải động cơ; hệ thống điều khiển xú pap; khí thải; tiêu thụ
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,
I. GIỚI THIỆU
Trong những động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ đánh lửa cƣỡng bức, thời điểm và thời gian đóng mở xupap có ảnh hƣởng rất lớn đến hiệu suất của toàn bộ động cơ và nồng độ khí thải của nó. Bởi vì các động cơ đánh lửa truyền thống có thời gian và thời điểm đóng mở xupap là khơng thay đổi nên một kết quả thỏa hiệp đƣợc đƣa ra giữa hiệu quả, hiệu suất và công suất tối đa của động cơ, đó là bằng cách sử dụng công nghệ xupap biến thiên (VVT).[1]Để có đƣợc các lợi ích đầy đủ đem lại từ việc sử dụng VVT, nhiều loại cơ cấu điều khiển xupap khác nhau đã đƣợc đề xuất và thiết kế.
Cơ cấu EMVA loại dùng solenoid có ƣu điểm là cấu tạo đơn giản và dễ điều khiển. Tuy nhiên, khi sử dụng bộ chấp hành solenoid thì chúng tiêu thụ một lƣợng lớn năng lƣợng 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 lị xo vì vậy hệ thống cần một năng lƣợng điện đến cuộn solenoid điều khiển hút xupap đóng để động cơ dễ dàng khởi động. Đây cũng là nhƣợc điểm của hệ thống này vì khi khởi động dịng điện sụt áp đáng kể do cung cấp cho động cơ khởi động vì thế dịng điện đến cuộn solenoid không ổn định để điều khiển các xupap trên động cơ.[2]
Hình 1: Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp
hành solenoid.
Cấu tạo:
- Hai cuộn solenoid trên và dƣới để điều khiển đóng mở của xupap.
- Hai lò xo (spring) hồi vị giữ cho xupap hồi về vị trí ban đầu khi lực từ ngừng tác động.
- Một lõi thép (clapper) để cảm ứng điện từ.
- Thân xupap (valve) và lõi thép đƣợc thiết kế thành một khối với nhau.
Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành nam châm sử dụng lực hút điện từ của nam châm vĩnh cửu và lực điện từ đƣợc tạo ra từ các solenoid để điều khiển hoạt động đóng mở của xupap chứ không phải là trục cam dẫn động nhƣ các loại động cơ truyền thống. Hệ thống này khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của EMVA dùng solenoid là sử dụng nhiều năng lƣợng để điều khiển.Bên cạnh đó,các động cơ sử dụng hệ thống này sẽ loại bỏ bƣớm ga hoặc điều khiển bƣớm ga mở hoàn toàn đối với các chế độ hoạt động (Unthrottled
khả năng cải tiến đáng kể hiệu suất và nồng độ khí thải trên động cơ.[3] Tuy nhiên, nhƣợc điểm của hệ thống EMVA dùng nam châm là sự va đập mạnh xảy ra giữa các xupap và bệ xupap khi thực hiện việc đóng mở do lực hút quá mạnh của các nam châm. Đó cũng chính là lý do làm cho động cơ ồn khi hoạt động, hơn nữa nó cịn làm các chi tiết xupap mau mịn đi.
Hình 2: Cơ cấu EMVA dùng bộ 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) và lõi thép của cơ cấu đƣợc thiết kế thành một khối với nhau.
Trong bài báo này, một thiết kế EMV mới có bộ chấp hành kết hợp giữa nam châm vĩnh cửu và lực từ đƣợc tạo ra bởi cuộn dây (PM/EM), nó có cấu tạo và nguyên lý hoạt động đƣợc mô tả trong [5], sẽ đƣợc tối ƣu hố về các thơng số thiết kế. Các thông số
xem xét và phân tích bằng phần tử hữu hạn (FEA). Các thông số thiết kế đƣợc tối ƣu hố sao cho EMV có thể hoạt động ở số vòng quay cao nhất trên động cơ (6000 vịng/phút). Bên cạnh đó, thiết kế EMV phải thoả mãn các yêu cầu về giới hạn không gian trong nắp máy. Sự phân tích thiết kế của EMV dựa vào chủ yếu mật độ từ thông và trạng thái bão hòa từ trên armature khi các cuộn dây đƣợc cung cấp và khơng kích hoạt bởi dịng điện phù hợp.
II. THIẾT KẾ CƠ CẤU XUPAP ĐIỆN TỪ (EMV)
1. Cấu tạo
Kết cấu của EMV dùng bộ nam châm đƣợc thể hiện trên hình 3. Kết cấu bao gồm:
- 4 nam châm (2 nam châm phía trên và 2 nam châm phía dƣới) (permanent magnet) tạo lực từ hút armature để mở hoặc đóng xupap
- Một cặp cuộn dây điện từ (electromagnet) đóng vai trị điều khiển trạng thái đóng mở của xupap. Cuộn dây điều khiển lực từ tác động đến armature.
- Armature
- 2 lò xo (valve spring)
- Thân xupap (valve)
Cấu tạo xupap điện từ nhƣ vậy sẽ có ƣu điểm tiết kiệm năng lƣợng tiêu hao và thuận lợi trong việc điều khiển.
Hình 3.1: Kết cấu của của EMV
2. Nguyên lý hoạt động
Khi chƣa 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 hồn tồn hình 4 (a). Khi cấp điện cho 2
cuộn dây điện từ, từ thông qua cuộn dây tăng lên đáng kể. Vì thế, từ thơng qua armature giảm xuống nhƣ thể hiện trên hình 4 (b) làm cho lực từ giữ
armature cũng giảm xuống. Đến khi lực lị xo phía trên lớn hơn lực giữ armature do 2 nam châm phía trên tạo ra, lực lị xo sẽ đẩy armature đi xuống làm cho xupap bắt đầu mở nhƣ hình 4 (c). Khi armature vƣợt qua vị trí trung
cho xupap mở hồn tồn minh họa trên
hình 4 (d). Tƣơng tự nhƣ vậy khi
xupap di chuyển từ dƣới lên trên đƣợc thể hiện trong hình 4 (e) đến hình 4 (a).
III. TỐI ƢU HĨA THIẾT KẾ EMV
Các thơng số trong thiết kế xupap điện từ bao gồm: độ dày, bán kính của nam châm, kích thƣớc armature, kích thƣớc lõi cuộn dây, số vịng dây .v.v. ảnh hƣởng trực tiếp đến mật độ từ thơng trên armature. Nó quyết định đến lực hút khi cuộn dây không mang điện và lực từ giảm khi cuộn dây đƣợc cung cấp dịng điện. Các thơng số đó có ảnh hƣởng qua lại lẫn nhau, do đó chúng tơi phải xem xét chúng với các trƣờng hợp khác nhau mà bao gồm tất cả các phân tích cho các thơng số đó. Chúng tơi phân tích độ nhạy các thơng số đến lực hút bởi cơng cụ phân tích phần tử hữu hạn. Các thơng số có ảnh hƣởng không đáng kể đƣợc bỏ qua để đơn giản q trình tối ƣu hóa. Các thơng số của xupap điện từ đƣợc thể hiện trong
hình 5 và các mô tả của nó đƣợc liệt kê