Характеристика кривой момента двигателя

Характеристика кривой момента двигателя

Характеристика кривой момента двигателя

Для замены в оборудовании асинхронного двигателя на сервошаговый привод необходимо выбрать привод так, чтобы он полностью соответствовал мощности. Шаговый привод не имеет номинальной мощности, мощность ШД изменчива. Она большая в момент удержания и продолжает расти с определенной скоростью до “точки прорыва”, далее мощность плавно опускается, но ее феромагнитные потери повышаются. При том, с ростом скорости моментально падает крутящийся момент. График этого падения часто принимают как линейный.

Чтобы найти необходимый привод будем использовать опытные приближения.

Для подбора привода с определенной мощностью на ШД, определим сначала момент(выдаваемый мотором) и скорость вращения. Представим, что со скоростью 200 об/мин. от привода необходим момент Md = 10Нм. Чтобы рассчитать мощность, воспользуемся приближенной формулой для двигателя Р, которое на практике поможет оценивать:

P = Md × n × 0.1 = 200 Вт

Это приближение помогает определять прямо с графика мощность двигателя. Скорость и мощность вращения асинхронного двигателя в данный момент мы знаем. Следовательно, из выше указанной формулы выражаем момент.

Md = P / (n × ˜0.1) или Md = P × z/6.28 × f

где z – число полных шагов на оборот, f- частота шагов(Гц).

После чего, по скорости и моменту вращения можно выбирать двигатель, обращая внимание на кривую момента и на документацию. Для каждой системы передач, требуемых узлов и механизмов, есть свои тонкости в расчетах.

Расчет шагового двигателя для грузоподъемной установки:

Кинетическая энергия системы: E=(1/2) m V 2 (1/2) J ω 2 (1/2) Jдвω 2 =(1/2) Jпрω 2 ,

Производная от кинетической энергии по времени: dE/dt = Jпрω ε

где Jдв – момент инерции ротора двигателя;

Jпр=mR 2 J Jдв – приведенный момент инерции;

Мощность внешних сил в системе:

Мощность силы трения: PFтр = -FтрV

Мощность крутящего момента: PM=Mω

Сумма мощностей всех сил: ∑Pi=Mω – (mg V sinαFтрV)

Учитывая, что V= ωR

Производная от кинетической энергии по времени определяется мощностями внешних сил:

Откуда величина вращающего момента M, который нужно приложить к барабану, чтобы его угловое ускорение было равно ε:

M = Jпрε(mg sinαFтр)R = (mR 2 J) ε(mg sinα Fтр)R

Соотношение между частотой отработки шагов двигателя ν и угловой скоростью ω: ω=H*ν/(2π), где H=360/φ – количество шагов (микрошагов) в одном полном обороте двигателя. Скорость подъема: V=ωR=HνR/(2π) Частота отработки шагов ν, необходимая для поъема груза со скоростью V ν=V2π/(HR), в полушаге (т.е. при φ=0,9 и H=400) ν=Vπ/(200R) Ротор шагового двигателя, начинающий отработку шагов с частотой ν на первом шаге движется с ускорением: ε=νω=ν 2 H/(2π)=2πV 2 /(HR 2 ) Требуемый момент на валу шагового двигателя, который сможет поднимать груз со скоростью V:

Mшд=(mR 2 J)Hν 2 (2π)(mg sinαFтр)R
Mшд=(2π/H)*(V 2 /R 2 ) (mR 2 J) (mg sinαFтр)R

Выбор шагового двигателя для транспортной тележки:

Кинетическая энергия системы: E=(1/2) m1 V 2 2(1/2 m2V 2 1/2 Jzω 2 1/2 Jдвω 2 )=1/2 mпрV 2

где Jдв – момент инерции ротора двигателя;

Jz=m2R 2 – момент инерции колеса относительно его оси;

Производная от кинетической энергии по времени: dE/dt = 1/2 mпр 2V dV/dt = mпрVa

Момент сопротивления качению: Mск=fmg

Откуда требуемый момент на валу двигателя:

M = Rmпрaf(m1g2m2g)

Определение требуемого крутящего момента шагового двигателя в системах с винтовыми передачами:

Ход резьбы за 1 полный оборот:Ph=nP,

где P- шаг резьбы, n – число заходов.

Угол подъема резьбы:φ = arctg(nP/πd)

M = Fd/2 = 1/2 Qd tgφ

Определение требуемого крутящего момента шагового двигателя в системе с вращающимся цилиндром:

Для определения крутящего момента в системе с вращающимся цилиндром, необходимо знать момент инерции цилиндра:

Сплошной цилиндр, относительно оси a: J = 1/2 m * r 2 .

Полый цилиндр, относительно оси a: J = 1/2 * m * (r 2 r 2 )

Кинетическая энергия системы:E=1/2(JJдв)ω 2

Производная от кинетической энергии по времени:dE/dt = (JJдв) ω ε

Мощности внешних сил в системе:

мощность момента трения: Pтр=Mтрω

мощность крутящего момента: PM=Mω

сумма мощностей всех сил: ∑Pi=Mω – Mтрω

Производная кинетической энергии по времени определяется мощностями внешних сил:dE/dt=∑Pi;, или (JJдв) ω ε = Mω – Mтрω

Величина вращающего момента M:

M=(JJдв) ε Mтр

Определение крутящего момента шагового двигателя в механизмах с реечной передачей

Для определения крутящего момента в системе с вращающимся цилиндром, необходимо знать момент инерции:

Момент инерции шестеренки определяется следующим образом: Jшест = 1/2 * mшест * R рол 2 .

Момент инерции зубчатой рейки: Jрейки = mрейки * R 2 .

Суммарный момент инерции шестеренки и рейки: Jсумм = JшестJрейки

Кинетическая энергия системы:E=1/2 Jдвω 2 1/2 J ω 2 1/2 mV 2 =1/2 mпрω 2 ,

где mпр=m(JдвJ)/R 2 – приведенная масса системы

Производная от кинетической энергии по времени:dE/dt = mпрVa

Суммарная мощность всех сил:∑Pi=(M-fтр(mg))V/R

Производная от кинетической энергии по времени определяется мощностями внешних сил:dE/dt=∑Pi или mпрVa = (M – fтр (mg))V/r

Величина вращающего момента M, который нужно приложить к шестерне, чтобы угловое ускорение было равно a:

Характеристики асинхронного электродвигателя, крутящий момент скольжения.

Крутящий момент скольжения, характеристики трёхфазного асинхронного электродвигателя

Кривая крутящего момента скольжения для асинхронного двигателя даёт информацию об изменении крутящего момента со скольжением. Скольжение определяется как отношение разности синхронной скорости и фактической скорости ротора к синхронной скорости устройства.

Изменение скольжения может быть достигнуто вместе с изменением скорости, когда скорость меняется, будет меняться и скольжение, и крутящий момент, соответствующий данной скорости, также будет изменяться. Кривая может быть описана в трёх режимах работы:

Моторный режим

Идёт подача в область статора, и двигатель всегда вращается медленнее синхронной скорости. Крутящий момент асинхронного двигателя меняется от нуля до крутящего момента полной нагрузки, так же как и скольжение.

Скольжение претерпевает изменения от нуля до единицы. При отсутствии нагрузки скольжение составляет ноль, а при состоянии покоя оно равно единице. Кривая показывает, что крутящий момент прямо пропорционален скольжению. Это означает, что чем больше скольжение, тем больше производимый крутящий момент, и наоборот. Линейные взаимоотношения сильно упрощают расчёт параметра двигателя.

Генерирующий режим

Асинхронный двигатель работает быстрее синхронной скорости, и он должен управляться основным движителем. Обмотка статора подсоединена к трёхфазной подаче, за счёт которой поступает электрическая энергия. В действительности, в данном случае, скольжение и крутящий момент отрицательны, так что двигатель получает механическую энергию и производит электроэнергию.

Асинхронный двигатель не часто используется как электрогенератор, поскольку ему нужна для такой работы реактивная энергия.

Реактивную энергию в таком случае пришлось бы подавать извне, и если бы двигатель работал медленнее синхронной скорости по какой-либо причине, он бы скорее потреблял электроэнергию, чем бы производил её. Так что асинхронные электрогенераторы стараются не использовать.

Разрывающий режим

Два провода или полярность поставляемого напряжения меняются, так что двигатель начинает вращаться в обратном направлении, в результате чего электродвигатель останавливается. Этот метод разрыва известен как торможение противовключением.

Метод применяют, когда нужно остановить двигатель в течение очень маленького промежутка времени. Кинетическая энергия, накопленная во вращающейся нагрузке, рассеивается в качестве тепла. Также двигатель всё ещё получает энергию от статора, которая также рассеивается в виде тепла.

В результате двигатель производит много тепловой энергии. Для этого статор отключается от подачи, до того как двигатель войдёт в разрывающий режим. Если нагрузка, которой управляет двигатель, ускорит двигатель в том же направлении, что и направление его вращения, скорость двигателя может возрасти до уровня выше синхронной скорости.

Читать еще:  Zd30 стук в двигателе

В этом случае он ведет себя как асинхронный генератор, который поставляет электроэнергию в сеть электроснабжения, которая стремится замедлить двигатель до синхронной скорости, в этом случае двигатель останавливается. Этот тип разрывающего принципа зовётся динамическим или регенерирующим разрыванием.

Крутящий момент скольжения, характеристики однофазного асинхронного электродвигателя

Из рисунка видно, что когда скольжение едино, переднее и заднее поле производят одинаковый крутящий момент, но его направление противоположно друг другу, так что производимый крутящий момент равен нулю, поэтому двигатель не может стартовать. Отсюда можно сделать вывод, что эти двигатели не запускаются сами, в отличие от трёхфазных.

Должны быть средства, чтобы обеспечить стартовый крутящий момент. За счёт некоторых средств можно достичь увеличения передней скорости устройства, в силу чего переднее скольжение будет уменьшаться, передний крутящий момент будет усиливаться, и обратный крутящий момент будет уменьшаться. В результате двигатель стартует.

Отсюда можно сделать вывод, что для старта однофазного двигателя, должна быть разница крутящего момента между передним и задним полем. Если крутящий момент переднего поля больше, чем заднего поля, то двигатель вращается вперед, или против часовой стрелки. Если крутящий момент заднего поля больше, то электродвигатель крутится назад, или по часовой стрелке.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Что такое крутящий момент?

Какую мощность развивает конь в упряжке? Странно, но средняя лошадь выдает при длительной работе только 0,8 л.с.; во всяком случае, именно такой показатель закладывали (и закладывают) обычно в инженерные и экономические расчеты по гужевому транспорту и пр. Считается также, что мужчина средних лет и обычной физической подготовки развивает (опять же при длительной работе) около 0,1 л.с. Немного, но и человек, и лошадь способны напрячься и несколько секунд выдавать гораздо больше – в разы. Конь вытаскивает телегу, застрявшую в разбитой колее, а моторчик внутреннего сгорания мощностью в 2 (две!) л.с. просто глохнет. Крутящего момента не хватило…

Золотое правило механики

Так что же такое крутящий момент и как он связан с мощностью двигателя? Вспомните среднюю школу: мощность определяется произведением силы на скорость (с какими-то коэффициентами в зависимости от единиц измерения) – для поступательного движения. Допустим, тянете вы груз с усилием в 12 кг и со скоростью 1 м/сек. (3,6 км/ч); тогда ваша мощность – 12 кгм/сек. То есть, 0,16 л.с. [Европейская (парижская) лошадиная сила считается 75 кгм/сек. Англо-американская практика вся запутана футами и фунтами, так что британская лошадиная сила (bhp) равна 1,0139 л.с. по «континентальному» счету.] ; неплохо. Космический ракетный двигатель развивает тягу в 100 т при скорости 12 км/сек., значит, его мощность – 16 млн л.с.!

Или же мощность определяется произведением крутящего момента [В свою очередь крутящий момент (он имеет смысл при вращательном движении) равен произведению силы на плечо ее действия. Когда к рычагу плечом в 1 м прилагается усилие в 10 кг (перпендикулярно плечу!), то тем самым создается крутящий момент в 10 кгм. Или в 98 Нм – кому как нравится.] на частоту вращения вала – для вращательного движения. Вот и все, остальное – арифметика. Если на валу мотора при 6000 мин -1 (в просторечии оборотов в минуту) замерен крутящий момент в 10 килограммометров, то его мощность равна 83,775 л.с. Или 61,6 кВт – в других единицах измерения [Один кВт равен 1,36 «континентальной» л.с. – даже в Африке.] . Причем неважно, о каком именно двигателе идет речь – о паровой машине, газовой турбине, поршневом д.в.с. или электромоторе; арифметике без разницы.

Момент силы F на плече R; крутящий момент равен F x R

И что же нашему брату, автомобилистам, нужно – мощность двигателя или его крутящий момент? Вот притча: вынесли вы на рынок картошку и хотите сбыть ее по 35 руб. за кг. Вроде как главное для вас – хорошая цена. Продали пару кило – по 35, а больше не берут; дорого. Тут-то и выясняется, что для вас важна не столько цена – за кг, – сколько общая выручка от продажи 2 центнеров картошки.

Так и с моторами: нередко автомобилисты заявляют, что для них главное – момент, тяга, а мощность – дело десятое. Ровно наоборот – как в старом анекдоте: дай нам, Господи, мощность, а крутящий момент мы уж как-нибудь сами…

Пусть микролитражный моторчик развивает 10 л.с. при 6 тыс. оборотов. То есть, крутящий момент на его маховике – 1,2 кгм (11,7 Нм). Вам нужно 100 Нм? Ради Бога: ставим понижающий редуктор (с передаточным числом 8,55), – и вот вам 100 Нм на выходном валу [Забудем пока о (неизбежных) потерях мощности в редукторе.] . Причем мощность – за вычетом потерь – остается, естественно, той же. Хотите 1000 Нм? Пожалуйста, возьмите редуктор с передаточным числом 85,5; вопрос подбора шестеренных пар…

Но! При моменте в 100 Нм на выходном валу редуктора его обороты уже не 6000 мин -1 , а только 700 с небольшим. Золотое правило механики: выигрывая в крутящем моменте (в силе), проигрываем в частоте вращения (в скорости). А 1000 Нм вы получите и вовсе при 70 мин -1 ; слишком медленно. Так вы хотите и крутящий момент, и обороты! И рыбку съесть, и не поцарапаться. Вам нужно продать по 35 руб. не 2-3 кг картошки, а много. Так и скажите: для меня главное – выручка. Для меня главное – мощность двигателя.

Мощность!

Допустим, катите вы в легковушке по ровной дороге с усовершенствованным покрытием; скорость постоянная – 100 км/ч. Тяга от двигателя в пятнах контакта ведущих колес с ходовой поверхностью в сумме как раз покрывает силы сопротивления воздуха и качения покрышек; для вашего авто (с его аэродинамикой, весом, шинами и давлением в них): положим 54 кг. То есть, крутящий момент на оси (при радиусе качения колес, скажем, 265 мм) равен 140 Нм, обороты колес – около 1000 мин -1 , а расходуемая мощность – 1500 кгм/сек. или 20 л.с. С учетом потерь в трансмиссии – от маховика до пятна контакта – от мотора требуется мощность около 22,5 л.с.; легко.

А чтобы ехать на две «сотни»? При удвоении скорости, силы сопротивления возрастают примерно вчетверо – по квадрату. Иначе говоря, потребная мощность увеличивается в 8 раз (4 х 2) – по кубу скорости! От двигателя нужны теперь 170-180 л.с. на маховике, поэтому далеко не каждый автомобиль способен набрать скорость в 200 км/ч.

Это – при равномерном движении; а если вы хотите еще и разгоняться (или идти на подъем), необходима свободная мощность. Скажем, те же 22,5 л.с. на скорости 100 км/ч – плюс еще 10 л.с. на ускорение физического тела; II закон Ньютона. Или 50 л.с. – тогда разгон энергичнее.

Как видите, и скорость автомобиля, и динамика его разгона зависят от мощности двигателя; как же ее поднять? Держать крутящий момент до высокой частоты вращения вала. Скажем, довести обороты того же микролитражного моторчика до 12 тыс. – при неизменном моменте в 11,7 Нм. Значит, его мощность увеличивается ровно вдвое – до 20 л.с. В общем, тут такое соотношение:

P = 1/716,2 M x n,

где P – мощность двигателя (л.с.) при n мин -1 , M – его крутящий момент (кгм) при тех же оборотах. А 1/716,2 – просто коэффициент размерности.

Читать еще:  Что такое плавный пуск двигателя в насосе

К сожалению, повышать частоту вращения вала поршневого двигателя очень непросто: силы инерции, нагрузки, трение. Ведь если раскрутить мотор от 6000 до 12000 мин -1 , то силы инерции, которые нагружают детали конструкции, возрастают вчетверо. Нелинейно – по квадрату оборотов. И когда 2,4-литровые «восьмерки» в Формуле 1 развивают максимальную мощность при 19500 мин -1 , то силы инерции при такой частоте выше, чем при 6 тыс. оборотов, вовсе не в 3,25 раза. А в 3,25 х 3,25 = 10,5 раз! Внутреннее трение нарастает еще быстрее (от 6 до 19,5 тыс. раз в 35); к тому же ухудшается наполнение цилиндров топливовоздушной смесью – и крутящий момент неотвратимо падает. Поэтому у каждого двигателя есть точка перегиба на кривой мощности по частоте вращения вала. У каждого своя, но после точки перегиба мощность по оборотам уже не повышается, а наоборот – падает. Не говоря уже об опасности перекрутить мотор и разрушить его стремительно нарастающими силами инерции.

Есть и другой путь: увеличивать крутящий момент. Тут главный прием – наддув: прокачивайте через ваш моторчик вдвое больше воздуха (и соответственно горючего), и крутящий момент повысится, грубо говоря, в 2 раза – при тех же оборотах. И всего делов. Правда, нарастают тепловые нагрузки, возникают другие головные боли…

Теперь забудем про редукторы; вы нередко видите графики крутящего момента и мощности двигателей по оборотам – так называемая внешняя скоростная (внешняя – потому что при полном «газе», а скоростная – поскольку по скорости вращения вала) характеристика. Так вот, вам достаточно видеть одну из кривых – либо момента, либо мощности; все равно. Другая восстанавливается из первой – и наоборот. Их приводят обе просто для удобства, – чтобы вам не заниматься сложнейшими арифметическими расчетами.

Скоростная характеристика бензиновой «шестерки» GS450h: наибольший крутящий момент при 4800 мин-1, влево он уменьшается. А ниже 1000 оборотов лучше вообще не опускаться

То есть, связь между крутящим моментом, оборотами вала и мощностью двигателя однозначная – как между длиной основания треугольника, его высотой и площадью. Независимо от того, прямоугольный он, косоугольный и какого цвета.

Скоростная характеристика тягового э-мотора Lexus GS450h: наибольший крутящий момент при 0 оборотов!

И забавно, когда фирменный пресс-релиз прокалывается по простейшему правилу, – скажем, на web-сайте новоявленной калифорнийской компании DiMora Motorcar. По проекту ультра-люкс-седана Natalia, максимальная мощность 16-цилиндрового(!) мотора Volcano превышает 1200 л.с. Наибольший крутящий момент – 1220 Нм (900 футо-фунтов); однако тут не сходится. По сведениям от DiMora же, «отсечка» срабатывает на 6500 мин -1 ; значит, максимальная мощность достигается при 6000-6250. Но тогда наибольший момент ну никак не меньше 1400 Нм, а вернее все 1500. Арифметика: 2 х 2 = 4 и в солнечной Калифорнии.

Эластичность двигателя

Взгляните еще раз на кривую крутящего момента: она дает ключевую характеристику двигателя – его эластичность. Надо сказать, у автомобильных д.в.с. кривая неблагоприятная – то ли дело у газовой турбины, паровой машины, электромотора. Они выдают наибольший крутящий момент при низких оборотах – и даже при полной остановке вала. То есть, как лошадь: замедляют ход, напрягаются – и вытаскивают повозку. А попробуйте остановить вал ВАЗовской «четверки» или 12-цилиндрового двигателя Rolls-Royce – они попросту заглохнут.

График крутящего момента у обычного д.в.с. левее 1000 мин -1 обычно и не рисуют; он не способен работать на оборотах ниже «холостого хода». Тогда как у э–мотора кривая поднимается к 0 оборотов – примерно по гиперболе; исключительная эластичность. При увеличении нагрузки (крутой подъем и т.п.) э–мотор теряет обороты – и увеличивает крутящий момент; сопротивляется до упора! А д.в.с. при падении частоты вращения (ниже «пиковых» по крутящему моменту) сопротивляется все слабее – и в конце концов останавливается. Две большие разницы, как говорят в Одессе.

Отсюда, кстати, идея «гибридных» бензин-электрических силовых агрегатов: тяговый э–мотор принимает на себя нагрузку именно там, где д.в.с. беспомощен. На самых «низах»; а обычно автомобильный двигатель выдает наибольший крутящий момент где-то при промежуточных частотах вращения вала. Причем у «остро» настроенного мотора пик момента сдвинут к высоким оборотам, а при низких он тянет слабо. Тогда и говорят о выраженном «подхвате»; ничего тут хорошего нет.

Так что же все-таки важнее – крутящий момент или мощность? Ответ: разумеется, нужен крутящий момент – в широком диапазоне оборотов! В том числе и при самой высокой частоте вращения вала, – то есть, мощность.

Технический обзор компании YANMAR

Промышленный двигатель 3TNV80FT: обеспечивая лучшие в мире характеристики крутящего момента для дизельных двигателей объемом 1 л

Двигатель 3TNV80FT разработан, чтобы быть одновременно компактным и обеспечивающим высокие характеристики крутящего момента, имея при этом мощность менее 19 кВт.

Сочетание высокого крутящего момента и низкого уровня выбросов было достигнуто за счет использования турбонаддува с регулятором 2G Eco. Разработанный в компании Yanmar, регулятор 2G Eco является электронно-управляемым регулятором оборотов, который обеспечивает высокую степень свободы в управлении количеством впрыска топлива.

Кроме того, такие возможности позволяют двигателю сохранять высокую производительность в различных условиях окружающей среды и отвечать требованиям различных областей применения.

В настоящем отчете описаны технологии, используемые в двигателе 3TNV80FT.

Введение

Небольшие дизельные двигатели мощностью до 19 кВт от компании Yanmar снискали хорошую репутацию на рынке благодаря использованию механической системы впрыска топлива в соответствии с требованиями последних регламентов по выбросам, включая американские нормы токсичности Tier 4 Final и европейские стандарты Stage V.

Ужесточение требований регламентов в области выбросов в последние годы привело к необходимости оснащения двигателей мощностью более 19 кВт системами впрыска с общим нагнетательным трубопроводом, дизельными сажевыми фильтрами (DPF) и другими дорогостоящими устройствами ограничения выбросов, что и привело к повышению спроса на менее дорогие двигатели мощностью до 19 кВт. Наряду с нормативными изменениями, Yanmar также увидела возможность спроса на двигатели мощностью чуть менее 19 кВт в качестве замены для двигателей 20 кВт. Требование в этом случае заключается в обеспечении высокого крутящего момента, несмотря на то, что двигатель относится к классу мощности менее 19 кВт.

Двигатели мощностью до 19 кВт удовлетворяют широкому спектру потребностей рынка, повсеместно используются в машинах, применяемых в обычном домашнем хозяйстве, таких как газонокосилки, а также в строительной технике и других коммерческих областях.

В этом отчете описываются технологии и особенности двигателя 3TNV80FT, который поступил в продажу в 2016 году и был разработан с учетом вышеуказанных потребностей рынка.

Обзор продукта

Двигатель 3TNV80FT был разработан для удовлетворения рыночного спроса на компактные дизельные двигатели с превосходными характеристиками крутящего момента из линейки двигателей мощностью менее 19 кВт. На Рис. 2 представлена кривая крутящего момента новой модели в сравнении с предыдущим двигателем Yanmar из этой же категории. За счет увеличения крутящего момента на средних и малых оборотах, а также улучшения номинального крутящего момента, насколько это возможно, оставаясь в категории двигателей мощностью чуть менее 19 кВт, новый агрегат способен обеспечить высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов. Одной из целей разработки двигателя было обеспечение соответствия требованиям американских норм токсичности Tier 4 Final. Кроме того, недавно он прошел аттестацию на соответствие европейским стандартам Stage V. В результате был получен чистый двигатель, одновременно мощный и экологичный.

Читать еще:  Электросхема температуры двигателя ваз

В то время как вышеуказанные регламенты требуют, чтобы двигатели выполняли их предписания в отношении выбросов при работе на большой высоте (где давление воздуха низкое), проблема с предыдущей моделью с механическим регулятором заключалась в чрезмерном падении производительности, поскольку он не был способен линейным образом снижать количество впрыска топлива (которое имеет прямое отношение к количеству выбросов в выхлопных газах) в зависимости от высоты. Эта проблема была решена в новой модели, оснащенной электронным управляемым регулятором 2G Eco собственной разработки компании Yanmar, способным адаптировать крутящий момент двигателя в зависимости от высоты, тем самым сводя к минимуму потери мощности на больших высотах.

Еще одним преимуществом применения электронного регулятора является то, что он может осуществлять обмен данными по шине CAN с машиной, на которой установлен двигатель. Это дает возможность достичь высокого уровня энергоэффективности за счет интеграции с системами управления главной машины.

Рис. 1. Двигатель 3TNV80FT

Рис. 2. Кривая крутящего момента 3TNV80FT

Технологии и характеристики

  • Значительное увеличение крутящего момента благодаря использованию регулятора 2G Eco и турбонаддува

Превосходные характеристики крутящего момента (запас по крутящему моменту), являющиеся главным преимуществом нового двигателя, были достигнуты в результате использования на новом двигателе турбокомпрессора в сочетании с регулятором 2G Eco, который обеспечивает высокую степень свободы управления количеством впрыскиваемого топлива.

Поскольку сохранение мощности двигателя ниже 19 кВт было ключевым требованием, необходимо было увеличить количество впрыскиваемого топлива на низких и средних оборотах при одновременном ограничении количества впрыскиваемого топлива при работе на номинальных оборотах, чтобы оставаться в диапазоне мощностей чуть ниже 19 кВт. Поскольку такая способность регулировать количество впрыска топлива на разных оборотах не могла быть обеспечена механическим регулятором, используемым на предыдущей модели, она была реализована путем установки регулятора 2G Eco. Этот новый регулятор обеспечивает высокую степень свободы управления количеством впрыскиваемого топлива.

Затем, поскольку увеличение количества впрыскиваемого топлива при сохранении объема воздуха, вероятно, должно привести к увеличению выбросов твердых частиц, был добавлен турбокомпрессор для обеспечения достаточного количества воздуха, чтобы соответствовать увеличенному количеству впрыскиваемого топлива на низких и средних оборотах. На Рис. 4 показаны компромиссные варианты производительности, которые необходимо учитывать при выборе турбокомпрессора. Для определения оптимального выбора был построен и испытан ряд опытных образцов с различными техническими характеристиками (см. Рис. 5).

В совокупности эти меры позволили добиться на новом двигателе как улучшенных показателей выбросов, так и значительного увеличения крутящего момента.

Рис. 3. График крутящего момента

Рис. 4. Компромиссные варианты, которые следует учитывать при выборе турбокомпрессора

Рис. 5. Влияние различных технических характеристик турбокомпрессора на производительность

  • Улучшение эксплуатационных характеристик на больших высотах

Проблема эксплуатации двигателей на больших высотах (где давление и плотность воздуха ниже) заключается в том, что концентрация выхлопных газов (Sd) может повышаться из-за неполного сгорания топлива. Хотя это обычно решается путем ограничения впрыскиваемого количества топлива при работе при низком атмосферном давлении, это ухудшает эксплуатационные характеристики за счет уменьшения крутящего момента. Единственный способ решения этой проблемы с помощью обычного механического регулятора состоял в переключении между двумя различными кривыми крутящего момента для условий нормального и пониженного атмосферного давления соответственно, что приводило к нежелательному ухудшению эксплуатационных характеристик при некоторых условиях. Новая модель, напротив, использует регулятор оборотов 2G Eco, который обеспечивает возможность регулировать впрыскиваемое количество топлива на всех оборотах, а также использовать обратную связь от датчика атмосферного давления для линейного изменения впрыскиваемого количества в зависимости от высоты (см. Рис. 6). Добавление турбокомпрессора также означает, что двигатель способен лучше, чем предыдущая модель, получать необходимое количество воздуха, устраняя необходимость ограничения впрыскиваемого количества топлива на высоких оборотах даже при работе при низком атмосферном давлении. Это означает, что новый двигатель превосходит предыдущую модель, в том числе благодаря своей способности сохранять высокие эксплуатационные характеристики даже при работе при низком атмосферном давлении.

Рис. 6. Корректировки крутящего момента на большой высоте

  • Усовершенствования стали возможными благодаря функции электронного регулирования

Новый двигатель был улучшен следующим образом благодаря применению на нем регулятора оборотов 2G Eco.

  • Использование неравномерного регулирования оборотов для повышения эксплуатационных характеристик

Характеристика механического регулятора, использовавшаяся в прошлом, заключалась в том, что обороты двигателя падали (неравномерность регулирования оборотов) по мере перехода двигателя от нулевой нагрузки к полной нагрузке, причем это падение оборотов было выше на низких скоростях (см. Рис. 7). Применение регулятора оборотов 2G Eco, напротив, улучшило эксплуатационные характеристики двигателя, сохранив это падение оборотов примерно постоянным во всем диапазоне скоростей. Кроме того, обеспечивая оптимальные характеристики регулирования для машины, в которой он используется, новый двигатель также был оснащен дополнительной функцией для обеспечения нулевого падения оборотов (астатическое регулирование оборотов).

Рис. 7. Графики неравномерного регулирования оборотов и астатического регулирования

  • Улучшение расхода топлива за счет устранения избыточного впрыска при запуске или ускорении

Поскольку в механическом регуляторе впрыскиваемого количества топлива используется механизм, который управляется пружиной, в переходных режимах, таких как запуск или ускорение, в двигатель поступает избыточное топливо, что приводит к выбросам черного дыма и увеличению расхода топлива. Регулятор оборотов 2G Eco, напротив, позволяет избежать черного дыма и улучшить расход топлива, так как в нем используется линейный соленоид, регулирующий количество впрыска и поддерживающий соответствующий объем подачи топлива даже в переходных режимах.

Рис. 8. Сравнение характеристик впрыска топлива в переходных режимах

  • Возможность интеграции системы управления с машиной, на которой установлен двигатель

Благодаря возможности обмена данными CAN регулятор оборотов 2G Eco способен как передавать информацию, такую как число оборотов двигателя, нагрузка или сигналы тревоги, в систему управления главной машины, так и управлять условиями работы двигателя в соответствии с командами, отправленными из системы главной машины. Поэтому стало возможным разработать систему для машины, оснащенной гидравлическим оборудованием, например которая использовала бы этот функционал для обеспечения оптимального расхода топлива путем управления гидравликой и нагрузкой/оборотами двигателя одновременно.

Рис. 9. Блок-схема системы обмена данными



Выводы

Ниже приведены основные характеристики двигателя 3TNV80FT, описанные в настоящем отчете.

  • Благодаря оптимальному подбору турбокомпрессора к двигателю и использованию регулятора оборотов 2G Eco для управления впрыскиваемым количеством топлива, новый двигатель отвечает мировым требованиям к параметрам крутящего момента для двигателей мощностью менее 19 кВт, а также соответствует нормам выбросов, принятым в развитых странах.
  • Оптимальное управление количеством впрыска топлива с помощью регулятора оборотов 2G Eco сводит к минимуму падение производительности на большой высоте (где давление воздуха низкое), поддерживая отличные характеристики крутящего момента в таких условиях.
  • Использование возможностей обмена данными регулятора оборотов 2G Eco имеет потенциал для предоставления различных преимуществ в ответ на запросы от машины, на которой установлен двигатель.
    Несмотря на заметное увеличение количества гибридных и полностью электрических систем в качестве источников энергии в последние годы, в случае промышленного применения дизельные двигатели, как ожидается, сохранят свое превосходство с точки зрения долговечности и надежности еще в течение определенного времени. Компания Yanmar намерена продолжать разработку технологий для дизельных двигателей, поскольку она стремится поставлять продукцию, которая представляет максимальную ценность для своих клиентов на протяжении всего срока службы.

ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ

Оригинальный технический отчет написан на японском языке.

Настоящий документ был переведен отделом управления исследованиями и разработками.


Иппэй Судзуки (Ippei Suzuki),
Отдел разработки двигателей
Отдел управления производством промышленных энергетических продуктов
Отдел разработки решений для силовых машин

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector