La medición precisa de la presión es fundamental para desarrollar una bomba de aceite eléctrica

La medición precisa de la presión es fundamental para desarrollar una bomba de aceite eléctrica

Impulsados ​​por la escalada de los objetivos de emisiones globales, los fabricantes de equipos originales están recurriendo cada vez más a la electrificación para reducir el consumo de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero. Una opción popular en este sentido es el vehículo eléctrico híbrido, a menudo impulsado por un motor muy reducido.

El problema con estos motores reducidos es que los sistemas auxiliares que agotan la potencia perjudican gravemente la capacidad de conducción y el rendimiento. Afortunadamente, estas pérdidas parásitas se pueden reducir significativamente reemplazando los componentes tradicionalmente mecánicos con unidades accionadas eléctricamente. Debido a esto, las bombas accionadas eléctricamente están encontrando rápidamente su camino hacia la producción en serie; particularmente accionando bombas de aceite y agua.

Imagen 1: Ejemplo de una bomba de aceite eléctrica
Fuente de la imagen: Rheinmetall Automotive

Pero si bien los beneficios son obvios, la electrificación, en particular la bomba de aceite, es técnicamente compleja: los ingenieros no solo desean hacer circular el aceite a un caudal y presión particulares, sino que también les gustaría adaptarlos inteligentemente a los requisitos del motor.

Para optimizar el rendimiento, es importante que la fricción y las pérdidas de bombeo se minimicen mediante un control cuidadoso del flujo de aceite en diferentes ramas del circuito de aceite y, al mismo tiempo, garantizar que la presión correcta esté disponible en todo momento.

La simulación se basa en información precisa sobre el caudal y la presión del aceite del banco de pruebas

Una bomba de aceite accionada eléctricamente se compone de tres subsistemas: la bomba, el motor y el controlador electrónico. Por lo tanto, el principal desafío de cualquier desarrollo de una nueva aplicación es la integración eficiente de estos módulos para reducir el tamaño y el peso general, así como el número de componentes, al tiempo que se optimiza el rendimiento.

La función principal de la bomba de aceite es entregar un flujo de aceite específico a una presión óptima. Por esta razón, su diseño, que es un proceso iterativo, comienza con los ‘engranajes de bombeo’. Para la mayoría de las aplicaciones, se requiere que la bomba suministre presiones superiores a 1 a 2 bar, que a menudo llegan hasta 10 bar.

Como en la mayoría de los desarrollos de motores, se utiliza una combinación de simulación y pruebas del mundo real para acelerar el diseño. 

El ciclo de diseño comienza con la evaluación preliminar de la eficiencia volumétrica basada en los resultados experimentales recopilados en bombas y aplicaciones similares. Estos incluyen la velocidad de la bomba, la temperatura del aceite, la presión y el caudal. 

Es importante que la información utilizada para la estimación sea precisa, por lo tanto, la recopilación de datos debe realizarse utilizando un equipo de medición preciso y altamente confiable  que pueda brindar lecturas precisas en las condiciones extremas que se encuentran dentro y alrededor del motor.

Para garantizar la precisión y la repetibilidad, es importante que solo se utilicen sensores de la mejor calidad al medir la presión. Estos sensores de presión no solo deben proporcionar lecturas confiables en  una amplia gama de presiones y temperaturas, sino que también deben soportar vibraciones.

Durante muchos años, STS ha desarrollado sensores de presión que cumplen con los requisitos de los diseñadores de motores de OEM, de primer nivel y especialistas en el desarrollo de motores. 

Desarrollo de una bomba de aceite eléctrica que supera a la unidad mecánica 

Con la información recopilada sobre los requisitos hidráulicos a varios caudales, presiones de entrega y temperaturas del aceite, se finaliza un diseño preliminar de los engranajes. Con el software Simulink de Matlab, la información sobre el comportamiento del sistema físico se puede racionalizar en un código unidimensional. 

En esta etapa, es importante tener en cuenta que para generar el flujo requerido a una presión especificada, se debe seleccionar una velocidad de rotación que facilite el mejor empaque del motor y la bomba sin crear problemas de cavitación o ruido: por lo tanto, un rango de velocidad típico para operación continua suele ser entre 1500 y 3500 rpm. 

En el siguiente paso, se pueden generar varios diseños usando LMS Imagine. El software Amesim de Lab que optimiza los parámetros de diseño, por ejemplo, el número de dientes y la excentricidad, al tiempo que satisface todas las condiciones límite de presión, flujo y temperatura. 

Después de implementar las características geométricas de la hidráulica calculada y el diseño intermedio se ha finalizado, el par total requerido para impulsar la bomba en los puntos críticos de trabajo se puede calcular de la siguiente manera: 

Mtot = MH + MCL + Mμ 

Dónde:

  • MH es el par hidráulico debido a la generación de presión y flujo requeridos
  • MCL es la contribución culombiana generada donde hay contactos secos o lubricados entre partes deslizantes
  • Mμ es la contribución viscosa debida al movimiento del fluido dentro de los espacios libres.

Una vez que se completa el diseño, se construyen prototipos de ingeniería para la evaluación del mundo real en un banco de pruebas de motores. 

Una vez más, se miden la presión, el caudal y la temperatura del aceite a distintas velocidades del motor y de la bomba para validar los resultados obtenidos mediante la simulación. Si los resultados cumplen con las especificaciones, se finaliza el programa de desarrollo y el proyecto entra en la fase de industrialización. 

Para un rendimiento y una durabilidad óptimos, es obvio que todas las mediciones se registren con precisión , pero el peso dado a la información generada por el sensor de presión posiblemente supere a todos los demás: una presión insuficiente en cualquier punto puede provocar una falla catastrófica; mientras que una presión excesiva desperdicia energía y puede ocasionar problemas con los sellos de aceite.

La presión libera el potencial del gas natural comprimido

La presión libera el potencial del gas natural comprimido

Gracias a su muy alta densidad energética, el gas natural comprimido (GNC) es muy adecuado para su uso como combustible de automoción. El GNC tiene un octanaje de aproximadamente 120 y un calor de combustión de 9.000 a 11.000 kcal / kg o 38 a 47 MJ / kg.

Además, la combustión de GNC produce significativamente menos emisiones de CO 2 que la combustión de gasolina, por ejemplo. Y debido a que el GNC es un combustible particularmente rentable en muchos mercados, los fabricantes muestran un interés creciente en desarrollar vehículos que sean capaces de funcionar con esta fuente de combustible alternativa.

El desafío principal para optimizar un motor de combustión interna para que funcione con GNC es regular la presión de inyección en el riel de combustible.

Imagen 1: Ejemplo de un sistema de dos combustibles para gasolina y GNC
Fuente de la imagen: Bosch Mobility Solutions

El GNC se almacena a aproximadamente 200 bares y normalmente se inyecta entre dos y nueve bares, según los requisitos del motor: baja presión para una conducción eficiente en el consumo de combustible en los rangos de velocidad más bajos y presiones más altas cuando se requiere mayor potencia y par.

La efectividad de la combustión dentro del cilindro de un motor está fuertemente influenciada por la temperatura y la presión del GNC: un aumento en la presión a volumen constante resultará en una mayor densidad de masa del gas, aumentando así su poder calorífico.

Sin embargo, aunque la temperatura inicial y la presión de inyección se pueden variar, si no se calibran con precisión durante el desarrollo, los vehículos de gas natural comprimido pueden sufrir pérdidas de potencia y mala capacidad de conducción.

Inyectar GNC a presión

Normalmente, el GNC se alimenta desde un tanque de alta presión a través de un regulador de presión al riel de combustible. Para una combustión eficiente del combustible, la cantidad de gas natural inyectada siempre debe coincidir con la masa de aire requerida por el motor. Para lograr esto, la gestión electrónica del motor generalmente emplea un medidor de flujo de aire para determinar la cantidad exacta de aire requerida y, posteriormente, la cantidad de GNC a inyectar.

Con la inyección de punto central (CPI), el GNC se alimenta desde un distribuidor de gas natural (NGD) al colector de admisión. Un sensor de presión media mide la presión y la temperatura en el NGD, lo que permite que los inyectores de gas natural suministren la cantidad precisa de combustible requerida.

Alternativamente, la inyección también se puede implementar sin el NGD, alineando cada inyector con un cilindro correspondiente. Con esta inyección multipunto (MPI), el gas se inyecta bajo presión en el ‘corredor’ del colector de admisión de cada cilindro, aguas arriba de la válvula de admisión.

Debido a que los cambios de presión tienen una influencia significativa en el rendimiento del motor cuando funciona con combustible GNC, el par motor y las emisiones de escape (CO, CO2, NOx e hidrocarburos) deben registrarse durante la prueba del motor.

Optimización de la presión del carril para todas las condiciones de conducción

Para optimizar el sistema de GNC, es importante que durante las fases de diseño y prueba, la presión dentro del riel se mida con precisión en varias aberturas del acelerador y se haga referencia cruzada al par del motor y las correspondientes emisiones de gases de escape. En consecuencia, la mayoría de los ingenieros de desarrollo exigen sensores de presión de alta calidad .

Es importante que estos sensores proporcionen lecturas precisas en una amplia gama de presiones, mientras conservan su integridad a temperaturas elevadas.

Aunque un aumento en la presión de GNC reduce el CO2, HC y NOx, el CO en los gases de escape aumenta, por lo que es vital registrar con precisión los efectos de modular la presión de inyección de GNC.

Durante la prueba, se usa un regulador de presión para controlar la presión de inyección que se mide con un sensor de presión calibrado con precisión ubicado en el riel, mientras que un medidor de flujo analógico, típicamente con una capacidad de 2.5 m3 / h, se usa para medir y controlar el aire de entrada. tasa de flujo. Se utiliza un dinamómetro de chasis para registrar el par motor.

Durante la prueba, la temperatura y el caudal del gas se mantienen constantes a 22 ° C y 0,1 SCFH, respectivamente. Se utiliza un ventilador de alta potencia para mantener la temperatura del motor durante la prueba, y se conecta un equipo de prueba de emisiones a la salida de escape para registrar el contenido de CO, CO2, hidrocarburos y NOx en los gases de escape.

El proceso es bastante complejo y requiere que se midan la presión del raíl, el par motor y las emisiones en cientos de puntos de apertura del acelerador para crear un mapa eficaz de los requisitos del motor para la ECU del motor.

Medir, registrar e ingresar todos estos datos en las tablas relevantes es una tarea que requiere mucho tiempo, por lo que los ingenieros de desarrollo a menudo recurren a herramientas de modelado para acelerar el desarrollo. Estas herramientas suelen proporcionar un entorno para la simulación y el diseño basado en modelos para sistemas dinámicos e integrados, lo que reduce la cantidad de versiones de hardware necesarias para diseñar el sistema.

El modelo de simulación se codifica con la información obtenida de las pruebas en tiempo real y luego se integra en un ejecutable utilizando el compilador C para ejecutarse en un sistema operativo en tiempo real.

Una vez que se capturan los datos de la línea de base, es posible generar un número infinito de simulaciones en tiempo real que se aplicarán a cualquier faceta del ciclo de diseño, desde el concepto inicial hasta el diseño, prueba y validación del controlador mediante pruebas de hardware en bucle (HIL). .

Un programa de prueba bien desarrollado que utiliza sensores de presión de laboratorio y equipos de prueba da rienda suelta al rendimiento y la capacidad de conducción de los vehículos alimentados con GNC que es comparable a los equivalentes de combustibles fósiles, al tiempo que ofrece beneficios de costos y emisiones.

Pruebas de fugas aseguradas mediante métodos de presión absoluta y relativa

Pruebas de fugas aseguradas mediante métodos de presión absoluta y relativa

Leakages can have fatal consequences. To efficiently design production processes and to prevent costly and image-tarnishing recalls, components need to be tested early within the manufacturing process. Leak testing, for this reason, plays an important role in quality management.

The verification of seal integrity and the detection of leakages is an integral element of quality assurance across various sectors. Additionally, an early recognition of faulty parts during the manufacturing process can avoid unnecessary costs. Areas of application here include the testing of individual components, as well as complete systems either in serial production or within a laboratory environment. The sectors in question range from the auto industry (cylinder heads, transmissions, valves etc.) and medical engineering, right through to the plastics, packaging and cosmetics industries.

The German company ZELTWANGER Dichtheits- und Funktionsprüfsysteme GmbH is one of the most distinguished manufacturers of high-performance leakage testers. Depending upon the specific application, a range of leak testing procedures are optional, including the relative and absolute pressure methods.

Leak testing by the relative and absolute pressure methods

The relative or absolute pressure processes deliver the following decisive advantages:

  • compact test setup of small tare volume
  • high operating safety
  • extended measurement range
  • automation optional

During these procedures, the test item is subjected to a defined pressure. To be measured and analyzed over a set time is the pressure differential resulting from a leakage. In the relative pressure method, the difference to ambient pressure is decisive. When the test pressure is higher than ambient pressure, then we speak of overpressure testing. The terms negative pressure or vacuum testing then apply when test pressures register lower than ambient pressure. By the absolute pressure method, the pressure is determined relative to absolute vacuum.

When leak testing by either the relative or absolute procedures, ZELTWANGER also employs pressure measurement cells made by STS. The demands upon the technologies applied are rigorous, essential being:

  • outstanding signal processing
  • flexible pressure ranges
  • varying measurement methods (differential, relative and absolute pressures)
  • outstanding reliability

The ATM pressure sensor from STS meets these required specifications with its broad pressure range of 100 mbar to 1,000 bar and an accuracy of ≤ ± 0.10 %FS. But apart from these figures, its fail-safe ability and extremely good signal processing also represent crucial features. The modularity of STS sensors even offer manufacturers the option of straight forwardly integrating them for their own internal applications.

STS pressure transmitters, along with self-developed sensors from ZELTWANGER, are already integral to devices of the ZED series. These excel for both their versatility and precision. The ZEDbase+ device reliably measures, for example, relative, and differential pressures, as well as mass flow. Recorded test pressures, depending upon testing method, have ranged from vacuum to 16 bar. With relative pressure, even the slightest of pressure shifts from 0.5 Pa to 4 Pa can be detected. Besides these technical requisites, further decisive arguments in favor of STS are a reliable supply status, coupled with flexible and uncomplicated customer support – not to mention a major common ground between both of the companies involved. Our collective aim is always to provide customers with tailored solutions which exactly fulfill their exacting specifications.

¿Podría un motor de hidrógeno de inyección directa de alta presión reemplazar al turbodiésel?

¿Podría un motor de hidrógeno de inyección directa de alta presión reemplazar al turbodiésel?

Having fallen from grace, the once iconic diesel power unit appears to have run its course. Even cities, such as Paris, that once incentivized the use of diesel are now calling for OEMs to stop production by 2025. Although this is highly unlikely to happen, it is an expression of the world’s concerns over global warming and air pollution in general.

To meet ever tightening emissions regulations OEMs are studying new and often untried forms of propulsion: Everything from full electrification to hybrids and even hydrogen fuel cells are being tested as possible solutions.

Hydrogen in particular is piquing the interest of researchers around the world – it’s hailed as a clean burning fuel that could very well end up powering the transport of the future.

The difference between hydrogen and conventional hydrocarbons lies in its wide stoichiometric range from 4 to 75 percent by volume hydrogen to air, and under ideal conditions the burning velocity of hydrogen can reach some hundred meters per second. These characteristics make it highly efficient when burning lean mixtures with low NOx emissions.

Forty years of hydrogen injection

Hydrogen injection has been around since the 1970s and works by injecting hydrogen into a modified, internal combustion engine, which allows the engine to burn cleaner with more power and lower emissions.

Earlier low pressure systems, which are still in use today, injected the hydrogen into the air prior to entering the combustion chamber. But with hydrogen burning 10 times faster than diesel and, once mixed with the diesel in the combustion chamber, increasing the burn rate several problems have been experienced. The most significant being:

  • Light-back of the gas in the manifold
  • Preignition and/or autoignition.

The best way to overcome these problems is to fit a high-pressure direct injection system that provides fuel injection late in the compression stroke.

 

Optimizing the combustion process through accurate pressure measurement

In order to do this the injection needs to be accurately mapped to the engine. This can only be accomplished through gathering test data regarding temperature (manifold, EGT and coolant), pressure (cylinder/ boost, line and injector), the turbulence in the manifold and combustion chamber, and the gas composition.

The mixture formation, the ignition and the burning processes are commonly studied through two different sets of experiments. The aim of the first experiment is to obtain information about the highly transient concentration and distribution of hydrogen during the injection process.

During this test a Laser-Induced Fluorescence (LIF) on tracer molecules is used as the primary measurement technique to study the behavior of the hydrogen under compression and ignition. Using a constant volume combustion chamber (CVCC) with the same dimensions as the actual C.I. engine, implying that the volume in the CVCC equals the volume in the cylinder at the top dead center, pressurized hydrogen is injected into the cold pressurized air through a hydraulically controlled needle valve.

Using high quality pressure sensors, the effect of various injection pressures on the combustion process can be studied. By observing the behavior and volume of unburned gas, the time taken to optimize the injection pressure for a specific number and position of injector nozzle holes and also the injection direction is drastically reduced.

And using unique software the ignition delay, which is dependent on the temperature and the concentration of hydrogen in air at a given pressure can be determined. Once again, it’s important that the pressure readings are accurately recorded, across a range of pressures that vary between 10 to 30 MPa.

Furthermore, this method allows for the definition of areas of the injection jet where self-ignition conditions exist, which is useful for the development of an optimized injection system for engines to be converted from diesel fuel to hydrogen.

In recent tests carried out by a premium brand OEM,the optimized high pressure hydrogen injected engine showed a promising increase in specific power while reducing fuel consumption and achieving 42% efficiency – values that match the best turbodiesel engines.

Based on the findings it would certainly appear as if work carried out on optimizing the pressure of these 30 MPa systems may in fact offer another source of clean energy for future transport.

Midiendo el latido del corazón del motor IC

Midiendo el latido del corazón del motor IC

Así como un médico mide la presión arterial para determinar la salud de un paciente, el ingeniero de desarrollo también mide la presión del cárter para obtener una idea del estado de un motor en el banco de pruebas. Un aumento en la presión no solo proporciona una indicación temprana de desgaste, sino que la medición de la presión es crucial en el desarrollo de sistemas modernos de ventilación positiva del cárter, que deben cumplir con las regulaciones de emisiones.

Es importante tener en cuenta que la medición de la presión del cárter no es una medición directa de “Blowby”, que se mide como un caudal en metros cúbicos estándar por segundo.

Medición de la presión del cárter para controlar el desgaste de la camisa, el pistón y el anillo.

Los motores de desarrollo no son baratos, dado que generalmente hay un programa intensivo de diseño de ingeniería detrás de ellos: por lo tanto, lo último que cualquier ingeniero quiere ver es que la prueba se esfume literalmente. Para minimizar el riesgo, los bancos de pruebas hoy en día están equipados con una gran cantidad de sensores para monitorear todo, desde la presión del aceite y la temperatura ambiente hasta los EGT y, de particular interés, la presión del cárter.

Los sensores de presión del cárter usados ​​en bancos de pruebas son particularmente interesantes, ya que no solo son capaces de medir variaciones relativamente menores de presión, sino que también son estables en un amplio rango de temperatura mientras resisten la inmersión en aceite caliente: esto es particularmente importante ya que el sensor a menudo instalado en el cárter o tubo de llenado de aceite donde entra en contacto directo con el aceite de motor caliente.

El sistema pistón-anillos-cilindro (PRC) está sometido a tensiones extremas como altas fuerzas de fricción y aceleración, así como a temperaturas y presiones extremas resultantes del proceso de combustión.

En estas condiciones, siempre habrá alguna forma de recuperación en el cárter, pero a medida que aumenta el desgaste de los componentes, también lo hará la presión dentro del motor. Este es el principio básico detrás de la medición de la presión del cárter como una indicación temprana de desgaste en motores que funcionan en dinamómetros o bancos de pruebas.

Este aumento de presión en el cárter en los motores de inducción forzada CI puede ser catastrófico, ya que el retorno de aceite del compresor a menudo estará restringido, lo que provocará una falla en el sello laberíntico y una pérdida total de lubricación de los cojinetes.

A pesar de la importancia de monitorear el estado del sistema PRC, optimizar la ventilación positiva del cárter mediante una medición precisa de la presión interna es vital para cumplir con la legislación sobre emisiones.

Diseñar el PCV para un medio ambiente más limpio.

A principios de la década de 1960, General Motors identificó los gases del cárter como una fuente de emisiones de hidrocarburos. Desarrollaron la válvula PCV en un esfuerzo por ayudar a frenar estas emisiones. Este fue el primer dispositivo de control de emisiones real instalado en un vehículo.

Idealmente, la presión del cárter debe controlarse justo por encima de la atmosférica para que haya suficiente presión para excluir el polvo y la humedad, pero no lo suficiente para forzar el paso del aceite por los sellos y juntas; o en un motor de inducción forzada, restrinja el retorno de aceite al cárter.

El primer paso en el diseño de una válvula PCV eficaz es determinar la presión real en el cárter mediante el uso de un sensor de presión de alta calidad diseñado específicamente para medir con precisión pequeños diferenciales, al tiempo que proporciona lecturas precisas y repetibles en un amplio rango de temperatura.

Armados con los datos acumulados durante las ejecuciones de rendimiento y durabilidad, los ingenieros pueden determinar los parámetros apropiados para la válvula PCV:

  • Área de sección transversal adecuada para facilitar un flujo de vapor suficiente desde el cárter
  • Corrija los parámetros de presión de funcionamiento para garantizar un retorno de aceite sin restricciones en los motores turboalimentados, mientras se mantiene la presión interna positiva.

Finalmente, la válvula prototipo se evalúa en un banco de pruebas, nuevamente con sensores de presión del cárter instalados, para confirmar el rendimiento y la durabilidad, así como el cumplimiento de las emisiones.

Este desarrollo puede durar semanas y representar una parte considerable de la factura de desarrollo, por lo que lo último que querría un fabricante es la falla de un sensor vital; lo que requeriría una nueva prueba parcial o incluso completa. Es por eso que los OEM solo usan transmisores de presión de alta calidad , como los producidos por el fabricante de transmisores y transductores de presión STS.

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