La surveillance d’un réseau de distribution de gaz par des mesures de pression en continue

La surveillance d’un réseau de distribution de gaz par des mesures de pression en continue

Les enregistreurs de données autonomes de la société AIRVALVE utilisent des capteurs de pression STS pour surveiller les points critiques du réseau de distribution de gaz appartenant à la société SWK Netze GmbH. Ce procédé garantit une excellente fiabilité de planification pour un coût de mise en œuvre relativement faible.

SWK Netze GmbH effectue des mesures approfondies sur son réseau de distribution de gaz pour étalonner son programme de gazoduc. À cette fin, des mesures de pression continues doivent être effectuées en quinze points critiques pour répondre à leur projet de « surveillance du réseau de distribution de gaz ». Outre leurs attentes élevées concernant la précision des valeurs mesurées, il était crucial que les instruments de mesure puissent fonctionner de manière fiable sur une longue période de temps et qu’ils disposent d’une force de signal suffisante pour transmettre les mesures à intervalles réguliers, même en étant positionnés sous terre. Pour réduire au minimum les travaux d’installation souterraine et de tuyauterie, les pressions devaient être mesurées aux raccords de ventilation déjà existants et le matériel de mesure devait être installé dans des bouches d’accès de taille 3.

Pour mettre en œuvre ce projet, le choix s’est porté sur les enregistreurs de données LS-42 de AIRVALVE. Lors d’essais précédents, ces enregistreurs de données sont apparus comme les seuls à disposer d’une antenne intégrée hautes performances, permettant une transmission stable du signal même dans des installations souterraines.

La stabilité à long terme et la facilité d’utilisation sont des facteurs clés

Grâce à leur batterie hautes performances interchangeable, ces enregistreurs de données fonctionnent sans aucune connexion électrique ou téléphonique sur une durée de plus de 10 ans. Ces instruments de mesure faciles à monter et configurables à distance assurent une transmission sécurisée des mesures par l’usage de cartes SIM librement sélectionnables ou d’une communication multi-réseaux avec tunnel VPN privé (voir l’illustration 1 pour les détails de conception de ces instruments de mesure). Ces enregistreurs de données sont donc parfaitement adaptés aux installations difficiles d’accès qui doivent être surveillées sur de longues périodes sans nécessiter de maintenance fréquente

Illustration 1: Conception de l’enregistreur de données
Source: AIRVALVE

Bien entendu, ces exigences en termes de durabilité et de performances opérationnelles ont également été appliquées aux capteurs utilisés pour les mesures de pression. AIRVALVE a choisi les capteurs de pression ATM.ECO/N de STS. Ces capteurs de 100 mbar sont alimentés par la batterie interchangeable de l’enregistreur de données. Ils disposent d’un robuste boîtier en acier inoxydable et fournissent des résultats précis (≤ ± 0,70 %) sur une plage de température comprise entre -5 et 50° C. En termes de stabilité à long terme, le capteur ATM.ECO/N se situe à < 0,5 %.

Assemblage du système de mesure sur le réseau de distribution de gaz

L’ensemble du système de mesure permettant de surveiller le réseau de distribution de gaz est logé dans des bouches d’accès (voir l’illustration 2). En utilisant des raccords de ventilation déjà existants, les travaux nécessaires ont pu être effectués sans dépenses majeures. Pour effectuer les mesures de pression, le bouchon de la colonne de ventilation a été remplacé par un raccord de réduction (1). Le raccord de mesure peut être fermé à l’aide d’une vanne sphérique en acier inoxydable (2). L’étalonnage du capteur de pression est facilité par un couplage Minimess (3). Le capteur de pression (4) est raccordé via un boîtier de jonction d’égalisation de pression (5) à l’enregistreur de données AIRVALVE (6). Le tout est ensuite fixé à une ancre au sol (7) par une fermeture à verrouillage rapide.

Illustration 2: Vue d’ensemble du système de mesure
Source: AIRVALVE

Les mesures sont effectuées toutes les 5 minutes. Cet intervalle de mesure est ajustable de 1 à 60 minutes. Les valeurs mesurées sont transmises plusieurs fois par jour au centre de contrôle. Les lectures peuvent être transmises via des cartes multi-réseaux sécurisées par VPN ou via des cartes SIM standard, et les communications transites via des centres de contrôle Internet ou des systèmes SCADA. Pour cette application, SWK Netze GmbH a opté pour les serveurs hautement sécurisés du centre de contrôle Internet « Web-LS » pour gérer leurs données.

Cartographier la pression de suralimentation sur les moteurs turbo de taille réduite

Cartographier la pression de suralimentation sur les moteurs turbo de taille réduite

Pour se conformer aux législations de plus en plus strictes en matière d’émissions polluantes, les constructeurs se tournent vers des moteurs de plus petite taille. Bien que ces petits moteurs consomment moins de carburant et émettent beaucoup moins d’émissions polluantes, ils nécessitent une induction forcée pour offrir des performances dignes des véhicules de tourisme modernes.

Les performances de ces moteurs turbo de petite taille doivent au moins égaler celles des moteurs standards équivalents. Cela nécessite une pression de suralimentation maximale à bas régime, tout en maintenant la puissance à haute régime. Ces performances ne peuvent être atteintes qu’avec un système sophistiqué de contrôle de la pression de suralimentation.

La principale difficulté des moteurs à induction forcée est de contrôler précisément le ratio air-carburant et la stœchiométrie des différentes pressions de suralimentation. Avec ces moteurs, un phénomène de cliquetis (combustion anormale) est susceptible de se produire à bas régimes.

Systèmes modernes de contrôle de la pression

Agir sur le taux de dilution est le moyen le plus simple de contrôler la pression de suralimentation.

Une fois la pression spécifique atteinte, une partie des gaz d’échappement est redirigée autour de la turbine via une dérivation. Un diaphragme à ressort actionne généralement la soupape de décharge qui ouvre ou ferme la dérivation en réponse à la pression de suralimentation.

De nos jours, les fabricants se tournent vers une géométrie de turbine variable pour réguler la pression de suralimentation. Cette géométrie variable permet de faire varier le débit dans la turbine en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur.

Lorsque le moteur tourne à bas régime, le débit est réduit en fermant les aubes directrices. La pression de suralimentation (et donc le couple du moteur) augmente en fonction de la chute de pression entre l’entrée et la sortie de la turbine. Pendant les accélérations à bas régimes, les aubes s’ouvrent et s’adaptent aux exigences du moteur.

En régulant le débit de la turbine pour chaque point de fonctionnement, l’énergie des gaz d’échappement est optimisée. De cette manière, l’efficacité du turbocompresseur (et donc celle du moteur) est supérieure qu’avec la méthode de contrôle de la dérivation.

Aujourd’hui, les systèmes électroniques de régulation de la pression de suralimentation sont de plus en plus utilisés dans les moteurs à essence modernes. Comparé au contrôle purement pneumatique, qui ne peut fonctionner que comme limiteur de pression à pleine charge, le contrôle de la pression de suralimentation permet un réglage optimal de la pression de suralimentation.

Le fonctionnement des aubes est obtenu par une pression de commande modulée en utilisant divers paramètres, tels que la température de charge, l’avance de l’allumage et la qualité du carburant.

Les simulations réduisent les délais de production et les coûts de développement

Confrontés à une multitude de variables complexes, les fabricants se sont tournés vers des modèles de simulation pour les phases de conception et de test.

L’un des obstacles à surmonter avec les moteurs turbocompressés de taille réduite est que la plage de fonctionnement du compresseur centrifuge à des pressions de suralimentation élevées est particulièrement restreinte.

La seule façon de créer un modèle de simulation efficace consiste à effectuer des tests approfondis en situation réelle. Ces essais sont principalement effectués en chambres climatiques sur des dynamomètres à moteur.

Lors de ces essais, les données de pression suivantes sont enregistrées :

  • La pression du collecteur d’admission.
  • La pression de suralimentation.
  • La pression barométrique.

Ces données sont ensuite interprétées en fonction des températures du moteur (liquide de refroidissement et huile) pour obtenir une image précise des performances sur toute la plage de régime moteur.

Au cours de ces essais, il est important que les ingénieurs documentent toute anomalie des performances, car ces événements (tels que des impulsions d’échappement à des régimes spécifiques) peuvent générer des ondes stationnaires d’une fréquence critique pour la turbine, et ainsi réduire la durée de vie du turbocompresseur voire causer des pannes sévères.

Par conséquent, la cartographie des mesures de pression du compresseur et de la turbine est un élément essentiel pour créer un modèle d’extrapolation précis à mettre en œuvre pendant les simulations.

Un outil de simulation bien étudié peut faire gagner du temps et de l’argent aux constructeurs lors des tests dynamométriques et routiers, mais cet outil ne peut être développé qu’à l’aide d’une cartographie minutieuse des mesures de pression.

Le turbocompresseur succombe aux pressions de la conservation d’énergie

Le turbocompresseur succombe aux pressions de la conservation d’énergie

Pendant de nombreuses années, les turbocompresseurs n’étaient disponibles que sur les voitures de sport les plus chères et les moteurs diesel, mais les réglementations en matière d’émissions polluantes ont modifié la perception de l’induction forcée. Bien que l’amélioration des performances soit toujours au cœur des préoccupations de développement, les constructeurs cherchent désormais à compenser les performances et la manœuvrabilité des moteurs à essence à taille réduite. De nos jours, la majeure partie des moteurs à essence sont équipés d’une toute nouvelle technologie turbo : de la petite Ford Ecoboost de 999 cm3 à la dernière Ferrari.

Mais avec l’avènement du nouveau E-Charger, cette nouvelle technologie de turbocompresseurs semble déjà sur le point de devenir obsolète. Audi équipe déjà l’E-Charger sur sa série SQ7, et équipera prochainement cette technologie sur ses futurs véhicules de série avec l’arrivée des véhicules électriques 48 volts.

Le principal avantage du compresseur à entraînement électrique est qu’il n’y a pas de pertes parasites (au même titre que les turbocompresseurs). Mais contrairement à la plupart des turbo, cette technologie ne souffre d’aucun décalage de turbo et ne nécessite pas de soupape de décharge. Ce puissant moteur électrique peut faire tourner la turbine jusqu’à 70 000 tours par minute en moins d’une seconde, ce qui élimine l’effet de décalage de turbo.

Cela améliore naturellement la maniabilité des véhicules et réduit la consommation et les émissions de 7 à 20 % lorsque ce dispositif est utilisé sur un véhicule équipé d’un freinage par récupération (captation de l’énergie cinétique de la voiture pour la transformer en électricité).

La pression est essentielle pour débloquer les performances du E-Charger

Contrôlé électroniquement, l’E-Charger peut-être cartographié pour optimiser les performances du moteur tout en maximisant l’énergie récupérée des gaz d’échappement. Mais pour réaliser cette utopie, les ingénieurs doivent créer une carte de l’accélération du moteur en mesurant les pressions d’admission à différentes charges et à différentes vitesses du moteur. Cela ne peut être réalisé qu’à l’aide de capteurs de pression de qualité professionnelle.

Comme avec les super/turbocompresseurs, il est important que l’unité soit adaptée aux exigences du moteur. Dans le cas contraire, cela peut entraîner une déficience du moteur ou une consommation inutile d’électricité.

Étant donné qu’il s’agit d’une technologie en pleine maturation, peu de données de recherche et de test sont disponibles pour les ingénieurs souhaitant explorer les limites des compresseurs E-Charger. Bien que la dynamique des fluides et l’ingénierie électrique puissent fournir de bonnes bases de développement, il est essentiel que les théories soient validées dans des conditions de test réelles.

Pour qualifier les performances de la configuration E-Charger choisie, le véhicule est équipé de capteurs de pression extrêmement précis, facilement calibrés et qui fournissent des lectures précises sur une large plage de pressions.

Les constructeurs ressentent la pression

Les constructeurs ressentent la pression

Les réglementations en matière d’émissions sont appelées à augmenter considérablement en Chine, en Europe et en Amérique du Nord, et les constructeurs automobiles sont contraints à optimiser chaque composant et fonctionnalité des moteurs pour satisfaire à ces nouvelles exigences de manière rentable.

Bien que les études de développement de nouveaux moteurs aient toujours été axées sur des exigences de qualité strictes en termes de matériaux, d’émissions et d’efficacité, les constructeurs se concentrent de plus en plus sur des développements spécifiques pour atteindre des niveaux de performances inégalés.

Pour ce faire, chaque fois qu’un moteur est testé sur un banc d’essai, toutes les variables qui influent sur les émissions et les performances sont surveillées et mesurées afin de comprendre leurs performances individuelles ainsi que leur fonctionnement en tant que partie intégrante du système.

Cela nécessite un équipement de mesure extrêmement fiable et précis, capable de fournir des lectures précises dans les conditions extrêmes rencontrées dans les moteurs. Des capteurs de cette qualité et de cette précision ne sont fabriqués que par une poignée de fabricants dans le monde, qui se distinguent par leur capacité à adapter les capteurs de pression aux exigences du client.

Les capteurs de pression sont essentiels pour éliminer les inefficiences

STS a mis au point des capteurs de pression qui répondent aux exigences des constructeurs de moteurs de premier plan et des concepteurs de moteurs spécialisés. À l’aide de ces capteurs, les constructeurs effectuent des tâches de développement principalement axées sur la réduction des émissions de gaz d’échappement, sur l’obtention d’une densité énergétique élevée, d’une faible consommation de carburant, d’une longue durée de vie et d’une fiabilité maximale.

Il est essentiel de caractériser avec précision les principales zones de pression d’un moteur, car son rendement dépend en grande partie du débit d’air et de la densité de charge dans la chambre de combustion, ainsi que de la manière dont les gaz d’échappement sont évacués ou utilisés pour améliorer le couple du moteur (au moyen d’un turbocompresseur). Ces pressions sont souvent de l’ordre du millibars, ce qui nécessite des mesures extrêmement précises et hautement dynamiques.

En outre, pour obtenir une analyse fiable de la répartition de la pression dans le collecteur d’admission, il est important que les mesures de la pression d’alimentation soient effectuées le plus près possible de chaque vanne d’entrée. Cela permet de s’adapter à la géométrie variable du collecteur, qui a souvent pour effet d’alimenter les cylindres avec des quantités d’air différentes et d’avoir un impact négatif sur les performances et les émissions.

Pour l’analyse des performances d’un système d’échappement, la mesure de la pression devient assez complexe. Non seulement les performances de l’échappement dépendent de la pression, mais également de l’interaction entre les impulsions de gaz d’échappement selon l’ordre de mise à feu du moteur. Les capteurs de pression de STS sont capables de mesurer ces processus avec une grande précision, à la fois à l’entrée et à la sortie.

Les capteurs doivent rester précis malgré des environnements hostiles

Pour les tests de moteurs, les capteurs doivent pouvoir résister aux huiles et aux produits chimiques utilisés dans les moteurs, et pouvoir mesurer avec précision dans des environnements à très hautes températures. De plus, les capteurs doivent pouvoir fonctionner de manière fiable sans être affectés par les vibrations et les fluctuations de tension.

La gamme de capteurs de STS permet également de prendre des mesures dans des systèmes spécifiques tels que les pompes à huile, à carburant et à eau, les lignes d’injection, les refroidisseurs et les échangeurs thermiques. Tous ces éléments sont essentiels pour optimiser l’efficacité d’un moteur.

Les demandes des clients et des législateurs pour des moteurs plus propres et plus performants sont en constante progression, mais les constructeurs et les équipementiers disposent des outils nécessaires pour atteindre et dépasser ces objectifs.

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