سیستم های درایو فن هیدرولیک

نوشته Tom Eystad

مقدمه

در موتورهای احتراق داخلی، بخش زیادی از انرژی به دلیل ناکارآمدی هایی مانند گرما از دست می رود. تنها حدود 30 درصد از انرژی ورودی در واقع به توان مکانیکی تبدیل می شود.

برای وسایل نقلیه بزرگ، سیستم های خنک کننده موتور به مقدار قابل توجهی اسب بخار نیاز دارند و به شدت آن را افزایش می دهند سطح نویز دستگاه با موتورهای ردیف 4، نیازهای خنک کننده افزایش یافته و تقاضا برای سیستم های کارآمدتر چند برابر شده است. فشار بیشتری برای عملکرد آرام تر و راندمان دستگاه بیشتر از همیشه وجود دارد.

سیستم‌های درایو فن معمولی در اکثر شرایط بیش از حد خنک می‌شوند تا از خنک‌سازی کافی در شرایط سخت‌تر عملیات حرارتی بالا اطمینان حاصل کنند. با این سیستم، مقدار زیادی از نیرویی که برای راه اندازی فن استفاده می شود هدر می رود. سیستم درایو فن هیدرواستاتیکی که با دما فعال می‌شود، با کنترل الکترونیکی می‌تواند کنترل دقیق‌تری ارائه دهد و سرعت فن را در زمان‌هایی که نیاز به سرمایش کم است کاهش دهد. بنابراین، سیستم درایو فن می تواند انرژی کمتری مصرف کند. انرژی ذخیره شده را می توان برای افزایش راندمان سوخت و راندمان عملیاتی کلی دستگاه استفاده کرد.

درایوهای فن هیدرولیک متغیر و متناوب

سیستم‌های درایو فن‌های متناوب یا روشن/خاموش از یک شیر کمکی با کنترلی استفاده می‌کنند که روشن یا خاموش است. این ساده ترین و کم هزینه ترین گزینه است. ولوم پمپ و تنظیم تسکین حداکثر سرعت فن را تعیین می کند. هنگامی که دمای موتور به یک سطح از پیش تعیین شده رسید، سیگنالی برای روشن کردن فن با بسته شدن سیستم تهویه ارائه می شود. هنگامی که دمای موتور به زیر سطح معینی می‌رسد، سیگنال حذف می‌شود تا به سیستم اجازه هواگیری داده شود و به فن اجازه داده می‌شود یا متوقف شود یا با RPM پایین کار کند. وقتی فن روشن است، در حداکثر سرعت و سطح صدا قرار دارد.

کنترل سرعت متغیر فن با استفاده از یک شیر تسکین متناسب مقرون به صرفه ترین راه حل است که بازده عملیاتی بسیار بالایی را ارائه می دهد. سرعت فن به عنوان تابعی از فشار تنظیم شده توسط شیر تسکین متناسب تغییر می کند. حداکثر سرعت فن زمانی به دست می‌آید که شیر کنترل فشار متناسب در بالاترین حد خود باشد. شیر تسکین در برابر فشار بالا "ایمن" می شود، به طوری که از دست دادن سیگنال الکتریکی باعث می شود که در صورت از دست رفتن توان الکتریکی، فن با حداکثر سرعت برای حداکثر خنک کننده موتور کار کند.

سرعت متغیر فن با استفاده از پمپ جابه‌جایی متغیر کارآمدترین است و بی‌صداترین عملکرد را ارائه می‌دهد، با این حال هزینه اولیه این نوع سیستم نسبتاً زیاد است و بنابراین استفاده از آن محدود است. در این سیستم پمپ فن را به حرکت در می آورد اما عملکردهای دیگری را نیز ارائه می دهد. هنگامی که سایر عملکردها به فشار بالاتری نسبت به فن نیاز دارند، می توان از یک شیر کاهنده برای محدود کردن فشار به فن استفاده کرد. به جای شیر فشار از یک کنترل جریان متناسب استفاده می شود. پمپ می تواند شامل یک کنترل حس بار باشد که به یک خط سنجش در پایین دست کنترل جریان نیاز دارد. در کاربردهایی که پمپ به طور کامل به محرک فن اختصاص داده شده است، شیرهای کنترل فشار و جریان معمولاً بخشی جدایی ناپذیر از کنترل پمپ پیچ و مهره هستند.

مزایای درایو فن با سرعت متغیر هیدرولیک

کنترل دقیق دمای مایع خنک کننده - منحنی زیر یک نتیجه معمولی برای سرعت فن در مقابل دمای مایع خنک کننده را نشان می دهد. تفاوت بین منحنی روشن و منحنی خاموش (هیسترزیس) بسیار کم است، تقریباً 1 درجه سانتیگراد. این امکان کنترل دقیق دمای مایع خنک کننده با حداقل نوسانات دما را فراهم می کند، حتی زمانی که تغییرات شدید در بار موتور وجود دارد.

کاهش سایش موتور - اجازه دادن به خنک کننده موتور برای داغ شدن بیش از حد، خواص روغن موتور را از بین می برد و روغن کاری را کاهش می دهد. هنگامی که دمای کار به سرعت و حفظ شود، سایش سیلندر و یاتاقان را می توان به میزان قابل توجهی کاهش داد.

انعطاف پذیری بالا - طراح خودرو مجاز است آرایش موتور و اجزای سیستم خنک کننده را بهینه کند. در اینجا می توان یک مزیت قابل توجه در رابطه با عایق صدای موتور بدست آورد.

مدولاسیون سرعت - تنظیم ثابتی را از حداقل تا حداکثر سرعت فن در محدوده دمایی تقریباً 10 درجه سانتیگراد ارائه می دهد. این از تغییرات ناگهانی سرعت جلوگیری می کند که می تواند منجر به بارهای سنگین بر روی قطعات درایو و سطوح بالای سر و صدا شود. پهنای باند 10 درجه سانتیگراد اجازه می دهد تا متوسط ​​خروجی خنک کننده بدون تغییر غیر ضروری بین حداقل و حداکثر سرعت فن.

حداکثر سرعت محدود - شیر کنترل فشار متناسب همچنین برای محدود کردن حداکثر سرعت فن برای کنترل مصرف برق و سطح صدای پروانه عمل می کند.

صرفه جویی در انرژی - تحت شرایط خنک کننده معمولی، فن در حدود 50٪ تا 80٪ حداکثر دور در دقیقه کار می کند و در آب و هوای سرد می تواند به 10٪ تا 20٪ کاهش یابد. این باعث صرفه جویی در مصرف برق و کاهش مصرف سوخت می شود. منحنی بالا یک منحنی نیاز برق معمولی را برای یک فن هیدرواستاتیک با کنترل متناسب نشان می دهد. وقتی فن بین 50 تا 80 درصد حداکثر سرعت کار می کند، اسب بخار ورودی تقریباً به 40 تا 80 درصد حداکثر کاهش می یابد. در آب و هوای سرد این می تواند به 15% تا 20% حداکثر اسب بخار برسد. اسب بخار ورودی مجموع اسب بخار فن به اضافه تلفات مکانیکی و هیدرولیکی سیستم است.

سیستم‌ها و اجزای کنترل الکترونیکی

سیستم‌های درایو فن هیدرواستاتیک می‌توانند از کنترل‌های الکترونیکی از مدارهای تک سنسور ساده تا مدارهای چند سنسوری پیچیده با بازخورد سرعت فن استفاده کنند. نوع لوازم الکترونیکی مورد استفاده در یک برنامه خاص با توجه به سطح دقت و کنترل مورد نیاز تعیین می شود.

در یک کنترل دو سرعته ساده یک سنسور یا سوئیچ دما و یک شیر تسکین متناسب وجود دارد. در این سیستم فن با حداکثر سرعت زمانی که تقاضای سرمایش زیاد است و با سرعت متوسط ​​زمانی که تقاضای سرمایش کمتر است کار می کند. کنترل الکترونیکی تنظیم شده است تا قبل از راه‌اندازی فن صبر کند تا سیگنالی توسط سنسور دما یا سوئیچ تولید شود. این به موتور اجازه می دهد تا قبل از شروع کار فن به دما برسد.

کنترل الکترونیکی دارای یک عملکرد رمپ داخلی است که سرعت فن را با سرعت کنترل شده ای از شتاب به حداکثر می رساند. این باعث کاهش بارگیری شوک راه اندازی بر روی اجزای درایو فن می شود. هنگامی که دمای مایع خنک کننده به زیر نقطه تنظیم کاهش می یابد، دور فن به سرعت متوسط ​​کاهش می یابد. سپس فن بین دو سرعت با شتابی از سرعت متوسط ​​به حداکثر می چرخد.

سیستم های تناسبی نشان داده شده پیچیده تر هستند و کنترل دقیق تری بر سرعت فن ارائه می دهند. این سیستم ها می توانند از یک ماژول فن جداگانه استفاده کنند یا از سیگنالی از ماژول کنترل موتور (ECM) استفاده کنند. این سیستم ها می توانند کنترل دقیق دمای موتور را فراهم کنند. سرعت فن دائماً بیش از 10 درجه سانتیگراد با هیسترزیس حدود 1 درجه سانتیگراد تعدیل می شود.

کاربردها

فاکتورهای اصلی که باید در هنگام استفاده از سیستم های درایو فن در نظر گرفته شوند عبارتند از:
• مشخصات فن
• اندازه پمپ/موتور
• انتخاب مناسب شیر
• الزامات کنترل الکترونیکی

مشخصات فن معمولاً جریان هوا را در یک RPM مشخص ایجاد می کند که منجر به نیاز اسب بخار و گشتاور می شود. از این مشخصات، پمپ/موتور را می توان انتخاب کرد. این الزامات جریان و فشار را تعیین می کند که شیر تسکین متناسبی را که باید استفاده شود تعیین می کند. سپس می توان الکترونیک را بر اساس الزامات سیستم برای ورودی ها و پارامترهای کنترل نهایی انتخاب و برنامه ریزی کرد.

نتیجه گیری

برای طراح ماشین، درایو فن هیدرواستاتیک انعطاف پذیری نصب را همراه با کاهش نویز و راندمان بالا ارائه می دهد. قابلیت اطمینان سیستم درایو فن بهبود یافته است زیرا قطعات در چرخه کاری کمتر با بارگذاری ضربه کمتر کار می کنند.