Supaplar için elektromekanik eyleyici tasarımı ve denetiminin araştırılması

Abstract

Bu tez çalışmasında, elektromekanik supap mekanizmasının matematik modeli çıkarılmış ve sistemde kullanılabilecek uygun bir mıknatıs devresi araştırılmıştır. Bunun için literatürde disk ve piston tipi olarak anılan mıknatıs devrelerinin kullanıldığı üç model tasarlanmış, tasarım parametrelerinin etkisi incelenmiş ve bu modellerin statik ve dinamik karakteristikleri teorik olarak elde edilerek uygun mıknatıs devresi belirlenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda elektromekanik supap mekanizmaları için disk tipi mıknatıs devresinin daha uygun olduğu görülmüş ve bunun sonucunda iki farklı yapıda elektromekanik supap mekanizması tasarlanarak prototipleri imal edilmiştir. Bir mekatronik sistem olarak ele alınabilecek elektromekanik supap mekanizmalarının tamamlayıcı kısmını teşkil eden elektronik sürücü devreler de bu çalışmanın bir parçası olarak tasarlanıp imal edilmiştir. Prototip modeller üzerinde sistemin statik ve dinamik karakteristiklerinin belirlenmesi amacıyla çeşitli deneysel çalışmalar yürütülmüştür. Statik deneylerde mıknatıs çekim kuvveti ölçülmüş ve özellikle de disk kalınlığının çekim kuvveti üzerindeki etkisi belirlenmiştir. Bu çalışmalarda çekim kuvvetinin yakın mesafelerde (0.1 mm) yaklaşık olarak 1800-2000 N’ a çıkabileceği gösterilmiştir. Mekanizmanın dinamik karakteristikleri ise basamak cevabı testleri ile belirlenmiş ve supabın en düşük açma/kapama zamanı Model 1’ de yaklaşık 4.7 ms, Model 2’ de yaklaşık 4 ms olarak tespit edilmiştir. Statik ve dinamik karakteristikler için elde edilen deney sonuçları ile benzetim sonuçlarının iyi bir uyum sağladığı görülmüştür. Elektromekanik supap mekanizmaları için en kritik durumlardan birisi olan supabın oturma hızı denetiminin analizi yapılmış, denetim işlemi teorik olarak gerçeklenmiş ve uygun denetim teknikleri kullanarak oturma hızının yaklaşık olarak istenen değerlere düşürülebileceği gösterilmiştir. Bu durum ayrıca basit deneysel çalışmalarla da doğrulanmıştır. Tasarlanan modeller kamlı sistem ile karşılaştırılmış ve yüksek motor hızlarında iki sistem arasında iyi bir uyum elde edilmiş ve bu modellerin yüksek devirli motorlarda kullanılabilecek türde olduğu öngörülmüştür.

In this thesis, the mathematical model of the electromechanical valve actuator is obtained and a suitable magnetic circuit which can be used in this system is investigated. Three models using disc or plunger type of magnetic circuit are designed, the effect of design parameters is investigated and static and dynamic characteristics of these models are theoretically obtained. Therefore a suitable magnetic circuit is determined. A disc type of magnetic circuit is determined as the most suitable type and consequently, two types of electromechanical valve actuator are designed and prototypes of these systems are produced. Current driver circuits of electromechanical valve actuators are designed as elements of a mechatronic system. Experimental studies are done on the prototypes to obtain static and dynamic characteristics of the system. Magnetic force is measured in static experiments and the effect of disc thickness on the magnetic force is also designated. In these works it is showed that magnetic force may increase up to 1800-2000 N at shorter distances (0.1 mm). Dynamic characteristics of the system are determined by step response tests and it is designated that open/close time of the valve is approximately 4.7 ms in Model 1 and 4 ms in Model 2. It can be seen that theoretical results are in good agreement with experimental results for static and dynamic characteristics. The contact velocity control which is the one of critical problems of electromechanical valve actuator is analyzed, the control is verified theoretically and it is seen that contact velocity is decreased to desired value by appropriate control techniques. This situation is also confirmed by experimental studies. The designed models are compared with the conventional system with camshaft and a good agreement between two systems at higher engine speeds is obtained. So it is suggested that these models can be used in IC engines.