Dinamómetros

Funcionamiento de un Dinamómetro

Este artículo examina puntos que se deben considerar antes de seleccionar y utilizar esta costosa herramienta. Si bien el artículo esta orientado a dinamómetros para automóviles, tambien se aplican los mismos principios para motores eléctricos.
Como sucede con la mayoría de los equipos de prueba, un dinamómetro ayuda a aislar y a cuantificar un parámetro en particular (en este caso la potencia de salida del motor) del rendimiento general del motor. ¿Por qué usted necesita hacer esto?
Los reparadores (que no utilizan dinamómetros) a menudo racionalizan y dicen: “Yo sólo hago las pruebas en el campo, ¡es allí en donde realmente importa!” Infieren que la potencia de salida es buena si los tiempos de vuelta son bajos. Pero, ¡esto no puede discriminar entre la contribución de un conductor experimentado y un motor potente! ¿Prefiere que el médico, en lugar de medir la presión arterial con instrumentos, determine si los pacientes están bien si sobreviven entre una consulta y otra?
Muchas modificaciones destinadas a mejorar la potencia sólo ayudan a rpm elevadas, pero, en realidad, reducen la potencia. Incluso con días enteros de pruebas en pista, es posible que arruine alguna tubería nueva con rpm elevadas, a menos que también pruebe con muchos cambios de cadena. ¿Qué sucede si también necesita combinar la mezcla de combustible? ¡Agregue las combinaciones que crecen exponencialmente y extienda las pruebas en pista para que duren años! Los propietarios de dinamómetros apuntan en el sentido correcto con sólo un par de “tracciones” que duran 20 segundos.
Requisitos del Dinamómetro
Supongo que usted es un constructor de motores serio que desea comenzar a realizar pruebas con un dinamómetro en sus instalaciones. ¿Qué necesita? En primer lugar, para medir el par del motor, su sistema de dinamómetro debe proporcionar una carga. Los ingenieros automotrices se refieren a este dispositivo de carga como absorbedor o “freno” (porque los primeros absorbedores de dinamómetro utilizaban un tambor y un freno de cinta para cargar el motor). En realidad, los absorbedores no absorben la potencia. En cambio, la convierten en otra forma de energía, como calentar agua o aire.
En la actualidad, existen varias opciones de absorbedores comercialmente disponibles para motores de karts. Los ingenieros profesionales, con presupuestos de Fortune 500, a menudo usan generadores eléctricos de CC con excitación de campo controlada por computadora para cargar y regular sus motores. La potencia del motor a menudo se disipa como calor en el área de la armadura o conectado a elementos de calentamiento remoto. Si las rpm operativas del motor de pruebas son lo suficientemente bajas, se puede acoplar de manera directa a la armadura con un eje de transmisión. Los motores de karts con más de 6.000 rpm necesitarán una transmisión con reducción de engranajes para hacerlos coincidir con estos generadores de bajas rpm.
La ventaja principal de los sistemas de generador eléctrico es que se pueden reajustar en cualquier punto, desde carga cero hasta plena carga, en microsegundos. Esto le permite al ingeniero regular la velocidad del motor dentro de un margen de muy pocas rpm (incluso mientras cambia las configuraciones del acelerador). Desafortunadamente, el costo de un generador con capacidad adecuada, el controlador de excitación y el hardware de soporte asciende a decenas de miles de dólares. Después, falta comprar el sistema de adquisición de datos. Si el motor de su carro funciona con altas rpm, necesitará una adecuada reducción de engranajes. Las transmisiones con reducción agregan aún más costos, complejidad y arrastre parásito.
El dinamómetro generador de CC tiene otra desventaja. Posee un momento polar de inercia demasiado alto. Esa es la manera elegante de decir que la armadura del generador parece un volante gigante para el motor diminuto del carro. Alta inercia significa que se necesita mucha potencia para acelerar la armadura. Del mismo modo, mucha potencia almacenada será devuelta al bajar las rpm. Esto distorsiona los datos de prueba siempre que cambian las rpm. De manera que, mientras que los dinamómetros generadores son adecuados para el control en estado estacionario, no resultan útiles para pruebas en condiciones transitorias de aceleración rápida.
Los frenos de corrientes parásitas son similares en características operativas a los absorbedores eléctricos generadores de CC. La diferencia principal es que el freno de corrientes parásitas, en realidad, no genera electricidad. En su lugar, usted usa una fuente de alimentación eléctrica para cargar sus bobinas electromagnéticas. El eje de entrada del freno hace girar un rotor metálico dentro de ese campo magnético resultante. Cuando el operador del dinamómetro aumenta el suministro de corriente a las bobinas, el eje del rotor se endurece para que el motor de prueba gire. Al igual que el generador de CC, la ventaja de un freno de corrientes parásitas es su respuesta rápida a las instrucciones de carga de la computadora de control. Desafortunadamente, esto también se agrega al costo elevado del dinamómetro generador de CC.
Estos frenos de corrientes parásitas disipan la potencia del motor como entrada de calor al rotor. Es preciso enfriar el rotor o, de otro modo, podría derretirse. Los frenos de corrientes parásitas refrigerados con aire cuentan con aletas de refrigeración sobre un gran rotor de hierro, lo cual les da aspecto de rotores de frenos de disco para automotores. Sin embargo, estos grandes rotores tienen demasiada masa en el volante y dominan la inercia giratoria de una instalación típica de un dinamómetro de un carro.
Existen frenos de corrientes parásitas refrigerados con agua que tienen inercia giratoria mucho más baja (al menos comparada con corrientes parásitas refrigeradas con aire y sistemas generadores de CC). Desafortunadamente, el sistema de refrigeración agrega complejidad y aumenta aún más el costo. Aún así, si cuenta con un presupuesto de más de $50.000 para un dinamómetro, puede darse el lujo de tomarlos en cuenta.
Antes de que se asuste con estos símbolos de estatus tan costosos, examinemos absorbedores más accesibles. La primera y la más simple de las formas de frenos era, por supuesto, los frenos. Tan sencillo como eso. Se usaba un tambor giratorio con una pastilla de freno a fricción para aplicar arrastre en el eje de salida del motor. Tenían el aspecto de viejos frenos para camiones. Para medir la torsión, se insertaba alguna clase de unión de escala calibrada en los puntos de anclaje de la pastilla de freno para desplegar la carga de arrastre aplicada. Los problemas con los frenos a fricción incluían gran dificultad para regular con exactitud la carga y la refrigeración de la pastilla de freno.
Un dispositivo de carga más controlable es la bomba hidráulica de aceite. Éstas se encuentran a veces en dinamómetros de motor con potencia moderada y bajas rpm. Una bomba de aceite con desplazamiento positivo actúa como el freno y el orificio ajustable de la válvula de descarga de aceite establece la carga. Si la bomba es pequeña, puede tener una inercia más baja que el generador de CC y las unidades de corrientes parásitas, pero a veces las unidades necesarias de reducción de engranajes y los adaptadores acoplados vuelven a elevarla. Como muchos absorbedores, las unidades de bomba de aceite convierten la potencia del motor de pruebas en un aumento de temperatura del fluido. Debido a que no es posible descargar libremente el aceite, se debe usar un sistema de refrigeración (por lo general, un intercambiador de agua-calor), para mantener la temperatura del aceite dentro de límites seguros.
Cuando se requieren costos reducidos, baja inercia, límites altos de rpm y capacidad de potencia de un motor de carreras, la opción de absorbedor que prevalece es la de freno de agua. Durante décadas, éstos han sido los favoritos de los fabricantes profesionales de motores para automóviles. Los frenos de agua son otra forma de absorbedor de bomba hidráulica. Por lo general, estas bombas tienen uno o más rotores de paletas que giran entre cubiertas embolsadas del estator. La carga se controla al variar el nivel de agua en el freno por medio de orificios ajustables de entrada y/o salida. Al elevarse el nivel de agua, aumenta el arrastre giratorio del rotor de la bomba, lo cual aplica más resistencia al motor que lo hace girar. Lo interesante es que el freno de agua es, por su diseño, una bomba muy ineficaz. ¡Agota la potencia de salida de su motor al hacer “agua caliente instantánea”! Debido a que el agua caliente descargada está limpia, se puede permitir que salga o se puede enfriar y hacer que vuelva a circular.
La capacidad de potencia comparada con el tamaño de los frenos de agua es sorprendente. ¡El freno de agua soporta alrededor de 65 Hp continuas a 12.000 rpm! Al compararlos, el freno de corrientes parásitas de 300 libras que se muestra a su lado tiene el mismo índice de potencia continua y sólo es útil a 7.000 rpm. No es casualidad que los frenos de agua sean casi la única opción para probar el arrastre de los motores de autos de más de 2.000 Hp. Los frenos de agua modernos, tienen el peso y la inercia lo bastante bajos como para montarlos directamente sobre el eje de salida del motor del carro. El montaje directo elimina la inercia y el arrastre parásito de los ejes de mando, las juntas en U, el rodamiento de tejuelo, etc.
Todos los absorbedores mencionados pueden ser controlados a mano por un operador (con una perilla simple) o por computadora. El control de carga del freno de agua con válvula manual no responde de igual manera que el generador de CC ni los controles de corrientes parásitas, pero si cuenta con buenos controles electrónicos de servoválvulas, usted podrá reducir bastante la diferencia.
por Bob Bergeron

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