赛车运动中的压力传感技术:小数点马力差之间的较量

赛车运动中的压力传感技术:小数点马力差之间的较量

“胜者决定一切!” 在赛车的世界中只有赢家和输家,胜者才可以享受来自香槟的淋浴。然而,最初的比赛结果是发生在发动机的开发测试机床上,而高性能压力传感器则代表着决定性的竞争优势。

STS为来自赛车世界的客户提供压力传感器,其中包括了参加F1方程式和NASCAR顶级赛车团队。这两种系列赛尽管会略有不同,但有一个共同点。每一个马力数在赛道上都有着决定性的优势。每十马力都来自发动机试验台的全面分析斟酌,最终结果要绝对可靠到最后一个小数位。

F1方程式引擎开发中的压力测量技术

当今F1方程式引擎规格是在2014年颁布的。当前的引擎规则在六个气缸。单V形布局的六汽缸发动机,1.6升排量和单涡轮增压器 。最高转速达到15000 min-1。动能回收系统(KERS),根据刹车状态的电气能量回收系统在2009年首次推出,现在已经换成了能量回收系统(ERS)。在现代方程式塞车中,所涉及的是一种混合型的发动机。因为这个原因,方程式赛车的未来早已成为当下。也许是全世界最成功的赛车系列同时也是一个测试道路的实验室。从盘式制动器到电脑诊断,许多现在用于日常交通道路技术都来自中曾经的在F1方程式赛车技术中。

现行的引擎规则,均匀地界定了所有团队的参数,使得在测试平台上进行深入研究成为了必不可少的决定性优势。相比于在正常的道路交通车辆测试,每一个马力计数都具有不同的要求。油和水的压力较高,因为它们的所产生的温度因素。当改善燃油经济性和更高的性能作为目标时,,那么比赛条件下广泛的测试是必不可少的。此外,温度范围内精准的测量结果具有极其重要意义。在方程式塞车中,马力方面的重大飞跃往往并不足以庆祝,而小数点区域的这种性能水平的升高往往才是值得庆祝的理由。

面临这些挑战,一个众所周知的一级方程式车队联系了STS,因为他们一直采用的传感器技术未能满足他们的高要求。现在正在使用的测量仪器太大,太沉重。更为严重的问题是,附加的冷却技术不得不被内置到测试床中,否则传感器的温度会迅速上升到最高值。因此,这种情况下测得的结果将是毫无价值的。

 开发者的目的是获得标准化的压力传感器,并且抛弃原来的冷却元件。重量和尺寸的问题也至关重要,因为它们会直接影响赛车的性能。

STS为赛车团队提供了新的ATM 系列传感器,该系列将在今年秋天上市。这种传感器不仅在需要的温度范围内具备极高的精确度,同时也提供了一个长远的决定性优势,可以持久优化发动机的发展。之前使用来自其他制造商的传感器,从2014年开始采用的混合动力系统后就会发生故障。例如,该试验台将自行关闭同时长期测量工作几乎不可能实现。而STS的ATM传感器具有自动防故障装置,从而允许在赛道上进行大规模的测试工作,直达最终的领奖台制高点。

NASCAR引擎开发中的压力测量技术

虽然混合动力引擎没有内置NASCAR赛车中,但是大规模测试仍然需要获得最佳的性能。在这项运动中,也是一个知名的发动机制造商选择了STS的压力测量技术。在大规模测试期间,大约有200个ATM.1ST 压力变送器一直保持对汽油,水,燃料和空气压力的监测。其目的是要精确地检查各种因素,甚至达到性能极微的提升(这里涉及的是 ca. 900 PS))。正如方程式赛车,可以提供最高等级的精确度。这里的精准度范围相当于只是一个马力的十分之一!

这个发动机制造商的最终选择 ATM.1ST 压力变送器,因为它所需的性能特征基本上无可匹敌的。

  • STS模块化传感器允许制造商连接一个特殊的压力适配器。
  • 总误差≤±0.30%FS允许为发动机性能提高提供了有意义的分析。
  • 长期稳定性大大减少了校准的需要。
  • 压力测量范围从100 mbar….到1000 bar,十分适合发动机开发过程中产生的压力。
  • 出色的温度补偿可以在一个广泛温度范围内得到精确的结果 – 一个最高级别的性能测试期间,温度急剧上升的决定性标准。

不论是方程式赛车还是NASCAR,发动机测试床是通往领奖台的胜利之路。特别在高性能的赛车运动领域,高精度的传感器监测着所有重要数据,这些数据来自油,水压,还有汽油和空气压力。除了精准,自动防故障也是一个重要的功能,这使得可以长期稳定的进行测试工作,并产出可信性高的测试结果。

GDI发动机面临着减少颗粒排放和提高性能的压力

GDI发动机面临着减少颗粒排放和提高性能的压力

到2025年,预计将有4000万台汽油直喷式(GDI)发动机售出,但令人惊讶的是,这些发动机排放的有害细颗粒物比燃油喷射(PFI)发动机,甚至比配备微粒过滤器的最新重型柴油都要多。

市场的潜在增长意味着GDI的微粒排放,尽管与未经过滤的柴油相比较低,但现在正受到监管机构和制造商的密切关注。

为了减少有害排放和提高整体性能,工程师们正在研究新的燃烧设计和工程概念,包括提高燃料压力、替代燃料和尾气排放控制等。

福特迪尔伯恩研发创新中心的化学工程和排放技术负责人Matti Maricq表示,将燃料直接注入汽缸,可以实现清洁燃烧,减少燃料浪费,并提供更大的动力。

在这个过程中,汽油被直接喷在燃烧室最热的地方(而不是在进气口),可更彻底,均匀和稀薄的燃烧。

更清洁的燃烧GDIs释放有害的微粒

但由于燃料不完全挥发、部分富油区以及活塞和气缸表面的“润湿”,GDI发动机会产生不必要的颗粒物。大多数排放通常发生在冷启动和预热阶段的高负荷瞬态条件下,但这可能会根据负载、驱动循环阶段和驾驶员需求而变化。

虽然“环保”批评人士仍对所谓的“发动机管理”方法持怀疑态度,认为与排气过滤器相比,这些方法并不可靠,但大多数OEM厂商和零部件供应商预计,燃烧设计和工程变革将更具成本效益,而且同样有效。

目前的发展表明,更高的燃油压力(可能达到40MPa)以及新的超精密喷油器将极大地改善未来的GDI系统。为了进一步优化系统,工程师们还将继续改进喷油器的定时、匹配、计量和雾化。

SAE最近发布的一项研究表明,燃油系统压力的增加可以改善混合气的均匀性,减少叶尖扩散火焰,从而显著降低GDi发动机均匀燃烧时的颗粒物排放。

此外,在燃料压力为20 MPa至40 MPa时,进气电荷运动增强,颗粒物排放进一步减少。

从燃烧数据可以看出,燃油压力的增加对减少燃烧排放、提高燃油消耗有显著影响。

然而,对于GDI系统来说,在设计和测试阶段正确测量共轨(CR)内燃料的压力是非常重要的,这样ECU就可以相应地进行映射。

CR燃料压力的测量是降低颗粒物排放的关键

直接喷射压力是用传感器测量的,信号用来确定泵的转速或体积。

大多数直接喷射系统在系统的低侧使用压阻式压力传感器。当施加压力时,硅晶片元件产生可测量的电压,随着压力的增加而增加。

在高压侧,传感器通常在电阻桥上使用金属薄膜。当施加压力时,电桥产生电阻的变化,从而导致施加电压的变化。电子控制模块(ECM)将电压转换为计算压力,一般在±2%的精度范围内。

为了保持适当的压力,ECM脉冲低压泵。该系统通常有一个调节器,没有回路。一些系统甚至在线路中集成了温度传感器,用于计算燃料的密度,这样燃料的修整就可以根据燃料中的能量量进行调整。

为了确保精确测量线路压力,重要的是要使用高精度压力传感器来绘制所有发动机和负载条件下CR内的压力。这一过程中的任何错误都可能导致CR压力的不正确调节,从而导致严重的异常,如当高负荷增加燃油供给时,CR平均压力超过喷油器设计压力时,就会产生汽缸清洗。

此外,随着协调驾驶循环的引入,OEM将面临新的压力,以满足监管机构设定的排放目标,而GDI火花点火发动机将处于新一代绿色技术的前沿。然而,为了满足即将出台的法规,这项技术需要减少颗粒物排放,主要是通过对CR燃料压力的精确控制。

轮胎制造过程中的压力测量技术

轮胎制造过程中的压力测量技术

每年,全球制造的轮胎超过10亿只。 因此,这是天然橡胶最大的消费项目。为了使这种天然材料成形且具有耐久性,高压和高温是必要的。只要用对了技术,轮胎制造毫无压力。

那些认为轮胎制造只是一个简单的过程,只需将原料变成圆形是错误的。 在现代轮胎生产中,许多单独的部件结合在一起,保障驾驶人舒适性和安全性。

轮胎制造

轮胎的原材料的制造因生产商而异,也会因为轮胎的类型不同而有所变化。 在这里可以使用超过40种不同的原料,包括天然橡胶,炭黑,硫磺等。 各种材料在极高的温度下糅合在一起, 然后将该混合物的长度拉伸并在冷却时进一步加工。

 使用该混合物制作轮胎的各个层。 这里也会使用其他材料,例如轮胎中橡胶覆盖的钢网,这层钢网用来稳定轮胎并增加转弯力。 轮胎的其它部件包括胎体,胎圈,胎面,侧壁,填料和内衬也要使用这种混合物来制作。

轮胎的各个层在轮胎成型机中集合在一起。 这些版本被称为空白轮胎或“绿色轮胎”。

空白轮胎到成品轮胎

在下一步骤中,将空白轮胎插入硫化压机中。 在这一环节中,各个轮胎部件被硫化在一起,然后材料达到其所需的统一弹性。 为了实现硫化,将“空白轮胎”放入压力机中,在额定压力和高温下进行“烘焙”。

在这个过程中,橡胶囊从压机内部膨胀并在压力作用下被向外压入模具中。这就是轮胎轮廓的制作。这个环节的温度达到180℃,并且可能出现超过24巴的压力。名声卓著的各大轮胎制造商使用STS制造的 ATM 传感器监测这种吹塑压力。

仅使用高性能压力传感器进行硫化

由于高温、蒸汽和高压力的存在,制造轮胎的环境十分艰苦严苛。 因此需要一种压力变送器,它可以在高温下监测轮胎制造中产生的压力且经久耐用。这种情况必须要使用 ATM 系列的变送器。 它们的高精度、可靠性和出色的长期稳定性,以及其紧凑富有弹性的设计,为轮胎制造商高效作业提供了保证。尤其是,它们在测试和抗爆破压力中的杰出质量可避免在制造中出现高昂的停工期。 此外,这些压力变送器可以很轻松地在现场重新校准。

MaP传感器是清洁发动机高性能的关键

MaP传感器是清洁发动机高性能的关键

面对日益严格的全球排放法规,汽车工业反应迅速,采用清洁技术来减少有害的温室气体。 现代清洁燃烧发动机的操作的关键是将空燃比(A / F)精确控制到化学计量值以获得高催化转化器效率并使尾管排放最小化。

为了在瞬态条件下优化A / F比,制造商使用闭环和开环系统:

  • 闭环系统是其中与位于排气流中的排气氧传感器(EGO)(也称为λ传感器)产生与A / F成比例的信号的系统。
  • 开环或前馈系统通过从空气流量计接收的信号控制喷射器燃料流。

在这两种情况下,信号通过数字PI控制器反馈以调节燃料喷射脉冲宽度。 然而,这些系统具有两个显着的缺点:

  • 由于发动机的感应 – 压缩 – 功率 – 排气循环中固有的相对长的延迟,A / F控制系统的反馈或闭环部分仅在稳态操作条件下完全有效。
  • 可靠的EGO传感器信号仅在传感器预热后可用,因此在启动发动机时不能立即进行闭环A / F控制。

因此,在瞬态和冷启动条件下,A / F控制器的前馈部分是特别重要的。

为了在所有条件下优化A / F,现代发动机通常配有用于测量进气歧管中的空气压力的歧管空气压力(MaP)传感器。

 MaP传感器知道发动机需要什么

MaP传感器连续地测量空气压力,并将该信息发送到发动机ECU,发动机ECU将数据插入用于控制喷射器脉冲宽度和点火正时的表格中。 这些压力读数作为输出电压信号传递到ECU。

在开发阶段,关键是在歧管中测量的压力要准确。 系列生产MaP传感器在向ECU馈送信号方面具有优越性,通常具有比认为可接受的更宽的公差:因此,高质压力传感器,(例如由STS生产的那些)通常在开发期间串联安装到MaP系列传感器。当在各种节气门开度处记录歧管压力时,从这些传感器获得的读数用于测量任何偏差或误差。

该过程是相当复杂的,并且要求在数百个节流阀打开点处测量输出电压,以便发动机ECU创建发动机要求的有效映射。

使用地图传感器来推动发动机ECU

在开发阶段,使用校准的MaP传感器,以小的节气门开度增量测量歧管压力,并且针对每个设置记录输出电压。

在怠速时,当节气门部分打开时,该压力在大气压的约1/3处测量,或在正常吸气发动机中测量为0.338巴。 由于地图传感器的输出电压与压力增加成比例,所以空闲时的输出电压将近似为5/3 = 1.67V,其中标称满量程输出为5V。

然而,在实践中,生产地图传感器的全刻度输出可以变化,并且通常小于5V。 这是因为传感器制造商之间的变化,结果是典型的满量程电压大约为4.6V。 由于这些变化,在正常操作期间,地图传感器读数将在约1.5V和4.5V之间变化,除了在超限上产生的真空,其中可以记录小于1V的输出电压。

此外,由于气压对燃料混合物具有显着影响,ECU还必须了解大气压力值。 为了实现这种环境压力,通常在发动机刚刚启动之前,刚刚在其关闭之后或两者之后记录测量结果。

这些测量用于设置校正天气和高度条件下的歧管压力的基线条件。 实际上,这是使用点火开关和发动机关闭信号来实现的。 这样,当发动机运行时,控制发动机的相同传感器在发动机关闭时用于气压测量。

强制感应加大MaP传感器的压力

当自然吸气式发动机通过增加涡轮或增压器转换成强制进气时,歧管压力范围必须扩展到包括增压区域和真空区域。 为了覆盖全部压力范围,必须使用覆盖至少1.5巴的压力或与发动机设计参数匹配的范围的地图传感器。

如果增压压力超过1.5巴,重要的是,为了保持全刻度读数,随着压力增加,读数上增加了减小的偏移。 这具有实际重要性,因为在基于地图传感器的发动机管理系统中,如果超过标称满量程读数,则容易击中燃料切断或在ECU中产生故障。 这就是为什么当使用2 bar传感器读取高于标称满量程压力的压力时映射减小的偏移量的原因。

 采购MaP传感器有效地满足这些广泛的要求并不总是容易。 然而,由于MaP传感器在燃烧过程的有效管理中发挥关键作用,为了在开发期间精确地记录歧管压力,使用精确校准的高质量MaP传感器是重要的。 随着制造商在压力下进一步减少排放和提高性能,应用工程师将继续要求改进用于开发的传感器的精度。

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。