jueves, 21 de noviembre de 2024 · 0 min read
Mediciones de combustión y NVH sincronizadas en un banco de pruebas de motores
En el diseño de autos, la experiencia subjetiva del conductor es cada vez más importante. Un factor clave es la vibración y el ruido a los que está expuesto el conductor. Y para esto, el tren motriz del vehículo es el principal factor de influencia. La base para el análisis y la optimización es comprender los datos del motor de combustión interna combinados con múltiples datos NVH del conductor: el medio ambiente y los datos del bus del vehículo. En sus bancos de pruebas, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Frankfurt tuvo el desafío de simplificar la medición y obtener una valiosa capacidad de entrenamiento. Dewesoft ayudó.
Muchos sistemas de medición se enfocan solo en una aplicación y un conjunto de datos. Para tareas complejas, a menudo necesita más sistemas de medición e invertir esfuerzos que requieren mucho tiempo en el procesamiento posterior.
Para el análisis y la optimización de datos, normalmente necesita usar de tres a seis exportaciones en diferentes paquetes de software. Tendrá que verificar la plausibilidad y sincronización de los datos adquiridos. Con Dewesoft, solo necesita un archivo de medición para varias exportaciones. Y todavía puede hacer análisis y optimización en cualquier software.
La solución de Dewesoft ayudó a la universidad a establecer la medición sincronizada con visualización directa como enfoque estándar. El problema, en este caso, es solo un ejemplo de varias situaciones que requieren diferentes sistemas de medición especializados. Los fabricantes de equipos originales, los proveedores de Tier 1 y todos los demás que diseñan o verifican más de un solo componente enfrentan tales desafíos de sincronización y visualización inmediata.
El problema - Tiempo de prueba
En este caso, la configuración de las mediciones mediante este enfoque se realizó en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Frankfurt (Frankfurt UAS). La universidad ofrece alrededor de 38 programas de estudio en arquitectura e ingeniería civil, negocios y derecho comercial, informática e ingeniería, trabajo social y salud.
Desde 1988, el ingeniero de laboratorio Dipl.-Ing. Ingo Behr, M.H.Edu. ha estado trabajando en la UAS de Frankfurt en los laboratorios de la Facultad de Informática e Ingeniería centrándose en el motor de combustión. Tiene experiencia en cuestiones de reforma de estructuras de estudio (study structure reform) y está involucrado en el diseño de cursos consecutivos de Ingeniería Mecánica.
Sin embargo, Ingo Behr tenía un problema. El laboratorio no pudo mostrar a los estudiantes las principales interacciones entre la presión en el cilindro de un motor de combustión y los parámetros de NVH. La visualización en vivo no era posible con sistemas separados. Y el posprocesamiento consumía mucho más tiempo que la prueba en sí.
El desafío actual en la educación superior es que una gran cantidad de estudiantes necesitan aprender los conceptos básicos del funcionamiento del banco de pruebas. Y la sala de control del banco de pruebas solo tiene espacio para tres o cuatro. Debemos pasar nuestro tiempo en el banco de pruebas de la manera más eficiente.
Frankfurt UAS tiene un laboratorio de motores dedicado a la investigación de motores de combustión. El equipo de laboratorio también es responsable de la formación educativa de los estudiantes en motores de combustión y campos como la medición de diversas cantidades físicas, termodinámica, análisis de vibraciones y medición de gases de escape.
Bancos de pruebas de motores clásicos
Un banco de pruebas para el octanaje del combustible
Un banco de pruebas para bombas de combustible diésel de alta presión
Bancos de pruebas para pequeños motores monocilíndricos
Varios espacios de trabajo, por ejemplo, para ajustar y montar piezas mecánicas, mezclar combustible y post procesamiento, completan el laboratorio.
La aplicación: comodidad de conducción
La forma en que los conductores y los pasajeros perciben la conducción de un automóvil se ha vuelto cada vez más crítica. Hoy en día, la comodidad de conducción es un diferenciador clave del mercado. Los ingenieros automotrices están trabajando para traducir las experiencias subjetivas de los conductores y pasajeros en indicadores clave de rendimiento (KPI) objetivos y medibles y desarrollar métodos de prueba apropiados.
La exposición de los pasajeros a las vibraciones y al ruido es un criterio para la experiencia de confort en los autos. Tradicionalmente, los ingenieros de desarrollo tienen una variedad de sistemas de medición para evaluar dicha exposición, y cada sistema realiza tareas específicas como análisis de combustión, análisis de vibraciones o aspectos específicos del análisis acústico. A menudo, se utilizan tres o incluso cuatro sistemas de medición en paralelo, todos con relevancia y especialización en sus campos.
Sin embargo, un problema con una configuración de este tipo es que estos sistemas no se sincronizan directamente y, en muchos casos, incluso requieren datos adicionales de otros sistemas para su análisis y optimización. Los archivos de medición producidos no son síncronos y la alineación de datos requiere mucho tiempo, o incluso es imposible.
El enfoque clásico para este problema es usar sistemas altamente especializados solo aplicables a una aplicación específica. Un sistema de medición de combustión se utiliza en paralelo con otro para mediciones acústicas y de vibración, y un tercer sistema de medición guarda varios datos de bus de CAN-FD o FlexRay. Cada sistema de medición tiene su software separado y produce un conjunto de datos no alineado con los demás.
Este enfoque tiene varias desventajas. Por ejemplo, la necesidad de experiencia de usuario en cada sistema de medición y el costoso consumo de tiempo para alinear los datos. Esto no es posible todo el tiempo. El enfoque de Dewesoft es permitir la optimización y un análisis más profundo midiendo todos los datos con un solo sistema y distribuyendo datos sin procesar y calculados a través de varias exportaciones a software especializado.
Con un solo sistema de medición, puede adquirir todos los datos, guardados en un solo archivo. Paralelamente, Dewesoft realiza el cálculo estándar de todas las aplicaciones involucradas y la presentación de los valores de los resultados en línea.
La visualización inmediata de la relación entre el análisis de combustión y la vibración del motor es clave para cumplir con nuestras expectativas.
La vista en línea brinda la oportunidad de verificación directa de datos para reducir la cantidad de mediciones no válidas inducidas, por ejemplo, por influencias externas. Aún así, los datos pueden ser post-procesados con procesos ya establecidos. Sin embargo, el software Dewesoft puede ayudar a simplificar las tareas que admiten el procesamiento posterior con varios formatos de exportación.
La figura 1 muestra esta simplificación del proceso. Los diferentes sistemas (A-D) son reemplazables por un sistema con un software en línea. Los procesos de análisis y optimización ya existentes son compatibles con una exportación.
La solución: Ingeniería, combinación de combustión y NVH
El sitio de prueba del motor tiene dos salas. Uno para el banco de pruebas y una sala de control. El laboratorio ha modificado el motor de un automóvil de pasajeros estándar para mostrar a los estudiantes las principales tareas del banco de pruebas con mediciones en estado estacionario y conducción dinámica. Este motor está conectado a la base del banco de pruebas y el dinamómetro transforma la potencia generada en energía eléctrica. El banco de pruebas de motores también incluye diferentes sistemas para medir:
potencia mecánica del motor,
consumo de combustible,
análisis de gases de escape,
medición de la combustión, y
medición de NVH.
Los estudiantes tienen que hacer algunas pruebas en este laboratorio durante su plan de estudios. Por lo general, los estudiantes durante el curso se dividen en pequeños grupos que tienen diferentes tareas de medición. Los grupos discuten sus diversos objetivos y planifican un procedimiento de medición. Luego, realizan las mediciones en el banco de pruebas del motor, el análisis en línea y el posprocesamiento de datos. Todo se hace en un par de sesiones durante un semestre. Finalmente, los estudiantes presentan sus resultados y conclusiones a otros estudiantes y los justifican frente a los examinadores.
En un proyecto, los estudiantes deben adquirir datos y correlacionar los resultados del motor de combustión interna con datos de ruido, vibración y aspereza (NVH). Todo esto proviene de sensores montados fuera del motor. Esta prueba tiene como objetivo establecer la correlación entre el motor de combustión, la vibración que induce -antes y después del rodamiento- y el sonido que produce. La prueba realizada es transferible al desarrollo de autos ya que se aplica al problema universal en otras aplicaciones.
Configuración del sistema
La configuración de prueba de Dewesoft está diseñada para ser móvil y es aplicable en carreteras o pistas de prueba. Sin embargo, también funciona con bancos de prueba como dinamómetros de chasis. Las pruebas pueden ser manuales o a través de sistemas operados como esclavos controlados a distancia, por ejemplo, por Etas INCA (móvil) o un sistema de automatización (banco de pruebas). La operación se puede controlar a través de disparadores, XCPoE o un complemento de banco de pruebas.
La configuración del sistema depende del número de canales y de las aplicaciones. Normalmente, el sistema de adquisición de datos se combina con:
Los módulos SIRIUSi de alta velocidad (HS) con amplificadores de carga integrados adquieren los datos de combustión con una frecuencia de muestreo de hasta 1 MS/s.
Los módulos SIRIUS DualCore o SIRIUS High Density (HD) con entradas IEPE adquieren la fuente de ruido y los datos de vibración con una frecuencia de muestreo de hasta 200 KS/s.
Estos sistemas están completamente sincronizados y el hardware marca la hora de los datos de medición analógicos. Además, CAN-FD se puede medir dentro del mismo hardware. El FlexRay se obtiene en paralelo y sincronizado por software con la información de tiempo de llegada de los mensajes. La decodificación de la traza del bus se realiza en línea directamente en el software.
Configuración de hardware
La configuración de hardware en uso consiste en sistemas de adquisición de datos Dewesoft SIRIUS; consulte también la Figura 3:
SIRIUSi-HS-6xCHG-2xCHG+ con actualización CAN-FD y amplificadores de carga
SIRIUS-HD-16xACC con actualización CAN-FD y entradas IEPE
Tenga en cuenta que estos sistemas se pueden configurar de diferentes maneras.
La configuración del motor (consulte la Figura 4) se basó en un codificador del ángulo del cigüeñal (1), bujías modificadas que miden la presión de combustión (2), sensores de vibración (3) y un micrófono (4) colocados en el banco de pruebas. El cableado conectó los sensores a los módulos de medición SIRIUS en la sala de control del motor al lado del sistema de automatización.
Configuración de software
A través del software DewesoftX Professional, los sistemas de medición Dewesoft SIRIUS se operan como esclavos más allá del sistema de automatización del banco de pruebas. El software DewesoftX utiliza el alcance estándar para la adquisición. Las entradas analógicas y de contador están definidas, y los cálculos necesarios están predefinidos en los complementos y opciones correspondientes.
El software utilizado es:
DewesoftX Professional - software para medición de señales, registro de datos, procesamiento de señales y visualización y análisis de datos.
Analizador de Motor de Combustión Dewesoft - permite el análisis básico de combustión y el recálculo desde el dominio del tiempo hasta el dominio del ángulo, en el dominio del tiempo para arranques en frío. La opción también agrega el alcance de la combustión y el control visual del diagrama p-V.
Módulo de Sonómetro Dewesoft - agrega la funcionalidad del medidor de nivel de sonido a DewesoftX.
Módulo FFT Dewesoft - permite el análisis FFT en tiempo real en canales de entrada ilimitados con una gran selección de marcadores avanzados y fallas de rodamientos.
Además del sonómetro, Dewesoft también puede proporcionar mediciones de calidad acústica, la intensidad del sonido y la vibración torsional, completamente sincronizadas. Esto permite opciones para realizar análisis futuros con el mismo sistema.
El ejemplo que se describe aquí muestra cuatro sensores de presión de cilindros piezoeléctricos montados en la cámara de combustión y conectados al sistema SIRIUSi-HS con entradas de carga. Este dispositivo también tiene el sensor de ángulo del cigüeñal conectado a través de Dewesoft Supercounters. Esto habilita la base para la medición de combustión con todas las velocidades del motor debido a una tasa de muestreo de hasta 1MS/s.
El módulo Analizador de Motor de Combustión de Dewesoft se utiliza para el análisis de motores de combustión. Las cuatro señales de presión medidas se transfieren del dominio del tiempo al dominio del ángulo del cigüeñal y se pueden mostrar de ciclo en ciclo. El software también calcula los resultados de medición necesarios, por ejemplo, la presión efectiva media y el centro de combustión.
El ingeniero de laboratorio Ingo Behr conectó los sensores de vibración y sonido a un sistema SIRIUSi con entradas IEPE. Este sistema tiene una tasa de adquisición de 200kS/s con una resolución de 2x24bit por canal. El sistema permite una dinámica de casi 160 dB y datos de sonido perfectos.
Los datos se transfieren a una FFT o un nivel de ruido de sonido ponderado utilizando el módulo de sonómetro y los módulos FFT. Esta configuración permite ver los componentes de alta frecuencia de la vibración y el sonido inducido por el cojinete del motor. El uso de acelerómetros adicionales también permite comparar las vibraciones del motor antes y después de cualquier cojinete, y medir su amortiguación.
El sistema de medición se configuró como un esclavo más allá del sistema de automatización del banco de pruebas del motor mientras se usaba el complemento del banco de pruebas en DewesoftX. La operación esclava no se limita a esto, también es operativa mediante herramientas de calibración o validación de ECU.
La ventaja de esto es que el sistema de automatización no solo opera el sistema de medición (inicio, parada). Los nombres de archivo para las mediciones son definidos por el sistema de automatización y transferidos a DewesoftX Professional. Los resultados, los valores de medición de combustión, sonido y vibración, se muestran continuamente en la descripción general operativa del sistema y en el almacenamiento de la base de datos.
La vista en línea ayuda a verificar directamente la configuración del sistema, otra ventaja de este enfoque. Las mediciones defectuosas son inmediatamente visibles y pueden corregirse y repetirse. La figura 5 muestra la configuración de entrada analógica usando los canales 1 a 4 y 9 a 11.
Las mediciones
Los dos tipos más comunes de pruebas utilizadas para el desarrollo de motores son la prueba de pasos y la "aceleración" o prueba de barrido.
En una prueba escalonada, el motor funciona a velocidad constante hasta que se estabiliza y se adquieren los datos. Luego, la velocidad del motor se cambia al siguiente punto de ajuste. La ventaja de la prueba escalonada es que la inercia del motor y el dinamómetro no afectan la lectura del par. Sin aceleración, la prueba puede ser más consistente.
En la prueba escalonada, el motor debe funcionar a un régimen de revoluciones constante durante un breve período de tiempo. Sin embargo, esta no es una condición que los motores vean en funcionamiento y puede afectar la puesta a punto. Es una razón fundamental por la que puede diferir el ajuste óptimo en el dinamómetro y la pista.
La prueba de barrido o aceleración acelera el motor a un ritmo constante, por ejemplo, 100 rpm/segundo o 300 rpm/segundo. Las pruebas de barrido suelen ser el resultado de una velocidad controlada de descarga de la unidad de absorción de potencia.
Las pruebas de barrido simulan las condiciones de la pista más de cerca que las pruebas de pasos, pero el control de aceleración afecta las lecturas de par. Durante la prueba, y de una prueba a otra, la tasa de aceleración debe ser constante. El sistema de control del dinamómetro es un factor para producir consistencia entre las pruebas de barrido.
El software DewesoftX admite varias pantallas y widgets para brindar una variedad de posibilidades de visualización de datos. El objetivo de la visualización es tener una visión general clara de los datos relevantes para verificar si la medición es válida. La pantalla de medición de la Figura 6 muestra los diversos datos agrupados en áreas separadas. Cada esquina presenta un área de datos. En este caso, las áreas de datos mostradas son
medición de combustión,
medición de vibraciones,
medición acústica, y
Bus de datros y correlación de datos.
Conclusión: pruebas simplificadas
Con una configuración sencilla, el enfoque de Dewesoft permitió obtener todos los parámetros necesarios. El número de sistemas de medición -y las interacciones entre los distintos sistemas- se redujo al mínimo. Esta reducción se tradujo en un entorno de pruebas mucho más estable y menos problemático. Y menos horas de banco de pruebas.
En nuestra prueba práctica, el enfoque de Dewesoft simplificó el proceso de adquisición de datos y no requirió ajustes en el proceso de análisis establecido.
El laboratorio puede utilizar el sistema como sistema autónomo para pruebas móviles. Sin embargo, también demostró ser aplicable en una configuración de banco de pruebas - banco de potencia de motor o chasis, incluyendo soporte para demandas como Road2Rig. Con Dewesoft es posible utilizar una amplia gama de buses de vehículos, como CAN-FD y Flexray, incluidas las PDU dinámicas. No muchos sistemas de medición soportan una gama tan amplia de sistemas de bus de vehículos.
El éxito de esta solución se basa principalmente en dos características únicas:
La capacidad de adquirir datos brutos síncronos y datos del bus del vehículo, incluyendo los cálculos necesarios para diferentes áreas, como análisis de combustión, análisis de sonido y análisis de vibraciones.
La capacidad de dar soporte a todas las exportaciones de datos necesarias, proporcionando los datos a los equipos y procesos implicados.
La amplia variedad de aplicaciones de soporte y exportaciones en DewesoftX permite adaptar este enfoque a diferentes combinaciones como:
Análisis de motores híbridos: análisis de motores de combustión + análisis de potencia de motores eléctricos.
Análisis NVH de coches eléctricos: análisis de potencia eléctrica + nivel sonoro + intensidad sonora + análisis de orden + análisis de vibración.