Medições de combustão e NVH sincronizadas em uma bancada de testes em motores

Muitos sistemas de medição concentram-se apenas em uma aplicação e em um conjunto de dados. Para tarefas complexas, muitas vezes você precisa de mais sistemas de medição e de investir esforços demorados no pós-processamento. 

Para análise e otimização de dados, normalmente você precisa usar de três a seis exportações em diferentes pacotes de software. Você terá que verificar os dados adquiridos quanto à plausibilidade e sincronização. Usando o Dewesoft, você precisa de apenas um arquivo de medição para várias exportações. E você ainda pode fazer análises e otimizações em qualquer software.

A solução Dewesoft ajudou a universidade a estabelecer medições sincronizadas com visualização direta como abordagem padrão. A questão, neste caso, é apenas um exemplo de diversas situações que requerem diferentes sistemas de medição especializados. OEMs, fornecedores de nível 1 e todos os outros que projetam ou verificam mais de um único componente enfrentam desafios de sincronização e visualização imediata. 

O problema - tempo de teste

Neste caso, a configuração de medições por esta abordagem foi feita na Universidade de Ciências Aplicadas de Frankfurt (Frankfurt UAS). A universidade oferece cerca de 38 programas de estudo em arquitetura e engenharia civil, direito empresarial e empresarial, informática e engenharia, serviço social e saúde. 

Desde 1988, o engenheiro de laboratório Dipl.-Ing. Ingo Behr, MHEdu. tem trabalhado na UAS de Frankfurt nos laboratórios da Faculdade de Ciência da Computação e Engenharia com foco em motores de combustão. Tem experiência em questões de reforma da estrutura de estudos e está envolvido na concepção de cursos consecutivos de Engenharia Mecânica.

No entanto, Ingo Behr teve um problema. O laboratório não conseguiu mostrar aos alunos as principais interações entre a pressão no cilindro de um motor de combustão e os parâmetros NVH. A visualização ao vivo não era possível com sistemas separados. E o pós-processamento consumiu muito mais tempo do que o teste em si.

O desafio atual no ensino superior é que um grande número de estudantes precisa aprender os fundamentos da operação do banco de testes. E a sala de controle do banco de testes só tem espaço para três ou quatro pessoas. Devemos gastar nosso tempo no banco de testes de maneira mais eficiente.

Frankfurt UAS possui um laboratório de motores dedicado à pesquisa de motores de combustão. A equipe do laboratório também é responsável pela formação educacional dos alunos em motores de combustão e áreas como medição de diversas grandezas físicas, termodinâmica, análise de vibrações e medição de gases de escape. 

O laboratório de motores de combustão possui vários bancos de testes:

• Bancos de testes de motores clássicos

• Um banco de testes para o número de octanas do combustível

• Um banco de testes para bombas de combustível diesel de alta pressão

• Bancos de testes para pequenos motores monocilíndricos 

Vários espaços de trabalho, por exemplo, para ajuste e montagem de peças mecânicas, mistura de combustível e pós-processamento, completam o laboratório. 

A aplicação - conforto de condução

A forma como motoristas e passageiros percebem a direção e o uso de um carro tornou-se cada vez mais crítica. Hoje, o conforto de dirigir é um diferencial importante do mercado. Os engenheiros automotivos estão trabalhando na tradução das experiências subjetivas de motoristas e passageiros em indicadores-chave de desempenho (KPIs) objetivos e mensuráveis ​​e no desenvolvimento de métodos de teste apropriados.

A exposição dos condutores às vibrações e ao ruído é um dos critérios para a experiência de conforto nos automóveis de passageiros. Tradicionalmente, os engenheiros de desenvolvimento têm uma gama de sistemas de medição para avaliar essa exposição, cada sistema realizando tarefas específicas, como análise de combustão, análise de vibração ou aspectos dedicados de análise acústica. Frequentemente, três ou até quatro sistemas de medição são usados ​​em paralelo – todos com relevância e especialização em suas áreas.

No entanto, um problema com tal configuração é que estes sistemas não são sincronizados diretamente e, em muitos casos, requerem até dados adicionais de outros sistemas para análise e otimização. Os arquivos de medição produzidos não são síncronos e o alinhamento dos dados é demorado – ou até mesmo impossível.

A abordagem clássica para este problema é usar sistemas altamente especializados aplicáveis ​​apenas a uma aplicação específica. Um sistema de medição de combustão é usado em paralelo a outro para medições acústicas e de vibração, e um terceiro sistema de medição salva vários dados de barramento do CAN-FD ou FlexRay. Cada sistema de medição possui seu software separado e produz um conjunto de dados desalinhado dos demais. 

Esta abordagem tem várias desvantagens. Por exemplo, a necessidade de experiência do usuário em cada sistema de medição e o dispendioso consumo de tempo para alinhar os dados. Isso não é possível o tempo todo. A abordagem da Dewesoft é permitir a otimização e análises mais profundas, medindo todos os dados com apenas um sistema e distribuindo dados brutos e calculados por meio de diversas exportações para software especializado.

Com apenas um sistema de medição você é capaz de adquirir todos os dados, salvos em um único arquivo. Paralelamente, a Dewesoft faz o cálculo padrão de todas as aplicações envolvidas e a apresentação dos valores dos resultados online.

A visualização imediata da relação entre a análise da combustão e a vibração do motor é fundamental para cumprir as nossas expectativas.

A visualização on-line oferece a oportunidade de verificação direta de dados para reduzir o número de medições inválidas induzidas, por exemplo, por influências externas. Ainda assim, os dados podem ser pós-processados ​​com processos já estabelecidos. No entanto, o software Dewesoft pode ajudar a simplificar as tarefas de suporte ao pós-processamento com vários formatos de exportação.

A Figura 1 mostra essa simplificação do processo. Os diferentes sistemas (AD) são substituíveis por um sistema com um software online. Os processos de análise e otimização já existentes são suportados através de uma exportação.

A solução – combustão e engenharia NVH combinada

O local de testes do motor possui duas salas. Um para o banco de testes e uma sala de controle. O laboratório modificou um motor padrão de carro de para mostrar aos alunos as principais tarefas de teste com medições em estado estacionário e direção dinâmica. Este motor é acoplado à base de teste e o dinamômetro transforma a energia gerada em energia elétrica. O banco de testes do motor também inclui diferentes sistemas de medição:

• a potência mecânica do motor,

• consumo de combustível,

• análise de gases de escape, 

• medição de combustão, e

• Medição de NVH. 

Os alunos devem fazer alguns testes neste laboratório durante seu currículo. Normalmente, os alunos durante o curso são divididos em pequenos grupos com diferentes tarefas de medição. Os grupos discutem seus diversos objetivos e planejam um procedimento de medição. Em seguida, eles fazem as medições na plataforma de teste do motor, a análise on-line e o pós-processamento dos dados. Tudo é feito em algumas sessões durante um semestre. Por fim, os alunos apresentam seus resultados e conclusões aos demais alunos e os justificam diante dos examinadores. 

Em um projeto, os alunos devem adquirir dados e correlacionar os resultados do motor de combustão interna com dados de ruído, vibração e aspereza (NVH). Tudo isso vem de sensores montados fora do motor. Este ensaio visa estabelecer a correlação entre o motor de combustão, a vibração que induz - antes e depois do rolamento - e o som que produz. O teste realizado é transferível para o desenvolvimento de automóveis de passageiros, pois se aplica ao problema universal em outras aplicações.

Configuração do sistema

A configuração de teste Dewesoft foi projetada para ser móvel e aplicável em estradas ou pistas de teste. No entanto, também funciona com bancadas de teste como dinamômetros de chassi. Os testes podem ser manuais ou através de sistemas operados como escravos controlados remotamente, por exemplo, por Etas INCA (móvel) ou um sistema de automação (testbed). A operação é controlável por meio de gatilhos, XCPoE ou um plugin de teste.

A configuração do sistema depende do número de canais e das aplicações. Normalmente o sistema de aquisição de dados é combinado por:

• Os módulos SIRIUSi High Speed ​​(HS) com amplificadores de carga integrados adquirem os dados de combustão com taxa de amostragem de até 1 MS/s.

• Os módulos SIRIUS DualCore ou SIRIUS High Density (HD) com entradas IEPE adquirem a fonte de ruído e dados de vibração com taxa de amostragem de até 200 KS/s.

Esses sistemas são totalmente sincronizados e o hardware registra a data e hora dos dados de medição analógicos. Além disso, CAN-FD é mensurável no mesmo hardware. O FlexRay é obtido em paralelo e sincronizado com a informação de horário de chegada das mensagens. A decodificação do trace do barramento é feita online diretamente no software.

Configuração de hardware

A configuração de hardware em uso consiste em sistemas de aquisição de dados Dewesoft SIRIUS - veja também Figura 3:

• SIRIUSi-HS-6xCHG-2xCHG+ com atualização CAN-FD e amplificadores de carga

• SIRIUS-HD-16xACC com atualização CAN-FD e entradas IEPE

Observe que esses sistemas são configuráveis ​​de diferentes maneiras.

A configuração do motor - ver Figura 4 - foi baseada em um codificador de ângulo de manivela (1), velas de ignição modificadas medindo a pressão de combustão (2), sensores de vibração (3) e um microfone (4) colocado na bancada de testes. O cabeamento conectou os sensores aos módulos de medição SIRIUS na sala de controle do motor ao lado do sistema de automação.

Configuração de software

Através do software DewesoftX Professional, os sistemas de medição Dewesoft SIRIUS são operados como escravos além do sistema de automação da plataforma de teste. O software DewesoftX utiliza o escopo padrão para a aquisição. As entradas analógicas e do contador são definidas e os cálculos necessários são pré-definidos nos plugins e opções correspondentes. 

O software utilizado é:

• DewesoftX Professional - software para medição de sinais, gravação de dados, processamento de sinais e visualização e análise de dados.

• Analisador de motor de combustão Dewesoft - permite análise básica de combustão e recálculo do domínio do tempo para o domínio do ângulo - no domínio do tempo para partidas a frio. A opção também adiciona o escopo de combustão e o controle visual do diagrama fotovoltaico.

• Módulo Dewesoft Sound Level Meter - adiciona a funcionalidade do medidor de nível de som ao DewesoftX.

• Módulo Dewesoft FFT - permite análise FFT em tempo real em canais de entrada ilimitados com uma grande seleção de marcadores avançados e falhas de rolamento.

Além do medidor de nível sonoro, a Dewesoft também é capaz de fornecer medições de qualidade sonora, intensidade sonora e vibração torcional, totalmente sincronizadas. Isso permite que opções para análises futuras sejam feitas com o mesmo sistema.

O exemplo aqui descrito mostra quatro sensores piezoelétricos de pressão de cilindro montados na câmara de combustão e conectados ao sistema SIRIUSi-HS com entradas de carga. Este dispositivo também possui o sensor de ângulo da manivela conectado via Dewesoft Supercounters. Isto permite a base para a medição da combustão com todas as velocidades do motor devido a uma taxa de amostragem de até 1MS/s.

O módulo Dewesoft Combustion Engine Analyzer é usado para análise de motores de combustão. Os quatro sinais de pressão medidos são transferidos do domínio do tempo para o domínio do ângulo da manivela e podem ser exibidos de ciclo para ciclo. O software também calcula os resultados de medição necessários, por exemplo, a pressão efetiva média e o centro de combustão.

O engenheiro de laboratório Ingo Behr conectou os sensores de vibração e som a um sistema SIRIUSi com entradas IEPE. Este sistema possui taxa de aquisição de 200kS/s com resolução de 2x24 bits por canal. O sistema permite dinâmica de quase 160dB - e dados de som perfeitos. 

Os dados são transferidos para uma FFT ou um nível de ruído sonoro ponderado usando o Medidor de Nível de Som e os módulos FFT. Esta configuração permite visualizar os componentes de alta frequência da vibração e do som induzido pelo rolamento do motor. O uso de acelerômetros adicionais também permite comparar as vibrações do motor antes e depois de qualquer rolamento - e medir seu amortecimento. 

O sistema de medição foi configurado como um escravo além do sistema de automação da bancada de testes do motor usando o plugin de bancada de testes no DewesoftX. A operação escravo não se limita a isso - também é operacional por ferramentas de calibração ou validação da ECU. 

A vantagem disso é que o sistema de automação não opera apenas o sistema de medição (iniciar, parar). Os nomes dos arquivos para as medições são definidos pelo sistema de automação e transferidos para o DewesoftX Professional. Os resultados, os valores de medição de combustão, som e vibração, são mostrados continuamente na visão geral operacional do sistema e no armazenamento do banco de dados. 

A visualização on-line ajuda a verificar diretamente a configuração do sistema – outra vantagem desta abordagem. Medições defeituosas são imediatamente visíveis e podem ser corrigidas e repetidas. A Figura 5 mostra a configuração da entrada analógica usando os canais 1 a 4 e 9 a 11.

As medições

Os dois tipos mais comuns de testes utilizados para o desenvolvimento de motores são o teste de degrau e o teste de "aceleração" ou varredura.

Em um teste escalonado, o motor é operado em velocidade constante até ficar estável e os dados serem adquiridos. Em seguida, a rotação do motor é alterada para o próximo ponto de ajuste. A vantagem do teste escalonado é que a inércia do motor e do dinamômetro não impacta na leitura do torque. Sem aceleração, o teste pode ser mais consistente. 

No teste escalonado, o motor deve funcionar a uma rotação constante por um curto período de tempo. No entanto, esta não é uma condição que os motores veem em funcionamento e pode impactar na afinação. É uma razão fundamental pela qual o ajuste ideal no dinamômetro e na pista pode ser diferente.

O teste de varredura ou aceleração acelera o motor a uma taxa constante, por exemplo, 100 rpm/segundo ou 300 rpm/segundo. Os testes de varredura são normalmente o resultado de uma taxa controlada de descarga da unidade de absorção de energia. 

Os testes de varredura simulam as condições da pista com mais precisão do que os testes escalonados, mas o controle de aceleração impacta as leituras de torque. Durante o teste – e de teste para teste – a taxa de aceleração deve ser consistente. O sistema de controle do dinamômetro é um fator na produção de consistência entre os testes de varredura.

O software DewesoftX oferece suporte a várias telas e widgets para fornecer uma gama de possibilidades de visualização de dados. O objetivo da visualização é ter uma visão clara dos dados relevantes para verificar se a medição é válida. 

A tela de medição na Figura 6 mostra os vários dados agrupados em áreas separadas. Cada canto apresenta uma área de dados. Neste caso, as áreas de dados exibidas são 

1. medição de combustão, 

2. medição de vibração, 

3. medição acústica, e 

4. dados de barramento e correlação de dados.

Conclusão – testes simplificados

A abordagem Dewesoft permitiu a aquisição de todos os parâmetros necessários. O número de sistemas de medição e as interações entre os diferentes sistemas foi reduzido ao mínimo. Essa redução levou a um ambiente de testes muito mais estável e menos problemático. E menos horas de teste.

Em nosso teste prático, a abordagem Dewesoft simplificou o processo de aquisição de dados e não exigiu ajustes no processo de análise estabelecido

O laboratório pode utilizar o sistema como um sistema independente para testes móveis. No entanto, também se mostrou aplicável em uma configuração de teste dinamômetro de motor ou chassi, incluindo suporte para demandas como Road2Rig. Uma variedade de barramentos de veículos como CAN-FD e Flexray, incluindo PDUs dinâmicas, são possíveis com a Dewesoft. Poucos sistemas de medição suportam uma gama igualmente ampla de sistemas de ônibus de veículos. 

O sucesso desta solução baseia-se principalmente em duas características únicas:

1. A capacidade de adquirir dados brutos síncronos e dados de barramento de veículos, incluindo os cálculos necessários para diferentes áreas, como análise de combustão, análise de som e análise de vibração.

2. A capacidade de suportar todas as exportações de dados necessárias, fornecendo os dados às equipes e processos envolvidos.

A grande variedade de aplicações de suporte e exportações no DewesoftX permite adaptar esta abordagem a diferentes combinações como:

• Análise de motor híbrido: análise de motor de combustão + análise de potência de motor elétrico.

• Análise NVH de carros elétricos: análise de potência elétrica + nível sonoro + intensidade sonora + análise de ordem + análise de vibração.