מערכות הנעה של מאוורר הידראולי

מאת טום אייסטד

הקדמה

במנוע הבעירה הפנימית, הרבה מהאנרגיה אובדת לחוסר יעילות כמו חום. רק כ-30% מאנרגיית הכניסה מומרת למעשה להספק מכני.

עבור כלי רכב גדולים, מערכות קירור מנוע דורשות כמות משמעותית של כוח סוס ומגדילות מאוד את רמת הרעש של המכונה. עם מנועי Tier 4, דרישות הקירור גדלו והדרישה למערכות יעילות יותר גדלה. יש דחיפה גדולה יותר לפעולה שקטה יותר ויעילות מכונה גדולה יותר מאי פעם.

מערכות הנעת מאוורר קונבנציונליות מצננות יתר על המידה ברוב התנאים על מנת להבטיח קירור נאות במהלך תנאי פעולת החום הגבוה התובעניים יותר. עם מערכת זו, הרבה מהכוח המשמש להנעת המאוורר מבוזבז. מערכת הנעת המאוורר ההידרוסטטית המופעלת על ידי טמפרטורה, מבוקרת אלקטרונית יכולה להציע שליטה עדינה יותר ולהפחית את מהירות המאוורר בזמנים של ביקוש נמוך לקירור. לכן, מערכת הנעת המאוורר יכולה לצרוך פחות חשמל. ניתן להשתמש בכוח הנחסך כדי להגביר את יעילות הדלק ואת יעילות התפעול הכוללת של המכונה.

כונני מאווררים הידראוליים משתנים ומתחלפים

מערכות הנעת מאוורר מתחלפות או הפעלה/כיבוי משתמשות בשסתום הקלה עם בקרה מופעל או כבוי. זוהי האפשרות הפשוטה והנמוכה ביותר. נפח המשאבה והגדרת ההקלה קובעים את מהירות המאוורר המרבית. כאשר טמפרטורת המנוע מגיעה לרמה מוגדרת מראש, מסופק אות להפעלת המאוורר על ידי סגירת מערכת האוורור. כאשר טמפרטורת המנוע יורדת מתחת לרמה מסוימת, האות מוסר כדי לאפשר למערכת להתאוורר ולמאוורר מותר לעצור או לפעול בסל"ד נמוך. כאשר המאוורר פועל, הוא במהירות וברמת רעש מקסימלית.

בקרת מהירות מאוורר משתנה באמצעות שסתום הקלה פרופורציונלי היא הפתרון החסכוני ביותר, המספק יעילות תפעולית גבוהה מאוד. מהירות המאוורר משתנה כפונקציה של הלחץ שנקבע על ידי שסתום ההקלה היחסי. מהירות המאוורר המרבית מושגת כאשר שסתום בקרת הלחץ הפרופורציונלי נמצא בהגדרה הגבוהה ביותר שלו. שסתום ההקלה "יכשל" ללחץ גבוה כך שאיבוד האות החשמלי גורם למאוורר לפעול במהירות מרבית לקירור מנוע מקסימלי אם הספק החשמלי אבד.

מהירות מאוורר משתנה באמצעות משאבת נפח משתנה היא היעילה ביותר ומציעה את הפעולה השקטה ביותר, אולם העלות הראשונית של מערכת מסוג זה גבוהה יחסית, ולכן השימוש בה מוגבל. במערכת זו המשאבה מניעה את המאוורר אך מספקת גם פונקציות אחרות. כאשר הפונקציות האחרות דורשות לחץ גבוה יותר מהמאוורר, ניתן להשתמש בשסתום הפחת כדי להגביל את הלחץ על המאוורר. נעשה שימוש בקרת זרימה פרופורציונלית במקום שסתום שחרור לחץ. המשאבה יכולה לכלול בקרת תחושת עומס שתדרוש קו חישה במורד בקרת הזרימה. ביישומים שבהם המשאבה מוקדשת לחלוטין לכונן המאוורר, שסתומי בקרת הלחץ והזרימה יהיו בדרך כלל חלק בלתי נפרד מבקרת המשאבה המוברגת.

היתרונות של כונן מאוורר הידראולי עם מהירות משתנה

שליטה מדויקת על טמפרטורת נוזל הקירור - העקומה למטה מציגה תוצאה אופיינית למהירות המאוורר לעומת טמפרטורת נוזל הקירור. ההבדל בין עקומת ההדלקה לעקומת הכיבוי (היסטרזיס) קטן מאוד, בערך 1°C. זה מאפשר שליטה מדויקת על טמפרטורת נוזל הקירור עם תנודות טמפרטורה מינימליות, גם כאשר יש שינויים קיצוניים בעומס המנוע.

בלאי מופחת של המנוע - מתן אפשרות לקירור המנוע להתחמם מדי מפרק את תכונות שמן המנוע ומפחית את הסיכה. ניתן להפחית במידה ניכרת את בלאי הצילינדרים והמיסבים כאשר טמפרטורת הפעולה מושגת במהירות ונשמרת.

גמישות גבוהה - מתכנן הרכב רשאי לייעל את סידור המנוע ורכיבי מערכת הקירור. ניתן להשיג כאן יתרון ניכר בכל הנוגע לבידוד הרעשים של המנוע.

אפנון מהירות - מספק ויסות קבוע ממהירות המאוורר המינימלית למקסימום בטווח טמפרטורות של כ-10 מעלות צלזיוס. זה מונע שינויי מהירות פתאומיים שיכולים להוביל לעומסים כבדים על חלקי הכונן ולרמות רעש גבוהות. רוחב הפס של 10°C מאפשר תפוקת קירור ממוצעת ללא מעבר מיותר בין מהירות המאוורר המינימלית והמקסימלית.

הגבלת מהירות מרבית - שסתום בקרת הלחץ הפרופורציונלי פועל גם להגבלת מהירות המאוורר המרבית כדי לשלוט בצריכת החשמל וברמת הרעש של האימפלר.

חיסכון באנרגיה - בדרישות קירור רגילות, המאוורר יפעל בכ-50% עד 80% מהסל"ד המרבי ויכול לרדת עד 10% עד 20% באקלים קר. זה מביא לחיסכון בחשמל וירידה בצריכת הדלק. העקומה לעיל מציגה עקומת דרישת הספק טיפוסית למאוורר הידרוסטטי עם בקרה פרופורציונלית. כאשר המאוורר פועל בין 50% ל-80% מהמהירות המקסימלית, כוח הסוס המבוא מופחת לכ-40% עד 80% מהמקסימום. באקלים של מזג אוויר קר זה יכול להיות נמוך כמו 15% עד 20% מכוח הסוס המרבי. כוח סוס הקלט הוא סכום כוח הסוס של המאוורר בתוספת ההפסדים המכניים והידראוליים של המערכת.

מערכות בקרה ורכיבים אלקטרוניים

מערכות הנעת מאוורר הידרוסטטית יכולות להשתמש בבקרות אלקטרוניות החל ממעגלים פשוטים של חיישנים בודדים ועד למעגלים מורכבים מרובי חיישנים עם משוב על מהירות המאוורר. סוג האלקטרוניקה המשמש ביישום נתון נקבע לפי רמת הדיוק והבקרה הנדרשים.

בבקרת שתי מהירויות פשוטה יש חיישן טמפרטורה או מתג ושסתום הקלה פרופורציונלי. במערכת זו המאוורר יפעל במהירות מרבית כאשר דרישת הקירור גבוהה, ובמהירות ביניים כאשר דרישת הקירור נמוכה יותר. הבקרה האלקטרונית מוגדרת להמתין עד שייווצר אות על ידי חיישן הטמפרטורה או המתג לפני הפעלת המאוורר. זה מאפשר למנוע להגיע לטמפרטורה לפני שהמאוורר מתחיל לפעול.

לבקרה האלקטרונית פונקציית רמפה מובנית אשר תביא את מהירות המאוורר למקסימום בקצב תאוצה מבוקר. זה מפחית את עומס הלם האתחול על רכיבי כונן המאוורר. כאשר טמפרטורת נוזל הקירור יורדת מתחת לנקודת ההגדרה, סל"ד המאוורר מופחת למהירות הביניים. לאחר מכן המאוורר יעבור בין שתי המהירויות בתאוצה מדורגת ממהירות ביניים למקסימום.

המערכות הפרופורציונליות המוצגות מתוחכמות יותר, ומציעות שליטה מדויקת יותר על מהירות המאוורר. מערכות אלו יכולות להשתמש במודול מאוורר נפרד או להשתמש באות ממודול בקרת המנוע (ECM). מערכות אלו יכולות לספק בקרת טמפרטורת מנוע מדויקת. מהירות המאוורר מווסתת ללא הרף מעל כ-10°C עם היסטרזיס של כ-1°C.

יישומים

הגורמים העיקריים שיש לקחת בחשבון בעת ​​יישום מערכות הנעת מאוורר הם:
• מפרטי מאווררים
• גודל משאבה/מנוע
• בחירת שסתום פרופורציונלי
• דרישות בקרה אלקטרונית

מפרטי המאוורר יקבעו בדרך כלל זרימת אוויר בסל"ד נתון, מה שיגרום לדרישת כוח סוס ומומנט. ממפרט זה ניתן לבחור את המשאבה/מנוע. זה קובע את דרישות הזרימה והלחץ שיקבעו את שסתום ההקלה היחסי שיש להשתמש בו. לאחר מכן ניתן לבחור ולתכנת את האלקטרוניקה בהתבסס על דרישות המערכת עבור התשומות ופרמטרי הבקרה הסופיים.

מסקנה

עבור מעצב המכונה, כונן המאוורר ההידרוסטטי מציע גמישות בהתקנה יחד עם רעש מופחת ויעילות גבוהה. האמינות של מערכת הנעת המאוורר משופרת מכיוון שהרכיבים פועלים במחזור עבודה נמוך יותר עם פחות עומס זעזועים.