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。

延长优化与氢物质接触的压力变送器的使用寿命

延长优化与氢物质接触的压力变送器的使用寿命

由于氢原子非常小,它可以在渗透过程中渗透固体材料。长时间的接触和渗透过程,使得压压力传感器性能和使用寿命降低。而这种情况是可以改善的。

压阻式压力变送器, 的芯片被包裹在液压油中油。该部件又由非常薄的15至50μm厚的钢膜包裹。由于氢原子尺寸极小,气体可以通过金属的晶格扩散(见图表)。 随着时间的推移,这种穿透性气体导致信号产生大于误差的零位偏移,钢膜向外弯曲。从而导致压力传感器损坏。

氢特性概述

Infographic: malachy120///AdobeStock

压力传感器在很多作业环境下与氢气接触,无论是监控氢气罐本身,或是潜艇和汽车行业。都十分常见。特别是在后一种情况下,氢气被越来越多地用于替代性驱动系统的开发。许多制造商已经致力合并燃料电池的模型开发好几年,一些城市已经选择了氢气车作为公共交通工具。其优点是不能被忽视的,因为只需要氢气和氧气作为源燃料。通过化学反应,产生电能,且完全不产生废气(燃烧产物是水蒸气)。此外,与化石燃料相反,氢气用之不竭。该技术发展已经很先进,现在的型号在100公里内只消耗3升氢气,而一次罐装的驾驶距离可达700公里。

因此,需要高性能、高精度的压力变送器来监控车辆的氢气罐和监视车辆的氢罐内的压力和温度。这里可能会产生高达700 bar的压力,但也应涵盖较大的温度范围。 当然,压力变送器必须长时间进行监测,并达到所需精度。 为了优化氢气作业环境下传感器的使用寿命,必须考虑几个影响因素:

  • 压力范围: 通过传感器膜的气体流量与气体压力的平方根成比例。 十倍以下的压力将传感器的使用寿命提高约3倍。
  • 温度: 通过传感器膜的气体流量在较高温度下增加,并取决于材料常数。
  • 膜片厚度: 气体流量与膜厚成反比。使用100μm而不是50μm厚的膜将传感器的使用寿命增加一倍。
  • 膜面积: 气体流量与膜表面积(膜直径的平方)成正比。 使用Ø13 mm而不是Ø18.5 mm膜,传感器的使用寿命加倍。

由于在车辆的氢罐内发生高压和剧烈的温度波动,传感器的寿命不能受这两个因素的影响。 膜厚度和膜面积的因素也只是有限的补救措施。 虽然这些因素可以改善寿命,但还不是最佳的。

黄金涂层(镀金):最有效的解决方案

黄金的渗透性比不锈钢的渗透性低10,000倍。 通过使用50μm的钢膜的金涂层(0.1〜1μm),与将膜厚度加倍至100μm相比,能够更有效地抑制氢渗透。 在第一种情况下,临界氢气体积积聚在压力传感器内部的时间可以增加10到100倍,而在第二个例子中,只有2倍。 其前提是无缝隙和优化焊接,以及大面积无缺陷的涂层。

Image 1:带镀金膜片的压力变送器的示例

由于一旦涉及到氢的渗透性,黄金具有这些优势,所以STS使用镀金不锈钢膜作为氢作业环境的变送器制造和生产标准。

Downlaod our free infographic on the subject:

燃料压力测量 – 材质的选择至关重要

燃料压力测量 – 材质的选择至关重要

腐蚀性液体和气体对生产工艺中使用的压力传感器有着更加严格的要求 。STS产品 ATM.1ST 系列可应用于化工行业的众多领域和有爆炸危险的区域,无论怎样的操作环境,我们的产品都能操作自如。

STS压力变送器显著特点之一:模块化设计结构,可根据不同应用需求,提供多种机械和电气元件组合。

  1. 多种选择,提供最佳匹配方案
  2. 确保测量装置的快速响应

Figure 1: O型圈测量单元组装的压力传感器

图示传感器采用高精度测量芯体O型圈密封 。这种构造支持产品的多样化组合。取决于不同的压力测量介质,可选用多种材质O型圈(氟橡胶,三元乙丙橡胶或全氟醚橡胶),以满足不同应用需求。

Figure 2: 金属底座压力测量单元件

然而像燃料(柴油,汽油等)这类具有腐蚀性介质或高压下的应用中,就不在适用O型圈密封。 在这样的应用中,测量芯体需要焊接在压力端口。 出于这种原因的考虑,STS研发了ATM.1ST系列产品。

这种金属密封可提供多样化的机械设计。在0…20bar 甚至高达0…100 bar 的压力 ,4-20mA输出的情况下,精度可以达到0.05% FS。

而在常规压力0 … 20 bar至0 …700 bar, 4-20 mA或0 – 5/10 V 输出的情况下,常规精度为0.1% 。

模拟量传感器会在两个温度范围内校准:-25… 125°C(标准)或-40 …125°C(可选)。在此范围内,可以保证总误差绝对可以保证总误差<0.4%FS。

 我们的产品以简洁的样式,坚固的外壳和非常高的灵活性为特征,ATM.1ST系列产品有着简洁的外观,坚固的课题和高灵活性特征,可根据客户不同应用需求进行定制化服务。我们的产品非常适用于测试台架 和机械工程等各个领域。

将增压压力映射到小型涡轮发动机上是成功的关键

将增压压力映射到小型涡轮发动机上是成功的关键

为了满足世界各地越来越严格的排放法规,OEM厂商正转向小型的火花点火内燃机。虽然这些小型发动机消耗的燃料更少,排放也明显更低,但它们需要增压进气系统才能达到驾驶者期望的现代乘用车的性能。

这些小型涡轮发动机的驾驶性能必须至少等于他们的自然吸气等量的性能。这需要在发动机低速时充分增压,而不需要在高速时耗尽蒸汽,这只能通过一个复杂的增压控制系统来实现。

这些强制增压内燃机的主要问题是精确控制在不同增压压力下接近化学计量值的空气燃料比。低速时,这些发动机在中等到高负荷下容易发生爆震。

现代压力控制系统

控制涡轮侧旁路是增压控制的最简单形式。

一旦达到特定的增压压力,部分废气流就会通过旁路绕过涡轮。弹簧加载膜片通常操作废液门,根据增压压力开启或关闭旁路。

近来,制造商已经转向改变涡轮形状来调节增压压力。这种可变的几何形状允许涡轮流动截面的变化,以匹配发动机的运行参数。

在发动机低转速时,通过关闭导叶来减小流动截面。增压压力和发动机扭矩增加的结果更高的压降之间的涡轮进口和出口。在从低速加速时,叶片打开并适应相应的发动机要求。

通过调节每个工作点的涡轮流动截面,可以优化废气能量,从而使涡轮增压器的效率和发动机的效率都高于旁路控制。

今天,电子增压调节系统越来越多地应用于现代火花点火汽油发动机。与只能作为满载压力限制器的纯气动控制相比,灵活的增压压力控制可以实现最佳的部分负载增压压力设置。

叶片的操作受到可调控制压力,而不是增压的影响。

仿真降低了生产和研发成本

面对过多的复杂变量,制造商在设计和测试阶段转向了仿真。

小型化涡轮增压发动机需要克服的一个重大障碍是,离心式压缩机在高增压压力下稳定运行的范围太窄。

建立有效的仿真模型的唯一方法是通过广泛的实地测试。这种试验主要是在气候实验室的发动机测功器上进行的。

在大开和部分节气门时,会记录以下压力信息:

  • 进气歧管压力
  • 增压
  • 气压

当然,所有这些都与发动机温度(冷却液和油)集成,以获得发动机在整个发动机转速范围内的性能表现。

在测试过程中,工程师注意到任何性能异常都是很重要的,因为特定发动机转速下的排气脉冲等事件可能会产生驻波,从而在某个临界频率激发叶轮,从而降低涡轮的寿命,甚至导致灾难性故障。

因此,压缩机和涡轮的压力测量性能对于建立精确的外推模型进行仿真是至关重要的。

一个好的仿真工具在压力测试完成后可以节省OEM厂商在测功机和道路测试中的时间和金钱。

起落架液压测试

起落架液压测试

想象一下,你正在驾驶者自己的飞机,巡航在美好的一天当中。

此时你正接近机场跑道并打开起落架的液压装置开关,进行着陆准备。突然,出现一个低压警报,起落架将无法正常打开。此时此刻你危在旦夕!在你急促的呼吸下的可能会对设计该液压系统对工程师颇有微词。其实,我们就是被抱怨的工程师,那位想象出来的飞行员是我们的客户。他们应该有一个可靠和完美的着陆,不是吗?因此,这极其考验我们所设计的液压系统,但该如何设计呢?我们需要全面的从细节,配件和设计做详细的计划。然而,至少有一点可以通过我们的努力而保证,那就是液压试验!我们将测试所有的细节,然后尝试损坏系统,并再次测试!所以很自然的,我们需要一个压力传感器在微调所有细节后,能够持续准确地记录液压系统中的情况。有一个传感器可以准确的做到这些要求,本文的其余部分,我们将一起探索STS高精度压力变送器ATM.1ST。

当我们开始开发液压压力测量方案,首先必须确定要收集的确切数据。大家都知道,在液压系统中“压力”是一个很宽泛的术语,并且自身而言几乎没有什么实际性质的意义。这里是指蓄能器压力,泵输出压力,调节器压力或者安全压力吗?这取决于你怎么理解,但幸运的是STS已经开发出一系列压力变送器,可在任何形式的子组件中收集数据。STS高精度压力变送器 ATM.1ST按照模块化和适应性的方法而设计。作为工程师,可以择优挑选传感器每个子组件的特性和功能,以确保每个部件都是完美适合应用环境,同时可以解决迎刃而解测试过程中遇到的问题。

现在让我们一起来拆解这些传感器模块。首先,我们可以为传感器选择几乎每一个部分的材料,以保证传感器的强度和耐久性。例如,基于爆破压力和一些对其他因素的承受力,可以选择由不锈钢或钛构成的壳体和换能器,并且也可以根据液压设置的特点来确定选择方案。

然而,我们的材料选择不限定于所述的壳体,也可以为传感器挑选密封材料。在这个模块中,可以选择的内容包括氟橡胶,三元乙丙橡胶,全氟醚橡胶和丁腈橡胶。自然而言,液压流体将贯穿整个起落架系统;因此,一旦我们确定密封材料,就可以保证与贯穿整个系统功能的流体之间有最佳的交互。另一个在测试设置中需要保持一致的因素是压力传感器的总体精度。幸运的是,STS的 ATM.1ST产品线的高精度传感器充分体现了产品在这方面的特点。并且通过0.25%,0.1%和0.05%FS充分确保数据收集在整个测试过程中是既准确又相一致。

最后两个模块的选择是有关起落架测试过程中的电气工艺连接。在电气的世界,我们可以选择FEP,PUR和PE线,以及各种不同的连接器。针对连接的过程,我们谨慎并且周到的提供了各种类型的隔膜,DIN等。虽然不同组合的绝对数量似乎远远的超过其表面价值,但是它们所组装出的压力传感器保证了测试环境可以在一个正常的情况下完成。

现在,让我们回到起落架测试中。当开发和测试液压系统时候,实现完美的起落架操作将需要系统内的几个不同位置的数据参数。如上所述,我们有一个累加器,可以充当各种各样的阻尼装置来平滑系统中的压力变量。当然,我们的工程师需要明确的知道这些变量属性。因此,这似乎是一个测试传感器的最佳位置!

在维持压力方面,校准器正好属于这个范畴之内。由于存在阀门的打开和关闭或系统中的任何不规则性所导致的压力波动,校准器可以确保系统压力保持在规定范围之内。再强调一次,这是另一个起落架开发过程中,值得关注的重要组件,我们现在有足够的资源为起落系统选择一个完全定制的压力传感器,这个目标通过精确的测量和安装便捷的电气连接器来实现。

做一下总结,我们的任务是通过严格的测试课程,以建立一个可靠的起落架系统。然而,这种原理的液压系统中组件和传感器的潜在位置是极其多样化的。值得庆幸的是,STS已经研发出了 ATM.1ST 压力传感器,可以让我们对传感器几乎所有的方面,有着近乎绝对的控制;包括材料,准确性,密封,和电气连接器。长话短说女士们,先生们,这种高精度的传感器,使我们能够设计一个精简和可靠的测试过程,其中我们的测试传感器是配合安装,而并不是去控制安装。