F1 – O novo medidor de fluxo de combustível

Medidor de fluxo Sentronics

Os Medidores de Fluxo de Combustível (FFM) foram introduzidos pela primeira vez na F1 e no Campeonato Mundial de Endurance em 2014. A teoria era usar a restrição de combustível para equilibrar os carros, em vez de restringir a entrada de ar no motor, que era usada anteriormente. Portanto, o FFM regula o fluxo máximo (como usado na F1), ou o fluxo médio (conforme usado no WEC).

A FIA exigiu uma precisão de +/- 0,25% da leitura e, embora isso tenha sido amplamente alcançado, algumas equipes encontraram problemas de distorção de frequência, onde a informação estava sendo perdida devido à amostragem da taxa de fluxo. Isso incentivou a Red Bull a provar que eles poderiam conseguir maiores precisões com suas próprias medições no GP de 2014 da Austrália. No entanto, a FIA julgou que o FFM continuaria a ser a ferramenta para medir a taxa de fluxo de combustível, fazendo que a Red Bull perdesse seu caso. Esses problemas de distorção de frequência continuam a ser uma questão para algumas equipes ainda hoje, apesar de várias atualizações.

Enquanto isso, na WEC, houve problemas com precisão que foram amplificados nos motores diesel, onde os sensores de fluxo e retorno eram necessários devido à alta temperaturas do combustível. A FIA posteriormente homologou um sensor de alta temperatura para tentar ajudar os motores a diesel que foi desenvolvido e fornecido pela Sentronics em 2016. Infelizmente, esses sensores nunca viram ação de corrida, já que a Audi saiu do WEC no final daquela temporada.

Tanto a precisão quanto os problemas de distorção de frequência não devem mais ser uma preocupação com o novo Sentronics FFM para 2018.

Então, como esse design é tão efetivo?
A FIA anunciou que a Sentronics ganhou a concorrência para ser o fornecedor exclusivo de Medidores de fluxo de combustível na Formula 1 para 2018 e 2019. Este dispositivo também será usado por todos os carros GT e Protótipo que competem na IMSA.

Tradicionalmente, os medidores de vazão são mecânicos e usam um impulsor localizado entre a entrada e a saída de um tubo. O fluxo do fluido gira o impulsor e o número de revoluções são contadas medindo a taxa de fluxo. No entanto, em um motor de corrida um sistema mecânico não consegue acompanhar as mudanças altamente dinâmicas na taxa de fluxo causadas pelas mudanças de velocidade do carro em frações de segundo. “Um impulsor tem massa por sua própria natureza, como resultado, quando o impulsor tenta rotar com um consumo de combustível correspondente à taxa, os efeitos inerciais farão com que o dispositivo ultrapasse e depois expire, resultando em grandes erros de medição imediatos”, disse Neville Meech, diretor da Sentronics.

“O outro problema com a maioria dos dispositivos mecânicos é que eles não respondem bem com os rápidos fluxos reversos”, acrescentou Meech. “Quando os freios são aplicados e as rotações do motor caem, tipicamente um efeito de martelo de água é criado momentaneamente dentro do sistema de combustível devido à parada da coluna de combustível. Um medidor de fluxo usando impulsor não consegue parar rápido o suficiente e, em seguida, inverter sua direção, então, mais uma vez, você tem erros significativos. Esses problemas fundamentais foram identificados há muitos anos durante potenciais avaliações da tecnologia e é por isso que a tecnologia principal no coração do nosso medidor de fluxo de combustível é de estado sólido.”

O estado sólido essencialmente significa que não há partes móveis e, em princípio, a alternativa não invasiva mais adequada para medir o fluxo de combustível é a tecnologia ultra-sônica. O desafio, no entanto, era tomar o conceito de medição de fluxo ultra-sônico que era tradicionalmente usado em grandes oleodutos e gasodutos, e desenvolver um medidor preciso que poderia então usado em um carro de corrida.

Sentronics Elite para a F1 2018

Localizados em ambas as extremidades de um tubo fino temos dois transdutores piezelétricos. São efetivamente discos de cerâmica, suspensos em uma caixa resistente ao combustível, que convertem energia elétrica em pulsos de ultrassom. Em princípio, um pulso é enviado de um transdutor para o outro na direção do fluxo. Isto é seguido por outro pulso enviado de volta para o transdutor original na direção oposta. Com a distância entre os transdutores conhecida, o tempo de transição de ambos os pulsos é medido e depois subtraído para determinar a velocidade. Como o diâmetro do tubo também é conhecido, a quantidade do combustível pode ser facilmente calculada.

“Um problema com a medição de fluxo ultrassônico é que seu princípio fundamental é volumétrico. Isso significa que para calcular o fluxo de massa com precisão é necessária uma medida de densidade. Medição de densidade muito precisa normalmente é realizada usando um densitômetro de coriolis, que simplesmente não funciona quando submetido a ‘veículos NVH’ (Ruído, Vibração e Dureza). Esperemos que isso mude à medida que a tecnologia do densitômetro avance, mas a melhor opção no momento é calcular a densidade usando uma medida de temperatura muito precisa e calcular a densidade com base em amostras de combustível que tiveram as propriedades da densidade medidas com exatidão em condições laboratoriais”, explicou Meech à Racecar Engineering.

“Se a temperatura estiver errada em mais de 3 graus, você poderia acabar com um erro de 0,5% dentro do sensor.”Uma vez que a temperatura do combustível foi identificada, o ajuste necessário é realizado e a taxa de fluxo de massa é calculada, que é o objetivo final que todos os engenheiros buscam.

Além disso, qual é a estratégia ideal para enviar os pulsos de ultrassom para alcançar a maior precisão possível? Quantas vezes e com que rapidez os sinais devem ser enviados? É melhor enviar os sinais juntos ou um por vez? “A maior complexidade vem quando você precisa medir o fluxo mais rápido do que 200 vezes por segundo, o que geralmente é o padrão da indústria para os medidores de vazão ultrassônicos”, disse Meech. “A energia acústica leva tempo para se decompor, e menos tempo entre medições significa que você precisa de técnicas e algoritmos para lidar com quaisquer sinais ultrassônicos indesejados que não tiveram tempo para se decompor completamente. Nossa tecnologia patenteada nos permite alcançar medições de tempo de transição altamente precisos, mesmo com todos esses sinais interferentes presentes.

“Foi estabelecido no início do desenvolvimento que as taxas de medição padrão da indústria não iriam dar leituras precisas para aplicações em veículos, então precisávamos aumentar a taxa de medição para provar a taxa de fluxo em excesso 2.200 vezes por segundo para garantir que qualquer vibração do veículo ou do motor exercida na coluna de fluido fosse medida corretamente”, explicou Meech.

Uma consideração adicional é o tipo de material utilizado. Como sempre, é crucial minimizar o peso, mas por sua vez, os componentes compostos podem não ser a resposta. Ao usar uma variedade de materiais, as diferentes taxas de expansão com a temperatura podem se tornar geometricamente complexas e resultar na introdução de uma nova fonte de erro e possíveis caminhos de vazamento. Portanto, para garantir uma repetitiva repetição dispositivo-dispositivo, é mais eficaz construir o sensor de um só tipo de material, em vez de usar os algoritmos ou a calibração para compensar diferentes taxas de expansão de material. No caso da Sentronics, o sensor de fluxo de combustível é feito exclusivamente a partir de um único material metálico, evitando a necessidade de peças plásticas.

“É difícil o suficiente criar um sensor perfeito que alcance os altos níveis de precisão necessários, mas o maior desafio é fazer isso repetível, quando você precisa fazer 100, 500 ou mais”, diz Meech. “Em última análise, nosso objetivo foi criar uma tecnologia onde a resposta nativa dos sensores a um estímulo da taxa de fluxo seja consistente de metro a metro. Esta foi a nossa maior conquista ao longo do nosso desenvolvimento de quatro anos e esperamos que os dispositivos se tornem comuns no automobilismo.”