Nghiên cứu điều khiển xupap điện từ trên động cơ đốt trong

Nội dung text: Nghiên cứu điều khiển xupap điện từ trên động cơ đốt trong

1. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN XUPAP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TS Lý Vĩnh Đạt Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Đại úy, KS Nguyễn Thành Thắng Khoa Thực hành/Trường SQKTQS Tóm tắt Bài báo giới thiệu mô hình điều khiển xupap điện từ trên động cơ đốt trong, tác giả sử dụng công cụ simulink trong Matlab để mô hình hóa, mô phỏng và đánh giá hiệu quả của cấu trúc đề xuất. Phương pháp fuzzy logic trong điều khiển soft landing được tìm hiểu, ứng dụng để khắc phục nhược điểm về va đập trên xupap điện từ. Bộ điều khiển giảm va đập bằng fuzzy logic giảm va đập của xupap và phần ứng tại thời điểm đóng hoặc mở xupap hoàn toàn, từ đó làm giảm ồn, rung và mài mòn của xupap trên động cơ đốt trong. Từ khóa: Xupap điện từ, hệ thống phân phối khí biến thiên, nam châm vĩnh cửu, Soft landing. 1. Giới thiệu. trạng thái trung gian đến vị trí đóng khi động cơ khởi động. Bên cạnh đó, một Những năm gần đây, động cơ ô tô đã lượng năng lượng liên tục được sử dụng để có nhiều cải tiến tạo nên những bước phát duy trì việc giữ xupap ở trạng thái đóng và triển vượt bậc nhằm đáp ứng các yêu cầu: mở tương ứng. So sánh với EMV sử dụng tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao solenoid, EMV sử dụng kết hợp lực nam nhiên liệu, giảm độ độc hại của khí thải, châm vĩnh cửu và cuộn dây điện từ giảm giá thành sản phẩm. Hệ thống phân (PM/EM) có một số ưu điểm về năng phối khí không trục cam được phát minh lượng tiêu thụ, điều khiển và thời gian đáp đã mang lại bước đột phá mới trong động ứng trong quá trình điều khiển xupap [2]. cơ đốt trong. Hệ thống phân phối khí Một số cơ cấu EMV với bộ chấp hành sử không trục cam thường sử dụng các bộ dụng sự kết hợp giữa các lực nam châm đã chấp hành là điện từ (EMV) hay điện - được đề xuất. Một thiết kế mới về EMV đã thủy lực (EHVA), nó có thể tối ưu hoá thời được thực hiện bởi Kim & Lieu [3]. điểm đóng mở xupap để nâng cao hiệu Nghiên cứu của họ đã chỉ ra rằng EMV có suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu thể điều khiển xupap đáp ứng được về thời và khí xả trên động cơ. EMV sử dụng bộ gian và có thể được sử dụng hiệu quả trên chấp hành là hai cuộn solenoid đã được động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, thiết kế nghiên cứu bởi [1]. Ưu điểm của bộ chấp mới này không cần sử dụng một năng hành này là kết cấu đơn giản và dễ dàng lượng lớn so với hệ thống truyền thống với điều khiển. Tuy nhiên EMV sử dụng bộ chấp hành 2 cuộn solenoid. Xupap điện solenoid sẽ tiêu hao năng lượng lớn trong từ với sự kết hợp các lực điện từ do nam quá trình hoạt động. Một dòng điện lớn châm vĩnh cửu và cuộn dây sinh ra có một phải được cung cấp để điều khiển xupap ở số ưu điểm về sự va đập khi đóng xupap, 1
2. sự đáp ứng nhanh và ít tiêu hao năng Cấu tạo của bộ chấp hành điện từ lượng hơn so với hệ thống EMV truyền EMV được thể hiện trên (hình 1). Nó có thống. Không giống với động cơ có trục một bộ chấp hành kết hợp giữa nam châm cam, trong tất cả các loại xupap điện từ vĩnh cửu và cuộn dây điện từ (PM/EM) EMV, sự va đập ở phần ứng và xupap là bao gồm 4 nam châm (2 nam châm phía vấn đề nghiêm trọng, gây nên tiếng ồn và trên và 2 nam châm phía dưới), một cặp biến dạng lớn. Đối với phần ứng, sự va cuộn dây điện từ, phần ứng, 2 lò xo và đập xảy ra với nam châm vĩnh cửu phía thân xupap . Khi phần ứng dịch chuyển lên trên và phía dưới khi phần ứng di chuyển trên và xuống dưới sẽ tương ứng với đến giới hạn trên và dưới, tương ứng với xupap ở vị trí đóng và mở. Hai nam châm vị trí xupap mở hoàn toàn và đóng hoàn phía trên và phía dưới tạo ra lực từ tác toàn. Điều này dẫn đến sự va đập và biến dụng lên phần ứng để đóng và mở xupap. dạng của xupap và đế xupap xảy ra tại thời Một cặp cuộn dây đóng vai trò là kích điểm xupap đóng hoàn toàn. Nguyên nhân thích để chuyển trạng thái của xupap từ chính là do phần ứng và xupap đang có đóng sang mở và ngược lại. Nó sẽ làm vận tốc cao, đột ngột giảm về 0 khi va giảm lực từ tác dụng lên phần ứng khi chạm với nam châm vĩnh cữu và đế xupap. cung cấp dòng điện phù hợp đến cuộn dây. Để khắc phục vấn đề này trong thiết kế Cấu tạo EMV với việc bố trí của nam xupap điện từ EMV, thì vận tốc tại thời châm và cuộn dây như thế sẽ mang lại một điểm đóng cần phải điều khiển nằm trong số ưu điểm về điều khiển và tiêu hao năng giới hạn nhỏ. Xupap điện từ EMV phải có lượng của bộ chấp hành trong việc điều khả năng làm giảm va đập và biến dạng, khiển xupap. đồng thời phải đảm bảo xupap đóng và mở 3. Mô hình hóa xupap điện từ. hoàn toàn. Nghiên cứu [4] cho thấy hệ thống điều khiển xupap điện từ có thể cải Khi đóng mở xupap, sự va đập của tiến được vận tốc trên động cơ xăng. Đáp xupap vào đế xupap gây ra tiếng ồn và ứng được thời gian đóng mở xupap, giảm mòn hỏng. Vì vậy để giảm va đập thì phải tiếng ồn và độ mòn của xupap, giảm được giảm lực nam châm này, bằng cách cấp nhiên liệu, giảm lượng khí thải. Có thể dòng qua cuộn dây. Tùy thuộc vào tốc độ hoạt động ở tốc độ động cơ lớn. mà dòng điều khiển khác nhau. Tốc độ càng lớn thì dòng càng lớn, lực từ giảm 2. Cấu tạo cơ cấu điện từ EMV dùng bộ càng nhiều. Giá trị dòng điều khiển phụ chấp hành nam châm. thuộc vào vận tốc và vị trí xupap theo quy luật fuzzy logic. Thời điểm và độ rộng của xung điều khiển thì rất khó để xác định chính xác. Phương pháp fuzzy logic trong điều khiển soft landing kiểm soát giảm va đập được đề xuất như là một phương pháp thích hợp để xác định gần đúng các dạng xung điện điều khiển. Vì vậy trong nghiên cứu này một điều khiển xung điện bằng vòng lặp hở từ phương pháp fuzzy logic có thể dùng để điều khiển xupap đóng với Hình 1. Cấu tạo của EMV 2
3. vận tốc thấp, nhờ vậy có thể giảm tiếng ồn, như sau. hao mòn và biến dạng của EMV. di dL V L vi () R Rcoil i (4) Bảng thông số thời điểm phối khí hệ dt dx thống điều khiển xupap điện từ EMV 4.2. Mô hình hệ thống cơ khí. Hệ thống cơ khí và sơ đồ sơ đồ hệ thống điện từ EMV ở vị trí mở được mô tả trong (hình 2). Hệ thống này bao gồm các khối chuyển động: phần ứng và xupap điện từ, được thể hiện bởi giá trị m1 và m2 tương Hệ thống EMV trên động cơ được mô ứng. Động lực học của hệ thống dưới tác hình hóa thành các mô hình toán học, bao dụng của các nguồn lực chính: gồm mô hình hệ thống điện, mô hình hệ Fpm lực từ nam châm vĩnh cửu, có kể đến thống cơ khí , mô hình hệ thống điện từ, cả sự triệt tiêu lực từ khi cuộn dây được cấp mô hình hệ thống điều khiển soft landing. dòng. Fflow lực của dòng khí nạp dịch Các mô hình toán của từng hệ thống được chuyển lên bề mặt xupap. Fs và Fvs lực cản cụ thể hóa thành các khối chức năng trong khi xupap dịch chuyển đến các vị trí giới Simulink. Các phương trình sử dụng từ hạn trên và dưới. phương trình (1) đến (14) được thừa hưởng từ nghiên cứu [4]. 4.1. Mô hình hệ thống điện. Hệ thống điện gồm cuộn dây, điện trở và điện áp cung cấp Phương trình điện áp cấp được thể hiện như sau: d V () R R i (1) dt coil Với: V là điện áp cấp, i là dòng điện vào, R là điện trở mạch, Rcoil là điện trở cuộn dây,  từ thông móc vòng, với từ thông sinh ra trong mạch. Công thức được tính như sau: Hình 2. Sơ đồ chuyển động hệ thống  = N =Li (2) điều khiển điện từ EMV Với  là từ thông qua mỗi vòng. Mối liên Xác định hướng và vị trí của các lực là hệ từ thông phụ thuộc vào vị trí dịch hướng dịch chuyển của z1 và z2. Áp dụng chuyển phần ứng. Được lấy đạo hàm: định luật 2 Newton cho hệ thống cơ khí. d di dxdL di dL Ta có được phương trình vi phân như sau L i L vi (3) dt dt dtdx dt dx m z F F k (z z ) b .z k (z z ) b (z z ) (5) L : cuộn dây tự cảm, v: vận tốc biến 1 1 pm s 1 1 us 1 1 2 1 2 2 1 2 thiên. Suy ra công thức điện áp được tính m2z2 Fvs k3 (z2 zls ) b3.z2 k2 (z1 z2 ) b2 (z1 z2 ) Fflow (6) 3
4. m1 khối lượng phần ứng, m2 khối N công thức sau: L (13) lượng xupap, k1, k2 là độ cứng của lò xo ii 1và 2. b , b là hệ số cản giảm chấn trên 1 2 Lực điện từ được rút ra bởi công thức phần ứng lò xo 1 và 2. Hệ số bằng không sau: khi phần ứng tại vị trí trung hòa. Khoảng W cách phần ứng dịch chuyển là 8mm.Việc F(,) i x c (14) dịch chuyển được thiết lập từ không đến vị pm x trí trung hòa, trong khi đó phần ứng được thiết lập là 4 mm cho vị trí trên và -4 mm cho vị trí dưới cùng . zus và zls là sự dịch chuyển ban đầu của lò xo trên và dưới tương ứng. Fs, Fvs Lực cản khi xú páp dịch chuyển đến các vị trí giới hạn trên và dưới . Để tính toán lực cản khi xupap dịch chuyển, giả thiết rằng các lò xo là hệ lò xo tuyến tính và dao động tắt dần, được tính theo công thức sau: Fs k s( z11 4) b s  z (z1˃0) (7) Fs k s( z11 4) b s  z (z1<0) (8) Fs 0 (z1=0) (9) Fvs k s( z22 4) b s  z (z2<0) (10) Fvs=0 (z2˃0) (11) (9) (z2 0) (10) 4.3. Mô hình hệ thống điện từ. Mô hình hệ thống điện từ có điều khiển soft landing dùng để tính toán thời Hình 3. Mô hình hệ thống điện từ có gian dịch chuyển xupap, điều khiển đóng điều khiển Soft Landing mở xupap, giảm va đập khi điều khiển. 4.5. Mô hình hệ thống điều khiển Soft Lực từ trường sinh ra bởi nam châm landing bằng Fuzzy logic. vĩnh cửu (PM), điện cảm L và  từ thông Bộ điều khiển Fuzzy được thiết kế để móc vòng, với từ thông sinh ra trong mạch điều khiển giảm va đập với 2 tín hiệu đầu được trình bày với các thông số của dòng vào là vận tốc và vị trí phần ứng, trong khi điện vào i và vị trí dịch chuyển phần ứng x. tín hiệu đầu ra là dòng điều khiển cho Để tính toán các lực điện từ và năng lượng xupap điện từ. Khoảng dịch chuyển tổng được xác định bởi công thức : cộng của phần ứng là 8mm, từ -4mm khi it() vị trí xupap mở hoàn toàn, đến 4mm khi Wc (,) i x dt xupap đóng hoàn toàn. Trong nghiên cứu i(0) (12) này,hệ thống được mô phỏng trong khoảng Điện cảm cuôn dây L được tính bằng 4
5. dịch chuyển từ 0 - 4mm bởi vì hệ thống 5. Kết quả mô phỏng. đối xứng theo phương dọc. Đồ thị dòng điện điều khiển nhấc phần ứng và giảm va đập được thể hiện trên (hình 6). Dòng điện để nhấc được xupap từ vị trí đóng/mở hoàn toàn là 1500A. Trong khi đó, dòng điều khiển giảm va đập có giá trị đáng kể khi phần ứng và xupap tiến tới vị trí giới hạn. Giá trị dòng này thay đổi theo vị trí và vận tốc của phần ứng, để giảm lực từ tổng cộng lên phần ứng một cách thích hợp nhất. Hình 4. Mô hình điều khiển soft landing bằng fuzzy logic. Mô hình hệ thống điều khiển xupap điện từ (hình 5) bao gồm mô hình động học hệ thống điện, mô hình hệ thống cơ khí, mô hình hệ thống điện từ, mô hình hệ thống điều khiển soft landing. Hình 6. Tín hiệu xung điện điều khiển EMV. Kết quả so sánh với không điều khiển soft landing tốc độ 4000(vòng/phút).Trong (hình 7), từng cặp thông số động học của hệ thống xupap điện từ khi không có và khi có điều khiển soft landing lần lượt so sánh với nhau trên cùng một đồ thị. Qua đó, có thể mô tả rõ ràng hơn hoạt động của hệ thống EMV và kết luận được hiệu quả của phương pháp fuzzy logic trong điều khiển chống tiếng ồn và ăn mòn xupap điện từ. Đồng thời, có thể đánh giá được ưu, nhược điểm của hệ thống EMV và khả Hình 5. Sơ đồ khối hệ thống EMV có năng ứng dụng hệ thống trên động cơ thực điều khiển khiển soft landing bằng tế. fuzzy logic. 5
6. a. Đồ thị vị trí phần ứng c. Đồ thị vận tốc phần ứng d. Đồ thị vận tốc xú páp Hình 7. Đồ thị đặc tính động học của hệ th ống EMV ở tốc độ 4000 (vòng/phút) b. Đồ thị vị trí xú páp khi có và không có điều khiển soft landing. 6
7. Ở tốc độ 4000 (vòng/phút), góc mở châm giới hạn trên, còn xupap bị cản trở của xupap là khoảng 2400, tính từ khi bởi đế xupap. Đồ thị vận tốc của phần ứng xupap bắt đầu nhấc đến khi xupap được và xupap trên (hình 7c và d) cũng thể hiện đóng lại hoàn toàn.Trong đó, đã mất 1500 kết quả tương tự. Dao động vận tốc ở thời cho thời gian di chuyển của xupap nên góc điểm mở hoàn toàn lớn hơn khi đóng mở xupap hoàn toàn là khoảng 900. Tại xupap hoàn toàn. Biên độ dao động vận thời điểm phần ứng di chuyển đến vị trí tốc giảm đi hơn một nửa khi áp dụng fuzzy giới hạn dưới, tương ứng với thời điểm logic để xuất xung điện điều khiển xupap xupap bắt đầu mở hoàn toàn, khi không tiến về vị trí đóng/mở hoàn toàn. điều khiển soft landing, xảy ra sự dao 6. Kết luận. động vị trí phần ứng và xupap. Trong đó, Một mô hình được phân tích, mô xupap có cường độ rung động lớn hơn phỏng hoạt động trên hệ thống điều khiển phần ứng và dao động theo cả 2 chiều, xupap điện từ EMV. Bên cạnh đó, nghiên được thể hiện trên (hình 7a và b). Nguyên cứu đề xuất một phương pháp để điều nhân là vị trí mở hoàn toàn, nấm xupap khiển chống va đập cho xupap điện từ không bị giới hạn, trong khi phần ứng bị bằng thuật toán Fuzzy logic điều khiển giới hạn bởi nam châm giới hạn dưới nên soft landing. Kết quả cho thấy rằng điều biên độ dao động nhỏ hơn. Khi ứng dụng khiển soft landing trên EMV có thể làm bộ điều khiển fuzzy để giảm va đập, dao giảm tiếng ồn và rung trên hệ thống. Hệ động của phần ứng và xupap gần như bị thống EMV kết hợp cơ cấu điều khiển nam triệt tiêu hoàn toàn, có nghĩa là tiếng gõ và châm vĩnh cữu và cuộn dây điện từ đáp biến dạng chi tiết hệ thống EMV giảm ứng được các yêu cầu về thời gian, vận tốc, được đáng kể. Khi xupap di chuyển về vị độ mở khi động cơ hoạt động trong trí đóng hoàn toàn, dao động của phần ứng khoảng tốc độ dưới 6000(vòng/phút). và xupap đều giảm so với khi mở hoàn Ngoài ra, thiết kế điều khiển soft landing toàn. Và khi điều khiển soft landing thì trên EMV có thể tiết kiệm một lượng lớn dao động này bị dập tắt hầu như hoàn toàn. năng lượng so với hệ thống điều khiển Nguyên nhân của sự giảm dao động là do xupap điện từ khác. phần ứng bị hạn chế dịch chuyển bởi nam Tài liệu tham khảo [1] Giglio, V., Iorio, B., Police, G., and Gaeta, A., Analysis of advantages and of problems of electromechanical valve actuators, SAE 2002-01-1105, 2002. [2] Kim, J. and Lieu, D. K., A new electromagnetic engine valve actuator with less energy consumption for variable valve timing, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 21, pp. 602 – 606, 2007. [3] Kim, J. and Lieu, D. K., Design for a new, quick-response, latching electromagnetic valve, Proceeding of International Electric Machines and Drives Conference, May 15, 2005. [4] Yaojung Shiao and Ly Vinh Dat, Actuator control for a new hybrid electromagnetic valvetrain in spark ignition engines, ProcI Mech E Part D:J Automobile Engineering 0(0)1–11ImechE 2013. 7
8. Thông tin tác giả: 1. TS. Lý Vĩnh Đạt Đơn vị: Khoa Cơ khí động lực trường ĐHSP Kỹ thuật TPHCM. SĐT 0903707702 Email: datckd@gmail.com 2.Nguyễn Thành Thắng Đơn vị: Khoa Thực Hành Trường Sĩ quan kỹ thuật quân sự SĐT 0985966415 Email: thangvhp82@gmail.com Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện TS Lý Vĩnh Đạt Nguyễn Thành Thắng 8
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ