精确的压力测量是开发电动气油泵的关键

精确的压力测量是开发电动气油泵的关键

在全球排放目标不断升级的推动下,OEM厂商越来越多地转向电气化,以减少燃料消耗和温室气体排放。基于此由较小引擎驱动的混合动力汽车受到大众欢迎。

这些小型发动机的问题在于,动力消耗的辅助系统严重削弱了驾驶能力和性能。幸运的是,通过用电力驱动组件替换传统的机械部件,这些附加损失可以大大减少。正因为如此,电驱动泵正迅速地进入到一系列的生产中;尤其是驾驶驱动石油和水泵。

Image 1: 电动油泵示例 (图片来源: Rheinmetall Automotive)

但是,尽管这些好处显而易见,但在技术上很复杂,尤其是油泵:工程师不仅希望在特定的流量和压力下使石油流通,而且还希望能将之与发动机需求相匹配。

为了优化性能,很重要的一点是,通过小心地控制油流到不同的油循环分支来减少摩擦和泵气损失,并确保始终正常供压。

仿真依赖于精确的试验台油压和流量信息

一个电动油泵由三个子系统构成-泵、电机和电子控制器。因此,任何新应用开发的主要挑战是这些模块的高效集成,从而减少体积和重量以及组件的数量,同时优化性能。

油泵的主要功能是在最理想的压力下输送特定的油量。出于这个原因,他的设计是个迭代过程始于“泵齿轮”。对于大多数应用来说,泵的压力超过1到2巴,通常高达10巴。

正如在大多数引擎开发中一样,模拟和真实世界测试的结合可以加快设计的步伐。

回路设计开始于容积效率的初步评估并基于类似泵应用试验结果的收集。这些包含:泵速,油温,压力和流量。

用于评估的信息是准确的这一点很重要,因此数据收集必须使用高度可靠的精确测量设备能够在极端条件下在发动机内外提供精准读数。

为了确保精确性和可重复性,在测量压力时只采用最高质的传感器这点很重要。这些压力传感器不仅能在较大压力和温度跨度范围内提供可靠的数据,

并且他们还必须能够承受振动。

多年来,STS研发的压力传感器在发动机发展历程中能够满足OEM、一级供应商和专业发动机设计人员的需求。

开发一种比机械装置性能更出色的电动油泵

根据液压要求在不同流量、输出压力和油温所收集的信息,齿轮的初步设计最终确定。使用Matlab的模拟软件,关于物理系统行为的信息可以被合理地转化为一维代码。

在这一阶段,重要的是要注意,在特定压力下产生所需的流量,应该选择转速以促进电机和泵的最佳组合,而不会产生空穴或噪音问题:因此,标准的连续操作的速度范围通常在1500到3500转/分钟之间

接下来,使用LMS仿真软件生成几种设计 。这种仿真软件可以完善设计参数-在同时满足所有压力,流量和温度边界条件下的齿数和离心率。

在计算水力学的几何特性和过渡设计的最终确定后,在关键工作点驱动泵的总扭矩可以计算如下:

Mtot = MH + MCL + Mμ

一旦设计完成,工程样机就会在发动机测试台上进行评估。

油压、流量和温度再次在不同的发动机和泵速下进行测量,以验证通过模拟得到的结果。如果结果符合规格开发项目会最终确定,项目进入产业化阶段。

为了达到最佳的性能和耐久性,很明显所有的测量都是被精确记录的,但是压力传感器所产生的信息的重要性可能超过其他所有的数据——任何点上的压力不足都能导致灾难性故障。而超压浪费能源,并可能导致油封产生问题。

精准的压力测量提高压缩天然气的利用潜能

精准的压力测量提高压缩天然气的利用潜能

由于它的能量密度非常高,压缩天然气(CNG)非常适合用作汽车燃料。压缩天然气的辛烷值达到120,燃烧热量是9,000 到 11,000 kcal/ kg 或38 到 47 MJ/ kg。

此外,压缩天然气燃烧产生的二氧化碳排放量远低于汽油的燃烧。由于在许多市场中,压缩天然气是一种特别具有成本效益的燃料,制造商们也对开发能够使用这种燃料的车辆展现出了巨大的兴趣。

优化内燃机在压缩天然气上运行的主要挑战是调节燃油轨道的喷射压力。

Image 1: 汽油和CNG两种燃料的燃油系统示例(图片来源:Bosch Mobility Solutions)

CNG储存在接近200Bar的压力下,注射压力在2到9bar之间,取决于引擎的具体需要-低转速燃油效率低,当需要更大的功率和扭矩时,燃油效率高。

内燃机缸内燃烧的效率受到CNG的温度和压力的强烈影响:在恒定体积下,压力的增加会导致气体质量密度的增加,从而增加其燃烧值。

然而,即使最初的温度和注射压力可以变化,如果在开发过程中没有精确的校准,压缩天然气汽车也会受到功率损耗和驾驶能力差的影响。

一定压力下压缩天然气的注入

一般来说,压缩天然气是通过调压器从高压罐向燃油轨道输送的。为了有效的燃料燃烧,注入的天然气必须与发动机所要求的空气质量相匹配。为了达到这一目标,发动机电子控制系统通常会使用一个空气流量计来确定所需的空气量以及随后需注入的压缩天然气量。

通过中心点注入(CPI),压缩天然气从一个天然气分布器(NGD)进入进气歧管。一个中压传感器测量天然气分布器的压力和温度,允许天然气注入器提供所需的精确燃料量。

另外,也可以在没有天然气分布器的情况下实现注入,通过相对应的气缸进行喷嘴的校准。通过这种多点喷射,汽油直接喷射到各缸的进气前方,再与空气一起进入汽缸形成混合气。

当使用压缩天然气燃料时因为压力变化对发动机的性能有很大的影响,发动机扭矩和尾气的排放(CO,二氧化碳,氮氧化物和碳氢化合物)都必须在发动机测试期间记录。

针对所有行车条件优化轨压

优化压缩天然气系统很重要的一点是在设计和测试阶段,不同的节流阀可口的压力的精确测量和发动机扭矩的相互关联以及相对应的尾气排放。因此大多数研发工程师要求高品质压力传感器

重要的是,这些传感器能够大范围压力下提供准确的读数,同时保持它们在高温下的精准性。尽管压缩天然气压力的增加降低了CO2, HC 和 NOx 的含量,但是尾气排放中的一氧化碳增加了。因此准确记录调节压缩天然气的注入压力的影响是至关重要的

在测试过程中,压力调节器用于控制注入压力,该压力是由一个安装在轨道上精确校准的压力传感器测量的,而一个模拟流量计,通常流量为2.5 m3/ 小时,用来测量和控制进气流量。底盘测功机用于记录发动机扭矩。

在整个测试期间,气体温度和流量保持恒定,分别为22摄氏度和0.1 SCFH。采用高功率鼓风机在试验过程中保持发动机温度,排气污染测试设备附在排气出口上来记录废气中的CO、二氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物含量。

这是一个相当复杂的过程,需要在数百个节流阀开口处测量轨压,扭矩和排放。以便为发动机的电控单元提供有效的需求。

测量、记录并将所有这些数据输入到相关的表中是一项耗时的任务,因此研发工程师常常求助于建模工具来进行快速开发。这些工具通常为动态系统和嵌入式系统提供模拟和基于模型设计的环境,从而减少设计系统所需的硬件版本数量。

实时测试获得的信息对仿真模型进行编码。然后用C编译器构建一个可执行程序来运行实时操作系统。

一旦获得基线数据,就有可能生成无限的实时仿真应用到设计周期内的任何方面-从最初的理念到控制器设计,测试和使用硬件-循环(HIL)测试。

采用实验室级压力传感器和测试设备的成熟测试项目,完善了来自压缩天然气燃料汽车的功能和操纵灵活性,这些车辆与矿物燃料的同类产品相当,同时节省了成本和提高排放效益。

通过相对和绝对压力方法进行的泄漏测试

通过相对和绝对压力方法进行的泄漏测试

泄漏可能有致命的后果。 为了有效地设计生产过程,防止高成本和由于图像失真造成召回,组件需要在制造过程中早期进行测试。为此, 泄漏测试在质量管理中发挥重要作用。

密封完整性检验和泄漏检测是各部门质量保证的一个组成部分。 此外,在制造过程中早期识别故障部件可以避免不必要的成本支出。 应用领域包括单个组件的测试,以及在批量生产或在实验室环境中的完整系统测试。 所涉及的部门范围从汽车工业(气缸盖,变速器,阀门等)和医疗工程,到塑料生产、包装和化妆品行业。

德国公司 ZELTWANGER Dichtheits- und Funktionsprüfsysteme GmbH 是最卓越的高性能泄漏测试仪制造商之一。 根据具体应用,提供一系列泄漏测试程序供选择,包括相对和绝对压力测试方法。

通过相对和绝对压力方法进行的泄漏测试

相对或绝对压力过程具有以下决定性优点:

  • 装配紧凑,体积较小
  • 安全性能高
  • 测量范围广
  • 自动化选择

在这些过程中,测试物品经受额定压力。 要在规定时间内进行测量和分析是否由泄漏而产生了压力差。 在相对压力方法中,外部环境压力的关系重大。 当试验压力高于外部环境压力时,则是进行超压试验。 当测试压力记录低于环境压力时,则进行的是负压或真空测试。 通过绝对压力法,测定压力是相对于绝对真空来决定的。

当通过相对或绝对程序进行泄漏测试时,ZELTWANGER 还采用STS制造压力测量芯体对所应用的技术的要求是严格的,必须要:

  • 拥有优良的信息处理技术
  • 拥有灵活的测量范围
  • 拥有多样化的测量方法
  • 值得信赖

STS ATM 压力传感器 满足这些要求的规格,其压力范围跨度可达到100毫巴至1,000 巴,精度≤±0.10%FS。 但除了这些数字,它的故障安全能力和优秀的信号处理技术也是其显著特征。 STS传感器的模块化建设甚至能使制造商直接将它们集成到自己内部应用。

STS 压力传感器, 以及来自ZELTWANGER的自主开发的传感器已经集成到ZED系列的设备中。 这些设备以其多功能和高精准度见长。ZEDbase +设备可靠测量例如相对压差和压差以及质量流量。 记录的测试压力,取决于测试方法,范围从真空到16巴。 利用相对压力,甚至可以检测到从0.5Pa到4Pa的最轻微的压力变化。除了这些技术要求,支持STS的进一步决定性论据是可靠的供应状态,加上灵活且不复杂的客户支持 – 更不用说合作的两家公司之间的共同基础。 我们的共同目标是始终为客户提供量身定制的解决方案,以完全满足其需求。

高压直喷式氢气发动机是否能代替涡轮柴油机?

高压直喷式氢气发动机是否能代替涡轮柴油机?

曾经荣誉一时的柴油发动机渐渐走向它的终结。

甚至于像巴黎这种曾经鼓励使用柴油机的城市也勒令在2025年前全部停止生产。

尽管看起来不会发生,但这也充分表达了世界民众对于全球变暖和空气污染的担心。

为了适应日益严格的排放法规,生产商不断进行研究和创新:从全电动到混合动力甚至氢燃料电池都被作为可能的解决方案而不断进行测试。

尤其是氢气已经吸引了全世界研究学者的注意-它被称为清洁的燃料最终将成为未来的动力燃料。

氢气和传统的碳氢化合物的不同之处在于氢在空气中4%-75%的可燃比和在理想状态下氢的燃烧速度可以达到百米每秒。 氢气作为内燃机燃料时,极易实现稀薄燃烧,排放污染物少,热效率高。

氢燃料的四十年发展历程

氢作为燃料出现在70年代,通过注入经过改良的内燃机中进行工作,而内燃机能够在动力足、

早期的低压系统现如今仍在使用。将氢在进入燃烧室之前先混合到空气中。氢燃烧的速度是柴油燃烧速度的10倍,一旦内燃室混入柴油,消耗速度增加的同时会产生很多问题。

最有效的方法为:

  • 放出系统中的气体
  • 提前点火或是自动点火

克服此类问题的最好办法是在压缩冲程里安装能能够提供燃料喷射的高压直喷式系统。

精确的压力测量确保了燃料的充分燃烧

为确保做到燃料的充分燃烧,必须准确的在发动机上标明注射的位置。而要想做到此点必须通过温度(排气管,排气温度和冷却剂),压力(气缸,管路和喷油器),歧管和燃烧室中的湍流,和气体成分等的数据采集来实现。

混合气体的形成,以及其燃烧过程通常通过两个不同的实验来研究。第一个实验的目的在于在注射过程中得到氢在瞬态间的浓度和分布信息。

在这个实验过程中,追踪器上的激光诱导荧光被用作研究压缩和点燃状态下氢的形态的主要工具。

使用和实际C.I.发动机尺寸一致的定容燃烧室,会发现定容燃烧室内的体积和上死点上的气缸内的体积一致。加压氢气通过液压控制的针阀注入到压缩空气中。

使用高端压力传感器, 使得我们可以研究在燃烧过程中喷射压力的高效性。 通过观察未燃尽的气体的容量和动态,可以大大降低并完善 一定数量和方位的喷射器嘴的注射压力和注射方位的时间。

使用专业软件-点火延迟取决于特定压力下的温度和空气中氢 的浓度。

在变化范围10…30MPa之间的压力数据的精确记录至关重要。此外,这种方法也顾及到注射喷嘴的区域中会存在自燃的条件,这种自燃的条件对发动机从柴油机燃料转化为氢燃料的改良的喷射系统的发展是很有帮助的。

最近根据知名制造商做的测试来看,优化后的高压氢气注入发动机后发现在油耗降低的同时,功率在不断增加,可以达到42%,可以与最先进的涡轮柴油机相媲美。

基于这种发现, 如果在这些30 MPa 系统上做出优化,未来将有望发现更清洁的发动机能源。

测量IC发动机的心跳

测量IC发动机的心跳

当医生测量血压以确定患者的健康时,开发工程师也测量曲轴箱压力以获得对测试台上的发动机的状况的了解。 不仅压力的增加提供了磨损的早期指示,而且压力测量对于需要符合排放法规的现代曲轴箱通风系统的发展至关重要。

重要的是注意,曲轴箱压力的测量不是“吹漏”的直接测量,其被测量为以标准立方米每秒为单位的流速。

测量曲轴箱压力以监测气缸套、活塞和环磨损。

开发引擎造价昂贵,因为通常在它们后面有一个密集的工程设计程序:因此,任何工程师最不想看到的事情是测试后所有努力化为乌有。 为了最大限度地降低风险,现在的测试台配备了无数的传感器来监测从油压,环境温度到EGT以及特别感兴趣的曲轴箱压力的一切。

在试验台上使用的曲轴箱压力传感器是特别有趣的,因为它们不仅能够测量相对较小的压力变化,而且它们在宽温度范围内也是稳定的,同时耐受高温热油:这是特别重要的,因为传感器经常安装在油底壳或注油管上,与高温的机油直接接触。

活塞环 – 气缸(PRC)系统经受极端压力,例如高摩擦和加速力,以及由燃烧过程产生的极端温度和压力。

在这些条件下,总是有部分排气回到曲轴箱中,但是当部件磨损增加时,发动机内部的压力也增加。 这是测量曲轴箱压力作为在测功机或试验台上运行的发动机磨损的早期指示的基本原理。

在强制感应CI发动机中曲轴箱中的压力的增加可能是灾难性的,因为来自压缩机的油的回流常常受到限制,导致迷宫式密封件失效,导致轴承的润滑完全损失。

尽管监测PRC系统状况的重要性,通过精确测量内部压力来优化曲轴箱通风曲线,对于满足排放立法至关重要。

设计PCV以获得更清洁的环境

在20世纪60年代初,通用汽车公司认为曲轴箱气体是碳氢化合物排放的来源。 他们开发了PCV阀门,以帮助抑制这些排放。 这是第一个安装在车辆上的真实排放控制装置。

理想情况下,曲轴箱压力应控制在刚好高于大气压,以便有足够的压力排除灰尘和水分,但不足以迫使油经过密封件和垫圈; 或在强制感应发动机上,限制油返回到油底壳。

有效PCV阀的设计的第一步是通过使用专门设计用于精确测量小差分的高质量压力传感器来确定曲轴箱中的实际压力,同时在宽温度范围内提供精确的可重复读数。

利用在性能和耐久性运行期间积累的数据,工程师能够确定PCV阀的适当参数:

  • 适当的横截面积以便于来自曲轴箱的足够的蒸汽流通过
  • 正确的操作压力参数,以确保涡轮增压发动机上的不受限制地回油,同时保持正的内部压力

最后,在试验台上评估原型阀,再次使用曲轴箱压力传感器,以确认性能和耐久性,以及排放合规性。

这种发展可能跨越几个星期,占开发成本的一大块,所以制造商最不愿意的是一个重要传感器出现问题; 这将需要部分或甚至完全重新测试。 这就是为什么OEM只使用高质量的压力传感器,例如压力变送器和变送器制造商STS生产的压力变送器。