Structural and Material Analysis of an Electromagnetic Actuator for Pressure Control in an Internal Combustion Engine

eng Artykuł w języku angielskim DOI: 10.14313/PAR_251/5

wyślij Jarosław Mamala *, Mariusz Graba *, Krzysztof Prażnowski *, Bronisław Tomczuk **, Andrzej Waindok ** * Opole University of Technology, Department of Vehicles, Mikołajczyka 5, 45-271 Opole ** Opole University of Technology, Department of Electrical Technology and Mechatronics, Prószkowska 76, 45-758 Opole

Pobierz Artykuł

Abstract

The article describes the process of selecting the design parameters of the electromagnetic actuator, which was used to regulate the compression pressure in the cylinder of an internal combustion engine. The electromagnetic actuator was installed in the timing system of a single-cylinder internal combustion engine, which forced its basic design parameters in terms of force and frequency of operation. For the electromagnetic actuator in question, field calculations of the esign variants of the linear electromagnetic actuator for two types of materials were conducted. The finite element method was applied to the computer-aided design of electromagnetic actuators. The influence of the magnetic circuit and the dimensions of the windings on the distribution of the magnetic field were analyzed. The thickness and height of the magnetic field induces, and the dimensions of the stator poles have been changed while maintaining the same external dimensions of the actuator for design reasons. All this work was aimed at improving the performance of the internal combustion engine in terms of improving efficiency in terms of partial engine loads. In this area, the internal combustion engine is characterized by low efficiency, significantly deviating from the maximum, and at the same time, during normal operation of vehicles is the area most often exploited.

Keywords

combustion engine, electromagnetic actuator, ferromagnetic material, pressure regulation

Analiza konstrukcyjna i materiałowa siłownika elektromagnetycznego służącego do regulacji ciśnienia w silniku spalinowym

Streszczenie

W artykule opisano proces doboru parametrów konstrukcyjnych siłownika elektromagnetycznego, który posłużył do regulacji ciśnienia sprężania w cylindrze silnika spalinowego. Siłownik elektromagnetyczny został zamontowany w układzie rozrządu jednocylindrowego silnika spalinowego, co wymusiło jego podstawowe parametry konstrukcyjne w zakresie siły i częstotliwości pracy. Dla omawianego siłownika elektromagnetycznego przeprowadzono obliczenia porównawcze wariantów konstrukcyjnych liniowego siłownika elektromagnetycznego dla dwóch rodzajów materiałów. Do komputerowego wspomagania projektowania siłowników elektromagnetycznych zastosowano metodę elementów skończonych. Przeanalizowano wpływ obwodu magnetycznego i wymiarów uzwojeń na rozkład pola magnetycznego. Grubość i wysokość indukowanego pola magnetycznego oraz wymiary biegunów stojana zostały zmienione przy zachowaniu tych samych wymiarów zewnętrznych siłownika ze względów konstrukcyjnych. Wszystkie te prace miały na celu poprawę osiągów silnika spalinowego w szczególności poprawy sprawności w zakresie częściowego obciążenia silnika. W tym obszarze silnik spalinowy charakteryzuje się stosunkowo niską sprawnością, znacznie odbiegającą od maksymalnej, a jednocześnie w czasie normalnej eksploatacji pojazdów jest obszarem najczęściej eksploatowanym.

Słowa kluczowe

materiały ferromagnetyczne, regulacja ciśnienia, silnik spalinowy, siłownik elektromagnetyczny

Bibliografia

  1. Duan J.A., Zhou H.B., Guo N.P., Electromagnetic design of a novel linear Maglev transportation platform with finite-element analysis, “IEEE Transactions on Magnetics”, Vol. 47, No. 1, 2011, 260–263, DOI: 10.1109/TMAG.2010.2087388.
  2. Lee H.-W., Kim K.-Ch., Lee J., Review of Maglev train technologies, “IEEE Transactions on Magnetics”, Vol. 42, No. 7, 2006, 1917–1925, DOI: 10.1109/TMAG.2006.875842.
  3. Wanhua S., Zhongjie Z., Ruilin L., Yingjun Q., Development Trends in the Technologies of Automobile Internal Combustion Engines. “Strategic Study of CAE”, Vol. 20, No. 1, 2018, DOI: 10.15302/ J-SSCAE-2018.01.014.
  4. Tomczuk B., Waindok A., Wajnert D., Transients in the electromagnetic actuator with the controlled supplier, “Journal of Vibroengineering”, Vol. 14, No. 1, 2012, 39–44.
  5. Bang Y.B., Lee K.M., Large thrust linear motors for lowduty-cycle operation, “Mechatronics”, Vol. 14, No. 8, 2004, 891–906, DOI: 10.1016/j.mechatronics.2004.05.001.
  6. Lee S.H., Yi H.Ch., Han K., Kim J.H., Genetic algorithm-based design optimization of electromagnetic valve actuators in combustion engines, “Energies”, Vol. 8, No. 11, 2016, 13222–13230, DOI: 10.3390/en81112352.
  7. Sun Z.-Y., Li G.-X., Wang L., Wang W.-H., Gao Q.-X., Wang J., Effects of structure parameters on the static electromagnetic characteristics of solenoid valve for an electronic unit pump, “Energy Conversion and Management”, No. 113, 2016, 119–130, DOI: 10.1016/j.enconman.2016.01.031.
  8. Fan X., Chang S., Liu L., Lu J., Realization and optimization of high compression ratio engine with electromagnetic valve train, “Applied Thermal Engineering”, Vol. 112, 2017, 371–377, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.10.039.
  9. Gieras J.F., Piech Z.J., Tomczuk B., Linear synchronous motors, CRC Press, Taylor & Francis Group, New York 2011, DOI: 10.1201/b11105.
  10. Asari A.R., Guo Y., Zhu J.G., Magnetic properties measurement of soft magnetic composite material (Somaloy 700) by using a 3-D tester. AIP Conference Proceedings, 2017, DOI: 10.1063/1.4998386.
  11. Waindok A., Tomczuk B., Reluctance Network Model of a Permanent Magnet Tubular Motor, “Acta Mechanica et Automatica”, Vol. 11, No. 3, 2017, 194–198, DOI: 10.1515/ama-2017-0029.
  12. Waindok A., Tomczuk B., Field analysis and eddy current losses calculation in five-phase tubular actuator, “Open Physics”, Vol. 15, No. 1, 2017, 897–901, DOI: 10.1515/phys-2017-0107.
  13. Liu F., Sun B., Zhu H., Hu T., Du W., Li X., Zhang Z., Development of performance and combustion system of Atkinson cycle internal combustion engine. “Science China Technological Sciences”, Vol. 57, 2014, 471–479, DOI: 10.1007/s11431-014-5474-8.
  14. Wurms R. et al., The new Audi 2.0l Engine with innovative rightsizing – a further milestone in the TFSI Technology – XXXVI Internationales Wiener Motorensymposium 2015, Vienna 2015.
  15. Mamala J., Graba M., Prażnowski K., Hennek K., Control of the effective pressure in the cylinder of a spark-ignition engine by electromagnetic valve actuator, “SAE Technical Papers”, 2019, 1–9. DOI: 10.4271/2019-01-1201.
  16. Woś P., Balawender K., Jakubowski M., Kuszewski H., Lejda K., Ustrzycki A., Design of affordable multi-cylinder variable compression ratio (VCR) engine for advanced combustion research purposes, “SAE Technical Papers”, 2012, DOI: 10.4271/2012-01-0414.
  17. Höganäs Soft Magnetic Composite Powders, www.hoganas.com/api/Brochure/?pdf=/globalassets/ downloads/libary/somaloy_somaloy-1p-material-data _2272hog.pdf#page=1 (Accessed on 5th December 2023).