EngineMaster, ICOS

LaVision Automotive: инновационные измерительные технологии для автомобильных исследований и разработок

Современная автомобильная отрасль развивается в направлении создания экологически устойчивой транспортной системы, основанной на сочетании различных технологий силовых установок и расширении энергетического разнообразия. Наряду с традиционными топливами всё большее значение приобретают синтетические и биотоплива, сжатый природный газ, водород, аммиак, электрическая энергия и другие энергетические носители. Такая трансформация требует новых подходов к проектированию, испытаниям и контролю качества автомобильных систем.

Особое значение приобретает электрификация транспортных средств, поскольку она формирует новые требования к лёгким конструкционным материалам, тепловому управлению, герметичности аккумуляторных отсеков и эффективности вспомогательных систем. Одновременно сохраняется необходимость оптимизации двигателей внутреннего сгорания, особенно в контексте снижения выбросов, адаптации к новым видам топлива и совершенствования процессов впрыска, смесеобразования и сгорания.

Оптические измерительные системы LaVision позволяют выполнять неинвазивные, высокоточные и часто пространственно-разрешённые измерения в условиях научно-исследовательских лабораторий, аэродинамических труб, моторных стендов, климатических камер и промышленных производственных линий. Они применяются для сокращения циклов разработки, повышения достоверности экспериментальных данных и поддержки цифровой валидации расчётных моделей.

Области применения оптических измерительных систем в автомобильной отрасли

Измерительные технологии LaVision охватывают широкий спектр автомобильных задач. К ним относятся мониторинг распыления при окраске и нанесении покрытий, анализ деформаций, вибраций и напряжений, аэродинамические испытания, контроль качества ветровых стёкол для систем ADAS, оптимизация процессов сгорания, климатизация салона и визуализация тепловых потоков.

Такой набор методов позволяет рассматривать автомобиль не только как механическую конструкцию, но и как комплексную аэрогидродинамическую, тепловую, оптическую и структурную систему. Важным преимуществом является возможность объединения различных методов измерений, например PIV/PTV с DIC, что позволяет анализировать взаимодействие потока и деформируемых конструкций.

Аэродинамика автомобиля

Оптимизация аэродинамической эффективности

Аэродинамическая эффективность является одним из ключевых факторов при проектировании как гоночных, так и серийных транспортных средств. Снижение аэродинамического сопротивления способствует уменьшению расхода энергии, повышению запаса хода электромобилей и снижению топливного потребления автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Одновременно аэродинамическая оптимизация влияет на устойчивость, управляемость, акустический комфорт и тепловой режим автомобиля.

Для исследования потоков воздуха вокруг и внутри автомобиля применяются многомерные методы визуализации полей скорости, включая Particle Image Velocimetry, PIV, и Particle Tracking Velocimetry, PTV. Эти методы позволяют получать двумерные и трёхмерные распределения скоростей, а при использовании высокоскоростной регистрации — анализировать нестационарную динамику потока.

Измерения воздушных потоков вокруг и внутри автомобиля

В аэродинамических трубах методы PIV и PTV используются для визуализации крупномасштабных 2D- и 3D-полей течения. На основе полученных данных о скоростях могут рассчитываться поля давления, раскрывающие распределение аэродинамических сил на поверхностях автомобиля. Такие данные особенно важны для изучения взаимодействия потока и конструкции, поскольку позволяют связать характеристики течения с деформацией элементов кузова, панелей, аэродинамических поверхностей и других компонентов.

Системы FlowMaster PIV обеспечивают высокоточную регистрацию полей скорости в реальном времени, поддерживают дистанционное управление измерениями, сканирование потока в различных направлениях и синхронизацию данных с параметрами аэродинамической трубы. Это позволяет сокращать время испытаний и уменьшать простой дорогостоящего экспериментального оборудования.

Крупномасштабная 3D-визуализация следа автомобиля

Для исследования следа за пассажирским автомобилем применяются гелиевые мыльные пузырьки и time-resolved PTV. Такой подход позволяет визуализировать объёмные структуры потока, формирующиеся позади транспортного средства. Эти структуры определяют аэродинамическое сопротивление, шум и устойчивость автомобиля.

Особенности систем FlowMaster включают высокоточную обработку PIV/PTV, самокалибровку для повышения точности, количественную оценку неопределённости с распространением ошибки, расчёт полей давления по данным скорости, измерение больших областей и объёмов течения с использованием гелиевых пузырьков, а также применение 3D-камерного робота для сканирования крупных трёхмерных полей.

Метод Ring-of-Fire для полноразмерных автомобилей

Метод Ring-of-Fire предназначен для исследования следа полноразмерных автомобилей в реальных дорожных условиях. В отличие от традиционной аэродинамической трубы, он позволяет проводить измерения непосредственно на испытательном треке и получать данные, соответствующие реальным условиям движения.

Системы FlowMaster могут быть развёрнуты непосредственно на месте испытаний. При этом автомобиль проезжает через измерительную область, а система регистрирует пространственно-временные характеристики следа. Метод не требует специальной подготовки автомобиля и не зависит от его конструкции. Измерения могут выполняться с высоким пространственным и временным разрешением при коротком времени сбора данных, порядка одной секунды на заезд.

Контроль качества остекления для автономного вождения

Оптические требования к ADAS и LiDAR

Развитие автономного вождения и систем помощи водителю, ADAS, требует высокой оптической точности элементов остекления, через которые работают камеры, сенсоры и LiDAR-системы. Качество изображения зависит не только от характеристик объектива, но и от сочетания объектива с ветровым стеклом или защитными пластиковыми покрытиями.

Даже малые оптические искажения могут снижать контраст, ухудшать пространственное разрешение, изменять локальную оптическую силу и влиять на корректность распознавания объектов. Поэтому необходима точная характеризация оптического качества стекла в зоне установки ADAS-камер.

Система Glass-SFR inspex

Система Glass-SFR inspex предназначена для комплексных измерений качества автомобильного остекления, используемого перед видимыми ADAS-камерами и LiDAR-системами. Система оценивает параметры оптической передачи, включая снижение контраста, оптическую силу в диоптриях и качество изображения.

Анализ SFR, Spatial Frequency Response, проводится в зоне расположения сенсора. Система также поддерживает исследование стекла в ближнем инфракрасном диапазоне, NIR, до 950 нм, что важно для LiDAR-приложений.

Функциональные возможности Glass-SFR inspex включают характеризацию оптического качества остекления, анализ SFR и диоптрий в позиции сенсора, а также исследование ветровых стёкол и пластиковых защитных крышек. Такие измерения позволяют проверять качество стекла в условиях, приближенных к реальной эксплуатации, и оптимизировать сочетание стекла с индивидуальными объективами ADAS-камер.

Очистка камер и сенсоров ADAS

По мере перехода к более высоким уровням автоматизации транспортных средств возрастает потребность в надёжной очистке внешних камер, LiDAR и других сенсоров. Если ранее активной очистки требовало преимущественно ветровое стекло, то современные автомобили нуждаются в эффективных системах очистки множества оптических поверхностей.

Оптимизация форсунок очистки позволяет улучшать диспергирование жидкости, распределение капель по размеру и направленность факела распыла. Это повышает эффективность очистки и снижает расход жидкости. Оптическая характеризация распыла применяется как в R&D, так и в контроле качества.

Окраска и нанесение покрытий

Значение контроля распыления

Окраска кузова, нанесение функциональных покрытий аккумуляторных блоков и применение разделительных составов в производстве являются важными технологическими процессами. Качество покрытия зависит от состава материала, конструкции форсунки, параметров распыла, давления, геометрии факела и характеристик капель.

Онлайн-мониторинг распыления играет значительную роль в повышении эффективности производства и снижении потерь материала. Он позволяет обнаруживать избыточное распыление, контролировать состав рециркулируемого материала, выявлять износ и загрязнение форсунок, а также своевременно корректировать процесс и сокращать простой оборудования.

Система SprayMaster inspex

Система SprayMaster inspex предназначена для цифровой характеризации распыления в производстве, контроле качества и научно-исследовательских задачах. Она измеряет геометрию факела, угол распыла, глубину проникновения, временное развитие факела, процесс распада струи, геометрию пятна распыла, его размер и однородность.

В сочетании с ParticleMaster inspex возможно получение подробных данных о частицах и каплях, включая размер, форму, скорость и массовый поток. Это позволяет оценивать не только внешний вид факела, но и физические параметры дисперсной фазы, влияющие на качество покрытия.

Программное обеспечение SprayMaster inspex Q.C.

Программное обеспечение SprayMaster inspex Q.C. обеспечивает анализ изображений распыла в реальном времени для контроля качества и мониторинга технологических процессов. Из записанных изображений извлекаются параметры геометрии распыла, релевантные производственному процессу. Затем они сравниваются с критериями приемлемого качества, что позволяет немедленно передавать обратную связь оператору или автоматизированной производственной линии.

К таким параметрам относятся размеры пятна распыла, его ширина и высота, положение центра, аппроксимация эллипсом, отклонения от заданной формы и соответствие полю допуска.

Климатические испытания и моделирование внешних условий

Для обеспечения безопасности движения ADAS-системы должны работать при различных погодных условиях. Поэтому важным направлением испытаний является моделирование дождя, снега, льда и других воздействий в климатических аэродинамических трубах.

Системы ParticleMaster позволяют измерять размер, форму, распределение, скорость и массовый поток частиц и капель. Это даёт возможность проверять, насколько искусственно создаваемые дождь, снег или лёд соответствуют реальным условиям эксплуатации.

Системы ParticleMaster inspex имеют прочную брызгозащищённую конструкцию, поддерживают измерения in-situ, обеспечивают статистический анализ распределения размеров частиц и могут поставляться с предварительно откалиброванными зондами.

Оптимизация сгорания

Оптическая индикация процессов в цилиндре двигателя

Оптическая индикация двигателя, синхронизированная со стандартными измерениями давления, позволяет детально характеризовать процессы формирования заряда в цилиндре. Эти процессы критически важны для повышения эффективности двигателя, снижения выбросов и обеспечения более чистого сгорания.

Качество сгорания существенно зависит от подготовки смеси до момента воспламенения. Неоднородность смеси, как преднамеренная, так и нежелательная, а также воспламеняемость заряда не могут быть полностью определены только по индикаторной диаграмме давления.

Оптические методы позволяют измерять локальное отношение воздух-топливо в зоне свечи зажигания, концентрацию CO2, содержание воды, газовую температуру и параметры рециркуляции отработавших газов, EGR. Эти данные используются для улучшения стратегий впрыска, оптимизации EGR, разработки концепций впрыска воды и управления работой двигателя вблизи пределов детонации.

Эндоскопическая визуализация внутри цилиндра

Эндоскопическая визуализация применяется для исследования двигателей, близких к серийному производству. Это минимально инвазивная техника, позволяющая наблюдать процессы впрыска топлива, воспламенения, распространения пламени, горения и образования сажи в реальном времени.

Метод обеспечивает количественную визуализацию полных циклов двигателя внутреннего сгорания. Он используется для анализа впрыска, определения скорости распространения пламени и локализации зон образования сажи. В сочетании с измерениями давления эндоскопическая визуализация связывает характеристики работы двигателя и выбросы с внутриклапанными и внутрисиловыми явлениями, такими как преждевременное воспламенение, смачивание стенок и генерация сажевых частиц.

Лазерная визуализация в цилиндре

Системы EngineMaster обеспечивают лазерную визуализацию процессов в цилиндре и применяются для оптимизации сгорания. Они позволяют исследовать поля течения, включая swirl и tumble, формирование смеси в виде λ-карт, образование сажевых частиц, формирование NOx и радикалов пламени.

Поля течения в цилиндре измеряются с помощью FlowMaster PIV. Лазерная визуализация с разрешением по углу поворота коленчатого вала выполняется с использованием импульсных лазерных световых листов в прозрачных двигателях либо с использованием минимально инвазивных эндоскопов. Измерения синхронизируются с сигналом энкодера двигателя и поддерживают различные режимы работы, включая холодный запуск, пропуски воспламенения и ускорение.

Низкие выбросы и диагностика впрыска

Разработка топливных и SCR-инжекторов

Для дальнейшей эксплуатации двигателей внутреннего сгорания необходимо минимизировать выбросы. Появление синтетических топлив и e-fuels требует адаптации и оптимизации процессов сгорания. Снижение выбросов начинается с качества впрыска топлива, поскольку только высококачественный инжектор обеспечивает эффективное распыление в течение длительного срока службы.

Оптические системы LaVision применяются для анализа факела и пятна распыла, R&D-исследований инжекторов, промышленных испытаний и круглосуточного контроля качества топливных форсунок. Онлайн-мониторинг в производстве позволяет гарантировать стабильное качество, повышать производительность и снижать количество брака.

Высокоскоростная визуализация впрыска водорода

Для новых топлив, включая водород, особое значение имеет высокоскоростная визуализация впрыска. Она позволяет исследовать динамику струи при заданных давлениях впрыска и противодавления, оценивать распространение факела, взаимодействие с окружающей средой и потенциальные особенности смесеобразования.

SCR и дозирование AdBlue

Соблюдение текущих и будущих требований к выбросам невозможно без систем доочистки отработавших газов. Важную роль играют системы дозирования AdBlue для SCR-нейтрализации. Цифровая характеризация распыла помогает разрабатывать более эффективные системы дозирования, улучшать распределение реагента и снижать его расход.

Безуглеродные и альтернативные топлива

Перспективные топлива

К перспективным топливам для чистой энергетики относятся водород, аммиак, e-fuels и синтетические топлива. Их применение требует оптимизации концепций сгорания с целью повышения эффективности и снижения экологического воздействия.

Системы EngineMaster на протяжении многих лет используются как важный инструмент анализа и оптимизации двигателей внутреннего сгорания. Для новых топлив они обеспечивают синхронизированную по углу коленчатого вала визуализацию, измерение полей течения с цикловой статистикой, построение полных λ-карт вблизи свечи зажигания, высокочувствительное обнаружение сажи и эндоскопический доступ для подсветки световым листом и регистрации изображений.

Испытания автомобильных материалов

Деформация, вибрации и анализ напряжений

Характеристики материалов и компонентов, применяемых в автомобильной промышленности, критически важны для безопасности конструкции, рационального использования материалов и создания лёгких энергоэффективных автомобилей. Для оценки механического поведения применяется Digital Image Correlation, DIC.

DIC представляет собой полно-полевой бесконтактный метод измерения формы поверхности, перемещений и деформаций. Он позволяет анализировать объекты от микронных образцов до крупногабаритных конструкций. Метод используется для испытаний материалов и компонентов, усталостных испытаний, сравнения экспериментальных и расчётных результатов, измерений поверхности и объёма, анализа при механической, тепловой или комбинированной нагрузке, а также для исследования FSI гибких аэродинамических элементов.

Система StrainMaster

Система StrainMaster объединяет сбор данных, анализ и управление результатами в едином программном пакете. Она обеспечивает полно-полевые результаты с высоким пространственным разрешением, регулируемое поле зрения, выбор разрешения изображения и скорости регистрации, режим виртуального датчика и live extensometer, а также возможность применения при высоких температурах.

Современные алгоритмы позволяют измерять перемещения с высокой точностью. Это используется, например, для анализа деформации шин при статической или динамической нагрузке, оценки сварных соединений, изгибных испытаний аэродинамических поверхностей и расчёта аэроупругих эффектов при сочетании DIC с PIV.

Модульная архитектура StrainMaster позволяет создавать пользовательские конфигурации, например фиксированную установку на моторном стенде или выбор конкретных камер. Камеры могут быть стандартными, высокоразрешающими или высокоскоростными для ударных испытаний.

Испытания материалов и Digital Volume Correlation

DIC открывает возможность пространственно-разрешённого измерения деформаций на растяжимых образцах для определения механических свойств в областях заклёпок, соединений и других неоднородностей. В испытательных машинах метод также используется для высокоцикловой усталости, HCF. Особенно важным является измерение образования и роста трещин, поскольку трещина может становиться видимой задолго до полного разрушения компонента.

На основе временной картины деформации с применением FFT могут определяться Operational Deflection Shapes, ODS. Это позволяет находить частоты с максимальной амплитудой деформации и визуализировать формы колебаний для этих частот.

Если доступна объёмная информация, например полученная методом X-CT, анализ может выполняться с использованием Digital Volume Correlation, DVC. Это позволяет измерять деформации и напряжения внутри объекта, а не только на его поверхности. Одним из применений является анализ деформации аккумулятора во время разряда.

Взаимодействие потока и конструкции

Совместное применение PIV/PTV и DIC

Одновременное применение PIV/PTV и DIC позволяет получать как информацию о поле течения, так и данные о форме объекта, его деформации и динамической реакции конструкции. Такой комбинированный подход важен для комплексного анализа Fluid-Structure Interaction, FSI.

FSI-явления могут быть сложными и нелинейными, особенно при использовании современных лёгких и гибких материалов. В автомобильной промышленности это актуально для аэродинамических панелей, гибких элементов кузова, компонентов днища, спойлеров и других конструкций, взаимодействующих с потоком.

Климатизация салона и тепловой менеджмент

Визуализация климатических потоков в салоне

Комфорт пассажиров и тепловое управление салоном требуют понимания движения воздушных и газовых потоков внутри автомобиля. Для визуализации таких потоков применяется Background Oriented Schlieren, BOS. Метод основан на регистрации локальных изменений показателя преломления и является простой, чувствительной и экономически эффективной альтернативой лазерным методам визуализации.

BOS особенно чувствителен к различиям температуры воздуха и не требует засева потока частицами. Это делает метод удобным для использования внутри автомобиля без специальной подготовки или модификации салона.

Система FlowBOS

Система FlowBOS предназначена для визуализации тепловых потоков и газов, а также для велосиметрии без засева. Она применяется для теплового менеджмента электронных компонентов и силовой электроники, обнаружения утечек в корпусах аккумуляторов электромобилей, а также для измерений в гибких полях зрения вплоть до крупномасштабных областей.

Простая конфигурация системы и обработка изображений в реальном времени позволяют быстро разворачивать измерения и получать наглядную картину движения тепловых потоков в салоне или около отдельных компонентов.

Обобщение измерительных решений LaVision для автомобилестроения

Измерительные решения LaVision охватывают основные направления современных автомобильных исследований и производственного контроля. В аэродинамике они позволяют исследовать потоки вокруг автомобиля, рассчитывать поля давления и анализировать следы полноразмерных транспортных средств. В области автономного вождения они обеспечивают контроль качества остекления для ADAS и LiDAR, а также поддержку разработки систем очистки сенсоров.

В производстве окраски и покрытий системы SprayMaster и ParticleMaster обеспечивают цифровой контроль факела, пятна распыла, капель и частиц. В двигателестроении EngineMaster и FlowMaster позволяют исследовать смесеобразование, поля течения, сажу, NOx, газовую температуру и концентрации компонентов. В испытаниях материалов StrainMaster и методы DIC/DVC обеспечивают полно-полевой анализ деформаций, напряжений и усталостного поведения. В климатизации FlowBOS предоставляет возможность бесконтактной визуализации тепловых потоков без засева.