Моделирование по физическим законам. ГРМ без распредвала. | OPPOZIT.RU | мотоциклы Урал, Днепр, BMW | оппозитный форум, ремонт и тюнинг мотоциклов
Home

Моделирование по физическим законам. ГРМ без распредвала.

оппозитчик Kataru Karas
чтоб поменять аватар - читай FAQ
нахождение: Шимановск

Всем здравствуйте.

Знает кто программу (или программы) в которой можно смоделировать физически верную модель электромагнитного механизма?

Есть исходные данные механизма. Нужно рассчитать правильно катушки магнитов вместе с сердечниками.

Профан совсем в этом деле. Скорее всего обоссут.

Подскажите хотя бы ресурс толковый для изучения.

UPD:
Тему перенёс
Вот что нашёл.
https://ustroistvo-avtomobilya.ru/dvigatel/krivoshipno-shatunnyj-mehaniz...

http://altay-krylov.ru/ch_klapan_elmagn_privod.html
Тут расписаны недостатки разных систем.

А вот целое исследование, но на тепловозных ДВС
http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=6365

Кто что думает?
Сижу вот и обтекаю...


Труженник's picture

Может быть целесообразно обратиться за помощью в профильный НИИ?
Щас все работают по принципу "любой каприз за ваши деньги".)


Alex_and_Alex's picture

А что за девайс вообще и какое назначение катушек? Если это электромагнитные клапана/соленоиды - то проще найти готовый с заданной силой/размерами и применить его. Ну или разломать и пересчитать витки, если нужно что-то хитрое совсем.

Счет там довольно серьезный, а софта, чтоб сразу электромагнетизм и механику считал что-то в голову не приходит.


Alex_and_Alex's picture

Увидел соседнюю тему про скорость клапанов - кажись ясно для чего все это. Электропривод клапанов двигателя - задачка не простая, зубры автопрома над этим пыхтят, но в серию еще никто не вывел. И там у них далеко не электромагниты, там нужны сервомоторы. При том очень шустрые и довольно сильные. У электромагнита характеристика тяги от расстояния очень кривая (издалека он еле тянет, а близко к центру силы становится дофига).


Lucky_SV's picture

Ну так RAIL-GUN еще никто не отменял.
Пакет со ступенчатым включением...


Kataru Karas's picture

Я ни в коем случае не равняю себя с зубрами автопрома.
Но идея была в использовании микропроцессора и четырёх магнитов на клапан с переменным направлением ЭДС.
Таким макаром будет работать четыре магнита - два отталкиваться и два притягиваться.
Учитывая низкооборотистость Урала...
Попытка не пытка =)
Уж больно понравились пневмо-гидро-электро-клапана у немцев.
Они могут на ходу полностью менять фазы, включать-выключать цилиндры.
Выкинули впускную заслонку, т.к. могут полностью контролировать открытие клапана.

Я же хочу просто попробовать сделать мини рельсовую пушку, в качестве снаряда - клапан.
Freevalve на Ютюбе. Видели уже наверное.


Бугагашка's picture

Ну дык у немцев клапан все равно открывается распредвалом.
А в Ванусах, например, фаза меняется давлением масла.
Роль электромагнита лишь в том, что он открывает клапан, по которому масло идет к Ванусу.


Kataru Karas's picture

Не. У немцев вообще нет распредвала, а электроклапана открывают жиклёры пневмо-гидро системы. Тем самым и меняются фазы. Система называется Freevalve, специально написал выше.


Бугагашка's picture

ого. Отстал я от жизни. Надо будет почитать об этом.


BuffoG's picture

так пока это экспериментальная дороговизна. Перспектива ее не ясна учитывая тот факт что эра бензиновых двс для рынка легковых авто/мото заканчивается

___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


artsemi's picture

Maxwell Ansoft, Comsol multiphysics, JMAG


Kataru Karas's picture

Спасибо за Комсомола.
Хоть я и пришёл к нему через огонь, воду и SolidWorks ///


BuffoG's picture

как минимум раз пять или шесть за последние лет 15 поднимался вопрос о электромагнитном управлении приводом клапанов. При всех теоретических изысканиях форумчан получалось, что электромагнитная система будет размером с треть ДВС и будет обладать заметной инертностью на включение (закон гистерезиса).
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Бугагашка's picture

Есть у электромагнитов кое-что, что не даст собрать на этом толковый ГРМ:
1) Остаточная намагниченность (После отключения напряжения, сердечник еще какое-то время намагничен и держит). То есть на высоких оборотах магниты просто могут не успевать перемагничиваться.
(Кстати в этом пункте я не уверен)
2) Потребляемые токи. Без расчетов очевидно, что ускорение клапанам нужно придавать огромное, да еще и бороться с пружиной и давлением в КС. Токи будут колоссальные. Установка будет здоровой и энергозатратной
(Кстати в этом пункте я тоже не уверен)
3) Надежность. Хорошо, если двигатель безвтыковой. Потому, что нет четкой мех. связи между положением клапана и колена. Несработавший датчик, время на срабатывание, на тоже "намагничевание" в лучшем случае приведет к потере мощности и перебоям в худшем - сами понимаете.

НО

Идея то интересная. Так, что я буду с удовольствием следить за реализацией)


BuffoG's picture

от насыщения сердечника можной уйти, скажем применив феррит в качестве оного. Но, по логике стоит начать работать с готовыми электромагнитами чем делать электромагнит с нуля. Для начала я бы применил кинетическую схему с открывающем клапан электромагнитом и закрывающей клапан пружиной, для этого стоит вычислить силу с которой стоит давить на клапан для его открытия на паспортную высоту. При этом давление на выпускной клапан должно быть несколько выше чем на впускной, так как выпускной клапан работает при большом давлении со стороны камеры сгорания. Второй вариант развития это отработка схема на основе двунаправленного электромагнита, т.е. открытие и закрытие клапана одним электромагнитом. Тут сложнее так как придется реализовать схему аля поляризованное реле.
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Бугагашка's picture

И да, согласен, закрывать клапан надо только пружиной.
Открывать - чем угодно.


Alex_and_Alex's picture

Ферриты боятся перегрева, а магнитная проницаемость у них во много раз хуже железа. Соответственно и сила будет меньше.
Схема с магнитным сердечником более жизнеспособна. Всякая шустрая механика так и работает - привод блока головок в жестком диске например. Это все - частный случай бесколлекторного электродвигателя. А для качественной его работы нужны датчики положения и контроллер с векторной системой управления. Даже на наши 4 клапана это будет очень навороченная система.

Если ради экспримента эту тему мутить - лучше взять рядный высокооборотистый мотор с легкими удобно расположенными клапанами. Там можно получить какой-то профит. На наших-же "тракторах" смысла в этом никакого. На низких оборотах и распредвал справится, а на высоких раньше колено треснет, чем клапана подвиснут. Тем более посмотри на эти головки - куда там все это пихать? 750ый мотор и так уже сильно шире жопы байкера.


BuffoG's picture

Откуда такое заключение о магнитной проницаемости, в чем хуже феррит, например, М1500 железа марки 2412. Всегда считал что материал выбирается в зависимости от места его применения (частота, плотность тока, индукция, магнитная проницаемость...) Для феррита вполне допустимы температуры до 120С. Я предложил феррит для примера, конкретный материал подберется только при расчете частот срабатывания и массогабаритных параметров магнита. Есть, кстати, более низкочастотные пермаллои еще
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


BuffoG's picture

Вот, кстати промышленные электромагнитные приводы
http://www.pkp-universal.ru/?yclid=5765384996311312874
https://www.electro-mpo.ru/catalog/superprice/elektrodvigateli_ustroystv...
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Бугагашка's picture

я тут задумался: а на сколько сильны электромагниты с втягивающих реле стартеров и хватит ли их....


BuffoG's picture

они сильные но медленные, так как сердечник говно и быстро достигает точки насыщения. А еще они не приспособлены для долгой работы, перегреваются и сгорают
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Бугагашка's picture

Я предлагаю автору для начала взять голову (я про мотор, не свою) и каким-нибудь динамометром или весами определить силу, которую нужно приложить к клапану, что бы открыть его.
Потом понять, что она конская (и вообще понять какая) и дальше думать:
Или решиться и искать Э/М привод или подобрать пружину по слабее (но это будет в ущерб работе двигателя, конечно)


Alex_and_Alex's picture

Пружины в этой схеме только для "поддержки штанов" когда электроника выключена. Закрытие и открытие должны делать приводы.


Бугагашка's picture

Принято.
Но тут есть еще вопрос, трубемый осмысления:
Если силу, закрывающую клапан, создают привод + "слабая" пружина (я правильно понял?),
то вполне вероятно, что эта суммарная сила должна быть соизмерима с силой, которую развивает стоковая пружина потому, что "не зря же она там стоит такая".
По этому тут... я не знаю, или какой-то баланс ловить или .... фиг знает.

Ну то есть если пружинка совсем слабая, то закрывающий соленойд должен генерить силу, примерно равную силе пружины.

Ну это, если по хорошему.


Lucky_SV's picture

Открытие- да, закрытие - по-любому должно НЕ ЗАВИСЕТЬ от работы электроники.
Иначе "одна помеха по питанию" (с подзависанием системы на ходу, или банальным "неконтактом"/обрывом провода) - и "встреча на Эльбе" - гарантирована.


Alex_and_Alex's picture

Предлагаю вариант по-проще: кулачок на электроприводе. Это намного проще реализовать. Фазу можно подстраивать "на лету". Но правда ход клапана всегда будет одинаковый. (Хотя это можно решить хитрыми гидротолкателями и давлением масла в них.)


BuffoG's picture

это реализовано на двс Ауди и это весьма сложная приблуда в системе привода распредвала
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


BuffoG's picture

Кстати есть еще вариант который может уменьшить габариты электромагнита - это применение в качестве источника постоянного поля редкоземельного кольцевого магнита с большой удельной остаточной индукцией. Но тут дороговато эксперимент выйдет, магниты не дешевые.
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Alex_and_Alex's picture

А еще от нагрева они размагничиваются. И у лучших сортов максимальная рабочая температура чуть выше 100 градусов.


BuffoG's picture

есть вот такие варианты неодимовых магнитов:
H – до 120 С°
SH – до 150 С°
UH – до 180 С°
EH – до 200 С°
AH – до 230 С°
Это индексы после марки, например N20SH. Т.е. при желании и деньгах можно подобрать магнит на эксперименты.
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Alex_and_Alex's picture

Бесполезно. Я просто прикинул в уме вот такую мысль:
1.Допустим мотор крутится 10 тыс. оборотов в минуту. Это 6 мс период. Клапан срабатывает один раз за два оборота, его период будет 12 мс. (это полный оборот распреда, или полный проход по картинке-циклограмме с фазами)
2. Это будет 1 градус распредвала за 33 микросекунды.
3. Читаем эту тему: https://oppozit.ru/post_98365.html берем "Урал" впускной клапан для примера
4. Клапан от 1 мм до полного открытия и обратно проходит за 249 градусов.
5. Допустим клапан открывается 1/2 этого времени и дальше за 1/2 закроется. Грубо, но наглядно.
6. На открытие у нас есть 125 градусов, это 4 мс. Клапану надо надо пройти 5 мм. Это 12,5 метров в секунду (!!!).
7. Масса клапана около 50 грамм.
8. Считаем энергию этого движения mv^2/2 = 3,9 Дж разгон и столько-же разгон в обратную сторону, итого 7,8 Дж. Остановку не считаем, пусть там есть какие-то упоры.
9. За секунду это надо сделать 166 раз. Получаем 1300 Дж/сек. Это 1,3 кВт.

Без использования пружин, маховиков или прочих аккумуляторов механической энергии, при работе только электропривода на дерганье одного нашего клапана с нужной скоростью на 5 мм хода потребуется... 1,3 кВт энергии без учета КПД. А т.к. это нифига не равномерный процесс, пиковая мощность привода должна быть в разы больше. При том от массы клапана она меняется линейно, а от скорости - квадратично. И это печаль.

Проверьте, может где ошибся? Я думал что будет много, но вышло реально дофига.


Alex_and_Alex's picture

Вот картинка мотора BMW с электромагнитным клапанами.

Смотрим на маховик, вокруг которого сделан здоровущий генератор.

А вообще в природе есть подобные системы. Это сабвуферы. Там ход диффузора и частоты примерно такие. Только вот подвижная масса намного меньше. И то потребляют они немало мощности. А значит КПД у таких систем весьма печальное.


BuffoG's picture

Что-то я не врубился как ты посчитал 6 мс период?

___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Бугагашка's picture

Все выглядит логично, но я бы пересчитал это дело исходя из максимакльных оборотов 5000RPM. А лучше 3000.

Во первых потомму, что до 10 ураломотор сам по себе не крутится, во вторых - ожидать больших (хотя бы номинальных) оборотов от самодельного Э/М ГРМ не приходится.

Предлагаю задуматься о гидравлическом приводе клапанов, где солинойды будут управлять клапанами самой гидравлики.

Это, ИМХО, более жизнеспособно.


Alex_and_Alex's picture

5000 он и так крутит, смысла нет мутить.


Бугагашка's picture

Чет мне кажется, если всё это ради 10кОб в минуту, то это не лучшая идея.
Тут, имхо, надо механическую часть, которая есть дорабатывать/менять.


Lucky_SV's picture

А если рассматривать только открывание (с закрыванием - пружиной)?

ЗЫ. Вопрос о потребляемой мощности заставляет задуматься...
Ведь эти (насчитанные) 1,5 кВт - "вычитаются" из мощности мотора - так?


Alex_and_Alex's picture

К энергии перемещения плюсуем энергию сжатия пружины. Энергия возврата будет равна нулю. Но что-то мне подсказывает, что пружина на сжатие "скушает" сравнимо с возвратным магнитом.

Да, мощность вычитается. При том снимается она с генератора, так что вычитать придется с учетом его КПД. Правда и сама эта тема должна улучшить мощностные показатели мотора более правильной продувкой и ее подстройкой под режим.


PCDeath's picture

ИМХО, всё же более перспективной будет система с электронным приводом кулачка.
Но приводом не вращением на 0...360 градусов, а вращением на 0...180 градусов. Т.е. на 0 клапан закрыт, на 180 - максимально открыт, и закрывается не поворотом на 181...360, а обратным вращением на 179...0
А дальше можно уже строить кривые зависимости угла поворота кулачка от положения КВ, "приоткрывать" клапан, не поднимая его максимально, если не нужно. Таким образом, построив нужные графики, можно получить абсолютно любые фазы. В том числе и динамические.

И да, в существующей конструкции мотора часть мощности затрачивается на привод того же самого ГРМ. Поэтому не всё так плохо - при переходе на электроГРМ отбираемая мощность возрастёт только на величину потерь преобразования механической энергии в электрическую и обратно в механическую.

Peacedeath подкрался незаметно, но слышен был издалека


Alex_and_Alex's picture

Нет, лишние торможения - потеря энергии и источник резонансов. Это же распредвал, он же там крутится со скоростью электродрели! Представь себе как ее каждые пол оборота в реверс пускать и сколько она так проживет. (пример грубый, но суть будет примерно такая)
Симметричный кулачок (или даже эксцентрик) будет работать лучше. На его профиль тут по барабану, профиль фазы можно задать любой параметрами его движения.

В любом случае это тема только на поболтать. Сложность таких систем реально могут оценить только единицы оппозитчиков. А уж взять сделать это в одного никому из нас не под силу.
Я делал импульсные устройства на единицы кВт, но там была только электроника (рентген), а тут еще и механика. Векторный электропривод вообще тема непростая, тут надо очень крутую команду собрать чтоб что-то получилось.

Я б вписался, но... На дворе 21-ый век, а самопальных инжекторных уралов по пальцам пересчитать можно. Старые самопальщики обленились, а новых не появляется. До электронного ГРМа надо еще верхние распредвалы родить как-то, а делать это некому.


BuffoG's picture

Alex_and_Alex:
Бесполезно. Я просто прикинул в уме вот такую мысль:
1.Допустим мотор крутится 10 тыс. оборотов в минуту. Это 6 мс период. Клапан срабатывает один раз за два оборота, его период будет 12 мс. (это полный оборот распреда, или полный проход по картинке-циклограмме с фазами)
2. Это будет 1 градус распредвала за 33 микросекунды.
3. Читаем эту тему: https://oppozit.ru/post_98365.html берем "Урал" впускной клапан для примера
4. Клапан от 1 мм до полного открытия и обратно проходит за 249 градусов.
5. Допустим клапан открывается 1/2 этого времени и дальше за 1/2 закроется. Грубо, но наглядно.
6. На открытие у нас есть 125 градусов, это 4 мс. Клапану надо надо пройти 5 мм. Это 12,5 метров в секунду (!!!).
7. Масса клапана около 50 грамм.
8. Считаем энергию этого движения mv^2/2 = 3,9 Дж разгон и столько-же разгон в обратную сторону, итого 7,8 Дж. Остановку не считаем, пусть там есть какие-то упоры.
9. За секунду это надо сделать 166 раз. Получаем 1300 Дж/сек. Это 1,3 кВт.

Без использования пружин, маховиков или прочих аккумуляторов механической энергии, при работе только электропривода на дерганье одного нашего клапана с нужной скоростью на 5 мм хода потребуется... 1,3 кВт энергии без учета КПД. А т.к. это нифига не равномерный процесс, пиковая мощность привода должна быть в разы больше. При том от массы клапана она меняется линейно, а от скорости - квадратично. И это печаль.

Проверьте, может где ошибся? Я думал что будет много, но вышло реально дофига.

Алекс, откуда ты взял время 6мс?
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Alex_and_Alex's picture

10 тыщ оборотов в минуту это 166 в секунду. Время одного оборота = 1/166 = 0,006 сек = 6 мс.


Kataru Karas's picture

Кстати верно писали. Тоже посчитал, дофига.
Но.
10 000 оборотов у Урала? Максимум 5000(как предлагали - можно и три для начала). А это уже 12(20)мс.
А так же правило одного миллиметра здесь неприменимо. Это для распредвалов придумали, т.к. там есть профиль кулачка и по другому никак.
А тут нужно считать энергию от начала открытия и до закрытия + удержание в закрытом состоянии (проще, из-за возможного использования ферритов).


Alex_and_Alex's picture

Если что - есть в природе соленоид, сравнимый с клапанной пружиной на ходе до 5 мм:
https://www.actronic-solutions.de/files/actronic/FTPROOT/Kurzhubmagnet_8...
Жмет 500 Н (50 кг), но при 10% рабочем цикле. Но он реально здоровый и про быстродействие ничего не сказано.


Dragster's picture

Огромными соленоидами представлены собою гидроблоки АБС 1 поколения на мотоциклах БМВ К серии. Их быстродействие, я скажу, оставляет желать лучшего и электроэнергии они потребляют очень много.


Kataru Karas's picture

А если использовать рычаги?
Поставим пока задачу только на штатную работу. Т.е. что бы работало не хуже чем с распредвалом.
Скажем, макс. открытие будет регулироваться упором (болт с контргайкой).
А полное закрытие за счёт силы катушки и небольшого зазора до упора.

Стоило объявить задачу, наверное. А то тут все так активно начали решать задачу того самого немецкого привода. Это конечно радует очень. Но нахрапом вряд ли получится. Да и я сам еще совсем зелёный оппозитчик. Начал вот SolidWorks изучать, да в техникуме учиться(это что бы понимали, что я не прожжённый конструктор с какого-нибудь НИИ).

Итак, задачи:

1. Избавиться (полностью) от тепловых зазоров.
Я думал именно о тяговой силе эл-магнита. Получается этакая магнитная пружина, которая на всё протяжении закрытия клапана, тянет его на себя.
2. Избавиться от железа - распредвал(с его шумстернёй), толкатели, штанги и коромысла.
3. Взять под контроль клапана. Так же как и с впрыском (форсунка), так и с клапанами. Мы должны контролировать их, полностью.

И вот тут начинаются компромиссы.

п. 1. Здесь никаких проблем я не вижу. Озвучьте, если их видите вы.

п. 2. Если использовать рычаги, то от всего железа избавиться не получится. Но тут уже можно придумать нормальные рокера, с широкими опорами, так называемые вечные (так не правильно говорить).

п. 3. Тут я только смутно представляю как можно проконтролировать высоту открывания. Пока только дополнительной серво-машиной с червячным упорным редуктором о который будет биться открывающийся клапан и не упираться в конечный упор.


BuffoG's picture

1. от тепловых зазоров не избавится от слова вообще, их можно только компенсировать. Никто не отменял тепловых линейных расширений разных металлов и все они расширяются по разному.
2. обсуждается чуть выше в ветке
3. предлагаю сперва избавится от впускного клапана и в вместо него использовать инжекционный механизм который будет подавать в КС бензин и воздух под давлением, смесь будет смешиваться в камере смешивания (аналог кислородной горелки) и готовой подаваться в цилиндр.
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Kataru Karas's picture

1. Как раз таки можно. Если сверху в клапан (даже с учётом коромысла) ничего не упирается. А у нас там соленоид на концу, и ничего не упирается. Остановка при закрытии об седло. Нет тепловых зазоров.
3. Есть идеи по простой системе создания этого давления?
Там ведь получается, что чем выше давление из вне, тем меньше впускной клапан(для инжектора) - тем выше давление нужно, дабы пропихнуть нужное количество воздуха и при этом успеть это сделать. А это +воздушный компрессор.
Идея конечно. Хотя и дополнительное усложнение конструкции.


BuffoG's picture

1. ты забываешь про тепловое удлинение стержня клапана.
3. Сначала надо прикинуть какой объем воздуха потребляется ДВС при максимальных и рабочих оборотах, я полагаю, что он не линеен. После прикидываем какой производительности нам необходим компрессор и какого объема ресивер. Далее техническая часть по внедрению вместо клапана инжектора. Инжектор должен выглядеть так:

Нас интересует узел смешения.
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)


Kataru Karas's picture

А инжекторные системы подачи воздуха вообще применялись?
Что-то я ничего не нарыл пока.


BuffoG's picture

шнековые нагнетатели Рутса можно считать квазиинжекторами. А вообще эта идея возникла у меня спонтанно и я также в литературе ее не встречал. Вообще можно смоделировать процесс в ФлоуВижн например и поглядеть что выходит
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)

User login