Đặt vấn đề
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ đã làm gia tăng nhu cầu vận chuyển hàng hóa và con người Điều này thúc đẩy ngành giao thông vận tải và các lĩnh vực liên quan phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu xã hội Ngành công nghiệp ô tô cũng đóng vai trò quan trọng trong xu hướng này.
Trong những năm gần đây, ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt là khí thải từ phương tiện giao thông Những khí thải độc hại như CO, CxHy, SOx, CO2 và NOx không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn gây hại cho môi trường Để giảm thiểu tác động này, các nhà khoa học đã nghiên cứu các giải pháp, trong đó có cơ cấu điều khiển xupap biến thiên trên động cơ Giải pháp này giúp kiểm soát thời điểm và thời gian đóng mở của xupap, từ đó giảm lượng nhiên liệu tiêu hao và khí thải độc hại, góp phần bảo vệ môi trường, một nhiệm vụ ngày càng trở nên cấp thiết.
Công nghệ hiện đại như Hybrid và phun xăng trực tiếp đang cải thiện hiệu suất động cơ đốt trong bằng cách giảm tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải độc hại, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và đảm bảo hoạt động hiệu quả ở nhiều chế độ tải khác nhau.
Chúng ta có thể thiết kế một xupap điện từ gắn vào động cơ để can thiệp vào quá trình vận hành của các xi lanh Mục tiêu là điều khiển thời điểm và thời gian đóng mở của xupap, từ đó tiết kiệm nhiên liệu và đáp ứng mô men vận hành của ô tô ở các chế độ tải khác nhau Đây chính là mục tiêu nghiên cứu chính trong đề tài này.
Các nghiên cứu trong nước
Hiện nay, nghiên cứu và thiết kế hệ thống xupap điện từ cho động cơ ô tô tại Việt Nam vẫn còn mới mẻ Tuy nhiên, trước tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, việc nghiên cứu và thử nghiệm hệ thống này là vô cùng cần thiết.
Các nghiên cứu ngoài nước
Các nhà sản xuất ô tô toàn cầu đang tập trung vào việc phát triển xe ô tô tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Để đạt được mục tiêu này, nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cải tiến công nghệ và thiết kế xe.
Designs for a New, Quick-Response, Latching Electromagnetic Valve [1]
Khoa Cơ khí chế tạo một xupap điện từ mới sử dụng nam châm vĩnh cửu, giúp tiết kiệm năng lượng điện và nhiên liệu Thiết kế này không chỉ giảm thiểu khí thải mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường.
Thiết kế tính toán dựa trên công cụ phần tử hữu han
Thiết kế có thể phù hợp để ứng dụng trong động cơ đốt trong
A New Electromagnetic Engine Valve Actuator with Less Energy [2]
Tạp chí Khoa học và Công nghệ Cơ khí giới thiệu đề tài thiết kế xupap sử dụng nam châm vĩnh cửu, nhằm tạo ra sự biến thiên với giới hạn rộng để phục vụ cho nhiều chế độ làm việc của động cơ Đề tài này đề xuất sự kết hợp giữa nam châm và cuộn dây, nhằm phát triển một cơ cấu xupap hoạt động độc lập.
Xupap mới có thể biến thiên về độ mở và giảm tiêu hao nguồn điện
Xupap mới đươc thiết kế nhỏ gọn, khả năng chịu nhiệt độ cao, phản ứng nhanh.
Tổng quan về điều khiển xupap
Trong động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ đánh lửa cưỡng bức, thời gian và thời điểm đóng mở xupap có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và nồng độ khí thải Công nghệ xupap biến thiên (VVT) cho phép điều khiển độ nâng, trạng thái và thời điểm đóng mở xupap, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ Để tận dụng tối đa lợi ích từ VVT, nhiều cơ cấu điều khiển xupap đã được thiết kế và chế tạo, mang lại cải tiến đáng kể cho hiệu suất động cơ Trong ba thập kỷ qua, nhiều công ty ô tô nổi tiếng đã áp dụng công nghệ VVT, giúp tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khí thải độc hại, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường và nâng cao sự hài lòng của khách hàng.
Hình 1.1: Pha phân phối khí động cơ bốn kỳ của động cơ đánh lửa truyền thống
1.4.1 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp
Khi xupap nạp mở, hỗn hợp nhiên liệu khí được hút vào xy lanh trong khi piston di chuyển xuống từ điểm chết trên (TDC) đến điểm chết dưới (BDC) Hoạt động của xupap nạp đánh dấu sự bắt đầu của kỳ nạp, đồng thời cho thấy sự trùng lặp giữa xupap nạp và xupap xả.
Mở sớm xupap nạp trong động cơ thông thường, diễn ra khoảng 10 độ trước TDC, có thể dẫn đến hiện tượng khí thải quay ngược vào ống nạp do sự chênh lệch áp suất Dòng khí thải này không chỉ được tái sử dụng mà còn giúp giảm lượng khí NOx nhờ tiếp xúc lâu hơn với hệ thống nạp áp suất thấp Tuy nhiên, việc hòa trộn khí thải ngược với hỗn hợp hòa khí mới sẽ làm loãng hỗn hợp này, dẫn đến giảm nhiệt độ trong buồng đốt và tăng mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ.
Mở trễ của xupap nạp có thể gây ra sự mất thông suốt giữa xy lanh và đường ống nạp, dẫn đến chênh lệch áp suất Điều này làm áp suất trong xy lanh giảm đột ngột dưới áp suất đường ống nạp, tăng tổn thất khi nạp Tuy nhiên, mặc dù tổn thất công hao phí tăng lên, hiệu suất nạp vẫn không bị ảnh hưởng xấu, nhờ vào việc hỗn hợp hòa khí được đưa vào xy lanh với tốc độ cao trong kỳ nạp Tốc độ này tạo ra luồng xoáy của hỗn hợp hòa khí, giúp cải thiện quá trình cháy và giảm lượng khí xả hydrocacbon chưa cháy.
1.4.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp
Sự đóng của xupap nạp đánh dấu sự kết thúc của kỳ nạp và khởi đầu cho kỳ nén, diễn ra khoảng 50 độ sau điểm chết dưới (BDC) trong quá trình nén.
Việc đóng sớm xupap nạp ảnh hưởng đến quá trình nạp nhiên liệu vào động cơ, dẫn đến hiện tượng kỳ nạp không hoàn toàn, làm giảm lượng hỗn hợp hòa khí được đưa vào xy lanh Điều này giúp giảm tiêu hao nhiên liệu, nhưng cũng gây ra tổn thất công suất do độ nâng xupap nhỏ Để cải thiện tình trạng này, có thể sử dụng cơ cấu xupap biến thiên, cho phép độ nâng xupap lớn hơn Hơn nữa, việc đóng sớm xupap nạp còn làm giảm nhiệt độ nhiên liệu trong xy lanh trong kỳ nén do lượng hỗn hợp hòa khí ít hơn được đốt cháy.
Xupap nạp đóng trễ ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, đặc biệt là trong giai đoạn nén Khi xupap nạp vẫn mở đến cuối kỳ nén, một lượng khí nạp có áp suất thấp sẽ bị đẩy trở lại đường ống nạp, dẫn đến việc áp suất giữa đường ống và xy lanh trở nên cân bằng tại BDC Điều này làm giảm lượng khí nạp mới vào xy lanh, gây ra hiện tượng chân không không đủ trong động cơ Tuy nhiên, ở tốc độ cao, xupap nạp đóng trễ có thể cải thiện hiệu suất nạp do dòng hỗn hợp khí tiếp tục tăng cường nạp vào xy lanh Ngược lại, ở tốc độ thấp, hiện tượng này có thể gây hại cho hiệu suất nạp và dẫn đến kích nổ do mật độ hỗn hợp hòa khí thấp, làm giảm tốc độ lan truyền của ngọn lửa.
1.4.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả
Sự mở của xupap xả đánh dấu sự kết thúc của kỳ nổ và khởi đầu của kỳ xả, diễn ra khoảng 60 độ trước điểm chết dưới (BDC).
Mở xupap xả sớm có thể làm sạch lượng khí thải, nhưng đồng thời cũng giảm công giản nở, dẫn đến giảm công suất đầu ra của động cơ.
Mở sớm xupap xả có nhược điểm, nhưng nó giúp giảm công suất cần thiết để thải khí xả ra ngoài từ các xy lanh sau khi piston đi qua BDC Điều này dẫn đến việc chỉ cần một lực nhỏ hơn để đẩy lượng khí thải ra bên ngoài.
Xupap xả mở trễ có ảnh hưởng tiêu cực đến công suất đầu ra của động cơ, vì phần lớn công suất trong kỳ xả được sử dụng để đẩy khí xả ra ngoài Thời gian mở xupap xả cũng tác động đến lượng hydrocarbon (HC) chưa cháy Khi xupap xả mở trễ, dòng khí xả có nhiều thời gian để thoát ra, giúp cải thiện quá trình cháy Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc một lượng lớn khí thải bị đẩy trở lại đường ống nạp do sự trùng lặp của hai xupap, gây ra hiện tượng "tuần hoàn khí xả", giúp giảm lượng khí NOx sinh ra.
1.4.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả
Xupap xả sẽ đóng lại khi hầu hết khí thải đã được đẩy ra khỏi ống thải, đánh dấu sự kết thúc của kỳ xả Thời điểm xupap xả đóng lại rơi vào khoảng 10 độ sau TDC trong giai đoạn nạp.
Sự đóng sớm của xupap xả sau TDC dẫn đến hiện tượng dòng khí thải chảy ngược vào trong xy lanh, đặc biệt ở chế độ cầm chừng khi chênh lệch áp suất cao giữa đường ống nạp và buồng đốt Trong khi ở chế độ tải thấp với độ mở bướm ga lớn, chênh lệch áp suất giảm đáng kể Sự trùng điệp của xupap có thể cho phép khí cháy quay trở lại đường ống nạp trong kỳ xả, làm tăng lượng khí sót khi vào kỳ nạp Mặc dù xupap xả đóng sớm có thể ngăn chặn dòng chảy ngược, nhưng điều này cũng dẫn đến việc khí thải không được thải hoàn toàn ra ngoài, tiết kiệm một phần năng lượng Tuy nhiên, lượng khí cháy còn lại làm loãng hỗn hợp hòa khí mới, giảm công suất phát ra, gây ra hiệu suất nhiệt thấp hơn và tăng mức tiêu hao nhiên liệu.
Khi xupap xả đóng trễ, thời gian trùng điệp của xupap tăng lên, dẫn đến hiện tượng khí cháy từ ống xả quay trở lại ống nạp, làm giảm chất lượng hỗn hợp hòa khí mới Ở tốc độ cao, sự trùng điệp này có lợi cho việc thải khí sót, cung cấp công suất lớn hơn cho đầu ra Tuy nhiên, khi góc trùng điệp tăng, nó gây bất lợi cho chế độ cầm chừng do lượng khí sót lớn quay trở lại ống nạp Để cải thiện dòng khí thải ngược, cần giảm góc trùng điệp, từ đó tăng mô-men ở chế độ cầm chừng nhưng lại giảm hiệu quả ở tốc độ cao Xupap xả đóng trễ cũng kém hiệu quả hơn trong việc giảm lượng khí xả HC so với xupap xả đóng sớm.
1.4.5 Hệ thống điều khiển xupap có thời điểm và độ nâng thay đổi
1.4.5.1 Hệ thống VTEC trên xe Honda [3]
Công nghệ VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System) của Honda, do Ikuo Kajtani phát minh, kết hợp giữa hệ thống điện và cơ khí, đã ra mắt lần đầu trên xe 4 bánh vào năm 1989 và đã trải qua hơn 25 năm phát triển với nhiều cải tiến VTEC cho phép điều chỉnh thời gian mở và độ nâng của xupap dựa trên các thông số như tốc độ động cơ, tốc độ di chuyển, nhiệt độ nước làm mát và tải động cơ, mang lại hiệu suất tối ưu cho động cơ.
Mục đích nghiên cứu
Công nghệ điều khiển xupap biến thiên đã chứng minh nhiều ưu điểm từ khi ra đời Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra những ưu nhược điểm của từng loại hệ thống điều khiển xupap, và nhiều công trình đã tìm cách khắc phục nhược điểm thông qua cải tiến thiết kế động cơ mới Tuy nhiên, những cải tiến này thường dẫn đến cấu trúc phức tạp và chi phí cao Đề tài nghiên cứu này sẽ tập trung vào thiết kế xupap nhằm giảm thiểu chi phí trong quá trình thực hiện.
- Thiết kế xupap điện từ trên động cơ
- Khảo sát ảnh hưởng của các thông số và thiết kế tối ưu nhất của xupap điện từ
- Đề xuất phương án cải tiến tối ưu hơn có thể.
Đối tƣợng nghiên cứu
- Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế tối ƣu xupap điện từ trên động cơ
- Tập trung nghiên cứu thiết kế tối ƣu thông số các thành phần của xupap.
Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài
- Nghiên cứu thiết kế cơ cấu xupap điện từ trên động cơ.
- Sử dụng phần mềm Maxwell để thiết kế và tối ƣu hóa xupap
- Chƣa lắp đặt và điều khiển xupap trên động cơ.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài đã kết hợp 2 phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết trong đề tài không chỉ dựa vào cơ sở lý thuyết về động cơ đốt trong mà còn kết hợp lý thuyết về xupap điện từ (Electromagnetic valve), dựa trên các nghiên cứu và bài báo quốc tế.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Dựa trên các thông số thiết kế tối ưu hóa thiết kế.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm cơ cấu xupap điện từ Quá trình thực hiện được chia thành các nội dung cụ thể, nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của sản phẩm.
- Dựa vào cơ sở lý thuyết và phần mềm thiết kế các bộ phận xú páp
- Dựa vào thông số thiết kế tối ƣu hóa xupap.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài này đã thành công trong việc ứng dụng lý thuyết điều khiển xupap trên động cơ, dựa vào các tài liệu và bài báo quốc tế Thành công này sẽ tạo nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo, đồng thời hỗ trợ các trường học và trung tâm nghiên cứu trong việc thiết kế và chế tạo ô tô tại Việt Nam Điều này sẽ giúp xây dựng phòng thí nghiệm, thực hiện tính toán, mô phỏng và thử nghiệm nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và hạn chế ô nhiễm môi trường.
Các nhà sản xuất ô tô trong nước cần thực hiện các tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn quốc tế để nâng cao tính cạnh tranh và cải tiến sản phẩm Việc này không chỉ giúp ngành kỹ thuật ô tô trong nước phát triển nhanh chóng mà còn tạo điều kiện hòa nhập với các công nghệ tiên tiến trên thế giới.
Hiện nay, ô tô đóng vai trò quan trọng trong giao thông tại Việt Nam, đáp ứng nhu cầu di chuyển của người dân và thúc đẩy phát triển kinh tế Tuy nhiên, ngành kỹ thuật ô tô trong nước còn hạn chế về công nghệ, dẫn đến việc phần lớn các phương tiện giao thông như ô tô con, xe khách và xe buýt chủ yếu phải nhập khẩu hoặc nhập linh kiện từ các nhà sản xuất nước ngoài.
Kết luận
Trước tình hình ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do khí thải ô tô và nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, việc nghiên cứu và triển khai các giải pháp bền vững trở nên vô cùng cấp thiết.
Lịch sử phát triển
Phát minh tiền thân cho công nghệ xupap điệt từ là hệ thống EVA (Electro- magnetic Valve Actuator Systems) của Valeo
Hình 2.1: Hệ thống EVA (Electro-magnetic Valve Actuator Systems) của Valeo
Cơ cấu chấp hành bao gồm một nam châm điện được đặt ở đỉnh xupap, kết nối với miếng sắt từ đóng vai trò phần ứng và đuôi xupap Hệ thống này còn có các lò xo hoàn lực, chén chặn và xupap, tạo thành một cơ chế hoạt động đồng bộ và hiệu quả.
Khi nam châm điện phía trên được kích hoạt sẽ tạo ra một lực từ trường hút miếng sắt phần ứng lên trên làm cho xupap ở vị trí đóng
Khi nguồn điện cho nam châm điện bị ngắt, miếng sắt phần ứng kết nối với đuôi xupap sẽ bị lò xo kéo xuống Đồng thời, bộ chấp hành nam châm điện phía dưới sẽ giữ cho hệ thống hoạt động ổn định.
Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống EVA
1- Tín hiệu từ các cảm biến 2- ECU 3- Bộ chấp hành 4- Xupap nạp 5- Bộ chấp hành xupap xả 6- Xupap xả
Hệ thống điều khiển xupap sử dụng nam châm điện 3 và 5 để điều chỉnh xupap 4 và 6, nhận tín hiệu từ cảm biến 1 qua mạch giao tiếp Các thông số như vị trí piston, tốc độ động cơ, tốc độ xe, nhiệt độ nước làm mát và áp suất khí nạp được ECU xử lý liên tục để tính toán thời gian và độ nâng xupap tối ưu Độ chính xác của tín hiệu đầu vào rất quan trọng để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả.
Hệ thống cho phép điều chỉnh linh hoạt thời gian đóng mở của từng xupap, giúp giảm 20% mức tiêu thụ nhiên liệu Việc này giảm thiểu chuyển động cơ khí và lực ma sát do trục cam cơ khí gây ra.
Giảm 20% khí thải ô nhiễm môi trường và tăng 20% mô-men xoắn ở tốc độ thấp nhờ vào việc giảm ma sát từ khả năng bôi trơn tốt hơn, cùng với thiết kế đơn giản không còn các bộ phận truyền động phức tạp và nắp máy được tinh giản.
Mặc dù động cơ với xupap điều khiển điện tử mang lại nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại những nhược điểm đáng lưu ý Động cơ này có thể gặp trục trặc lớn do phụ thuộc vào các thiết bị điện tử Khi máy tính điện tử hoặc hệ thống điện gặp sự cố, có khả năng cao là động cơ sẽ thải ra lượng khí độc hại lớn Hơn nữa, nếu xupap không được đóng mở đúng thời điểm, điều này có thể dẫn đến hư hỏng cho xupap, đỉnh piston và gây hại cho toàn bộ động cơ.
Khái niệm cơ cấu xupap điện từ (EMVA)
Cơ cấu EMVA (Electromagnetic Valve Actuator) điều khiển hoạt động đóng mở của xupap bằng cách sử dụng lực hút điện từ của nam châm và lực điện từ từ các cuộn dây cảm biến, thay vì sử dụng trục cam như các động cơ truyền thống.
Việc điều khiển độc lập các xupap cho phép tối ưu hóa thời gian và khoảng thời gian mở của chúng trong một dải hoạt động rộng, mang lại hiệu suất tối ưu cho động cơ.
- Cải tiến hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí xả trên động cơ
Hệ thống điều khiển xupap dễ dàng kết hợp với các phương pháp khác nhằm nâng cao hiệu suất tiêu hao nhiên liệu, chẳng hạn như việc ngắt xy lanh trên động cơ.
- Giá thành vẫn còn cao để sử dụng trên động cơ
Mặc dù là công nghệ mới, nhưng nhờ vào sự tiến bộ của khoa học và kỹ thuật, các cơ cấu mới sẽ nhanh chóng được phát triển để thay thế các công nghệ cũ.
Phân loại cơ cấu xupap điện từ
Có hai loại cơ 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
2.3.1 Cơ cấu xupap điện từ dùng bộ chấp hành solenoid:
Hình 2.3: Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành solenoid
- Hai cuộn solenoid trên và dưới để điều khiển đóng mở của xupap
- Hai lò xo hồi vị giữ cho xupap hồi về vị trí ban đầu khi lực từ ngừng tác động
- Một lõi thép để cảm ứng điện từ
- Thân xupap và lõi thép đƣợc thiết kế thành một khối với nhau
Cơ cấu EMVA sử dụng solenoid có ưu điểm về cấu tạo đơn giản và khả năng điều khiển dễ dàng Tuy nhiên, nhược điểm lớn của nó là tiêu thụ nhiều năng lượng điện để điều khiển các xupap, đặc biệt trong quá trình khởi động Khi các xupap mở nhỏ ở vị trí trung gian do sự cân bằng lực của hai lò xo, hệ thống cần một lượng điện năng lớn để cuộn solenoid hút xupap đóng, giúp động cơ khởi động dễ dàng Tuy nhiên, dòng điện sụt áp đáng kể trong quá trình khởi động do phải cung cấp cho động cơ, dẫn đến sự không ổn định trong dòng điện đến cuộn solenoid, ảnh hưởng đến khả năng điều khiển các xupap trên động cơ.
Cơ cấu hoạt động dựa trên nguyên lý dao động điều hòa của hai lò xo hồi vị, được kích hoạt bởi lực điện từ từ hai cuộn solenoid Thời gian đóng và mở xupap cần dưới 4 ms, và quá trình điều chỉnh thời điểm này phụ thuộc vào điện áp cung cấp cho cuộn dây solenoid Sự linh hoạt trong hoạt động của xupap giữa các chu kỳ nạp và thải là rất cao.
Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của EMVA dùng bộ chấp hành solenoid
Khi xe dừng, không có dòng điện trong các cuộn solenoid, dẫn đến sự cân bằng giữa hai lò xo Tuy nhiên, do lò xo trên có độ cứng cao hơn lò xo dưới, xupap sẽ ở trạng thái mở nhỏ (Mid Position).
Khi dòng điện được cấp cho cuộn solenoid phía trên, từ trường sinh ra sẽ tạo ra lực từ lớn hơn lực hồi vị của lò xo, dẫn đến việc nén lò xo và làm cho xupap đóng lại.
- 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)
2.3.2 Cơ cấu điện từ EMVA dùng bộ chấp hành nam châm
Hình 2.5: Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành nam châm
- 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
- Thân xupap và lõi thép của cơ cấu đƣợc thiết kế thành một khối với nhau
Cơ cấu EMVA sử dụng bộ chấp hành nam châm, tận dụng lực hút điện từ của nam châm vĩnh cửu và lực điện từ từ các solenoid để điều khiển hoạt động đóng mở của xupap, thay vì sử dụng trục cam như các động cơ truyền thống Hệ thống này khắc phục nhược điểm của EMVA sử dụng solenoid, giảm thiểu năng lượng tiêu thụ Đặc biệt, các động cơ áp dụng công nghệ này có thể loại bỏ bướm ga hoặc điều khiển bướm ga mở hoàn toàn trong các chế độ hoạt động không bướm ga Dòng không khí nạp được kiểm soát bởi các xupap nạp, với thời điểm và khoảng mở của xupap được điều chỉnh linh hoạt, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và giảm nồng độ khí thải của động cơ.
Khi lõi thép trong cơ cấu di chuyển lên và xuống, xupap sẽ hoạt động để đóng mở Lõi thép hoạt động trong phạm vi giới hạn 8mm, và nguyên lý hoạt động này được minh họa qua hình 2.6.
Hình 2.6.1: Nguyên lý hoạt động của EMV dùng bộ chấp hành nam châm
Nguyên lý hoạt động của EMV sử dụng bộ chấp hành nam châm bắt đầu với việc nam châm tạo ra dòng từ thông đi qua lõi thép, tạo lực từ trường hút lõi thép lên, làm xupap dịch chuyển lên trên và nén lò xo, giúp xupap đóng lại Khi cuộn dây solenoid được cấp dòng điện, nam châm sinh ra dòng từ mới, làm giảm lực từ trường, giúp xupap mở nhờ vào lực hồi vị của lò xo Sau khi phần ứng rời khỏi vị trí cao nhất, dòng điện đảo chiều khiến lõi thép bị hút xuống, giữ xupap ở vị trí mở hoàn toàn Khi cần đóng xupap, dòng điện được cấp để suy yếu lực từ của nam châm, quá trình này lặp lại để điều khiển xupap đóng mở hiệu quả.
Việc điều khiển đóng mở xupap được thực hiện thông qua việc cấp dòng điện đến các cuộn dây cảm ứng, và thời điểm này được quyết định bởi ECU động cơ.
2.4 So sánh ƣu nhƣợc điểm của EMVA solenoid và EMVA nam châm
Hệ thống EMVA sử dụng nam châm mang lại hiệu quả năng lượng cao hơn so với loại dùng solenoid, nhờ vào khả năng giữ các xupap ở trạng thái đóng hoàn toàn khi động cơ ngừng hoạt động Khi cấp dòng điện, nam châm sẽ kéo xupap xuống vị trí mở, giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ so với hệ thống solenoid, vốn cần nguồn năng lượng lớn để điều khiển và duy trì trạng thái xupap Tuy nhiên, hệ thống EMVA dùng nam châm gặp phải vấn đề va đập mạnh giữa các xupap và bệ xupap khi đóng mở, gây ra tiếng ồn và làm cho các chi tiết xupap nhanh chóng bị mòn.
Hình 2.7: So sánh giữa EMVA dùng bộ chấp hành solenoid (a) và nam châm (b)
Công nghệ điều khiển xupap là một lĩnh vực phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao trong thiết kế và điều khiển hệ thống, đồng thời có chi phí thực thi lớn Tất cả các hệ thống điều khiển xupap hiện tại đều cần nguồn năng lượng cao hoặc điều khiển cuộn dây đảo chiều liên tục Để giải quyết vấn đề này, đề tài đã đề xuất ý tưởng thiết kế cơ cấu xupap điện từ với mục tiêu tối ưu hóa thông số và nâng cao hiệu quả sử dụng.
Kết luận
Công nghệ điều khiển xupap là một lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao trong thiết kế và điều khiển hệ thống, cùng với chi phí thực thi lớn Tất cả các hệ thống điều khiển xupap hiện nay đều cần nguồn năng lượng cao hoặc phải điều khiển cuộn dây đảo chiều liên tục Để giải quyết những vấn đề này, đề tài đã đưa ra ý tưởng thiết kế cơ cấu xupap điện từ, nhằm tối ưu hóa thông số và nâng cao hiệu quả sử dụng.
Thiết kế lò xo xupap
Lò xo xupap là bộ phận thiết yếu trong cơ cấu xupap điện từ (EMV), có nhiệm vụ tích trữ và giải phóng năng lượng để điều khiển xupap đóng mở nhanh chóng Khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, lò xo cần có lực đủ lớn để vượt qua lực từ của nam châm, đảm bảo xupap đóng mở tức thời Thiết kế lò xo phải có momen quán tính nhỏ và độ đàn hồi cao, đáp ứng yêu cầu đóng mở xupap đúng thời điểm Khi tính toán thiết kế lò xo, cần đảm bảo tỉ lệ m k ở giá trị nhỏ, ảnh hưởng đến thời gian chuyển đổi giữa trạng thái xupap đóng và mở.
Với T: là chu kì dao động của lò xo (ms) m: là khối lƣợng chuyển động gồm armature và xupap (Kg) k: là độ cứng là xo (N/mm)
Tốc độ tối đa của động cơ đốt trong đạt khoảng 6000 vòng/phút, với thời gian dịch chuyển của xupap là 3,33 ms và khối lượng chuyển động khoảng 140g, dẫn đến độ cứng của lò xo là 124.3 N/mm Khi thiết kế, cần xem xét cả tải trọng đặt trước vào lò xo và khe hở nhiệt của xupap, do sự giãn nở nhiệt Để đảm bảo xupap hoạt động ổn định và đóng kín, các kỹ sư thường thêm tải trọng ban đầu, ví dụ như 150N, cùng với khe hở nhiệt 0.25 mm Năng lượng tích trữ của lò xo phía trên là 497 N khi xupap mở và 650 N cho lò xo phía dưới khi xupap đóng.
Hình 3.3: Lực lò xo và khoảng dịch chuyển của armature.
Thiết kế armature và thân xupap
Armature và xupap là hai thành phần quan trọng trong việc điều khiển sự đóng mở của hệ thống EMV, tương tự như trục cam và xupap trong động cơ truyền thống Xupap tiếp xúc trực tiếp với buồng đốt có nhiệt độ cao, do đó, nó chịu ảnh hưởng của giãn nở nhiệt Để bù đắp cho hiện tượng này, một khe hở được duy trì giữa armature và xupap khi ở vị trí đóng Thiết kế của armature và xupap trong hệ thống xupap điện từ phải xem xét các yếu tố như khối lượng, kích thước và phân bố lực từ Khối lượng của xupap điện từ được xác định bởi các hạn chế trong việc duy trì cân bằng khối lượng, trong khi kích thước của armature và xupap cũng bị ảnh hưởng bởi giãn nở nhiệt Cấu tạo chi tiết của armature và xupap trong hệ thống này được thể hiện rõ trong hình 3.4.
Hình 3.4: Cấu tạo của armature và xupap trong hệ thống xupap điện từ
Armature trong hệ thống xupap điện từ được thiết kế dựa trên nghiên cứu về lực từ Lực hút của nam châm kéo armature đến vị trí trên hoặc dưới của lõi thép, với kích thước armature phụ thuộc vào mật độ từ thông Lực hút thường đạt trạng thái bão hòa do mật độ từ thông tạo ra Độ lớn của lực từ liên quan đến diện tích tiếp xúc giữa armature và lõi thép, và độ liên kết từ thông qua diện tích tiếp xúc được tính bằng công thức: s NB A s b.
Trong đó: s : Độ liên kết từ thông
N: Số vòng của cuộn dây
B s : Mật độ từ thông ở trạng thái bão hòa
A b : Diện tích mặt cắt ngang
Hình 3.5: Diện tích tiếp xúc giữa armature và lõi thép
Lực hút giữa armature và lõi thép đƣợc tính bởi:
Trong đó: x 1và x 2 : Khe hở giữa vị trí trên cùng của armature và vị trí dưới cùng của lõi thép
W 1 và W 2 : Năng lƣợng tại những khe hở khác nhau
Khi armature đến vị trí đóng tương ứng khe hở x 1 là bằng 0, năng lượng W 1 cũng gần bằng 0 Khi đó phương trình (3.3) được đơn giản hóa lại thành:
Dấu “–” biểu thị chiều của lực hút ngược với chiều di chuyển Mối quan hệ giữa dòng điện của cuộn dây và dòng từ thông được tính theo công thức cụ thể.
0 : Độ thấm từ chân không
R g : Từ trở của khe hở
Thay (3.2) và (3.5) vào (3.4), phương trình trở thành:
Từ phương trình (3.6), diện tích armature được tính bằng:
Kích thước của armature phụ thuộc vào lực hút và mật độ từ thông Lực hút trong hệ thống xupap điện từ phải lớn hơn lực lò xo để mở xupap, trong khi mật độ từ thông là hằng số khác nhau tùy loại vật liệu Diện tích tiếp xúc được tính toán với lực hút cần thiết khoảng 650N (cao nhất) và 497N (thấp nhất) khi mật độ từ thông đạt mức bão hòa Sắt nguyên chất được sử dụng cho thiết kế lõi và armature, mang lại nhiều ưu điểm về đặc tính, với giá trị bão hòa khoảng 1.5T Diện tích tiếp xúc được thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Diện tích cần thiết ở trên cùng và dưới cùng của armature
Diện tích đòi hỏi ở trên cùng ( m 2 )
Diện tích đòi hỏi ở dưới cùng ( m 2 )
Thiết kế nam châm
Nam châm, đặc biệt là loại NdFe35, tạo ra lực từ mạnh mẽ hơn lò xo, giúp di chuyển armature đến vị trí đóng và mở của xupap Chất liệu nam châm này ảnh hưởng đến mật độ từ thông, quyết định lực từ trong hệ thống xupap điện từ Do đó, việc phân tích và xem xét đặc tính của nam châm là yếu tố quan trọng trong thiết kế xupab điện từ.
Nam châm NdFe35 có những đặc tính nổi bật như độ từ dư B r đạt 1.22 T, độ thấm từ tương đối à r là 1.0997, và độ kháng từ H c là -890000 A/m Đặc biệt, độ thấm từ của chân không à 0 được xác định là 4π x 10^-7 H/m Những thông số này cho thấy hiệu suất cao và khả năng ứng dụng đa dạng của nam châm NdFe35 trong công nghiệp.
Hình 3.6: Cấu tạo của nam châm.
Thiết kế cuộn dây điện từ
Cuộn dây điện từ đóng vai trò quan trọng trong thiết kế xupap điện từ (EMV), khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây sẽ tạo ra từ trường xung quanh Từ trường này có khả năng làm suy yếu hoặc tăng cường mật độ từ trường của nam châm Do đó, kích thước phần lõi của cuộn dây điện từ cần được thiết kế hợp lý để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Mật độ từ trường của cuộn dây điện từ phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn, vật liệu chế tạo và không gian hạn chế để đặt cuộn dây Kích thước của dây dẫn và lõi cuộn dây cần được tối ưu hóa để đáp ứng yêu cầu về không gian và điều kiện bão hòa Dây dẫn phải chịu được mật độ dòng điện lớn nhất trong khi vẫn giới hạn trong không gian nhất định Khi tính toán, khu vực hiệu quả nhất để xác định khả năng chịu đựng cường độ dòng điện là vùng tam giác Khả năng truyền tải dòng điện cao nhất được tính toán trong khu vực này Bảng 3.3 chỉ ra rằng loại dây 21 AWG với đường kính 0.723 mm và dòng điện tối đa 9 A có mật độ cao nhất là 5.30 A/mm², dẫn đến cường độ từ trường lớn hơn và tăng đáng kể từ thông qua lõi thép.
Hình 3.7: Tiết diện dây dẫn
Bảng 3.3: Mật độ dòng điện của các dây dẫn có kích thước khác nhau
(mm) Ohm per km Current density (A/mm 2 )
Lõi thép của cuộn dây điện từ là thành phần quan trọng để dẫn từ thông trong hệ thống EMV Khi thiết kế lõi, cần chú ý đến kích thước và vật liệu chế tạo để tránh hiện tượng bão hòa Phần lõi cũng phải được xác định theo đường cong B-H nhằm ngăn ngừa từ thông qua lõi và armature vượt quá giá trị cho phép, giúp tăng độ chính xác của mô phỏng Vật liệu lõi và armature thường là sắt nguyên chất với mật độ bão hòa cao, và đường cong B-H của sắt nguyên chất được thể hiện trong hình 3.8.
Hình 3.8:Đường cong B-H trên vật liệu sắt nguyên chất
Lõi cuộn dây có hình dạng như hình 4.7, và cuộn dây sẽ được quấn quanh lõi để tạo thành nam châm điện Khi cuộn dây được cấp điện, nó sẽ tạo ra từ thông đi qua lõi thép.
Hình 3.9: Hình dạng của lõi thép.
Tính toán các thông số của xupap điện từ (EMV)
3.3.1 Giới thiệu các công cụ phần tử hữu hạn Để kiểm tra các thông số tối ưu trong hệ thống xupap điện từ người ta sử dụng công cụ phần tử hữu hạn Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là công cụ phân tích có độ chính xác cao, Maxwell 3D đƣợc sử dụng để phân tích phần tử hữu hạn trong nghiên cứu này xupap điện từ đã đƣợc đề xuất Quá trình phân tích các phần tử hữu hạn đƣợc thể hiện trong bảng 3.4
Bảng 3.4 Quá trình phân tích cho xupap điện từ
Phân tích phần tử hữu hạn
Chèn thiết kế xupap điện từ vào
Thiết lập nguồn kích thích
Thiết lập các thông số chấp hành
Thiết lập các trạng thái tùy chọn
Xác nhận tất cả các thiết lập
3.3.2 Tối ƣu hóa các thông số trong thiết kế xupap điện từ
Trong thiết kế xupap điện từ, các thông số như độ dày, bán kính nam châm, kích thước armature, kích thước lõi cuộn dây và số vòng dây ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ từ thông trên armature Những yếu tố này quyết định lực hút khi cuộn dây không có điện và lực từ giảm khi cuộn dây được cấp dòng điện Do các thông số này có mối quan hệ tương hỗ, cần phải phân tích chúng trong nhiều trường hợp khác nhau Chúng tôi sử dụng công cụ phân tích phần tử hữu hạn để đánh giá độ nhạy của các thông số đối với lực hút, đồng thời loại bỏ những yếu tố không đáng kể nhằm đơn giản hóa quá trình tối ưu hóa Các thông số của xupap điện từ được minh họa trong hình 3.10 và mô tả chi tiết được liệt kê trong bảng 3.5.
Hình 3.10: Các thông số của xupap điện từ cho phân tích độ nhạy
Bảng 3.5: Sự mô tả của các thông số
Mô tả của các thông số Ký hiệu Độ dày nam châm H pm
Bán kính nam châm R pm
Bán kính armature R a Độ dày armature H a
Chiều cao lõi cuộn dây H c
Số am-pe vòng NI
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng
Nam châm tạo ra lực từ ngay lập tức trên armature, điều này quyết định rằng lực từ sinh ra có khả năng vượt qua lực lò xo, giúp giữ xupap ở vị trí đóng và mở Thiết kế này cho phép nam châm hoạt động hiệu quả trong việc điều khiển xupap.
Hình dạng của nam châm mang lại nhiều lợi ích hơn so với các hình dạng khác Đặc tính của nam châm phụ thuộc vào nhiệt độ, ảnh hưởng bởi hiện tượng khử từ, và tính năng của nam châm sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Do đó, lực từ trong thiết kế xupap điện từ cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Trong đồ án này, chúng tôi không đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc tính của nam châm Kích thước nam châm, bao gồm độ dày (H pm) và bán kính (R pm), có tác động trực tiếp đến lực từ trên armature.
Kích thước của nam châm đã được phân tích cùng với các thông số tối ưu của cuộn dây điện từ và armature Hình 3.11 thể hiện tác động của độ dày nam châm đến lực từ.
Hình 3.11: Ảnh hưởng của độ dày nam châm đến lực từ
Độ dày nam châm tại H pm = 2 mm là tối ưu nhất, vì khi cuộn dây chưa được cấp dòng điện, lực giữ đạt giá trị cao Khi có dòng điện, lực giữ giảm xuống Ở cường độ dòng điện 0 NI, lực từ đạt khoảng 710 N, vượt quá lực của lò xo, giữ xupap ở vị trí đóng và mở Tuy nhiên, khi cấp điện cho cuộn dây, lực từ giảm xuống còn khoảng 420 N ở cường độ 1500 NI, nhỏ hơn lực lò xo, dẫn đến việc xupap tách ra khỏi vị trí đóng hoặc mở.
CUONG DO DONG DIEN ( NI )
Hpm = 1mmHpm = 2mmHpm = 3mmHpm = 4mm
Sự phân bố mật độ từ thông được phân tích bằng phương pháp FEA (Phân tích phần tử hữu hạn) với dòng cung cấp tại 0 NI và 1500 NI Kết quả cho thấy mật độ từ thông qua armature ở tất cả các trường hợp hầu như đạt trạng thái bão hòa khi cuộn dây không được kích thích (hình 3.12) Do đó, ở tất cả các trường hợp, độ dày của nam châm đạt lực từ cao nhất lớn hơn lực lò xo.
Hình 3.12: Sự phân bố từ thôngtrên armature với độ dày nam châm khác nhau tại 0 NI
Mật độ từ thông chưa đạt bão hòa khi cuộn dây được cung cấp dòng điện mong muốn, dẫn đến lực từ trên armature giảm Khi dòng điện được cung cấp, dòng từ dễ dàng đi qua lõi cuộn dây, biến nó thành nam châm điện Đặc biệt, dòng từ của nam châm có độ dày 2 mm giảm nhiều hơn so với các trường hợp khác, như thể hiện trong hình 3.13 Do đó, giá trị giảm lực ở độ dày này là lớn, cho thấy rằng độ dày 2 mm là tối ưu nhất cho thiết kế xupap điện từ.
Hình 4.13: Sự phân bố từ thông trên armature với độ dày nam châm khác nhau tại 1500 NI
Trong đồ án này, bán kính của nam châm được phân tích với giá trị lớn hơn 13.5 mm không được xem xét do không gian giới hạn của kết cấu xupap điện từ Ảnh hưởng của bán kính nam châm đến lực từ cho thấy rằng tại R pm = 10.5 mm, lực từ và sự giảm lực là thấp nhất so với các trường hợp khác Do đó, bán kính nam châm tối ưu nằm trong khoảng 11.5 ~ 13.5 mm, và sự khác biệt về lực giữ khi cuộn dây được kích thích và không kích thích là không đáng kể trong khoảng này.
Hình 3.14: Ảnh hưởng của bán kính nam châm đến lực từ
Kích thước armature trong thiết kế xupap điện từ, bao gồm độ dày và bán kính, ảnh hưởng trực tiếp đến dòng từ trên armature Bán kính và độ dày của armature liên quan đến diện tích tiếp xúc với lõi thép, quyết định trạng thái bão hòa trong thiết kế Nghiên cứu bán kính armature trong khoảng 19 ~ 22 mm và độ dày từ 8 ~ 12 mm cho thấy bán kính 20 mm là tối ưu nhất, với lực giữ cao nhất đạt 719 N tại 0 NI và giảm xuống 415 N tại 1500 NI Các bán kính khác không đáp ứng được yêu cầu về lực giữ và lực giảm sút theo tiêu chuẩn xupap điện từ.
CUONG DO DONG DIEN ( NI )
Rpm = 10.5mmRpm = 11.5mmRpm = 12.5mmRpm = 13.5mm
Đường kính armature có ảnh hưởng đáng kể đến lực từ và mật độ từ thông, như được chỉ ra bởi phân tích phần tử hữu hạn (FEA) Kết quả này được thể hiện rõ ràng trong hình 3.16 và hình 3.17, tương ứng với dòng điện tại 0 NI và 1500.
NI Mật độ từ thôngcủa bán kính armature là không đạt tới trạng thái bão hòa (hình
Armature có bán kính 21 mm và 22 mm có mật độ từ thông thấp, dẫn đến lực giữ nhỏ hơn so với các trường hợp khác Khi cuộn dây nhận dòng điện, mật độ từ thông giảm, và giá trị của armature ở bán kính này cũng thấp Mặc dù mật độ từ thông của armature bán kính 19 mm giảm nhẹ, nhưng vẫn không đáp ứng được yêu cầu về lực từ Bán kính tối ưu của armature là 20 mm, với mật độ từ thông giảm đáng kể ở 1500 NI, tạo ra lực từ nhỏ hơn lực của lò xo, cho phép xupap điện từ hoạt động hiệu quả ở bán kính này.
Cuong Do Dong Dien (NI)
Ram = 19 mmRam = 20 mmRam = 21 mmRam = 22 mm
Hình 3.16: Sự phân bố mật độ từ thôngtrên armature với bán kính armature khác nhau tại 0 NI
Hình 3.17 minh họa sự phân bố mật độ từ thông trên armature với các bán kính khác nhau tại 1500 NI Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ dày của armature ảnh hưởng đến lực từ, với các độ dày 8 mm và 10 mm không đủ để đáp ứng yêu cầu lực từ khi cuộn dây được kích thích và không được kích thích Độ dày tối ưu là 12 mm, đáp ứng các tiêu chuẩn cần thiết để đảm bảo xupap điện từ hoạt động hiệu quả, đóng và mở hoàn toàn.
Hình 3.18: Ảnh hưởng của độ dày armature đến lực từ
Mật độ từ thông của armature tại 0 NI và 1500 NI được thể hiện trong hình 3.19 và 3.20 Kết quả từ hình 3.19 cho thấy mật độ từ thông của armature không đạt trạng thái bão hòa ở 0 NI, trong khi mật độ từ thông của armature dày 12 mm đạt giá trị cao nhất, dẫn đến lực giữ lớn nhất như thể hiện trong hình 3.18 Lực này vượt qua lực của lò xo, cho phép armature dễ dàng giữ ở vị trí đóng hoặc mở.
CUONG DO DONG DIEN ( NI )
Ham = 8mmHam = 10mmHam = 12mm
Hình 3.19: Sự phân bố mật độ từ thôngtrên armature với độ dày khác nhau tại 0
Khi dòng điện được cung cấp tới các cuộn dây, mật độ từ thông qua armature giảm, dẫn đến lực từ trên armature cũng giảm Hình 3.20 cho thấy giá trị mật độ từ thông ở 8 mm và 10 mm thấp, do đó lực từ cũng nhỏ Tuy nhiên, lực giữ này không đủ để giữ xupap ở tốc độ động cơ lớn nhất trong động cơ đánh lửa truyền thống Trong khi đó, mật độ từ thông giảm với độ dày 12 mm.
1500 NI tạo ra lực từ nhỏ hơn lực của lò xo Do đó, xupap sẽ đƣợc tách ra ở vị trí đóng và mở khi cuộn dây có năng lƣợng
Hình 3.20: Sự phân bố mật độ từ thôngtrên armature với độ dày khác nhau tại
Nghiên cứu ảnh hưởng của cuộn dây điện từ đến lực điện từ cho thấy rằng chiều cao lõi cuộn (Hc) từ 10mm đến 14mm có tác động đáng kể đến lượng từ thông Kích thước lõi cuộn dây quá lớn sẽ dẫn đến sự giảm nhanh lực điện từ, không đáp ứng yêu cầu thiết kế EMV về không gian Ngược lại, lõi cuộn dây quá nhỏ khiến mật độ từ thông luôn ở trạng thái bảo hòa khi được cấp điện, dẫn đến sự giảm lực điện từ không đáng kể Hình 3.21 minh họa rõ mối quan hệ giữa mật độ từ thông và kích thước cuộn dây tại các giá trị 0 NI và 1500 NI.
Hình 3.21: Sự phân bố mật độ từ thông trên armature của các kích thước lõi khác nhau tại 0 NI
Hình 3.22: Sự phân bố mật độ từ thông trên armature của các kích thước lõi khác nhau tại 1500 NI
Mật độ từ thông trên armature giảm khi một lượng lớn từ thông đi vào lõi cuộn dây, với Hc = 10mm cho mật độ từ thông cao hơn các trường hợp khác Điều này dẫn đến lực từ tại 1500 NI lớn hơn lực lò xo trong EMV, khiến xupap không thể đóng Ngược lại, mật độ từ thông của Hc = 14mm giảm đáng kể, nhưng lực từ tại 0 NI không đủ để thắng lực lò xo của EMV, do đó không đáp ứng yêu cầu thiết kế Trong khi đó, mật độ từ thông của Hc = 12mm đạt được lực từ lớn hơn lực lò xo tại 0 NI và nhỏ hơn tại 1500 NI, giúp đáp ứng yêu cầu thiết kế của EMV Hình 3.23 minh họa kích thước lõi cuộn dây.
Hc = 12 mm, lực từ đạt giá trị lớn nhất tại 0 NI (lớn hơn 650 N) và nhỏ hơn 497 N tại
1500 NI Vì thế Hc = 12 mm là thông số tối ƣu của cuộn dây
Hình 3.23: Sự ảnh hưởng của cuộn dây điện từ đến lực từ trong EMV
Lực giữ
Đường công lực từ và lực của lò xo được thể hiện trong hình 3.29, cho thấy lực giữ lớn hơn lực của lò xo ở vị trí trên cùng và dưới cùng Điều này đảm bảo xupap điện từ có khả năng đóng và mở với tốc độ tối đa của động cơ đánh lửa truyền thống Hơn nữa, đồ thị cũng chỉ ra rằng giá trị lực giữ nhỏ hơn lực của lò xo khi ở vị trí đóng và có sự dịch chuyển của armature.
Hình 3.29: Lực từ và lực của lo xo khi armature dịch chuyển
Hình 34.29 cho thấy sự dịch chuyển rõ rệt của armature ở hai vùng: một vùng gần vị trí kết thúc trên cùng khoảng 2 ~ 4 mm và một vùng gần vị trí kết thúc dưới cùng khoảng -2 ~ -4 mm, tương ứng với sự đóng và mở xupap Trong những vùng này, giá trị lực từ cao, do đó việc điều khiển dòng điện cung cấp cho cuộn dây làm giảm lực từ Kết quả là vận tốc ban đầu của xupap giảm, giúp cho hoạt động của cơ cấu trở nên ôn hòa hơn Ở vùng giữa khoảng dịch chuyển -2 ~ 2 mm, lực từ gần như bằng 0, trong khi lực của lò xo luôn lớn hơn lực từ, dẫn đến việc điều khiển không cần thiết Lực từ trong cơ cấu xupap điện từ với các giá trị cường độ dòng điện khác nhau được thể hiện trong hình 3.30.
Hình 3.30: Lực từ tại những giá trị cường độ dòng điện khác nhau.
Kết luận
Nghiên cứu cho thấy thiết kế này đáp ứng tốt các yêu cầu về giới hạn không gian, thời gian phản hồi và lực từ điều khiển xú páp.
Các thông số thiết kế tối ưu cần đáp ứng yêu cầu về lực từ khi cuộn dây điện từ được cấp điện và không cấp điện Cụ thể, lực từ cần thiết để giữ cho xupap đóng tại 0 NI là khoảng 718 N, trong khi lực này giảm 42% xuống còn 415 N khi đạt 1500 NI.
