Actuatorul Electro-Magnetic

1. Introducere

Prognoza urmatorilor 10 ani privind protectia mediului impune ca obiective pentru dezvoltarea motoarelor cu aprindere prin scanteie imbunatatirea consumului de combustibil si reducerea emisiilor poluante, in special de CO2. Intre solutiile de rezolvare a acestui obiectiv se numara distributia variabila integrala si injectia directa, care pot reduce consumul de combustibil cu 10-15% si emisia de CO2 cu 8-12%. Utilizarea unui sistem de distributie variabila in scopul de a reduce substantial pierderile care apar la schimbul de gaze al motoarelor cu aprindere prin scanteie permite controlul direct al admisiei amestecului aer/combustibil in cilindru, dar conduce si la o complexitate constructiv-functionala crescuta, fiind necesara inlocuirea arborelui cu came cu un sistem de actuatori, o unitate de comanda si un sistem de control. Interactiunea acestor componente trebuie optimizata pentru a se valorifica la maximum posibilitatile si avantajele oferite de distributia variabila integrala.

Legat de aceasta, la ora actuala, exista numeroase cercetari in domeniu. O confirmare a importantei lui este patentarea a numeroase solutii, acestea fiind suportate de companii puternice, specializate in domeniul sistemelor de actionare sau companii din industria automobilistica. Dintre aceste patente se pot aminti: patentul US nr.6285151 prezentat de Wright si altii, si care au fost sprijiniti de firma Siemens Automotive Corporation (Auburn Hills,MI), patentul US nr. 6285270 prezentat de Lane si altii, sprijiniti de firma FKI plc (GB), patentul US nr. 6292077 prezentat de Kaizuka si altii, sprijiniti de firma SMC Corporation (Tokio, JP), etc. Acestea sunt numai cateva dintre ultimile preocupari legate de acest domeniu (perioada de patentare este cuprinsa intre lunile septembrie-octombrie 2001). In aceste patente sunt descrise diverse solutii de actionare cu ajutorul unui actuator electromagnetic a supapelor de admisie/evacuare ale unui motor cu aprindere prin scanteie, dar care folosesc un sistem simplu format dintr-un actuator electromagnetic si arc.

Problematica sistemelor de distribuţie variabile, realizate cu acţionare electromagnetică, a fost si este abordata si la “Annual Automobile and Engine Technology Colloquium” din Aachen începând cu ediţia a 8-a (1999). Reprezentanţii unor binecunoscute şi puternice companii producătoare de automobile sau de componente au prezentat concluziile cercetărilor proprii în domeniu. Câteva exemple: „Technological Approaches to Realize an Electromechanical Valvetrain“ - BMW AG; “Cylinder cut-off technology – A demanding concept for fuel reduction without loss of driving-pleasure or comfort” - DaimlerChrysler AG; „The Electrical and Mechanical Properties of the Electromechanical Valve Train System Components“ - Siemens Automotive AG; „Recent Developments of a Mechanical Variable Valve Actuation System“ - Delphi Automotive Systems; „Smart Valve Actuation – How to Minimize Power Consumption and Noise Through an Adequate Control of an Optimized Actuator“ - SAGEM S.A; „Benefits of the Electromechanical Valve Train in Vehicle Operation“ - FEV Motorentechnik GmbH. Fără excepţie, lucrările au subliniat potenţialul de economisire a carburantului si de reducere a emisiilor poluante si cresterea momentului la arbore. Totusi, necesitatea reducerii zgomotului si a consumului electric fac inca necompetitiva solutia, pentru care nu se asteapta rezolvari disponibile comercial inainte de 2010 [1].

Utilizarea unui sistem integral de distributie variabila, in scopul de a reduce substantial pierderile care apar la schimbul de gaze al motoarelor cu aprindere prin scanteie, ofera o serie de posibilitati si avantaje ca:

- pierderi reduse prin pompaj;

- optimizarea recirculatiei interne a gazelor reziduale;

- optimizarea pornirii la rece si regimul de incalzire;

- optimizarea functionarii dinamice;

- deactivarea supapelor si cilindrilor;

- functionarea cu mai multi timpi (2,4,6 timpi);

- reducerea turatiei de relanti;

- simplificarea distributiei;

- functionare sigura.

In comparatie cu schema clasica de functionare a unui sistem de distributie pentru m.a.s. pentru automobil, in patru timpi cu patru cilindri, controlul sarcinii fara obturator se poate face prin doua strategii diferite de control:

- inchiderea admisiei in avans (AISA), cand supapa de admisie este inchisa de indata ce cantitatea necesara de incarcatura ajunge in cilindru; aceasta strategie solicita timpi foarte mici pentru deschiderea supapelor in timpul functionarii la sarcini partiale; pentru a face posibila aceasta strategie chiar la turatii ridicate sunt necesari timpi de transmitere foarte scurti.

- intarziere la inchiderea supapei (IISA), cand incarcatura din cilindri care este deja inauntru este impinsa inapoi in galeriile de aspiratie dupa ce pistonul a ajuns la p.m.s.

Aceste sarcini dificile pot fi realizate numai cu un sistem mecatronic de actionare independenta a supapelor si de sincronizare a fazelor de inchidere/deschidere. Se identifica 3 subsisteme partiale ale acestui sistem:

– actuatorul ca sistem mecatronic, impreuna cu un traductor de cursa, o unitate de comanda si o unitate de control;

– sistemul de comanda a dispozitivului de putere care realizeaza functiile supapelor conventionale si tipice;

– sistemul electric al vehiculului pentru alimentarea actuatorilor.

Cele trei subsisteme sunt interdependente, actuatorul fiind cheia acestor legaturi.

2. Actuatorul electromagnetic bipozitional

Obiectivul principal al lucrării este dezvoltarea unui sistem de distribuţie pentru motoare termice, acţionat electric şi comandat electronic [2], [3], menit să înlocuiască sistemul clasic cu mecanism camă-tachet. Ca element de acţionare electrică, a fost conceput un actuator electromagnetic, constituit din 2 electromagneţi şi 2 arcuri elicoidale, care lucrează în sensuri opuse (fig.1), pentru a realiza un regim dinamic corespunzător în condiţiile în care forţele de inerţie pot atinge valori mari, iar forţele de presiune sunt, de asemenea, importante în faza de evacuare a gazelor. Acest actuator prezintă avantajul că are forţa inţială k.d, datorită pretensionării arcurilor, indiferent de sensul mişcării.

Fig.1

În acest mod, electromagnetul activ este ajutat să realizeze o comportare dinamică mai bună, fiind cunoscut faptul că există o anumită întârziere a creşterii fluxului, deci a forţei, până când aceasta atinge o valoare utilă. În acelaşi timp, electromagneţii au un întrefier mai mic, ceea ce conduce la forţe mai mari pentru aceeaşi cursă cumulată.