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。

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。

精确的压力测量对于安全、高性价比的机动车开发至关重要

精确的压力测量对于安全、高性价比的机动车开发至关重要

从古埃及以来,利用液压原理来承担劳动就被采用。但随着工具系统的发展,设计和开发这些复杂的,常常是关键的电路所需的原件也是如此。

从17世纪Evangelista Torricelli发明的最早的压力计到波尔登管式压力计,最后到今天的压阻式压力传感器,研发者一直在寻找测量压力和优化设计的最佳设备。最近,特别是汽车工程师,在进行汽车测试和开发时,已经开始依赖这些高质量、精确的压力传感器。

当今的这些压力传感器通常能够在-40℃至150℃的温度下记录350 mbar至700 bar的满量程范围;最重要的是,像STS生产的这种高质量的传感器,其迟滞和重复性通常在0.001%左右!

Image 1:高精度压力传感器 ATM.1ST 精度高达 0.05% FS

高质量的压力传感器用于关键汽车系统的开发

这种可重复性在冷却和燃料输送系统的设计和开发中至关重要。在开发过程中,工程师依靠稳定的压力测量设备来准确记录信息,这样即使最小的设计变化的影响也可以被记录下来,而不必担心传感器无法重复结果。

在最近的一次发动机冷却系统的重新设计中,一个强大的OEM的工程团队最初面临的泵压降约为250kPa,以利用电气化带来的压降。在重新设计新的电动泵之前,必须记录准确的压力测量,让工程师有机会识别到问题。在研究了压力传感器阵列记录的结果后,对设计进行了修改,将压降降低到100kPa以下,并将寄生损耗减少500W。

虽然电气化和电子控制在车辆系统中发挥着越来越重要的作用,但液压仍然是保证许多关键电路顺利运行的重要因素。

举例来说,在自动变速器的开发过程中,必须实时测量端口管路压力,然后与设计规范进行比较,以确定是否满足设计参数。同时,对换班时间和质量进行测量和主观评估,以确保驾驶性能满足客户的要求。

尽管高质量压力传感器在测试和开发过程中可以记录有价值的数据,但在未来技术的工业化过程中,这些工具也可以显著降低设计成本。

压力传感器确保未来技术达到预期

为了改善严重缩小的发动机的性能,制造商正在利用48V电气化提供的额外动力,用电动增压器取代涡轮增压器。

作为一个成熟的技术,没有太多的研究和测试数据可供工程师希望优化e充电增压器。尽管流体动力学和电气工程提供了一个可靠的平台,但理论在实际测试条件下验证仍然至关重要。

为了实现这一点,必须映射歧管压力,以优化发动机性能,同时最大限度地从废气中回收能量。为此,需要具有非常精确的压力传感器,能够在多种增压压力和温度范围内提供精确读数。这些传感器还必须耐振动和化学降解。

当世界各地的制造商继续开展电动汽车的研究时,一些组织正在考虑利用氢来发电,而不是依赖于蓄电池。

氢燃料电池采用质子交换膜,也被称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池(PEMFC),已经在丰田的Mirai等汽车上看到了有限的系列生产。

虽然小型PEM燃料电池通常在正常气压下工作,但更高功率的燃料电池(10kW或更多)通常在高压下工作。与传统内燃机一样,增加燃料堆压力的目的是通过从相同尺寸的电池中提取更多的功率来增加比功率。

通常,PEM燃料电池的工作压力从接近大气压到大约3Bar,温度在50到90°C之间。虽然通过增加操作压力可以获得更高的功率密度,但由于压缩空气所需的功率,系统的净效率可能会降低;因此,平衡压力以满足特定燃料电池的要求是很重要的。

与内燃机增压一样,这只能通过使用高质量的压力传感器进行精确的压力测量来实现。这些测量然后与燃料堆栈输出进行比较,以最小化寄生损耗,同时优化电力输出的增益。

因此,无论汽车行业未来选择何种技术,精确的压力传感器仍将是安全高效汽车发展的关键。

如何选择合适的压力传感器?

如何选择合适的压力传感器?

广泛的测试对于新技术的开发必不可少。为取得准确的结果,需要能够精确满足需求的测量仪器。这里向您展示一些主要影响因素。

压力范围

寻找合适的测量技术的一个初始指标是测量的压力范围,以及是否测量相对和绝对压力值。

由于应用的不同,也要考虑到特殊的特性。尤其是在测试和测量应用中,需要特定的测量范围,而标准的ISO压力范围的传感器不能满足需求。在这种情况下,传感器需要测量特定的压力范围,从而达到预期的精度。

精度

在赛车的发动机开发中,最小的测量数据是在赛道上胜利与否的关键。在这种情况下,对传感器精度要求极高,在特定的应用中,传感器的精度要求达到±0.05% FS。

在关于精度的问题中,必要性和成本的因素是相互平衡的。所测量的压力范围通常是出于决策作用。如果测量范围过广,就不需要特殊的精度。而精度高的压力传感器通常价格也会高。

温度

在一些应用中,温度因素很难确定。研发人员常常不是很确定压力传感器所适用的温度范围。STS的很多压力传感器的工作温度是在-25°C 到100°C。这个范围几乎涵盖了常规的一些应用范围。而原则上来说,所有的传感器都可以定制特殊的温度范围,这样即使在-40°C或150°C也可以得到精确的测量结果。

压力接口

由于许多公司有自己的标准化接头,过程接口的部分可以成为排除竞争对手的关键之一。

有许多可选的电气接头形式,无论是M12,DIN,MIL还是其他,这些都应该由制造商提供各种长度和材质 。

STS本身有较多接头范围供客户选择。由于这些测量仪器的模块化构造原理,接头形式也会越来越多样性。

输出信号

同样重要的是测量压力是作为模拟信号还是在诸如Modbus之类的数字接口上传输的。通过模拟信号传输,压力转化成模拟信号仍需测量。在数字信号传输中,所测压力值可以直接通过电气接口输出。

空间要求

在很多应用中,只有很小的空间来安装压力传感器。出于这个原因,传感器的尺寸和过程接口的结合成为一个重要的选择标准。压力测量形式也起着很重要的作用。压阻式压力传感器尤其适合小尺寸设计。因此STS能够提供直径只有几毫米的传感器。

材质

传感器安装在哪里?环境条件如何?会不会接触蒸汽,汽油或是特殊的气体?传感器的壳体介质决定了传感器可以应用在哪种介质中。在测试台上,主要采用不锈钢壳体。如果应用在海水中,则要采用钛。

密封材料对传感器也起着重要作用。密封材质的选择取决于压力系统中所采用的流体。当然温度也在考虑范围内。

认证

一些危险应用诸如有爆炸可能性的,某些认证是必不可少的,它为仪器的安全操作提供保障。STS压力传感器比如ATM.ECO/IS 有FM FmcIECEx ATEX认证,允许应用在爆炸区域。

交期

长时间交付会推迟样机测试和产品引入。因此,应该提前确定所需的传感器是否有现货,以及定制生产的预期交付期。

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合适的压力传感器综述

传感器不一定要满足所有的参数要求。在某些情况下,一家厂商所生产的传感器并不符一些公司的标准接口。因此会产生额外的成本,交货时间也会相应推迟 。

为尽可能让客户选到合适的传感器,我们的压力测量设备都是基于模块化设计。因此我们所有的压力传感器可以根据所要求的温度范围进行校准。我们的产品有多种接头形式,密封材质和压力测量范围供客户选择。由于模块化的设计,我们可以在短期内根据客户要求参数来定制。