OKLADKI JOK 2006 No 3 600

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3
CALCULATION AND VERYFICATION OF FORCES DRIVING OUTLET
VALVES IN MAGNETOELECTRICAL VALVE TIMING OF
COMBUSTION ENGINE
Krzysztof Zbierski
Politechnika àódzka
Instytut Pojazdów, ul. ĩeromskiego 116, 90-924 àódĨ, Poland
tel.: +48 42 6312390, e-mail: [email protected]
Krzysztof Siczek
Politechnika àódzka
Katedra Konstrukcji Precyzyjnych, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 àódĨ, Poland
tel.: +48 42 6312251, e-mail: [email protected]
Abstract
A problem of camless magnetoelectrical valve timing is the limited value of possible to generate force driving
outlet valve. The physical model of integrated driving of outlet and of inlet valve with finite element mesh together,
generated by computational program Ansys have been presented in article. The model has been based on the earlier
built prototype of integrated assemblies driving - valve of magnetoelectrical valve timing in experimental combustion
engine, with single cylinder. Magnetoelectrical valve timing has been supplied by current, with the voltage value
equal 42 V. Calculated value of force generated in outlet valve driving has been equal 610 N, for the maximal value of
current equal 60 A. The calculation has been verified on the mentioned prototype of integrated assemblies driving valve of magnetoelectrical valve timing, obtaining the value of force equal 628 N. Calculated values of forces were in
a good agreement with the values obtained experimentally. It was found, the greater value of force driving outlet value
could be obtained by increasing of driving gabarits, of magnetic flux density and of current value.
Key words: camless valve timing of combustion engine, magnetoelectrical valve timing, magnetoelectrical driving the
valves of combustion engine
OBLICZENIE I WERYFIKACJA SIàY NAPĉDZAJĄCEJ ZAWÓR
WYLOTOWY MAGNETOELEKTRYCZNEGO ROZRZĄDU
TàOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO
Streszczenie
Jednym z problemów bezkrzywkowego magnetoelektrycznego rozrządu jest ograniczona wartoĞü moĪliwej do
wygenerowania siáy napĊdzającej zawór wylotowy. W artykule przedstawiono model fizyczny zblokowanych napĊdów
zaworów wylotowego i dolotowego wraz z siatką elementów skoĔczonych, wygenerowaną za pomocą programu
obliczeniowego Ansys. Model ten oparto na zbudowanym wczeĞniej prototypie zblokowanych ukáadów napĊd - zawór
magnetoelektrycznego rozrządu doĞwiadczalnego, jednocylindrowego silnika spalinowego. Magnetoelektryczny
rozrząd zasilano prądem o napiĊciu 42 V. Obliczona wartoĞü siáy generowanej w napĊdzie zaworu wylotowego
wyniosáa 610 N dla maksymalnej wartoĞci natĊĪenia prądu równej 60 A. Obliczenie to zweryfikowano na
wspomnianym prototypie zblokowanych ukáadów napĊd - zawór magnetoelektrycznego rozrządu, otrzymując siáĊ o
wartoĞci 628 N. Obliczona wartoĞü siáy napĊdzającej zawór wylotowy wykazaáa zatem dobrą zgodnoĞü z wartoĞcią
uzyskaną podczas eksperymentu. Stwierdzono, Īe moĪliwe jest uzyskanie jeszcze wiĊkszej siáy napĊdzającej zawór
wylotowy na drodze zwiĊkszenia wymiarów napĊdu, indukcji magnetycznej lub wartoĞci natĊĪenia prądu.
Sáowa kluczowe: rozrząd bezkrzywkowy silnika spalinowego, rozrząd magnetoelektryczny, napĊd magnetoelektryczny
zaworów silnika spalinowego
K. Zbierski, K. Siczek
1. Wprowadzenie
W pracach [3, 4, 5] opisano koncepcjĊ magnetoelektrycznego rozrządu oraz jego bezsilnikowe
badania, a takĪe badania studialnego, jednocylindrowego silnika z takim rozrządem. Istota tego
rozrządu polega na tym, Īe jego zawory wprawiane są w ruch za pomocą magnetoelektrycznych
napĊdów, a ĞciĞlej ich ruchomych cewek, które wraz z pakietami magnetycznymi, skáadającymi
siĊ z magnesów i nabiegunników oraz rdzeniami tworzą magnetoelektryczne napĊdy zaworów.
Natomiast magnetoelektryczny napĊd i zawór tworzą ukáad: napĊd – zawór. Na rysunku 1
pokazano schemat zblokowanych ukáadów napĊd – zawór. Z pracy [5] wynika, Īe kaĪdy napĊd
powinien byü napĊdem wielokrotnym, co oznacza, Īe musi zawieraü w swych pakietach
magnetycznych co najmniej dwie warstwy magnesów. Korpus ruchomej cewki posiada ksztaát
cylindra, którego jeden koniec jest zamkniĊty za pomocą denka. Z denkiem poáączony jest zawór
rozrządu. Do uzwojeĔ cewek doprowadzany jest prąd, za pomocą sprĊĪystych przewodów, nie
zaznaczonych na rysunku 1. W denkach cewek znajdują siĊ otwory wentylacyjne, które z jednej
strony zmniejszają opory táumienia aerodynamicznego, a z drugiej przyczyniają siĊ do
odprowadzenia ciepáa od uzwojeĔ cewek, nagrzewających siĊ pod wpáywem przepáywającego
przez nie prądu elektrycznego. Wymagany docisk zaworów do ich gniazd, realizowany w
rozrządzie krzywkowym za pomocą sprĊĪyn zaworowych, uzyskany jest tu dziĊki okresowo
generowanej sile elektrodynamicznej.
3
4
4
5
2
1
Rys. 1. Schemat zblokowanych ukáadów napĊd – zawór
1 – zawór wylotowy, 2 – zawór dolotowy, 3 – ruchome cewki, 4 – pakiety magnetyczne (magnesy z nabiegunnikami), 5
– rdzenie
Fig. 1. The scheme of integrated assemblies driving-valve
1 – outlet valve, 2 – inlet valve, 3 – movable coils, 4 – magnetic packets (magnets with pole pieces),
5 – cores
Jednym z problemów omawianego rozrządu magnetoelektrycznego jest ograniczona wartoĞü
elektrodynamicznej siáy (siáy Lorentza) napĊdzającej zawór wylotowy. Spowodowane jest to
stosunkowo maáą Ğrednicą ruchomej cewki oraz ograniczoną wartoĞcią napiĊcia prądu staáego w
instalacji elektrycznej silnika spalinowego. Zbyt maáa siáa napĊdzająca nie zapewnia otwierania
zaworu wylotowego w caáym polu obciąĪeĔ i prĊdkoĞci obrotowych silnika spalinowego. W pracy
[5] oszacowano, Īe przy napiĊciu prądu wynoszącym 42 V, moĪliwe byáoby wytworzenie siáy
napĊdzającej zawór wylotowy, wynoszącej okoáo 700 N. PoniĪej przedstawiono obliczenie i
eksperymentalną weryfikacjĊ siáy napĊdzającej zawór wylotowy w magnetoelektrycznym
rozrządzie zasilanym prądem o napiĊciu 42 V.
456
Calculation and Veryfication of Forces Driving Outlet Valves in Magnetoelectrical Valve Timing…
Praca naukowa byáa finansowana ze Ğrodków Ministerstwa Nauki i Informatyzacji w latach
2004 – 2006 jako projekt badawczy [6].
2. Obliczenie siáy napĊdzającej zawór wylotowy
Na rysunku 2 przedstawiono model fizyczny zblokowanych napĊdów zaworów wraz z siatką
elementów
skoĔczonych,
wygenerowaną
za
pomocą
programu
obliczeniowego
Ansys [1].
Cewka zaworu
dolowego
Z Y
Cewka zaworu
wylotowego
A-A
Obszary zawierające
gĊstoĞü prądu
X
A
A
100
Magnesy
P
X
M
Y
I
W
B V
A
U
N
L S Z K
R
T
Q
Skrajne pola o wektorowym
potencjale magnetycznym AZ=0
O
WĊzáy ĞródkrawĊdziowe
WĊzáy naroĪne
J
Rys. 2. Model fizyczny zblokowanych napĊdów zaworów rozrządu
Fig. 2. The physical model of integrated magnetoelectrical driving of valves
WartoĞci parametrów geometrycznych modelowanych magnesów staáych, rdzeni i
nabiegunników odpowiadaáy parametrom tych elementów zbudowanego wczeĞniej prototypu
zblokowanych napĊdów magnetoelektrycznego rozrządu doĞwiadczalnego, jednocylindrowego silnika
spalinowego. W obliczeniach uwzglĊdniono magnesy AM20ST o niemal liniowym charakterze
457
K. Zbierski, K. Siczek
krzywej odmagnesowania B(H), rdzenie i nabiegunniki z wyĪarzonej stali niskowĊglowej o
charakterystyce odmagnesowania podanej w [1, 7].
GeometriĊ analizowanego napĊdu cechowaáa symetria wzglĊdem páaszczyzny ZX (rys.2), co
uáatwiáo generowanie siatki elementów skoĔczonych. W celu uproszczenia obliczeĔ zaáoĪono, Īe
indukcja magnetyczna, wáaĞciwoĞci materiaáowe nabiegunników, rdzenia, magnesów i cewek nie
zmieniają siĊ w czasie. Ponadto zaniedbano istnienie prĊdkoĞci i przyspieszenia cewki w jej
kolejnych poáoĪeniach wzglĊdem magnesu, rdzenia i nabiegunników. PominiĊto takĪe powstające
w cewce siáy samoindukcji.
Do obliczeĔ wykorzystano element skoĔczony (rys. 2), oparty na wektorowym potencjale
magnetycznym. WĊzáy naroĪne: I, J, K, L, M, N, O, P elementu posáuĪyáy do zdefiniowania jego
geometrii i wprowadzenia wartoĞci gĊstoĞci prądu, równomiernie rozáoĪonej na poszczególne
wĊzáy. WĊzáy ĞródkrawĊdziowe: R, S, T, Q, A, B, Y, Z, X, U, V, W wykorzystywano do
wyznaczenia podstawowych stopni swobody, tj. wartoĞci wektorowego potencjaáu
magnetycznego, obliczanych przez program [1]. Dodatkowymi stopniami swobody elementu
skoĔczonego byáy: indukcja magnetyczna B i natĊĪenie pola magnetycznego H.
Warunki brzegowe byáy nastĊpujące (rys.2):
- w wĊzáach elementów skoĔczonych, leĪących na zewnĊtrznych powierzchniach obszaru
powietrza wprowadzono wartoĞci wektorowego potencjaáu magnetycznego AZ = 0,
- w wĊzáach elementów skoĔczonych, leĪących w obszarach górnego, Ğrodkowego i dolnego
uzwojenia cewki zaworu wylotowego wprowadzano, uwzglĊdniając kierunek przepáywu prądu,
wartoĞci gĊstoĞci prądu. WartoĞci gĊstoĞci prądu obliczono dzieląc iloczyn liczby zwojów i
wartoĞci prądu przez pole przekroju poprzecznego cewki. W wyniku obliczeĔ uzyskano rozkáady
wypadkowej indukcji magnetycznej obrazujące rozkáad pola magnetycznego w napĊdzie.
Siáy elektrodynamiczne F dziaáające na ruchomą cewkĊ obliczono, jako siáy Lorentza ze wzoru
(1) [1]
n
^F ` ¦ ³.V ^N i `T ^J i `u ^Bi `d Vi i 1
(1)
i
gdzie:
Ni – funkcja ksztaátu i – tego elementu skoĔczonego cewki;
Ji – gĊstoĞü prądu w obszarze i – tego elementu cewki;
Bi - indukcja magnetyczna w obszarze i – tego elementu cewki;
Vi – objĊtoĞü i – tego elementu skoĔczonego cewki.
Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono przykáadowe rozkáady pól magnetycznych w przekrojach
podáuĪnym i poprzecznym zblokowanych napĊdów dla przypadku, gdy w cewce zaworu
wylotowego, w chwili otwierania tego zaworu, przepáywa prąd o natĊĪeniu 60 A, zaĞ w tej samej
chwili brak jest przepáywu prądu przez cewkĊ zaworu dolotowego. Nie uwzglĊdniono tu prądu
docisku zaworu dolotowego. W rzeczywistoĞci, podczas pracy silnika w cewce zaworu
dolotowego przepáywa wtedy prąd, wytwarzający wymaganą siĊ docisku zaworu dolotowego do
jego gniazda. Przepáywowi tego prądu, o maáej wartoĞci, towarzyszy pole magnetyczne w cewce
zaworu dolotowego, którego wpáyw na rozkáad pola magnetycznego w napĊdzie pominiĊto.
Rozkáady pola zostaáy wyznaczone w oparciu o obliczone wartoĞci wektorowego potencjaáu
magnetycznego w ĞródkrawĊdziowych wĊzáach poszczególnych elementów. Caáy zakres
obliczonych wartoĞci wektorowego potencjaáu magnetycznego podzielono równomiernie na kilka
przedziaáów wartoĞci i przypisano tym przedziaáom kolejne odpowiednie kolory, zgodnie z mapą
kolorów wykorzystywaną przez program. Na rysunkach 3 i 4, zamieszczono obszary przestrzeni, z
których kaĪdy jest oznaczony innym kolorem, odpowiadającym stosownemu przedziaáowi
wartoĞci wektorowego potencjaáu magnetycznego.
458
Calculation and Veryfication of Forces Driving Outlet Valves in Magnetoelectrical Valve Timing…
Wypadkowa indukcja w teslach [T]
Rys. 3. Rozkáad indukcji magnetycznej w przekroju páaszczyzną ZX zblokowanych napĊdów zaworów rozrządu
Fig. 3. The magnetic flux density gradient in by ZX plane cut-set of integrated magnetoelectrical driving of valves
Wypadkowa indukcja w teslach [T]
Rys. 4. Rozkáad indukcji magnetycznej w przekroju prostopadáym do osi cewek w poáowie wysokoĞci zblokowanych
napĊdów zaworów rozrządu
Fig. 4. The magnetic flux density gradient in perpendicular to axis of coils cut – set of integrated magnetoelectrical
driving of valves in a half of height of the driving
.
459
K. Zbierski, K. Siczek
114 N
327 N
Uzwojenie
górne
Uzwojenie
Ğrodkowe
169 N
Wypadkowa siáa napĊdzająca
610 N
Siáy napĊdzające w poszczególnych
uzwojeniach cewki zaworu wylotowego
ZauwaĪalna jest wystĊpująca, miĊdzy innymi, w obszarach zajmowanych przez poszczególne
uzwojenia cewki asymetria rozkáadu pola magnetycznego w kierunku osi X (oznaczenie jak na
rys. 2), spowodowana przede wszystkim asymetrią geometrii napĊdu wzglĊdem páaszczyzny YZ.
WartoĞci indukcji pola magnetycznego w obszarze zajmowanym przez uzwojenia cewek w rejonie
ich najwiĊkszego zbliĪenia są o ponad 50% mniejsze niĪ w pozostaáych obszarach. Bardzo maáe
wartoĞci, poniĪej 0.4 T, indukcji magnetycznej pola przechodzącego przez uzwojenia cewek
wystĊpują w rejonie Ğrodkowych uzwojeĔ cewek napĊdzających zawory.
WartoĞci obliczonych elektrodynamicznych siá napĊdzających, generowanych w uzwojeniach
cewki zaworu wylotowego podano na rysunku 5.
Uzwojenie
dolne
Rys. 5. WartoĞci siá elektrodynamicznych generowanych w uzwojeniach cewki zaworu wylotowego
Fig. 5. Values of electrodynamical force generated in wire of coil of outlet valve
Siáy w poszczególnych uzwojeniach cewki zaworu wylotowego miaáy wartoĞci odpowiednio:
w górnym uzwojeniu 114 N, w Ğrodkowym 327 N, zaĞ w dolnym 169 N. Obliczona wypadkowa
wartoĞü siáy napĊdzającej zawór wylotowy wyniosáa 610 N. WartoĞü siáy generowanej w
Ğrodkowym uzwojeniu cewki ma najwiĊkszy udziaá, ponad 50 %, w wartoĞci siáy
elektrodynamicznej, dziaáającej na ruchomą cewkĊ napĊdu. Asymetria pola elektromagnetycznego
wzglĊdem osi cewki w kierunku osi X, jest najwiĊksza w dolnej i Ğrodkowej czĊĞci cewki. Maáa
wartoĞü indukcji magnetycznej w obszarze najwiĊkszego zbliĪenia cewek powoduje, Īe niektóre
uzwojenia cewek pozostają niewykorzystane, do generowania siáy napĊdzającej zawór.
NajwiĊkszy stopieĔ niewykorzystania dotyczy uzwojenia Ğrodkowego cewki.
3. Eksperymentalna weryfikacja siáy napĊdzającej zawór wylotowy
Eksperymentalną
weryfikacjĊ
obliczonej
siáy
napĊdzającej
zawór
wylotowy
magnetoelektrycznego rozrządu przeprowadzono na stanowisku bezsilnikowym pokazanym na
rysunku 6. Widoczny jest na nim prototyp zblokowanych ukáadów napĊd – zawór, zamontowany
na gáowicy doĞwiadczalnego, jednocylindrowego silnika spalinowego. Do niej, od strony jej
dolnej páyty, przykrĊcona jest belka 4 z czujnikiem siáy 5. CaáoĞü zamocowana jest w podstawie 3.
Belka 4 umoĪliwia umieszczenie czujnika siáy, zarówno pod zaworem wlotowym, jak i
dolotowym. Przed rozpoczĊciem pomiaru czujnik dociĞniĊty jest do zaworu z pewnym napiĊciem
wstĊpnym. Zastosowano czujnik siáy firmy PCB Piezotronics o zakresie pomiarowym od 0 do
1000 N. Pomiary siáy wykonywano zasilając kolejno cewkĊ zaworu wylotowego impulsowymi
prądami o natĊĪeniach od 10 do 60 A. Prąd zasilający pobierany byá z kondensatora áadowanego
za pomocą zasilacza sieciowego.
460
Calculation and Veryfication of Forces Driving Outlet Valves in Magnetoelectrical Valve Timing…
1
4
2
5
3
Rys. 6. Widok stanowiska do pomiarów siá napĊdzających zawory magnetoelektrycznego rozrządu silnika spalinowego
1 – prototyp zblokowanych ukáadów napĊd – zawór, 2 – gáowica doĞwiadczalnego, jednocylindrowego silnika
spalinowego, 3 – podstawa stanowiska, 4 – belka do mocowania czujnika siáy, 5 – czujnik siáy
Fig. 6. The view of investigative stand for measurement of forces driving values in magnetoelectrical valve timing of
combustion engine
1 – prototype of integrated driving – valve system, 2 – the head of experimental combustion engine with single
cylinder, 3 – base of investigative stand, 4 – the beam for fixing a force sensor, 5 – force sensor
Wyniki pomiarów, w postaci zaleĪnoĞci siáy napĊdzającej zawór wylotowy od natĊĪenia prądu
przepáywającego przez cewkĊ, przedstawiono na rysunku 7.
Siáa napĊdzająca [N]
700
628 N
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
70
NatĊĪenie prądu [A]
Rys. 7. ZaleĪnoĞü siáy napĊdzającej zawór wylotowy od natĊĪenia prądu przepáywającego przez cewkĊ zaworu
wylotowego
Fig. 7. The dependence of force driving outlet valves upon current flowing in wire of coil of the outlet valve
461
K. Zbierski, K. Siczek
4. Podsumowanie
Obliczona wartoĞü siáy napĊdzającej zawór wylotowy wykazuje dobrą zgodnoĞü z wartoĞcią
siáy otrzymaną z eksperymentu. Zatem przedstawiony przestrzenny model napĊdu oraz procedury
obliczeniowe pola magnetycznego i siáy generowanej w napĊdzie zaworu wylotowego są w peáni
wiarygodne. Ma to duĪe znaczenie z punktu widzenia optymalizowania magnetoelektrycznych
napĊdów ze wzglĊdu na maksymalizacjĊ siáy napĊdzającej. Optymalizowanie to musi byü
kompromisem miĊdzy wartoĞciami trzech wielkoĞci, od iloczynu których zaleĪy wartoĞü siáy
napĊdzającej. Do tych wielkoĞci naleĪą: natĊĪenie prądu przepáywającego przez cewkĊ, indukcja
magnetyczna oraz dáugoĞü uzwojenia cewki. WartoĞü pierwszej z wymienionych wielkoĞci czyli
natĊĪenia prądu, pomijając ograniczenia wynikające, miĊdzy innymi, z opornoĞci uzwojenia cewki
oraz jakoĞci ukáadu sterującego, zaleĪy od wartoĞci napiĊcia stojącego do dyspozycji Ĩródáa prądu.
W przypadku ewentualnych przyszáoĞciowych prądowych instalacji samochodowych, granicznym
byáoby napiĊcie 42 V. MoĪliwoĞü uzyskania znacznie wiĊkszego napiĊcia istnieje w samochodach
z napĊdami hybrydowymi (spalinowo-elektrycznymi). WiĊkszą indukcjĊ magnetyczną moĪna
uzyskaü stosując magnesy trwaáe o wiĊkszej gĊstoĞci energii magnetycznej. Jednak istnieje tu
pewne ograniczenie wynikające z przebiegu charakterystyk odmagnesowania magnesów [2]. Na
ogóá nie moĪna jednoczeĞnie zwiĊkszyü indukcji remanencji i natĊĪenia koercji magnesu,
poniewaĪ ogranicza to maksymalna wartoĞü energii elektromagnetycznej zakumulowanej w
magnesie. ZwiĊkszenie dáugoĞci uzwojenia jest równieĪ ograniczone ze wzglĊdu na stosunkowo
maáe Ğrednice cewek spowodowane niewielkimi odlegáoĞciami miĊdzy zaworami silnika
spalinowego. ZwiĊkszenie dáugoĞci uzwojenia moĪe natomiast istotnie poprawiü inne
uksztaátowanie cewek, np. o przekroju prostokąta, o wiĊkszym boku w kierunku osi Y
omawianego napĊdu. WiĊksza dáugoĞü uzwojenia to jednak zwiĊkszenie masy ruchomej cewki, a
zatem wiĊksze zapotrzebowanie na siáĊ napĊdzającą, przy takim samym czasie otwierania zaworu.
Istotne powiĊkszenie siáy napĊdzającej moĪna uzyskaü takĪe przez okreĞlone podwyĪszenie
napĊdu zaworu wylotowego.
Ogólnie moĪna powiedzieü, Īe istnieją jeszcze moĪliwoĞci zwiĊkszenia siáy napĊdzającej zawór
wylotowy silnika, co jest miĊdzy innymi przedmiotem dalszych prac rozwojowych w dziedzinie
magnetoelektrycznego rozrządu táokowego silnika spalinowego.
Literatura
[1] Ansys Documentation Help on – line, version 8.0, 2004.
[2] Leonowicz, M., Wysáocki, J., Wspóáczesne magnesy, WNT, Warszawa 2005.
[3] Zbierski, K., Regulacja napeániania silnika o zapáonie iskrowym za pomocą rozrządu
magnetoelektrycznego, Journal of Internal Combustion Engines, Kones 2003,Warszawa Wisáa 2003.
[4] Zbierski, K., Theoretical basis of electromagnetic valve timing of combustion engine, Journal
of Internal Combustion Engines, Kones 2004, Zakopane 2004.
[5] Zbierski, K., WstĊpne badania studialnego silnika z rozrządem elektromagnetycznym. Journal
of Kones Internal Combustion Engines. Kones 2005, Polanica 2005.
[6] Zbierski, K., Badania bezkrzywkowego, magnetoelektrycznego rozrządu silnika spalinowego.
Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego Nr 4 T12D 018 26, COBR Polmatex - Cenaro
w àodzi, àódĨ maj 2006.
[7] Zbierski, K., Siczek, K., Kossowski, Z., NapĊd magnetoelektryczny. Teoretyczne podstawy.
NapĊdy i Sterowanie, nr 9/2004.
462