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Distribution de fluide automobile

Contrôle de gaz à température élevée pour les essais de moteur

Applications de tests de moteur

Le client avait besoin d'une solution de régulation modulante des liquides et des vapeurs dans des environnements compacts à pression et à température élevées

L'industrie automobile d'aujourd'hui s'appuie sur des cellules d'essai automatisées pour aider à réduire les délais de développement des nouveaux véhicules et des technologies d'ingénierie automobile, en plus de pouvoir transférer les procédures de test longues et coûteuses vers des installations de tests reproductibles.

Les tests environnementaux sont particulièrement importants dans le secteur automobile, et les émissions des moteurs à gaz ou diesel ne peuvent être identifiées, réglementées ou contrôlées que si elles sont mesurées avec justesse.

L'étude de cas suivante décrit l'utilisation d'une technologie avancée de vanne de contrôle de gaz par un fabricant de systèmes d'essai automobile. Cette application nécessitait un dispositif robuste pour moduler les gaz d'échappement à haute température dans le cadre d'une solution de mesure de la contre-pression dans une cellule de test de moteur.

Contexte

Dans le secteur automobile, les équipements de cellules de test sont courants dans une multitude d'environnements de recherche, de développement et de production. Par exemple, les cellules d'essai sont utilisées pour développer, identifier et tester de nouvelles conceptions de moteurs. L'appareil de test permet au moteur de fonctionner selon des critères de performance variables et offre un large éventail de mesures, dont : le débit du liquide de refroidissement pour les études de bilan thermique, le débit d'huile pour assurer une lubrification adéquate, le débit de carburant et d'air d'admission pour optimiser l'efficacité de la combustion ainsi que le débit de gaz d'échappement pour s'assurer que le moteur et le système de convertisseur catalytique soient conformes aux directives sur la pureté de l'air.

Au cours du processus de développement des nouveaux véhicules, et plus spécifiquement en ce qui a trait aux travaux sur la combustion, le couple de la chaîne cinématique et les composants auxiliaires, les fabricants d'équipements d'origine (OEM) utilisent des cellules de test pour vérifier la certification à 100 % des performances et de la fiabilité pour toutes les entrées d'une pièce donnée. Chaque composant doit subir des procédures de validation rigoureuses pour que la conception soit approuvée.

Applications pour les cellules d'essai

Il existe une demande continue de solutions d'essai automobile de haute précision pour la recherche, le développement et les essais de fin de chaîne, y compris l'approvisionnement et le contrôle des médias, l'automatisation et les équipements de mesure. Ces modules d'essai peuvent fonctionner seuls, de façon autonome, ou faire partie d'installations complètes d'essai.

Un banc d'essai automatisé traditionnel abrite divers capteurs ou transducteurs, des dispositifs d'acquisition de données ainsi que des actionneurs pour contrôler l'état du moteur. Les capteurs mesurent les variables physiques d'intérêt, dont :

  • Serrage de vilebrequin et vitesse angulaire
  • Taux d'admission d'air et de consommation de carburant
  • Rapport air-carburant pour le mélange d'admission
  • Concentrations de polluants environnementaux dans les gaz d'échappement
  • Différentes configurations d'hydrocarbures et d'oxydes d'azote, de dioxyde de soufre et de matière particulaire
  • Températures et pressions de gaz à plusieurs endroits du corps du moteur
  • Conditions atmosphériques comme la température, la pression et l'humidité

Applications de contre-pression

Les fournisseurs d'équipements d'essai automobile fournissent des systèmes très complexes pour examiner les gaz d'échappement des véhicules produits et des prototypes dans toutes les conditions climatiques reproductibles. Ces systèmes peuvent comprendre un dynamomètre de châssis, un dosage précis du carburant, une simulation du flux d'air, des échantillons de l'air de combustion et du sac de dilution des gaz d'échappement CVS, un contrôle de la température du réservoir de carburant et d'autres capacités de pointe.

La pression est un élément important des essais de moteur, du suivi des émissions et des essais des composants automobiles. C'est pourquoi, partout où des moteurs sont testés, se trouvent probablement des transducteurs et des vannes qui mesurent et contrôlent tout, de la pression de l'entrée d'air à la contre-pression d'échappement.

Il est normal d’observer une légère pression dans le système d'échappement d'un moteur. Toutefois, une contre-pression d'échappement excessive affecte considérablement le fonctionnement du moteur. Elle peut provoquer une augmentation de la pression de la boîte à air, ce qui entraîne une perte d'efficacité de la ventilation. Cela signifie moins d'air pour l'évacuation, et par conséquent, une mauvaise combustion et des températures plus élevées.

Choisir la bonne solution

L'expérience démontre que la mesure des liquides et des gaz utilisés dans les bancs d'essai automobiles exige des performances supérieures des instruments. Par exemple, un fabricant d'équipements d'essai qui construit un appareil d'essai de moteur pour un équipementier a cherché une solution pour moduler les gaz d'échappement à haute température (454° C) dans son système. Le processus de mesure nécessitait un contrôle précis de la contre-pression, y compris une vanne de contrôle capable de moduler pour maintenir une pression d'entrée de 300 psig (la pression de sortie était atmosphérique). Le débit requis, compte tenu de P1 et P2, exigeait un Cv de 21.

Cette application présentait trois défis principaux :

  • La température du fluide dépassait les capacités d'une vanne et d'une garniture normales.
  • La pression à débit nul psig était très élevée.
  • Le contrôle précis et fiable de la pression était nécessaire pour une application réussie.

Le fabricant des équipements d'essai a consulté SW Controls, Inc. (Farmington Hills, Michigan) pour obtenir de l'aide dans le choix de la vanne de contrôle appropriée pour leur application. SW Controls est l'un des plus grands représentants et distributeurs de contrôle de processus du Midwest, avec un stock important de vannes de contrôle, de débitmètres, de transmetteurs, de contrôleurs et d'enregistreurs.

Après avoir considéré d'autres technologies de vannes, ils ont retenu la Vanne de contrôle Research® Valve (RCV) modèle 9000 de Badger Meter pour les essais de moteur. Le Modèle 9000 est une vanne ANSI de catégorie 300 avec un capot boulonné et une soupape intérieure guidée par un poteau. Il est conçu pour moduler le contrôle des liquides et des vapeurs dans des environnements où la taille compacte, associée à la capacité de supporter des températures et des pressions élevées, est essentielle.

La vanne RCV était bien adaptée pour répondre aux besoins de l'utilisateur final en raison de ses tailles de garniture variées et de ses bancs d'essai pour actionneurs. La garniture en graphite optionnelle du dispositif et le capot allongé unique étaient d'autres caractéristiques importantes, car contrairement à la garniture en Téflon® commune, la garniture en graphite résiste aux températures extrêmes.

La vanne utilisée dans cette application comportait un corps sans brides de deux pouces en acier inoxydable 316 et était configurée avec un actionneur de type « air ouverture/fermeture en cas d'avarie » de taille 35 à six ressorts, pour procurer un banc d'essai de 6…30 psig. Il utilisait un préchargement de 12 psi, et a été installé dans la direction de l'« ouverture avec le débit. » Le compensateur de l'appareil avait un Cv de 21 avec une caractéristique linéaire.

Le diaphragme déjà formé de l'actionneur de la vanne et les ressorts multiples assurent un débattement extrêmement linéaire par rapport à la performance du signal entrant. De plus, son joint torique unique et la douille de Nylatron réduisent l’hystérésis au minimum. Les utilisateurs peuvent ajuster le préchargement du ressort selon la force de fermeture requise. L'actionneur comprend également des blocages de débattement ajustables. La construction en acier avec revêtement en poudre assure une protection accrue contre l'usure et la corrosion.

La Vanne de contrôle RCV a été connectée à un positionneur électropneumatique, dans le but de positionner la vanne sur la base d'un signal de commande de 4-20 mA. Le positionneur permet une détermination entièrement automatique des paramètres de contrôle, et s'adapte à l'élément de contrôle final.

Résultats du projet

Le fabricant d'équipements d'essai a travaillé en étroite collaboration avec SW Controls pour spécifier la bonne solution de mesure et de contrôle des gaz pour la cellule d'essai automobile. Le projet a connu un grand succès, car il a répondu aux critères clés suivants :

  • Les procédés à haute température ont motivé le choix du matériau du corps de la vanne 316 SS, ainsi que le capot spécial prolongé de 10 pouces et le boîtier de graphite.
  • La pression à débit nul élevée exigeait l'utilisation d'un banc d'essai de 6…30 psig, avec un préchargement de 12 psig. La pression d'entrée de 300 psig se multipliait avec le vaste Cv entraîne une poussée vers le haut, qui essaie de pousser la prise du siège. La compression des ressorts de l'actionneur avec un préchargement de 12 psig s'oppose à cette poussée vers le haut et maintient la vanne en position fermée, en position de sécurité.
  • L'utilisation d'un positionneur électropneumatique de haute précision fait passer la vanne de la position fermée à complètement ouverte, alors que le signal de contrôle augmente de 4 à 20 mA. Le boîtier de graphite de la vanne, nécessaire en raison des températures élevées de ces processus, ajoute l'hystérésis. Le positionneur renverse toutefois cette position et procure un contrôle en douceur, optimisant la marge de réglage théorique de 50:1 de la vanne.

Conclusion

Le succès de cette application peut être attribué à la vaste gamme de produits Badger Meter, associée aux capacités de consultation et à la grande expérience dans le domaine de l'automobile de SW Controls.

Badger Meter s'appuie sur plus d'un siècle d'expertise en matière de mesure de débit, et sur une technologie avancée tout en étant éprouvée pour optimiser les applications les plus exigeantes. L'entreprise offre une vaste gamme de produits, de services et de solutions pour mesurer et contrôler l'eau, l'air, la vapeur, l'huile et d'autres liquides et gaz.

La gamme de Vannes de contrôles RCV évolue sans arrêt pour répondre aux besoins des applications dans ce domaine, en constante évolution. Avec leur vaste gamme d'options configurables et compatibles, les vannes RCV sont conçues pour être très performantes dans une grande variété d'applications exigeantes en matière de contrôle du débit.

SW Controls dispose d'une équipe d'ingénieurs d'application et de vente, de personnel d'assistance interne et de techniciens de service formés en usine pour aider à répondre aux besoins des clients.

Le système d'essai automobile fonctionne encore aujourd'hui avec précision, et la solution de contrôle des gaz RCV de Badger Meter dépasse les attentes de l'utilisateur final dans un environnement d'application difficile.

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