Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: J2-3054
- Veda: Tehnika
- SICRIS: Napredni sistem udarne cevi za visokofrekvenčno primarno dinamično tlačno umerjanje (cobiss.net)
Vsebinski opis projekta
Potreba po boljši točnosti in zanesljivosti visokofrekvenčnih dinamičnih meritev tlaka izvira iz različnih industrijskih sektorjev. V avtomobilski industriji vedno bolj strogi predpisi o emisijah toplogrednih plinov zahtevajo razvoj motorjev z notranjim zgorevanjem z vedno boljšo učinkovitostjo porabe goriva. Za optimizacijo zmogljivosti motorja, tj. zmanjšanje porabe goriva in emisij, so potrebne točne meritve časovno spreminjajočega tlaka zaradi neuspelega vžiga, ali klenkanja, z amplitudami do nekaj MPa in frekvencami do 10 kHz. Izboljšane dinamične meritve tlaka so potrebne tudi v številnih varnostno kritičnih aplikacijah, kot so preizkusni trki avtomobilov, s čimer bi zmanjšali trenutne zelo široke varnostne rezerve in tako zagotovili varnost uporabnikov na stroškovno učinkovit način. Pri razvoju sistemov zračnih blazin je potrebno točno izmeriti časovni razvoj tlaka v vreči, ki vsebuje dinamično komponento do nekaj kHz. Točne meritve visokofrekvenčnega časovno spreminjajočega tlaka so ključnega pomena tudi v parnih in plinskih turbinah v elektrarnah. V zadnjih desetletjih je razvoj letalske in vesoljske industrije prinesel nujno zahtevo tudi po točnem merjenju hitro spreminjajočih tlakov v številnih sestavnih delih, kot so letalski motor, letalski izpuh in površina letala. V inženirstvu turbinskih motorjev in raketnih pogonskih sistemov se dinamične meritve tlaka s frekvencami do 30 kHz uporabljajo za zaznavanje povratnih informacij, merjenje potiska in zaznavanje tlačnih preobremenitev.
Namen projekta je bil pridobiti temeljno razumevanje uporabe udarnih valov za dinamično umerjanje merilnih sistemov za tlak (MST) v udarni cevi, s končnim ciljem razvoja naprednega sistema brezmembranske udarne cevi s hitro odpirajočim ventilom (HOV), ki bi omogočal visokofrekvenčno primarno dinamično tlačno umerjanje s kalibracijsko in merilno zmogljivostjo primarnega etalona. Tekom projekta smo odgovorili na tri glavna raziskovalna vprašanja, in sicer: (1) kako manipulirati z udarnimi valovi za razširitev tlačnega amplitudnega območja udarnih cevi, (2) kako zmanjšati prispevek negotovosti zaradi nepopolnosti obstoječega merilnega modela udarne cevi in (3) kako zagotoviti sledljiva umerjanja MST v območju nekaj deset kHz z amplitudno negotovostjo 1 % in fazno negotovostjo 5°.
V štirih glavnih delovnih sklopih smo s celovitimi numeričnimi simulacijami, matematičnim modeliranjem in eksperimentalnimi raziskavami udarnih valov kot prvi na svetu zasnovali in izdelali brezmembransko udarno cev s HOV, ki ima pri uporabi plina z razvitim zožitvenim odsekom tlačno kalibracijsko območje 44 MPa, pri uporabi kapljevine z razvitim dvostransko delujočim aktuatorjem pa 230 MPa. S tem smo dosegli območje generiranih tlačnih sprememb, ki je primerljivo z območji kapljevinskih sistemov s padajočo utežjo, obenem pa smo ohranili bistveno širšo kalibracijsko frekvenčno pasovno širino. Z namenom zmanjšanja prispevka merilne negotovosti generirane tlačne skočne spremembe v cevi zaradi predpostavk obstoječega merilnega modela udarne cevi o popolnem plinu in adiabatnih razmerah v cevi smo izboljšali ekstrapolacijski model za določitev hitrosti in časa prihoda udarnega vala do končne stene nizkotlačnega dela udarne cevi. Poleg tega smo razvili algoritem za korekcijo sistematskih pogreškov pri merjenju hitrosti udarnih valov vzdolž udarne cevi ter postavili analitično korekcijo, ki popisuje funkcijsko odvisnost hitrosti generiranih udarnih valov vzdolž cevi od termodinamičnih in transportnih lastnosti plina ter geometrijskih parametrov udarne cevi. Analize merilne negotovosti so potrdile, da smo kot prvi na svetu relativno standardno negotovost merilnega modela udarne cevi zmanjšali iz nekaj odstotkov na manj kot 0,4 %. Ob zaključku projekta smo kot prvi izvedli primarno dinamično umerjanje tlačnih zaznaval za avtomobilsko industrijo. Pokazali smo, da dinamično umerjanje tlačnih zaznaval z razvito brezmembransko udarno cevjo v visokofrekvenčnem območju izboljša točnost merjenja tlaka v motorjih z notranjim zgorevanjem do 13 % ter s tem oceno ključnih dinamičnih parametrov motorja do 48 %. To pomembno prispeva k povečanju učinkovitosti in zmanjšanju emisij motorjev pri njihovem nadaljnjem razvoju, kar je ključno pri izpolnjevanju strogih zahtev predpisov o toplogrednih plinih in hrupu med postopnim prehodom na popolno elektrifikacijo vozil.
Slika 1. Shematski prikaz razvite brezmembranske udarne cevi s HOV.
Projekt je bil zasnovan okoli štirih glavnih delovnih sklopov (DS) ter pripadajočih ciljev oziroma nalog, ki so podrobneje opisane v nadaljevanju.
DS 1. Študij udarnih valov v udarni cevi – stopnja uresničitve: 100%:
V DS 1 smo za analizo vplivov obratovalnih pogojev na porazdelitev nadzvočne hitrosti udarnih valov v udarni cevi v odprtokodni CFD knjižnici OpenFOAM razvili celovit numerični model, ki vključuje gibajočo geometrijo HOV. Rezultati numeričnih analiz vpliva dimenzij in hitrosti odprtja HOV na razvoj hitrosti generiranih udarnih valov vzdolž udarne cevi so bili predstavljeni v odprtodostopnem znanstvenem članku [1]. Zaradi velike zahtevnosti numeričnih simulacij z vidika računske obremenitve in časa potrebnega za dosego zadovoljive točnosti, smo vplive termodinamičnih in transportnih lastnosti plinov v posameznih odsekih udarne cevi ter geometrijskih parametrov udarne cevi vzporedno preučevali tudi eksperimentalno. S tem namenom smo izdelali tri udarne cevi različnih dimenzij. Rezultati numeričnih analiz in eksperimentov so pokazali, da se Machova števila generiranih udarnih valov ter posledično generirane tlačne in temperaturne spremembe na končni steni udarne cevi ter s tem tudi vzbujene frekvence generiranega tlaka povečujejo z večanjem razmerja začetnih tlakov v visokotlačnem in nizkotlačnem odseku udarne cevi, z manjšanjem premera nizkotlačnega dela cevi ter z večanjem razmerja zvočnih hitrosti plinov v obeh odsekih cevi. Rezultati eksperimentalne analize so bili predstavljeni v odprtodostopnem znanstvenem članku [2]. Z uporabo teorije dinamike udarnih valov in razvitega numeričnega modela smo z namenom nadaljnjega povečanja tlačnega območja udarne cevi, ki ga omejuje uporaba udarne cevi konstantnega prereza, uspešno zasnovali optimalno dimenzioniran zožitveni odsek udarne cevi. V njem smo s konvergiranjem in preoblikovanjem začetne ravninske udarne fronte v idealno sferično obliko brez uklonskih izgub zaradi odbojev udarnega vala v zožitvenem delu bistveno povečali energijsko gostoto generiranega udarnega vala na enoto dolžine. Ta del je bil ključen pri načrtovanju brezmembranske udarne cevi s povečanim tlačnim območjem v DS 3.
DS 2. Ovrednotenje negotovosti merilnega modela udarne cevi – stopnja uresničitve: 100%
V DS 2 so izvedene analize merilne negotovosti tlačnega skoka na končni steni nizkotlačnega dela udarne cevi napovedanega z merilnim modelom udarne cevi pokazale, da največji prispevek k negotovosti izhaja iz določitve hitrosti udarnega vala na končni steni ter časa njegovega prihoda do končne stene. Z namenom zmanjšanja prispevka merilne negotovosti generirane tlačne skočne spremembe v cevi smo izboljšali ekstrapolacijski model za določitev hitrosti in časa prihoda udarnega vala. Poleg tega smo na osnovi razvitega fizikalnega modela razvili algoritem za korekcijo sistematskih pogreškov pri merjenju hitrosti vzdolž udarne cevi. Hkrati smo postavili analitično korekcijo, ki popisuje funkcijsko odvisnost hitrosti generiranih udarnih valov vzdolž cevi od različnih termodinamičnih in transportnih lastnosti plina ter geometrijskih parametrov udarne cevi. Rezultati bodo predstavljeni v odprtodostopnem znanstvenem članku, ki je trenutno v zaključni fazi priprave za objavo. Korekcijo smo eksperimentalno validirali s primerjavo tlačnih skokov napovedanih z izboljšanim merilnim modelom udarne cevi ter tlačnih skokov izmerjenih v razviti brezmembranski udarni cevi s kvazi-statično umerjenim piezoelektričnim MST z ustreznimi dinamičnimi lastnostmi. Analize merilne negotovosti so potrdile, da smo s tem relativno standardno negotovost merilnega modela udarne cevi pri različnih začetnih pogojih uspeli zmanjšati iz nekaj odstotkov na manj kot 0,4 %. Rezultati so bili predstavljeni v odprtodostopnem znanstvenem članku [3] in znanstvenem konferenčnem prispevku [4].
DS 3. Zasnova in izdelava nadgrajene brezmembranske udarne cevi – stopnja uresničitve: 100%
V DS 3 smo na podlagi rezultatov pridobljenih v DS 1 najprej s kombinacijo helija kot visokotlačnega plina in dušika kot nizkotlačnega plina zagotovili generirane tlačne spremembe v udarni cevi konstantnega premera do 4,8 MPa [5], nato pa z optimalno izdelanim zožitvenim delom udarne cevi kalibracijsko tlačno območje udarne cevi pri uporabi plina kot prvi povečali na 44 MPa, frekvenčno območje pa razširili od 0 Hz do nekaj 100 kHz [6]. Ob koncu DS 3 smo v sodelovanju z raziskovalno skupino podjetja SPEKTRA iz Nemčije na osnovi razvitega fizikalno-matematičnega modela v končni steni nizkotlačnega odseka udarne cevi izdelali dvostransko delujoči aktuator za izvajanje dinamične kalibracije merilnikov tlaka z uporabo kapljevine. Takšen pristop predstavlja povsem nov princip na področju kapljevinskih dinamičnih tlačnih generatorjev, s čimer smo kot prvi razširili območje tlačnih amplitud generiranih v udarni cevi na približno 230 MPa. S tem smo dosegli območje generiranih tlačnih sprememb, ki je primerljivo s tistimi, ki jih generirajo kapljevinski sistemi s padajočo utežjo, obenem pa ohranili večjo kalibracijsko frekvenčno pasovno širino. Prednosti novo razvitega kapljevinskega dinamičnega kalibratorja na osnovi udarne cevi smo potrdili s primerjavo z rezultati pridobljenimi s komercialno razpoložljivim dinamičnim tlačnim vzbujevalnikom (SPEKTRA, DPE-03) [7].
DS 4. Eksperimentalni popis frekvenčne odzivne funkcije (FOF) z udarno cevjo preskušanega MST – stopnja uresničitve: 100%
V DS 4 smo izdelali računski algoritem za izračun diskretne kompleksne FOF iz časovnih odzivov visokofrekvenčnega MST na skočne spremembe tlaka v udarni cevi. Iz kompleksnega frekvenčnega odziva so bile določene amplitudne in fazne frekvenčne značilnice preskušanih MST v frekvenčnem območju od 0 Hz do nekaj sto kHz. Analiza merilne negotovosti je potrdila, da predlagana metoda v kombinaciji z razvito brezmembransko udarno cevjo omogoča določitev amplitudne frekvenčne značilnice MST z relativno razširjeno negotovostjo manjšo od 4 % ter fazne frekvenčne značilnice z razširjeno negotovostjo manjšo od 8° v območju 10 kHz. V nadaljevanju smo v sodelovanju z raziskovalci švedskega nacionalnega meroslovnega inštituta (RISE) razvili in ovrednotili metodo korekcije pogreškov zaradi pospeškov, ki so posledica vibracijskih vplivov pri določanju frekvenčnih odzivov merilnih sistemov za tlak z udarno cevjo. Raziskava je bila objavljena v reviji Mechanical Systems and Signal Processing, ki se uvršča med 5 % najboljših revij na področju strojništva [8]. Ker morajo biti v številnih industrijskih aplikacijah tlačna zaznavala pogosto nameščena na določeni razdalji od merjenega objekta, pri čemer cevka, ki povezuje merjeni objekt in tlačno zaznavalo, vpliva na dinamične lastnosti MST, smo v sodelovanju z raziskovalci Laboratorija za procesna merjenja iz Fakultete za strojništvo in ladjedelništvo Univerze v Zagrebu matematično modelirali dinamično obnašanje tlačnih prenosnih cevk z namenom oblikovanja smernic za optimalno načrtovanje takšnih sistemov v frekvenčni in časovni domeni [9]. V zadnji fazi projekta smo v sodelovanju z raziskovalci Laboratorija za motorje z notranjim zgorevanjem in elektromobilnost iz Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani ter raziskovalci podjetja Hidria Advancetec kot prvi izvedli primarno dinamično umerjanje tlačnih zaznaval za avtomobilsko industrijo. Rezultati so pokazali, da s tlačnimi zaznavali umerjenimi s končno razvitim naprednim sistemom brezmembranske udarne cevi v frekvenčnem območju od 0 Hz do 50 kHz v primerjavi s kvazi-statično umerjenimi merilniki izboljšamo točnost merjenja tlaka v motorjih z notranjim zgorevanjem do 13 %. S tem pa močno izboljšamo točnost določanja dinamičnih parametrov motorja, ki so ključnega pomena za izboljšanje učinkovitosti in emisij motorjev z notranjim zgorevanjem pri njihovem nadaljnjem razvoju, in sicer hitrost naraščanja tlaka do 38 %, povprečno temperaturo plina v valju do 4,8 % ter hitrost sproščanja toplote do 48 %.
[1] Francisco Javier Hernández Castro, Jože Kutin, Andrej Svete. Effects of the opening speed of the valve in a diaphragmless shock tube for metrological purposes. IEEE sensors journal. Jan. 2024, vol. 24, no. 1, p. 158-168 [COBISS.SI-ID 179395587].
[2] Benjamin Novak, Andrej Svete, Jože Kutin. Effects of the shock tube diameter on shock wave propagation in a diaphragmless shock tube. Measurement: Sensors. 2025, vol. , no. , 101687, p. 1-4 [COBISS.SI-ID 230247939].
[3] Andrej Svete, Francisco Javier Hernández Castro, Jože Kutin. Effect of the dynamic response of a side-wall pressure measurement system on determining the pressure step signal in a shock tube using a time-of-flight method. Sensors. Mar. 2022, vol. 22, iss. 6, no. 2103, p. 1-15 [COBISS.SI-ID 100476931].
[4] Francisco Javier Hernández Castro, Andrej Svete, Jože Kutin. Method for correction of the systematic errors in detected shock wave passage times in the shock tube. V: IMEKO [joint] 24th TC3, 14th TC5, 6th TC16 and 5th TC22 International Conference, 11 – 13 october 2022, Cavtat-Dubrovnik, Croatia: IMEKO conference proceedings. 2022, p. 1-5 [COBISS.SI-ID 140261379].
[5] Urh Planko, Andrej Svete, Jože Kutin. Dynamic calibration of pressure sensors with the use of different gases in the shock tube. In: IMEKO [joint] 24th TC3, 14th TC5, 6th TC16 and 5th TC22 International Conference, 11 – 13 october 2022, Cavtat-Dubrovnik, Croatia: IMEKO conference proceedings. 2022, p. 1-5 [COBISS.SI-ID 140263427].
[6] Benjamin Novak, Andrej Svete, Jože Kutin. Nadgradnja etalona z udarno cevjo za časovno spreminjajoče tlake z zožitvenim elementom. In: Akademija strojništva 2023: inženirstvo – povezovanje za trajnostni preboj, 22. november 2023, Ljubljana, Slovenia: zbornik prispevkov 12. Mednarodne konference Zveze strojnih inženirjev Slovenije, 2023, p. 64-65 [COBISS.SI-ID 180673539].
[7] Urh Planko, Andrej Svete, Jože Kutin. Characterization of Spektra DPE-02 dynamic pressure exciter for the dynamic calibrations of pressure sensors. Measurement: Sensors. 2025, vol. , art. no. , 101689, p. 1-5 [COBISS.SI-ID 230248707].
[8] Andrej Svete, Eynas Amer, Gustav Jönsson, Jože Kutin, Fredrik Arrhén. A method for correcting the high-frequency mechanical vibration effects in the dynamic calibration of pressure measurement systems using a shock tube. Mechanical systems and signal processing. Jun. 2023, vol. 193, no. 110246, p. 1-13 [COBISS.SI-ID 144267011].
[9] Jože Kutin, Andrej Svete, Lovorka Grgec Bermanec. Towards an optimal frequency and time response of singe-tube pressure measurement systems under continuum-flow conditions. Sensors and actuators. A, Physical. Feb. 2024, vol. 366, no. 114943, p. 1-11 [COBISS.SI-ID 179378179].