Технический обзор компании YANMAR

Москва, 17 окт - ИА Neftegaz.RU. Ужесточение норм выбросов в последние годы привело к увеличению спроса на двигатели класса мощности менее 19 кВт как альтернативу более дорогостоящим двигателям большего типоразмера. Это, в свою очередь, привело к необходимости улучшения характеристик крутящего момента, а сами двигатели мощностью менее 19 кВт пришлось приспосабливать к требованиям разных областей применения.

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.

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




Автор: И. Судзуки