El turbocompresor sucumbe a las presiones de la conservación de energía

El turbocompresor sucumbe a las presiones de la conservación de energía

Durante muchos años, los turbocompresores solo se encontraron en autos deportivos costosos y motores diesel, pero las regulaciones de emisiones cambiaron la forma en que el mundo veía la inducción forzada. Aunque en el centro todavía estaba la búsqueda para mejorar el rendimiento, ahora los fabricantes buscaban restaurar el rendimiento y la facilidad de conducción a motores de consumo de combustible reducidos. Así, en el 21 st Century, casi todo de la pequeña 999 cm 3 Ford Ecoboost a la última Ferrari de todas las nuevas tecnologías turbo brillante ganado.

Pero casi tan pronto como la tecnología se hizo realidad, parece que se volverá redundante, eclipsado por el nuevo eCharger. Audi ya lo instaló en el SQ7 de producción en serie y estará implementando la tecnología en los vehículos de producción futuros a medida que la electrificación de 48 voltios gane tracción.

La ventaja clave del sobrealimentador de accionamiento eléctrico es que, al igual que con los turbocompresores, no hay pérdidas parásitas; pero a diferencia de la mayoría de los turbo, tampoco hay retraso del turbo ni necesidad de una válvula de descarga. El potente motor eléctrico puede acelerar el impulsor a 70.000 rpm en menos de un segundo, lo que elimina el retraso del turbo.

Esto, naturalmente, mejora la capacidad de conducción y reduce el consumo y las emisiones entre un 7 y un 20 por ciento cuando el dispositivo se utiliza en un vehículo equipado con frenado regenerativo, que captura la energía cinética del automóvil y la convierte en electricidad.

La presión es clave para desbloquear el rendimiento del eCharger

Controlado electrónicamente, el eCharger se puede mapear para optimizar el rendimiento del motor mientras se maximiza la energía recuperada de los gases de escape, pero para lograr esta utopía, los ingenieros deben crear un  mapa del impulso que requiere el motor midiendo las presiones del colector en varias cargas del motor. y velocidades. Esto solo se puede hacer con la ayuda de sensores de presión de alta calidad .

Al igual que con cualquier super / turbocargador, es importante que la unidad se adapte a los requisitos del motor: si no lo hace, se dejará sin energía al motor o se producirá un consumo de energía eléctrica innecesario.

Al ser una tecnología en proceso de maduración, los ingenieros que deseen explorar los límites de los supercargadores eCharge no disponen de muchos datos de investigación y pruebas. Aunque la dinámica de fluidos y la ingeniería eléctrica pueden proporcionar una buena base sobre la que construir, sigue siendo vital que las teorías se validen en condiciones de prueba del mundo real.

Para calificar el desempeño, una vez que se ha seleccionado el eCharger de referencia, el vehículo está equipado con sensores de presión extremadamente precisos que se calibran fácilmente y brindan lecturas precisas en una amplia gama de presiones y temperaturas de refuerzo del múltiple. Estos sensores también deben ser resistentes a la vibración y la degradación química.

Tanto en el dinamómetro del motor como en las pruebas en carretera, la posición del acelerador / la velocidad del motor / la presión del aire del colector se registran continuamente para determinar la interrelación de estas entradas clave.

A partir de esta información, los ingenieros pueden verificar que se ha seleccionado la configuración correcta del cargador electrónico y, al mismo tiempo, garantizar que los controles de gestión del motor de circuito cerrado puedan responder correctamente a las variables clave.

El resultado de hacerlo bien ofrece un vehículo, como el SQ7, que tiene un rendimiento, una capacidad de conducción y un consumo de combustible asombrosos y, al mismo tiempo, cumple con las futuras regulaciones de emisiones globales.

Las fabricantes están sintiendo la presión

Las fabricantes están sintiendo la presión

Con las regulaciones de emisiones establecidas para aumentar un poco más en China, Europa y América del Norte, los fabricantes están en apuros para optimizar cada componente y función del motor para cumplir con las nuevas demandas de manera rentable.

Aunque los motores que están en desarrollo siempre se han probado para garantizar que cumplan con los requisitos de calidad más estrictos en términos de materiales, emisiones y eficiencia, existe un enfoque renovado en el desarrollo detallado para desbloquear el rendimiento que antes se había pasado por alto.

Para hacer esto, cada vez que se hace funcionar un motor en un banco de pruebas, se deben monitorear y medir todas las variables que influyen en las emisiones y el rendimiento para comprender su rendimiento individual y cómo funcionan como parte del sistema general.

Esto requiere un equipo de medición preciso y altamente confiable que proporcione lecturas precisas en las condiciones extremas que se encuentran dentro y alrededor del motor. Los sensores de esta calidad y precisión son fabricados por solo un puñado de proveedores en todo el mundo, que se destacan por la capacidad de personalizar los sensores de presión de calidad según los requisitos del cliente.

Los sensores de presión son clave para eliminar ineficiencias

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. Con estos sensores, los clientes llevan a cabo trabajos de desarrollo y diseño que se centran principalmente en reducir las emisiones de escape y lograr una alta densidad de potencia, bajo consumo de combustible, larga vida útil y máxima fiabilidad.

Debido a que la eficiencia de un motor depende en gran medida del flujo de aire y la densidad de carga en la cámara de combustión y de cómo se utilizan los gases de escape para mejorar el par del motor, por medio de un turbocompresor, o se pueden descargar de manera eficiente, es fundamental mapear con precisión las regiones de presión clave . Estas presiones suelen ser del orden de milibares, lo que requiere una medición extremadamente precisa y muy dinámica.

Además, para obtener un análisis confiable de la distribución de presión dentro del colector de entrada, es importante tomar medidas de presión de entrada lo más cerca posible de cada válvula de entrada. Esto es para adaptarse a la geometría variable del colector que a menudo da como resultado que cada cilindro reciba una cantidad diferente de aire, lo que impacta negativamente tanto en el rendimiento como en las emisiones.

Al determinar el rendimiento del sistema de escape, la medición de la presión se vuelve bastante compleja, ya que no solo el rendimiento del escape depende de la presión, sino también de la interacción de los pulsos de los gases de escape debido al orden de encendido del motor. Los sensores de presión STS son capaces de medir estos procesos tanto en el lado de entrada como en el de salida con un alto nivel de precisión.

Los sensores robustos deben permanecer precisos en un entorno hostil

En el entorno de prueba, los sensores deben ser resistentes a los productos químicos y aceites asociados con los motores, y deben poder medir con precisión las presiones en temperaturas extremas. Además, los sensores deben funcionar de manera confiable y no verse afectados por vibraciones o fluctuaciones de voltaje.

La gama de sensores de STS también permite a los clientes tomar medidas en sistemas críticos como bombas de aceite, combustible y agua, líneas de inyectores, intercoolers e intercambiadores de calor. Todos ellos son vitales para optimizar la eficiencia del motor.

Por lo tanto, aunque los clientes y los reguladores están aumentando las demandas de motores más limpios y de mejor rendimiento, los fabricantes de equipos originales y los proveedores están bien equipados para estirar los límites e incluso superar las expectativas.

Ejerciendo presión sobre el motor “sin levas”

Ejerciendo presión sobre el motor “sin levas”

Impulsados ​​por normativas draconianas que exigen una reducción de las emisiones de gases de escape y una mayor economía de combustible, los fabricantes pasan mucho tiempo mejorando el proceso de combustión: han intentado abrir las válvulas de entrada antes (denominado ciclo Miller), han intentado cerrar más tarde (comúnmente conocido como el ciclo Atkinson), e incluso han intentado crear un motor híbrido de encendido por chispa / compresión (encendido homogéneo de carga y compresión), todo con un éxito limitado.

El problema es que estas variaciones del motor Otto Cycle solo son efectivas en condiciones de operación muy específicas, lo que significa que para mantener el rendimiento del motor en un amplio rango de operación es esencial la sincronización variable de válvulas, y no solo la sincronización debe ser variable según la demanda, sino que tiene que ser casi infinitamente variable: ¡una tarea difícil para los motores de combustión interna actuales con trenes de válvulas mecánicas!

Como un árbol de levas normalmente tiene solo un lóbulo por válvula, la duración y la elevación de la válvula son fijas. Y aunque muchos motores modernos utilizan la fase del árbol de levas, el ajuste de la elevación y la duración de la válvula durante el funcionamiento tiene un éxito limitado.

Algunos fabricantes utilizan sistemas con más de un lóbulo de leva, pero esto sigue siendo un compromiso, ya que solo unos pocos perfiles pueden estar en funcionamiento a la vez.

Sustitución de los árboles de levas por actuadores neumático-hidráulico-electrónicos

Este no es el caso del motor sin levas, que utiliza un actuador neumático-hidráulico-electrónico para reemplazar el método tradicional basado en el árbol de levas para controlar el funcionamiento de la válvula en un motor de combustión interna. Esto da como resultado un control mucho más preciso y completamente personalizable sobre la duración y la elevación de la válvula, tanto en el lado de admisión como en el de escape: la elevación y la sincronización de la válvula se pueden ajustar libremente de una válvula a otra y de un ciclo a otro. También permite múltiples eventos de elevación por ciclo y, de hecho, ningún evento por ciclo, apagando el cilindro por completo.

Pero si bien este sistema ofrece un control completo de las funciones de admisión y escape, además de ser más compacto y reducir la masa (en un 4 cilindros en línea – 20 kilogramos de masa, 50 mm de altura y 70 mm de longitud), un control preciso de la neumática e hidráulica Las presiones son cruciales para el funcionamiento eficaz del sistema.

Mapeo de la presión durante el desarrollo.

Para trazar las presiones operativas necesarias para operar las válvulas a distintas velocidades y cargas del motor, es vital que las presiones se midan con precisión en tiempo real.

Esto en sí mismo no es una hazaña menor: los sensores de presión no solo deben ser precisos en una amplia gama de temperaturas de funcionamiento , sino que también deben ser compactos, resistentes a las vibraciones y poder resistir la exposición al aceite de motor caliente y otros productos químicos que se encuentran típicamente en un compartimento del motor.

Con solo un puñado de proveedores en todo el mundo capaces de suministrar transmisores de presión de laboratorio de alta calidad , es importante que cualquier equipo de desarrollo que diseñe un tren de válvulas sin levas elija sensores con una pista probada.

Con esta tecnología es importante que tanto la presión neumática, que se utiliza para activar la apertura / cierre de la válvula, como la presión hidráulica, que actúa como un amortiguador y mantiene la válvula abierta, se mapeen con precisión durante el desarrollo.

Estas presiones mapeadas se controlarán mediante una unidad de control electrónico que determinará la elevación, la aceleración y la duración según la carga del motor, la velocidad y las condiciones ambientales.

Si el equipo de desarrollo consigue el mapeo correcto de este complejo proceso, las recompensas son bastante espectaculares: es posible extraer más de 170 kW y 320 Nm de torque de una unidad de cuatro cilindros y 1.6 litros, lo que equivale a un 47 por ciento más de potencia y un 45 por ciento más torque que un motor equivalente equipado con un árbol de levas, mientras mejora el rendimiento de la gasolina en un 15 por ciento.

Entonces, mientras que los árboles de levas han estado en el corazón del rendimiento del motor de cuatro tiempos durante más de un siglo, las válvulas operadas por medio de presión hidroneumática podrían mejorar el juego de los ICE en un futuro próximo.

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