Dinamómetro

El dinamómetro cuenta con un regulador de par de frenado: la unidad de absorción de potencia se configura para proporcionar una carga de par de frenado determinada, mientras que el motor primario se configura para operar con la apertura del acelerador, el caudal de combustible o cualquier otra variable que se desee probar. A continuación, se permite que el motor primario acelere el motor dentro del rango de velocidad o RPM deseado. Las rutinas de prueba de fuerza constante requieren que la unidad de absorción de potencia se ajuste con un par ligeramente inferior al de salida del motor primario para permitir cierta tasa de aceleración. La potencia se calcula en función de la velocidad de rotación x par x constante. La constante varía según las unidades utilizadas.

Si el dinamómetro cuenta con un regulador de velocidad (manual o computarizado), la PAU proporciona una fuerza de frenado (par) variable necesaria para que el motor primario funcione a la velocidad de prueba o RPM deseada. La carga de frenado de la PAU aplicada al motor primario puede controlarse manualmente o determinarse mediante una computadora. La mayoría de los sistemas emplean cargas generadas por corrientes de Foucault, hidráulica o motores de CC debido a su capacidad de cambio de carga lineal y rápido.

La potencia se calcula como el producto de la velocidad angular y el par motor .

Un dinamómetro motorizado actúa como un motor que acciona el equipo bajo prueba. Debe ser capaz de impulsar el equipo a cualquier velocidad y generar cualquier nivel de par requerido por la prueba. Generalmente, se utilizan motores de corriente alterna (CA) o continua (CC) para accionar el equipo o dispositivo de carga.

En la mayoría de los dinamómetros, la potencia ( P ) no se mide directamente, sino que debe calcularse a partir de los valores de par ( τ ) y velocidad angular ( ω ) o de fuerza ( F ) y velocidad lineal ( v ):

${\displaystyle P=\tau \cdot \omega }$

o

${\displaystyle P=F\cdot v}$

dónde

P es la potencia en vatios.

τ es el par motor en newton metros.

ω es la velocidad angular en radianes por segundo.

F es la fuerza en newtons

v es la velocidad lineal en metros por segundo

Dependiendo de las unidades de medida utilizadas, puede ser necesario dividir por una constante de conversión.

Para unidades imperiales o del sistema consuetudinario estadounidense,

${\displaystyle P_{\mathrm {hp} }={\tau _{\mathrm {lb\cdot ft} }\cdot \omega _{\mathrm {RPM} } \over 5252}}$

dónde

P _hp es la potencia en caballos de fuerza

τ _lb·ft es el par en libras-pie

ω _RPM es la velocidad de rotación en revoluciones por minuto.

Para unidades métricas,

${\displaystyle P_{\mathrm {W} }=\tau _{\mathrm {N\cdot m} }\cdot \omega }$

dónde

P _W es la potencia en vatios (W)

τ _N·m es el par en Newton metros (Nm).

ω es la velocidad de rotación en radianes/segundo (rad/s).

ω = ωRPM . π / 30 

• Corrientes de Foucault (solo absorción)
• Freno de polvo magnético (solo absorción)
• Freno de histéresis (solo absorción)
• Motor / generador eléctrico (de absorción o accionamiento)
• Freno del ventilador (solo absorción)
• Freno hidráulico (solo absorción)
• Freno de fricción por cizallamiento de aceite lubricado por fuerza (solo absorción)
• Freno hidráulico (solo absorción)
• Banco de pruebas compuesto (generalmente un banco de pruebas de absorción junto con un banco de pruebas eléctrico/de motor).

Los dinamómetros de corrientes de Foucault (EC) son actualmente los absorbedores más comunes en los bancos de pruebas de chasis modernos. Los absorbedores EC proporcionan una rápida variación de la carga para una estabilización veloz. La mayoría se enfrían por aire, pero algunos están diseñados para requerir sistemas de refrigeración por agua externos.

Los dinamómetros de corrientes de Foucault requieren un núcleo, eje o disco conductor de electricidad que se desplace a través de un campo magnético para producir resistencia al movimiento. El hierro es un material común, pero también se pueden utilizar cobre, aluminio y otros materiales conductores.

En las aplicaciones actuales (2009), la mayoría de los frenos electromagnéticos utilizan discos de hierro fundido similares a los rotores de freno de disco de los vehículos, y emplean electroimanes variables para cambiar la intensidad del campo magnético y controlar así la cantidad de frenado.

El voltaje del electroimán suele controlarse mediante un ordenador, que utiliza cambios en el campo magnético para ajustarlo a la potencia de salida aplicada.

Los sofisticados sistemas EC permiten el funcionamiento en estado estacionario y con una tasa de aceleración controlada.

Un dinamómetro de polvo magnético es similar a un dinamómetro de corrientes de Foucault, pero se coloca un polvo magnético fino en el espacio de aire entre el rotor y la bobina. Las líneas de flujo resultantes crean "cadenas" de partículas metálicas que se forman y se rompen constantemente durante la rotación, generando un gran par motor. Los dinamómetros de polvo magnético suelen estar limitados a bajas revoluciones por minuto debido a problemas de disipación de calor.

Los dinamómetros de histéresis utilizan un rotor magnético, a veces de aleación AlNiCo, que se mueve a través de líneas de flujo generadas entre piezas polares magnéticas. De este modo, la magnetización del rotor varía en torno a su característica BH, disipando energía proporcional al área comprendida entre las líneas de dicha gráfica.

A diferencia de los frenos de corrientes parásitas, que no generan par en reposo, el freno de histéresis genera un par prácticamente constante, proporcional a su corriente de magnetización (o fuerza del imán en el caso de las unidades de imán permanente) en todo su rango de velocidad. ^{[ 2 ]} Las unidades suelen incorporar ranuras de ventilación, aunque algunas cuentan con un sistema de refrigeración por aire forzado procedente de una fuente externa.

Los dinamómetros de histéresis y de corrientes de Foucault son dos de las tecnologías más útiles en dinamómetros pequeños ( de 200 hp (150 kW) o menos).  

Los dinamómetros de motor / generador eléctrico son un tipo especializado de accionamiento de velocidad variable . La unidad de absorción/accionamiento puede ser un motor de corriente alterna (CA) o un motor de corriente continua (CC). Tanto un motor de CA como un motor de CC pueden funcionar como generador accionado por la unidad bajo prueba o como motor que acciona la unidad bajo prueba. Cuando están equipados con las unidades de control adecuadas, los dinamómetros de motor/generador eléctrico pueden configurarse como dinamómetros universales. La unidad de control para un motor de CA es un variador de frecuencia , mientras que la unidad de control para un motor de CC es un variador de CC . En ambos casos, las unidades de control regenerativas pueden transferir energía de la unidad bajo prueba a la compañía eléctrica. Cuando está permitido, el operador del dinamómetro puede recibir un pago (o crédito) de la compañía eléctrica por la energía devuelta mediante la medición neta .

En las pruebas de motores, los dinamómetros universales no solo pueden absorber la potencia del motor, sino que también pueden accionarlo para medir la fricción, las pérdidas por bombeo y otros factores.

Los dinamómetros para motores/generadores eléctricos suelen ser más costosos y complejos que otros tipos de dinamómetros.

Se utiliza un ventilador para soplar aire y proporcionar carga al motor. El par absorbido por un freno de ventilador se puede ajustar modificando la transmisión o el propio ventilador, o bien restringiendo el flujo de aire a través de él. Debido a la baja viscosidad del aire, este tipo de dinamómetro tiene una capacidad de absorción de par inherentemente limitada.

Un freno de cizallamiento de aceite tiene una serie de discos de fricción y placas de acero similares a los embragues de una transmisión automática de automóvil . El eje que soporta los discos de fricción está unido a la carga mediante un acoplamiento. Un pistón empuja el conjunto de discos de fricción y placas de acero, creando cizallamiento en el aceite entre ellos y aplicando un par motor. El par motor puede controlarse neumática o hidráulicamente. La lubricación forzada mantiene una película de aceite entre las superficies para eliminar el desgaste. La reacción es suave hasta cero RPM sin deslizamiento intermitente. Se pueden absorber cargas de hasta cientos de caballos de fuerza térmicos mediante la unidad de lubricación forzada y refrigeración requerida. Generalmente, el freno se conecta a tierra cinéticamente mediante un brazo de par anclado por un extensómetro que produce una corriente bajo carga, la cual se alimenta al control del dinamómetro. Por lo general, se utilizan válvulas de control proporcional o servo para permitir que el control del dinamómetro aplique presión para proporcionar la carga de par programada, con retroalimentación del extensómetro que cierra el circuito. A medida que aumentan los requisitos de par motor, existen limitaciones de velocidad. ^{[ 3 ]}

El sistema de freno hidráulico consta de una bomba hidráulica (generalmente de engranajes), un depósito de fluido y tuberías entre ambos componentes. En las tuberías se inserta una válvula ajustable, y entre la bomba y la válvula se encuentra un manómetro u otro dispositivo para medir la presión hidráulica. En términos sencillos, el motor se acelera hasta las RPM deseadas y la válvula se cierra gradualmente. A medida que se restringe la salida de la bomba, la carga aumenta y el acelerador se abre hasta alcanzar la apertura deseada. A diferencia de la mayoría de los demás sistemas, la potencia se calcula teniendo en cuenta el caudal (calculado a partir de las especificaciones de diseño de la bomba), la presión hidráulica y las RPM. La potencia de frenado, ya sea calculada con presión, caudal y RPM, o con un dinamómetro de carga diferente, debería producir cifras de potencia prácticamente idénticas. Los dinamómetros hidráulicos son conocidos por su rápida capacidad de cambio de carga, superando ligeramente a los absorbedores de corrientes parásitas. La desventaja es que requieren grandes cantidades de aceite caliente a alta presión y un depósito de aceite.

El dinamómetro hidráulico (también conocido como amortiguador de freno de agua ) ^{[ 4 ]} fue inventado por el ingeniero británico William Froude en 1877 en respuesta a una solicitud del Almirantazgo para producir una máquina capaz de absorber y medir la potencia de grandes motores navales. ^{[ 5 ]} Los amortiguadores de freno de agua son relativamente comunes hoy en día. Se destacan por su alta capacidad de potencia, tamaño reducido, peso ligero y costos de fabricación relativamente bajos en comparación con otros tipos de "amortiguadores de potencia" de reacción más rápida.

Sus desventajas radican en que pueden tardar un tiempo relativamente prolongado en estabilizar su carga y en que requieren un suministro constante de agua para la refrigeración de la carcasa del freno hidráulico. Las normativas medioambientales pueden prohibir el paso continuo de agua, en cuyo caso se instalan grandes depósitos para evitar que el agua contaminada llegue al medio ambiente.

El esquema muestra el tipo más común de freno hidráulico, conocido como de "nivel variable". Se añade agua hasta que el motor mantiene un régimen de revoluciones constante contra la carga, y luego se mantiene ese nivel, reemplazándolo mediante un drenaje y llenado continuos (necesarios para disipar el calor generado por la absorción de la potencia). La carcasa intenta girar en respuesta al par motor producido, pero está limitada por la báscula o celda de medición de par que lo registra.

En la mayoría de los casos, los dinamómetros de motorización son simétricos; un  dinamómetro de CA de 300 kW puede absorber 300  kW y funcionar a 300  kW. Este es un requisito poco común en las pruebas y el desarrollo de motores. A veces, una solución más rentable es acoplar un dinamómetro de absorción más grande con un dinamómetro de motorización más pequeño. Alternativamente, se puede usar un dinamómetro de absorción más grande y un motor simple de CA o CC de manera similar, con el motor eléctrico proporcionando potencia de motorización solo cuando sea necesario (y sin absorción). El dinamómetro de absorción (más económico) se dimensiona para la absorción máxima requerida, mientras que el dinamómetro de motorización se dimensiona para la motorización. Una relación de tamaño típica para los ciclos de prueba de emisiones comunes y la mayoría del desarrollo de motores es aproximadamente 3:1. La medición de par es algo compleja ya que hay dos máquinas en tándem; un transductor de par en línea es el método preferido de medición de par en este caso. Un dinamómetro de corrientes parásitas o de freno hidráulico, con control electrónico, variador de frecuencia y motor de inducción de CA, es una configuración común de este tipo. Entre sus desventajas se incluyen la necesidad de un segundo conjunto de servicios para el banco de pruebas (alimentación eléctrica y refrigeración) y un sistema de control ligeramente más complejo. Es fundamental prestar atención a la transición entre el funcionamiento como motor y el frenado en lo que respecta a la estabilidad del control.

1. Barrido de inercia : un sistema de dinamómetro de inercia proporciona un volante de inercia de masa fija y calcula la potencia necesaria para acelerar el volante (la carga) desde las RPM iniciales hasta las finales. La masa rotacional real del motor (o del motor y el vehículo en el caso de un dinamómetro de chasis) es desconocida, y la variabilidad incluso de la masa de los neumáticos distorsionará los resultados de potencia. El valor de inercia del volante es "fijo", por lo que los motores de baja potencia están bajo carga durante mucho más tiempo y las temperaturas internas del motor suelen ser demasiado altas al final de la prueba, lo que desvía los ajustes óptimos de "dinamómetro" de los ajustes óptimos del mundo real. Por el contrario, los motores de alta potencia suelen completar una prueba de "barrido de cuarta marcha" en menos de 10 segundos, lo que no es una condición de carga fiable en comparación con el funcionamiento en el mundo real. Al no proporcionar suficiente tiempo bajo carga, las temperaturas internas de la cámara de combustión son irrealmente bajas y las lecturas de potencia, especialmente después del pico de potencia, están sesgadas hacia el lado bajo.
2. El barrido cargado , del tipo dinamómetro de freno, incluye:
   1. Barrido de carga fija simple : durante la prueba se aplica una carga fija, ligeramente inferior a la potencia de salida del motor. Se permite que el motor acelere desde sus RPM iniciales hasta sus RPM finales, variando su propia tasa de aceleración según la potencia de salida a cada velocidad de rotación. La potencia se calcula mediante la fórmula (velocidad de rotación x par x constante) + la potencia necesaria para acelerar el dinamómetro y la masa giratoria del motor/vehículo.
   2. Barrido de aceleración controlada : similar en su uso básico a la prueba de barrido de carga fija simple (descrita anteriormente), pero con la adición de un control de carga activo que apunta a una tasa de aceleración específica. Generalmente, se utiliza 20 fps/ps.
3. Tasa de aceleración controlada : la tasa de aceleración utilizada se controla desde motores de baja potencia hasta motores de alta potencia, y se evita la sobreextensión y contracción de la "duración de la prueba", lo que proporciona resultados de pruebas y ajustes más repetibles.

Una prueba de barrido casi siempre será sospechosa, ya que muchos usuarios de este tipo de pruebas ignoran el factor de masa rotacional y prefieren usar un factor genérico en todas las pruebas, en todos los motores o vehículos. Los sistemas de dinamómetro de inercia simples no son capaces de calcular la masa inercial y, por lo tanto, se ven obligados a usar la misma masa inercial (supuesta) en todos los vehículos probados.

El uso de pruebas en estado estacionario elimina el error de masa inercial giratoria de una prueba de barrido, ya que no hay aceleración durante este tipo de prueba.

Los movimientos bruscos del acelerador, los cambios en la velocidad del motor y el funcionamiento del motor en reposo son características de la mayoría de las pruebas transitorias de motores. El objetivo habitual de estas pruebas es el desarrollo y la homologación de las emisiones de los vehículos. En algunos casos, se utiliza un dinamómetro de corrientes de Foucault, de menor coste, para probar uno de los ciclos de prueba transitoria durante las primeras etapas de desarrollo y calibración. Un sistema de dinamómetro de corrientes de Foucault ofrece una respuesta de carga rápida, lo que permite un seguimiento ágil de la velocidad y la carga, pero no permite el funcionamiento en reposo. Dado que la mayoría de las pruebas transitorias requeridas incluyen una cantidad significativa de funcionamiento en reposo, un ciclo de prueba transitoria con un dinamómetro de corrientes de Foucault generará resultados diferentes en las pruebas de emisiones. Los ajustes finales deben realizarse en un dinamómetro con capacidad para funcionar en reposo.

Un dinamómetro de motor mide la potencia y el par directamente desde el cigüeñal (o volante ) del motor, cuando este se encuentra fuera del vehículo. Estos dinamómetros no tienen en cuenta las pérdidas de potencia en el sistema de transmisión, como la caja de cambios , la transmisión y el diferencial .

Un dinamómetro de chasis , a veces denominado bancada de rodillos, ^{[ 7 ]} mide la potencia que las ruedas motrices transmiten a la superficie del rodillo motriz . El vehículo suele sujetarse al rodillo o rodillos, que el coche hace girar, y así se mide la potencia resultante.

Los modernos sistemas de dinamómetros de chasis de rodillos utilizan el rodillo Salvisberg ^{[ 8 ]} , que mejora la tracción y la repetibilidad en comparación con el uso de rodillos de transmisión lisos o moleteados . Los dinamómetros de chasis pueden ser fijos o portátiles y ofrecen muchas más funciones que la simple visualización de las RPM, la potencia y el par motor. Gracias a la electrónica moderna y a los sistemas de dinamómetros de baja inercia y rápida respuesta, ahora es posible optimizar la potencia y lograr un funcionamiento más suave en tiempo real.

Existen otros tipos de dinamómetros de chasis que eliminan la posibilidad de deslizamiento de las ruedas en los rodillos de transmisión de estilo antiguo, ya que se acoplan directamente a los bujes del vehículo para la medición directa del par motor desde el eje.

Los sistemas de prueba en dinamómetro para el desarrollo y la homologación de emisiones de vehículos a motor suelen integrar el muestreo y la medición de emisiones, el control de la velocidad y la carga del motor, la adquisición de datos y la monitorización de la seguridad en un sistema completo de celda de prueba. Estos sistemas suelen incluir equipos complejos de muestreo de emisiones (como muestreadores de volumen constante y sistemas de preparación de muestras de gases de escape sin tratar ) y analizadores. Estos analizadores son mucho más sensibles y rápidos que un analizador de gases de escape portátil convencional. Los tiempos de respuesta inferiores a un segundo son habituales y necesarios para muchos ciclos de prueba transitorios. En entornos comerciales, también es común ajustar la relación aire-combustible mediante un sensor de oxígeno de banda ancha que se grafica junto con las RPM.

La integración del sistema de control del dinamómetro con herramientas de calibración automática para la calibración del sistema del motor es frecuente en los sistemas de bancos de pruebas de desarrollo. En estos sistemas, la carga del dinamómetro y la velocidad del motor varían en múltiples puntos de funcionamiento, mientras que se modifican parámetros de gestión del motor seleccionados y los resultados se registran automáticamente. El análisis posterior de estos datos puede utilizarse para generar datos de calibración del motor que emplea el software de gestión del motor.

Debido a las pérdidas por fricción y mecánicas en los diversos componentes del tren de transmisión, la potencia medida en las ruedas es generalmente entre un 15 y un 20 por ciento menor que la potencia medida en el cigüeñal o el volante en un dinamómetro de motor. ^{[ 9 ]}