Sensores de presión en el automovilismo: donde una fracción de un caballo de fuerza es decisiva

Sensores de presión en el automovilismo: donde una fracción de un caballo de fuerza es decisiva

“¡El ganador se lo lleva todo!” El mundo del automovilismo se divide en ganadores y perdedores, y el piloto exitoso disfruta de la ducha de champán. El resultado preliminar, sin embargo, tiene lugar en el banco de pruebas de desarrollo del motor, con sensores de presión de alto rendimiento que representan la ventaja competitiva decisiva.

STS suministra sensores de presión a clientes del mundo del automovilismo, incluidos los participantes de la Fórmula 1 y NASCAR. Ambas series de carreras, a pesar de todas sus diferencias, tienen una cosa en común. Cada caballo de fuerza cuenta y representa la ventaja decisiva en la pista. Cuando cada décima de caballo de fuerza debe ser obtenida de un análisis extenso en bancos de pruebas de motores, los resultados finales deben ser absolutamente confiables hasta el último decimal.

Tecnología de medición de presión en el desarrollo de motores de Fórmula 1

El reglamento actual de motores en la Fórmula 1 se introdujo en 2014. Se impulsan motores en V de seis cilindros, 1,6 litros de cilindrada y un solo turbocompresor . Las velocidades de revoluciones alcanzan hasta 15.000 min −1 . El Sistema de recuperación de energía cinética (KERS), un sistema eléctrico para recuperar energía al frenar introducido por primera vez en 2009, ahora ha sido reemplazado por el Sistema de recuperación de energía (ERS). En la Fórmula 1 moderna, los motores implicados son, por tanto, de tipo híbrido. El futuro de la Fórmula 1, por esta razón, hace tiempo que se convirtió en el presente. La serie de carreras quizás más exitosa en todo el mundo es también un laboratorio de pruebas para la carretera. Desde frenos de disco hasta diagnósticos por computadora, muchas tecnologías que ahora se encuentran en el tráfico cotidiano tienen su origen en los centros de desarrollo de la Fórmula 1.

Las regulaciones de motor vigentes, que delimitan uniformemente los parámetros para todos los equipos, hacen que la investigación exhaustiva en el banco de pruebas sea esencial para obtener la ventaja decisiva. Cada caballo de fuerza cuenta. En comparación con las pruebas para vehículos en tráfico rodado normal, se aplican diferentes requisitos, hasta cierto punto. Las presiones del aceite y del agua son más altas, al igual que las temperaturas que surgen. Cuando el objetivo es mejorar el ahorro de combustible y aumentar el rendimiento, es esencial realizar pruebas exhaustivas en condiciones de carrera. Además, la precisión de los resultados medidos en el rango de temperatura requerido es de gran importancia. En la Fórmula 1, los grandes saltos en términos de caballos de fuerza a menudo no son el caso: las mejoras incluso en las regiones decimales son motivo de celebración en este elevado nivel de rendimiento.

A la luz de estos desafíos, un conocido equipo de carreras de Fórmula 1 se acercó a STS, ya que la tecnología de sensores empleada hasta ahora no cumplía con sus altos requisitos. Los instrumentos de medición utilizados eran demasiado grandes y pesados. Sin embargo, aún más grave fue el problema de que se tuvo que incorporar tecnología de enfriamiento adicional en el banco de pruebas, ya que las temperaturas del sensor aumentarían rápidamente por encima del máximo. Por tanto, los resultados medidos en este escenario no tendrían ningún valor.

El objetivo de los desarrolladores era adquirir sensores de presión que permitieran estandarizar y hacer obsoletos los elementos de refrigeración adicionales. Los temas de peso y tamaño también juegan un papel, ya que estos factores influyen en el rendimiento del automóvil a toda velocidad.

STS proporcionó al equipo de carreras un nuevo sensor de la serie ATM , disponible en el mercado a partir del otoño de este año. Este sensor puntuó no solo en la precisión deseada en el rango de temperatura requerido, sino que también proporcionó una ventaja decisiva adicional que podría optimizar de manera duradera el desarrollo del motor. Con los sensores usados ​​anteriormente de otro fabricante, hubo fallas al cambiar a los sistemas híbridos empleados desde 2014. Los resultados fueron que el banco de pruebas se apagaba y las mediciones a más largo plazo eran prácticamente imposibles. Los sensores ATM de STS son a prueba de fallas y, por lo tanto, permiten realizar pruebas exhaustivas en el camino hacia el podio de la victoria.

Tecnología de medición de presión en el desarrollo de motores NASCAR

Aunque los motores híbridos no están integrados en los stock cars de NASCAR, aún se requieren pruebas exhaustivas para lograr el rendimiento óptimo. También en este deporte, un conocido fabricante de motores ha optado por la tecnología de medición de presión de STS. Durante extensas pruebas, unos 200 transmisores de presión ATM.1ST han estado controlando las presiones del aceite, el agua, el combustible y el aire. Desde las presiones de aire que llegan al motor hasta las mejoras en el flujo de aceite, el objetivo es examinar con precisión varios factores para lograr incluso el más mínimo aumento en el rendimiento (aquí se trata de aproximadamente 900 CV). Al igual que con la Fórmula 1, se requiere la máxima precisión. ¡El alcance aquí equivale a solo una décima parte de un caballo de fuerza!

La elección del fabricante fue para el transmisor de presión ATM.1ST , ya que no tiene rival en sus características de rendimiento requeridas.

  • La modularidad de los sensores STS también permite al fabricante conectar un adaptador de presión especial.
  • Un error total de ≤ ± 0,30% FS permite análisis significativos para mejorar el rendimiento del motor.
  • La estabilidad a largo plazo minimiza considerablemente la necesidad de calibración.
  • El rango de medición de presión de 100 mbar… 1.000 bar se adapta bien a las presiones que surgen durante el desarrollo del motor.
  • La excelente compensación de temperatura permite obtener resultados precisos en un amplio rango de temperaturas, un criterio decisivo para las temperaturas en aumento pronunciado durante las pruebas de rendimiento en estos niveles más altos.

Ya sea en la Fórmula 1 o en NASCAR, el camino hacia el podio de la victoria pasa por los bancos de pruebas de motores. En el campo de los deportes de motor de alto rendimiento en particular, se requieren sensores de alta precisión para monitorear todos los datos importantes, desde las presiones de aceite y agua hasta las presiones de aire y combustible. Además de la precisión, la capacidad a prueba de fallas también juega un papel importante para poder realizar pruebas esenciales a largo plazo que producen resultados confiables.

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.

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.

¿Cómo seleccionar el sensor de presión correcto?

¿Cómo seleccionar el sensor de presión correcto?

Las pruebas exhaustivas son esenciales en el desarrollo de nueva tecnología. Para lograr resultados confiables, se requieren instrumentos de medición que cumplan con precisión los requisitos. Te mostramos qué factores juegan un papel aquí.

Rango de presión

Un indicador inicial en la búsqueda de una tecnología de medición adecuada es el rango de presión que se va a medir y si se prevé una medición de la presión relativa o absoluta.

Dependiendo de la aplicación, se deben considerar características especiales. Particularmente en aplicaciones de prueba y medición, se requieren rangos de medición individuales que los sensores estándar con rangos de presión ISO no pueden proporcionar. En este caso, se necesitan sensores que muestren el rango de presión apropiado y, por lo tanto, alcancen la precisión deseada.

Precisión

En el desarrollo de motores para autos de carreras , las lecturas más pequeñas son las que deciden entre la victoria y la derrota en la pista. En este caso, se exige la máxima precisión y en aplicaciones específicas los desarrolladores optarán por un sensor con ± 0,05% FS.

Dentro de esta cuestión de precisión, los factores de necesidad y costo se equilibran entre sí. El rango de presión a medir suele ser una buena ayuda para la toma de decisiones. Si esto fuera extremadamente amplio, entonces no sería necesaria una precisión excepcional. Aquellos que, sin embargo, se decidan por los sensores disponibles con mayor precisión deben saber que esta precisión tiene un precio.

Temperatura

En algunos casos, el factor de temperatura es difícil de determinar. Los desarrolladores a menudo no saben exactamente en qué rangos de temperatura el sensor de presión empleado debe brindar su servicio. Muchos transmisores de presión de STS , por ejemplo, están optimizados para temperaturas de funcionamiento de -25 ° C a 100 ° C. De esta forma se cubren todas las áreas comunes de aplicación. En principio, todos los sensores pueden optimizarse y ordenarse en un rango de temperatura especial para que incluso a temperaturas de -40 ° C o 150 ° C se puedan obtener resultados precisos.

Interfaz de proceso

El tema de la interfaz de procesos puede convertirse rápidamente en un criterio de exclusión para los desarrolladores, ya que muchas empresas utilizan conexiones estandarizadas. Incluso el lugar donde se va a montar el sensor puede ser un factor importante aquí.

Hay una multitud de conexiones eléctricas opcionales, ya sean M12, DIN, MIL u otras, que también deben ser ofrecidas por los fabricantes en una variedad de longitudes y materiales.

El propio STS proporciona una amplia gama de conectores. Son posibles una multitud de opciones de conexión debido al principio de construcción modular de estos instrumentos de medición.

Señal de salida

Igualmente decisiva es la cuestión de si la presión medida debe transportarse como una señal analógica o mediante una interfaz digital como Modbus. Con una transmisión de señal analógica, la presión se convierte en una señal analógica que aún debe medirse. En una transferencia de señal digital, el valor de la presión medida se expresa directamente a través de una interfaz.

Requisitos de espacio

En varias aplicaciones, solo hay un pequeño espacio disponible para el montaje de sensores de presión. Por esta razón, el tamaño del sensor combinado con las interfaces de proceso disponibles puede convertirse en un criterio de selección importante. La forma de medición de la presión también juega un papel aquí. Los sensores de presión piezorresistivos son especialmente adecuados para la miniaturización. Por esta razón, STS puede ofrecer sensores de solo unos pocos milímetros de diámetro.

Materiales

¿Dónde se desplegará el sensor? ¿Qué condiciones ambientales encontrará? ¿Entrará en contacto con vapor, gasolina o gases particulares? El material de la carcasa determina a qué medio estará expuesto el sensor. Para aplicaciones en el banco de pruebas, se utilizan principalmente carcasas de acero inoxidable. Al entrar en contacto con el agua salada, la selección del material cambia a titanio.

El material sellante también juega una gran influencia sobre el sensor apropiado. El material de sellado sigue dependiendo del fluido utilizado en el sistema de presión. Las temperaturas a anticipar también deben incluirse expresamente durante estas consideraciones.

Certificaciones

Cuando se utiliza en aplicaciones particularmente peligrosas, como la posibilidad de explosión, ciertas certificaciones son esenciales que brindan información sobre el funcionamiento seguro de los instrumentos. Dentro del portafolio STS, existen sensores como el ATM.ECO/IS, que lleva la certificación FM, Fmc, IECEx, ATEX , cuyo uso está autorizado en áreas explosivas.

Período de entrega

Los períodos de entrega prolongados pueden retrasar las pruebas de prototipos y, en última instancia, poner en peligro la introducción de productos. Por lo tanto, debe establecerse de antemano si los sensores requeridos están disponibles o qué período de entrega debe anticiparse para la producción personalizada.

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El sensor de presión correcto – Resumen

Los sensores no necesariamente cumplen con todas las especificaciones requeridas. En algunos casos, el sensor requerido de un fabricante no está disponible en la opción de conexión estandarizada de la empresa. En este caso, podrían surgir costos adicionales considerables. Los plazos de entrega también podrían retrasarse en consecuencia.

Para hacer que la elección del sensor correcto sea lo más fácil posible para los clientes, nuestros instrumentos de medición de presión se basan en un principio modular. Esto significa que todos nuestros sensores de presión se pueden calibrar para el rango de temperatura requerido. Nuestros productos también son excepcionalmente flexibles en términos de interfaz de proceso, materiales selladores y rangos de medición de presión. Debido a la construcción modular de nuestra tecnología de medición, es posible entregar sensores de presión con las especificaciones exactas requeridas en el menor tiempo posible.

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