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。

预防食品行业中侵蚀性液体腐蚀

预防食品行业中侵蚀性液体腐蚀

碳酸和乙醇对测量设备会产生一定的影响。一些自动在线实验室液体分析仪的制造商通过STS找到了持久和精确的压力传感器。

当用于酒精或碳酸等腐蚀性液体时,标准材质会受到腐蚀。例如,碳酸会导致氢离子浓度增加从而导致氢蚀。一旦压力传感器的膜片受到腐蚀,传感器就无法使用了。这就是为什么普通的不锈钢不能满足强碳酸应用的需求。

除了具有较强的耐腐蚀能力外,在罐装厂的这种特殊应用的压力传感器必须能够处理接近真空的极低压力。由于此应用属于食品行业的一部分,对卫生标准要求特别高。设备经常处于真空也是杀菌过程的一部分(类似于高压灭菌器,但是没有那么极端). 压力低于0bar会给压力传感器的完整性造成影响。真空可能会使传感器里的膜片移位。也由此导致错误的测量结果和传感器的损坏。

基于这些要求,我们必须在压力传感器 ATM.ECO. 基础上,为自动在线实验室液体分析仪的生产商提供相应的解决方案。我们选择了及其耐腐蚀的哈氏合金材料。为了确保在低压力条件下的膜的固定,我们用一种特殊的胶粘剂把膜片固定在特定的位置。

由于在此应用中,压力传感器在室温条件下工作,所以不需要特殊的温度补偿。对于这个特殊应用程序来说,0.25%的精度也足够了。满量程测量范围在1…15000psi非常适用于小压力测量。

液压系统中比例调压阀的测试

液压系统中比例调压阀的测试

作为复杂液压系统开发的一部分,在测试比例调压阀时,所使用的压力传感器需要具有较高的脉冲能力和精度。

 在新的液压系统的开发中,以汽车工程为例,大量的部件需要完美地结合在一起。除了已获得的经验和所使用的模型之外,试验台上的试验回路在这里也起着重要的作用。供应商提供的零部件是否符合规格?在整个系统中是否已经实现了最佳结果

在油压系统中,如车辆离合器,所使用的施压阀是非常重要的。作为机械部件,它们需要完全符合规格,以尽量减少诸如过冲等负面影响。一个不合适的阀门会影响到整个系统的性能。可以预期到的压力峰值是多少,它们会如何影响系统?

需要如何设计阀门能够使耦合作用尽可能平滑和无振动?精确的压力测量在阐述这些问题中起着关键的作用。在完善一个整体系统之前,需要进行大量的测试,这些负面影响可以在很大程度上消除。然而,由于这些测试并不仅仅局限于压力阀,而是在整个系统中进行,因此对传感器的要求也相对较高。

液压系统中的压力测量:需要超高精度

STS作为测试和测量部门压力测量任务的经验丰富的合作伙伴,已经支持了大量与液压系统比例压力调节器测试相关的项目。因此,我们非常熟悉油压系统压力阀的压力测量要求。

由于液压系统越来越复杂的资质要求,尺寸已成为一个决定性的标准。这些系统现在配备了大量的传感器,因此尺寸越小越好。为了满足传感器尺寸小型化的技术要求,STS推出了一款高精度的压力传感器ATM.mini, 外部尺寸只有17.5×49毫米,目前正在许多试验台上使用。在安装方面也需要灵活性,因为传感器不只是要适应空间要求,还需要适合 压力接口, th最终,从我们的经验上看,传感器技术的选择和安装往往是在测试台上应用的开发之后进行的,并且必须能够符合所需要求。因此,STS遵循模块化设计原则,针对客户所需要求进行 定制. T当然这些也适用于ATM.MINI。

除了尺寸之外,“内在数据”也是至关重要的。如果我们现在回到汽车工程中的液压系统的案例上,在测试中,精准的响应时间对于连续测量是必不可少的。必须能够在几毫秒内记录动态压力。此外,也必须在相对广泛的温度范围-30到140°C保持高精度。非线性通常只能达到满量程测量值的0.1% (阅读更多关于精度的内容 ). 这也意味着压力压力传感器很大程度上对振动不敏感。液压系统中部件测试的另一个重要因素是总是会出现压力峰值 , 而事先又不能提前预估范围。针对这种类型的应用,需要一种过载能力是测量范围的许多倍的压力传感器。

STS生产的ATM.MINI能够满足所有这些要求。

产品优势:

  • 压力量程从 0…1 bar 到 0…100 bar
  • 高精度:0.1% FS
  • 外部尺寸17.5 x 49mm的紧凑设计
  • 横跨所有温度范围保持超高精度
  • 温度补偿范围从 -40 到125 °C
  • 焊接压力孔不会造成介质不相容
  • 通过模块化结构实现个性化解决方案
压力测量技术在海洋行业的应用

压力测量技术在海洋行业的应用

传感器技术在海事部门,尤其是在造船方面发挥着重要作用。可靠和准确地测量各种罐体内的压力、温度和其他变量,是防止腐蚀性液体泄漏、控制船舶作业中的水循环系统以及保证货物顺利通过公海的重要措施。

这里使用的传感器技术必须满足许多严格的要求。首先所采用的材料要经久耐用。电子元件还须能够承受海洋的严酷条件,并保持长期的稳定性。

干货和液体货物监测

海运是货物运输的主要方式之一,其中就包括干货和液体货物的海洋运输。干货是我们在运输谷物、动物饲料等散装货物以及通常装在集装箱里的货物时使用的术语。而液体货物需要特别小心和可靠的监测,因为包括汽油、石油和柴油在内的高度敏感的物质通常会远距离运输。监测所采用的产品必须坚固和可靠,以防止腐蚀性液体泄露,从而防止发生严重的生态事故。这也意味着传感系统必须满足较高要求。

淡水和污水储罐

在货船上,淡水或饮用水要么用特殊的饮用水罐运输,要么通过净化处理设备从海水中提取。内部储存系统中船舶废水的收集、处理和处置也必须使用适当的技术加以监测。由于这种废水经常受到有害物质的污染,例如油或清洗剂,因此其处理也仍需满足某些特殊的要求。淡水和废水储存罐都使用内置传感器进行检查和监测。通过这种方式,可以最有效地监测这些系统,从而保证在海洋上的供水。

压载舱

压载舱是船舶的重要组成部分。如果没有压载舱,大型货船有时会太轻,它们的螺旋桨在水中的深度不够。为了确保吃水能够完全浸没螺旋桨,压载舱装满了海水,甚至也可以用来平衡负载船舶的重量分布。由于压载舱充满了海水,这就要求舱体和所使用的传感器有较强的耐腐蚀性。同时也需特别强调可靠性和耐用性,因为传感器在船舱操作过程中无法接触,因此需要高质的传感器以尽量避免任何的人工维护和检查。

Image 1: 液位测量安装选项

特殊的传感要求

在过去的几年里,造船业见证了一系列决定性的创新,而采用的传感器的技术也必须符合发展潮流。例如,15年前,不锈钢的耐久性仍然是一个主要问题,而今天我们认识到,当它在21℃以上的温度下与盐水接触时,就会被腐蚀。如今,钛以取而代之。STS很早就认识到了这个问题,并且是最早使用钛作为传感技术永久部件的公司之一。这种极其稳定和坚固的材料现在被广泛用于压力传感器和浸入式探头,因为它可以承受最恶劣的条件。

随着行业本身的发展和演变,技术要求也在不断变化。所谓的标准也不再能满足需求。因此,STS不断努力进一步发展其提供的传感技术,从而保证可靠性和精确性,以满足日益增长的工业需求。

与AE Sensors 的合作

27年来,STS一直与荷兰家族企业 AE Sensors合作. 我们共同为造船行业的客户提供传感技术。通过专业的咨询和灵活的解决方案,我们的客户量在短时间内实现巨大的增长。到目前为止,世界各地的造船厂都在建造最先进的船舶,而所采用的投入式探头, 压力传感器 和其他的 定制化解决方案 都出自于STS。最重要的是,我们的钛材质传感器ATM/NATM.1ST/N 采用了特氟龙线缆已成为行业标准。

由于模块化安装系统,我们的传感器的安装可以适应客户的当前需求。同时有各种形式的压力测量方式如:表压和绝压。STS和我们的合作伙伴AE Sensors的高度灵活性,以及传感技术的完美品质,合作多年客户的好评也已完美的证明了这一点。

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。