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Hydrogen Engine Archives - Switzerland (ES)
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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.

¿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.

Optimización de la vida útil de los transmisores de presión en contacto con hidrógeno

Optimización de la vida útil de los transmisores de presión en contacto con hidrógeno

Los átomos de hidrógeno son extremadamente pequeños y, debido a esta propiedad, pueden incluso penetrar materiales sólidos en un proceso conocido como permeación. Con el tiempo, los transmisores de presión dejan de funcionar debido a este proceso. Sin embargo, su vida útil se puede optimizar.

En los transmisores de presión piezorresistivos , el chip sensor está envuelto en un fluido, generalmente aceite. Esta sección, a su vez, está rodeada por una membrana de acero muy delgada, de 15 a 50 μm de espesor. Debido a la minúscula dimensión atómica del hidrógeno, el gas puede difundirse a través de la red cristalina de los metales (ver infografía). Con el tiempo, este gas penetrante conduce a un desplazamiento cero ya no tolerable en la señal que surge y la membrana de acero se dobla hacia afuera. Por tanto, el sensor de presión se vuelve inutilizable.

Resumen de las propiedades del hidrógeno

Infographic: malachy120///AdobeStock

Los sensores de presión entran en contacto con el hidrógeno en una amplia gama de aplicaciones, ya sea en la monitorización de los propios depósitos de hidrógeno, en submarinos o en el sector de la automoción.. Especialmente en el último caso, el hidrógeno se utiliza cada vez más en el desarrollo de sistemas de propulsión alternativos. Muchos fabricantes llevan varios años trabajando en modelos que incorporan pilas de combustible y algunas ciudades ya han optado por los autobuses de hidrógeno en el transporte público. Las ventajas no deben descartarse, ya que solo se requieren hidrógeno y oxígeno como materiales de origen. A través de una reacción química, se produce energía en forma de electricidad, sin que se generen gases de escape (el producto de combustión es vapor de agua). Además, el hidrógeno, a diferencia de los combustibles fósiles, está disponible en cantidades inagotables. El desarrollo ya está muy avanzado y ahora hay modelos que consumen solo 3 litros de hidrógeno en 100 kilómetros, mientras que distancias de hasta 700 kilómetros con un tanque lleno son, en parte, ya posibles.

En esta rama son necesarios transmisores de presión de alto rendimiento y  alta precisión , que monitorean los tanques de hidrógeno de los vehículos. Más específicamente, se debe controlar la presión y la temperatura dentro del tanque de hidrógeno del vehículo. Aquí pueden surgir presiones de hasta 700 bar, pero también debe cubrirse un amplio rango de temperatura. Es imperativo, por supuesto, que los transmisores de presión utilizados cumplan con su función durante un período de tiempo prolongado con la precisión requerida. Para optimizar la vida útil de los sensores en aplicaciones de hidrógeno, se deben considerar varios factores que influyen:

  • Rango de presión: el flujo de gas a través de la membrana del sensor es proporcional a la raíz cuadrada de la presión del gas. Una presión diez veces menor aumenta la vida útil del sensor en aproximadamente 3 veces.
  • Temperatura: el flujo de gas a través de la membrana del sensor aumenta a temperaturas más altas y depende de la constante del material.
  • Espesor de la membrana: el flujo de gas es inversamente proporcional al espesor de la membrana. El uso de una membrana de 100 μm en lugar de una de 50 μm de espesor duplica la vida útil del sensor.
  • Área de la membrana: el flujo de gas es directamente proporcional al área de la superficie de la membrana (el cuadrado del diámetro de la membrana). Con una membrana de Ø 13 mm en lugar de una de Ø 18,5 mm, la vida útil del sensor se duplica.

Dado que pueden producirse altas presiones y amplias fluctuaciones de temperatura dentro de los tanques de hidrógeno de los vehículos, estos dos factores no pueden influir en la vida útil de los sensores. Los factores del grosor de la membrana y el área de la membrana también prometen un remedio limitado. Aunque la vida útil puede mejorarse con estos factores, todavía no es la óptima.

Recubrimiento de oro: la solución más eficaz

La permeabilidad del oro es 10.000 veces menor que la del acero inoxidable. Con el revestimiento de oro (0,1 a 1 μm) de una membrana de acero de 50 μm, la permeación de hidrógeno se puede suprimir de forma significativamente más eficaz que duplicando el grosor de la membrana a 100 μm. En el primer escenario, el tiempo para que se acumule un volumen crítico de gas hidrógeno en el interior del sensor de presión se puede aumentar en un factor de 10 a 100, mientras que en el segundo ejemplo solo en un factor de dos. El requisito previo para ello es una soldadura optimizada y sin huecos, así como un recubrimiento prácticamente libre de defectos.

Imagen 1: Ejemplo de un transmisor de presión con revestimiento de oro

Debido a estas propiedades del oro con respecto a la permeabilidad del hidrógeno, STS utiliza membranas de acero inoxidable recubiertas de oro como estándar en aplicaciones de hidrógeno.

Descargue nuestra infografía gratuita sobre el tema:


Imagen 1: Ejemplo de un transmisor de presión con revestimiento de oro

La medición precisa de la presión es fundamental para el desarrollo seguro y rentable de vehículos de motor

La medición precisa de la presión es fundamental para el desarrollo seguro y rentable de vehículos de motor

El principio de la energía hidráulica para realizar trabajos ha existido desde la época del antiguo Egipto, pero a medida que los sistemas han evolucionado, también lo han hecho las herramientas necesarias para diseñar y desarrollar estos circuitos sofisticados, a menudo críticos.

Desde el primer manómetro inventado por Evangelista Torricelli en el siglo XVII hasta el manómetro mecánico Bourdon y finalmente hoy, el transductor de presión piezorresistivo , los desarrolladores siempre han buscado el mejor equipo para medir presiones y optimizar el diseño. Y en los últimos tiempos, los ingenieros automotrices, en particular, han llegado a confiar en estos sensores de presión precisos y de alta calidad cuando realizan pruebas y desarrollo de vehículos.

Estos transductores de presión actuales son típicamente capaz de grabar deflexiones a gran escala de aproximadamente 350 mbar a 700 bar bajo temperaturas sostenidas que van desde -40 O C a 150 ° C; y lo mejor de todo, los sensores de calidad, como los producidos por STS, son capaces de una histéresis y repetibilidad de alrededor del 0,001%.

Imagen 1: Transmisor de presión ATM.1ST de alta precisión con una precisión de hasta 0,05% FS

Los sensores de presión de alta calidad se utilizan en el desarrollo de sistemas automotrices clave.

Este nivel de repetibilidad es fundamental en el diseño y desarrollo de sistemas de refrigeración y suministro de combustible, entre otros. Durante el desarrollo, los diseñadores confían en un equipo de medición de presión estable para registrar la información con precisión, de modo que se pueda documentar el efecto de incluso los cambios de diseño más pequeños sin preocuparse de que el sensor sea incapaz de obtener resultados repetibles.

En un rediseño reciente de un sistema de enfriamiento del motor para aprovechar las pérdidas parásitas reducidas que son posibles gracias a la electrificación, el equipo de ingeniería de un OEM de lujo se enfrentó inicialmente con una caída de presión en la bomba de alrededor de 250 kPa. Antes de que fuera posible un rediseño de la nueva bomba eléctrica, era necesario registrar mediciones de presión precisas, lo que permitía a los ingenieros la oportunidad de identificar el problema. Después de estudiar los resultados registrados por la matriz de sensores de presión, se modificó el diseño, reduciendo la caída a menos de 100 kPa y recortando las pérdidas parásitas en 500 W.

Y aunque la electrificación y los controles electrónicos están desempeñando un papel cada vez más importante en los sistemas de los vehículos, todavía se confía en la presión hidráulica para garantizar el buen funcionamiento de muchos circuitos críticos.

A modo de ejemplo, durante el desarrollo de una  transmisión automática , las presiones de la línea del puerto deben medirse en tiempo real y luego compararse con las normas de diseño para confirmar que se cumplen los parámetros de diseño. Al mismo tiempo, los tiempos de turno y la calidad se miden y evalúan subjetivamente para garantizar que la capacidad de conducción y el rendimiento cumplan con los requisitos del cliente.

A pesar del valor de los sensores de presión de alta calidad para registrar datos valiosos durante las pruebas y el desarrollo, al industrializar las tecnologías futuras, estas herramientas también pueden reducir significativamente los costos de diseño.

Los sensores de presión garantizan que las tecnologías futuras estén a la altura de las expectativas.

En un intento por mejorar el rendimiento de los motores severamente reducidos, los fabricantes están aprovechando la potencia adicional que ofrece la electrificación de 48V, reemplazando el turbocompresor por un sobrealimentador eléctrico .

Al ser una tecnología en proceso de maduración, los ingenieros que deseen optimizar los supercargadores eCharge no disponen de muchos datos de investigación y pruebas. Aunque la dinámica de fluidos y la ingeniería eléctrica proporcionan una plataforma sólida desde la que construir, sigue siendo vital que las teorías se validen en condiciones de prueba del mundo real.

Para lograr esto, se deben mapear las presiones del colector para optimizar el rendimiento del motor y maximizar la energía recuperada de los gases de escape. Para esto, se requieren sensores de presión extremadamente precisos que brinden lecturas precisas en una amplia gama de presiones y temperaturas de refuerzo del colector. Estos sensores también deben ser resistentes a la vibración y la degradación química.

Y mientras los fabricantes de todo el mundo continúan investigando sobre vehículos eléctricos, varios grupos están considerando formas de aprovechar el hidrógeno para generar electricidad en lugar de depender de las baterías de almacenamiento.

Las celdas de combustible de hidrógeno que emplean membranas de intercambio de protones, también conocidas como celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) (PEMFC), ya han tenido una producción en serie limitada en vehículos como el Mirai de Toyota.

Aunque las celdas de combustible PEM pequeñas funcionan normalmente a una presión de aire normal, las celdas de combustible de mayor potencia, de 10 kW o más, suelen funcionar a presiones elevadas. Al igual que con los motores de combustión interna convencionales, el propósito de aumentar la presión en una pila de combustible es aumentar la potencia específica extrayendo más potencia de la celda del mismo tamaño.

Normalmente, la pila de combustible PEM funciona a presiones que van desde casi la atmosférica hasta aproximadamente 3Bar, y a temperaturas entre 50 y 90 ° C. Si bien las densidades de potencia más altas son posibles al aumentar la presión de funcionamiento, la eficiencia neta del sistema puede ser menor debido a la potencia necesaria para comprimir el aire; de ahí la importancia de equilibrar la presión con los requisitos de la celda de combustible particular.

Al igual que con las presiones de refuerzo ICE, esto solo se puede hacer tomando medidas de presión precisas utilizando sensores de presión de alta calidad. Estas medidas se comparan luego con las salidas de la pila de combustible para minimizar las pérdidas parásitas mientras se optimizan las ganancias en la salida eléctrica.

Por lo tanto, independientemente del curso que elija la industria automotriz para las tecnologías futuras, los sensores de presión precisos seguirán siendo clave para el desarrollo de vehículos seguros y eficientes.

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