desempeÑo mecÁnico de un vehÍculo de combustiÓn …
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DESEMPEÑO MECÁNICO DE UN VEHÍCULO DE COMBUSTIÓN INTERNA S.I.
MEDIANTE PRUEBAS DINAMOMÉTRICAS DE POTENCIA NETA EN LA
CIUDAD DE BOGOTÁ (2600 m.s.n.m.)
GABRIEL TIPHERED STEFFENS CALDERÓN
PROYECTO DE GRADO
Asesor de Proyecto
Luis Ernesto Muñoz Camargo
PhD, MSc, Ingeniero Mecánico
Proyecto de Grado presentado como requisito parcial
para optar por el Título de Ingeniero Mecánico
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
JULIO 2014
Para Dios
Y Para Tí
Agradecimientos
El último punto de este escrito no sólo marca el final de mi tesis de grado, sino la llegada al
escalón final en busca de un sueño, y aunque fui quien recorrió el camino, son quienes estuvieron a
mi lado los responsables de darme las ganas y la oportunidad de lograrlo.
Primero, quiero agradecerle a mis dos asesores de proyecto de grado: El profesor Luis
Ernesto Muñoz y mi Abuela Stella de Steffens. A Luis, quiero decirle que de verdad es un Maestro,
y además un Amigo. Gracias por haber creído en mí cuando más lo necesité y darme la oportunidad
de trabajar y aprender a su lado. Sabe que cuenta conmigo y con el inmenso agradecimiento de mi
familia y la bendición de Dios (Grande!, Luis).
A mi Abuela Stella, seguramente 116 páginas no serían suficientes para escribir el inmenso
agradecimiento y amor que siento por ella. Gracias por escucharme, aconsejarme y alentarme
cuando todo lo demás en mi vida falla. Gracias por las ideas de Ingeniería que muchas veces das,
pues me has dado la solución de grandes problemas con ideas sencillas. ¿Si así eres sin ser
Ingeniera Mecánica, qué tal que lo fueras?
Gracias Abuelo Rafael y Papá Gonzalo, a Ustedes les debo tanto, que una vida entera sería
poco. Gracias por la tenacidad de querer verme en la Universidad de Los Andes a como diera lugar.
Nunca olvidaré los ojos de mi Papá cuando logramos conseguir el crédito para mi primer semestre,
y aún no los imagino cuando reciba el título como primer Ingeniero Mecánico de la Familia.
Gracias Tía Liliana por tener un corazón inmenso y lleno de bondad, también haces parte de
este camino y estaré siempre para ayudarlos. Gracias también a mi Hermano Marthin, mi verdadero
compañero de vida, mi mejor amigo y mi más alta motivación para buscar una vida ejemplar. Y
bueno, también mis otros dos hermanos, Primos Michael y Matthew, quienes saben que siempre
encontrarán un apoyo en mí. Gracias por la sencillez y humildad.
Quiero darle las gracias a Alejandra Torres, con quien nos hemos dado la mano en muchos
momentos de alegrías y dificultades durante los últimos años. Sabes que eres parte de este triunfo y
de los que vendrán. Gracias por dejarme hacer tus ojos brillar.
También un especial agradecimiento a Camilo Cuellar y a Alejandra Polanco y su Padre,
quienes con paciencia y excelente disposición, pusieron a mi servicio los vehículos de pruebas, así
como experiencias agradables en compañía de Luis y dos nuevos amigos que me dejó el proyecto:
Andrés Guerra y Sergio Roa. Gracias por compartir conmigo este proyecto, por su inmensa ayuda,
conocimientos, tiempo y sobretodo, por haberse también apersonado de la situación en los
momentos críticos. Nunca olvidaré los primeros 40[s] a 6000[rpm] sin permiso de Alejandra y Luis!
Finalmente, gracias a Omar Amaya, excelente técnico y compañero de trabajo, sé que vivió
mi proyecto a la par conmigo, Dios lo Bendiga y lo espero en Maestría. Gracias Carolina López por
tu paciencia y ayuda, y un especial agradecimiento a Santiago Ávila, Jorge Reyes y Andrés Peña de
GM Colmotores, de quienes logré aprender gran parte de lo poco que sé en el campo de la
Ingeniería Automotriz.
El triunfo no es mío, es de Ustedes, y el aplauso es para Dios, que nos dio la oportunidad.
Contenido
Nomenclatura ……………………………………………………………………………………… 1
1. Motivación y Contexto General …………………………………………………………………... 3
1.1. Motivación Base – Problemática Actual ………..………………………………………………….. 3
1.2. Vehículos con Motores de Combustión Interna ……………………………………………………. 5
1.3. Pruebas Dinamométricas de Potencia ……………………………………………………………. 10
1.4. Desempeño Mecánico vs. Desempeño Energético en Vehículos ………………………………… 12
1.5. Efecto de la Altura en el Desempeño de Motores de Combustión Interna – Panorama Global .. 13
1.6. Geografía Física Colombiana – Variación en Terreno como Condición Operativa …………… 15
2. Presentación y Definición del Problema ………………………………………………………... 16
2.1. Desempeño Vehicular en Colombia – Universidad de Los Andes ……………………………….. 16
2.2. Objetivo General ………………………………………………………………………………….. 17
2.3. Alcance y Aporte Final ……………………………………………………………………………. 19
2.4. Laboratorio Móvil de Dinámica Vehicular – Célula Dinamométrica …………………………… 18
3. Diseño Experimental …………………………………………………………………………….. 19
3.1. Restricciones Experimentales ……………………………………………………………………... 19
3.1.1. Tecnología Vehicular de Interés a Evaluar – Requerimientos Técnicos ………………………… 19
3.1.2. Restricciones Metodológicas ……………………………………………………………………….20
3.2. Estructura y Metodología de Solución …………………………………………………………...20
3.2.1. Objetivos Específicos – Ejes Centrales Proyectos …………………………………………………21
3.3. Normativa a Seguir – Prueba de Potencia Neta en Estado Estable ……………………………….22
3.4. Modelo Analítico de Potencia Mecánica …………………………………………………………...24
3.5. Pruebas Piloto ……………………………………………………………………………………...25
3.5.1. Caracterización Dinamómetros de Cubo DYNOmite 2000 AWD Axle Hub ……………………….28
3.5.1.1. Comportamiento Térmico …………………………………………………………………………..28
3.5.1.2. Demanda Eléctrica ………………………………………………………………………………...32
3.5.1.3. Caracterización software DYNO-MAX 2010 ……………………………………………………...34
3.5.1.4. Ficha Técnica – Límites Operacionales ……………………………………………………………35
3.6. Protocolo Pruebas Dinamométricas de Potencia Neta – Laboratorio Móvil Dinámica Vehicular .36
4. Desarrollo Experimental – Resultados Pruebas Finales ………………………………………..37
4.1. Vehículo de Pruebas – Suzuki Grand Vitara SZ 2.0 MT 2009 ……………………………………37
4.2. Verificación Prueba de Potencia Neta a 2600 [m.s.n.m.] …………………………………………38
4.3. Alistamiento Prueba de Potencia Neta a 2600 [m.s.n.m.] …………………………………………39
4.4. Ejecución Prueba de Potencia Neta a 2600 [m.s.n.m.] ……………………………………………40
4.5. Resultados Experimentales Prueba de Potencia Neta a 2600 [m.s.n.m.] …………………………42
5. Conclusiones ……………………………………………………………………………………….45
5.1. Resultados Globales ………………………………………………………………………………..45
5.2. Conclusiones Generales ……………………………………………………………………………46
6. Trabajo Futuro ……………………………………………………………………………………47
7. Anexos ……………………………………………………………………………………………...48
7.1. Efecto de Condiciones Atmosféricas en el Desempeño de Grupos Electrógenos ………………….48
7.2. Protocolo de Pruebas Dinamométricas de Potencia Neta ………………………………………. 50
8. Referencias …………………………………………………………………………………...105
Lista de Figuras
Figura 1. Componentes Mecánicos Motor de Combustión Interna ………………………………….6
Figura 2. Ciclo de Otto para Motor a Gasolina de 4 tiempos ………………………………………..7
Figura 3. Ciclo de Diesel para Motor Diesel de 4 tiempos …………………………………………..8
Figura 4. Sistema de Admisión de Aire Motor de Combustión Interna …………………………….9
Figura 5. Sistemas de Combustible ………………………………………………………………...10
Figura 6. Freno De Prony …………………………………………………………………………..11
Figura 7. Principales Tipos de Dinamómetros en Industria Automotriz …………………………...12
Figura 8. Cámara de Compresión para Pruebas Atmosféricas en Motores Diesel …………………13
Figura 9. Célula de Pruebas Atmosféricas en Motores Gasolina …………………………………..14
Figura 10. Representación Evidencia Efecto Condiciones Atmosféricas en Colombia ……………17
Figura 11. Esquema Futuro Laboratorio Móvil Dinámica Vehicular ……………………………...18
Figura 12. Componentes y Distribución Célula Dinamométrica Lab. Móvil ……………………...19
Figura 13. Estructura de Metodología Diseño Experimental ………………………………………21
Figura 14. Esquema Tren de Potencia ……………………………………………………………...24
Figura 15. Ensamble Vehículo en Dinamómetros de Cubo ………………………………………..27
Figura 16. Dinamómetros de Cubo Portátiles …………………………………….………………..28
Figura 17. Vista Esquemática de Freno de Corrientes de Foucault ...………………………………29
Figura 18. Esquema Montaje Experimental Demanda Eléctrica Dinamómetros…………………..32
Figura 19. Comportamiento Demanda Corriente Dinamómetros…………………………………..33
Figura 20. Estructura Protocolo Pruebas de Potencia Neta en Estado Estable……………………..36
Figura 21. Dimensiones Globales Vehículo de Pruebas Finales……………………………………38
Figura 22. Montaje Experimental Pruebas Finales………………………………………………….40
Figura 23. Factores de Modificación de Potencia Grupos Electrógenos …………………………...47
Lista de Tablas
Tabla 1. Pisos Térmicos y Zonas Territorio Colombiano…………………………………………..16
Tabla 2. Equipos Base Célula Dinamométrica de Pruebas Lab. Móvil ……………………………19
Tabla 3. Tecnología Vehicular de Interés …………………………………………………………..20
Tabla 4. Restricciones Experimentales ……………………………………………………………..20
Tabla 5. Variaciones Principales entre SAE J-1349 e ISO-2585 …………………………………..23
Tabla 6. Parámetros Prueba de Potencia Neta en Estado Estable ………………………………….23
Tabla 7. Equipo y/o Forma de Medición Señales de Interés ……………………………………….24
Tabla 8. Especificaciones Técnicas Vehículo Pruebas Piloto ……………………………………...26
Tabla 9. Información Instrumentos de Medición Experimento Demanda Energética ……………..32
Tabla 10. Requerimientos de Potencia Eléctrica Dinamómetros de Cubo …………………………33
Tabla 11. Ficha Técnica Dinamómetros de Cubo 2000 AWD Axle Hub ………………………….35
Tabla 12. Especificaciones Técnicas Vehículo de Pruebas Finales ………………………………..37
Tabla 13. Contexto General Prueba Final de Potencia Neta ……………………………………….39
Tabla 14. Velocidades Nominales de Motor Muestreo Final ………………………………………41
Tabla 15. Resultados Finales Prueba de Potencia Neta según SAE J-1312 ………………………..43
Lista de Gráficas
Gráfica 1. Consumo de Combustibles Fósiles por Sector Económico ………………………………4
Gráfica 2. Distribución Porcentual Emisiones Gases Efecto Invernadero por Sector Económico ….5
Gráfica 3. Curva de Rendimiento – Par Motor Dinamómetros de Cubo 2000 AWD Axle Hub …..30
Gráfica 4. Curva de Rendimiento – Potencia Dinamómetros de Cubo 2000 AWD Axle Hub ……30
Gráfica 5. Pérdida Porcentual de Par Motor por Temperatura Dinamómetros de Cubo …………..30
Gráfica 6. Pérdida Porcentual de Potencia por Temperatura Dinamómetros de Cubo …………….30
Gráfica 7. Temperatura Interna Dinamómetros de Cubo posterior a Pruebas de Potencia ………...31
Gráfica 8. Ejemplo de Resultados Experimentales Prueba de Potencia Neta ……………………...42
Gráfica 9. Curvas de Rendimiento Finales Suzuki Grand Vitara SZ 2.0 MT 2009 ………………..44
Gráfica 10. Máximo Porcentaje Promedio de Pérdidas Potencia Grupos Electrógenos …………...49
1
Nomenclatura
Eficiencia Mecánica Motor de Combustión Interna
Eficiencia Térmica Motor de Combustión interna
Eficiencia Mecánica Transmisión
Eficiencia Mecánica Tren Motriz
Eficiencia Mecánica Tren de Potencia
Eficiencia Mecánica Vehículo
Eficiencia Térmica Vehículo
Combustión Interna
I. Ignición por Chispa
I. Ignición por Compresión
Trabajo por Unidad de Masa [kJ/kg]
Flujo Másico de Aire en Motor [kg/s]
Número de Cilindros Motor
Diámetro del Cilindro (Bore) [mm]
Carrera del Pistón (Stroke) [mm]
Velocidad Motor [rpm]
Velocidad Eje [rpm]
Presión Atmosférica [kPa]
Temperatura Ambiente [°C]
Humedad Relativa [%]
Temperatura Ambiente [K]
Constante de Gas Ideal Aire [kJ/kgK]
Potencia Mecánica al freno en eje [kW]
Potencia Mecánica en Volante Motor [kW]
Potencia de Pérdidas [kW]
Potencia de Pérdidas por Fricción en Motor [kW]
Potencia de Pérdidas en Transmisión [kW]
Potencia de Pérdidas en Tren Motriz (Driveline) [kW]
Potencia Térmica [kW]
Potencia Experimental Máxima [kW]
Porcentaje de Admisión Motor [%]
Energía Inicial [kW]
Energía Final [kW]
Relación de Transmisión correspondiente a X marcha de la caja de reducción
Relación Final de Eje
Par Motor en Volante [Nm]
Par Motor en Eje [Nm]
Par Motor Experimental Máximo [Nm]
2
Vehículo de Transmisión Automática (Automatic Transmission)
Vehículo de Transmisión Mecánica/Manual (Manual Transmission)
Vehículo de Tracción Delantera (Front Wheel Drive)
Vehículo de Tracción Trasera (Rear Wheel Drive)
Vehículo de Tracción 4x4 Desacoplable (Four Wheel Drive)
Vehículo de Tracción 4x4 Integral (All Wheel Drive)
Doble Árbol de Levas (Double Overhead Camshaft)
Multi-Point Fuel Injection (Inyección electronica Multipunto)
Flujo Másico de Combustible [kg/s]
Poder Calorífico Inferior [kJ/kg]
Valor nominal/Media de una muestra
Desviación estándar de una muestra
Tamaño de una muestra
3
1. Motivación y Contexto General
1.1. Motivación Base – Problemática Actual:
No hace más de un año, en el departamento de pruebas y validación experimental de una de
las empresas de automóviles más reconocidas a nivel internacional, surgió la necesidad, y con ello
la demanda, de diseñar e implementar un simulador de respuesta mecánica de vehículos pesados1
frente a determinadas condiciones atmosféricas y topográficas de la región Andina. La flota a
validar, cobija vehículos de carga con capacidad útil entre 2.0 [Ton] y 30 [Ton], con motores de
combustión interna Diesel (Ignición por Compresión) y sistema de alimentación Turbocargado
refrigerado con Interenfriador2. En efecto, una tecnología bastante común en el parque automotor
mundial cuando de transporte de carga se trata.
Frente a esto, el equipo encargado, utilizando información relacionada y conocimientos en
el área de la Ingeniería Automotriz, logró desarrollar un modelo analítico que se acercaba de forma
somera, pero aceptable, a los registros obtenidos al desarrollar pruebas experimentales en
condiciones equivalentes. En efecto, por medio de este simulador se buscaba, entre otros, evaluar
qué tipo de caja de transmisión y relación final de eje era la más conveniente para cada exponente
de la línea comercial, logrando así reducir costos y tiempos relacionados con instalaciones, pruebas
experimentales, recurso físico y humano asociado a un proceso iterativo de validación In-Situ.
No obstante, al igual que para la mayoría de los modelos analíticos en desarrollo dentro del
campo de la Ingeniería, para aplicar el modelo es necesario imponer determinadas suposiciones que,
dependiendo de la profundidad e impacto del análisis buscado, pueden llegar a ser determinantes e
incluso conllevar a errores, cuya consecuencia, en el mundo de la Industria, está directamente
relacionada con pérdidas económicas y, lo que es peor, pérdida de tiempo útil.
Puntualmente, cualquier modelo analítico o experimental que busque conocer el
comportamiento mecánico y/o energético de un vehículo con motor de combustión interna, como
fuente de generación de potencia mecánica (independientemente de su naturaleza), debe contemplar
diversos factores que inciden sobre el rendimiento del mismo. Así mismo, es requisito conocer el
desempeño final observado del vehículo en estudio que, sin temor a generalizar, es lo que
finalmente el usuario puede apreciar y el componente principal de juicio dentro del mercado de
interés.
Dentro de los supuestos que generalmente se consideran en los modelos analíticos de
desempeño mecánico y/o energético vehicular, algunos de los más críticos corresponden a la
eficiencia mecánica del tren de potencia ( ), a la eficiencia térmica del vehículo ( ) en
general, y a la eficiencia térmica del motor de combustión interna ( ) en particular. Poder
determinar con certeza cada una de las variables anteriormente mencionadas, compone diferentes
puntos focales de investigación en el área de la Ingeniería Automotriz, y procurar tener
1 Entiéndase por “Vehículos Pesados”, cualquier exponente de la flota de transporte de carga neta superior
a 2.0[Ton]. 2 Generalmente conocido como Intercooler.
4
conocimiento acertado y generalizado de cada uno de ellos, presupone un reto para el desarrollo de
la tecnología vehicular actual.
De esta manera, se hace evidente que hay una necesidad de conocer con mayor certeza los
efectos que tienen las condiciones operativas sobre el desempeño de un vehículo automotor, ya sea
desde el punto de vista meramente mecánico, o también contemplando la incidencia en el
rendimiento energético del vehículo como máquina térmica de conversión de energía.
Particularmente, la eficiencia térmica de un vehículo automotor logra agrupar
adecuadamente las principales variables de incidencia que determinan el comportamiento
energético de un vehículo. Esto, puesto que la eficiencia térmica se encuentra en función de las
propiedades y consumo del combustible utilizado como fuente de energía primaria, del rendimiento
de diversos elementos y/o sistemas mecánicos, así como del comportamiento de otras variables de
interés como las condiciones atmosféricas, topográficas y operativas en las que se desenvuelve el
vehículo.
En efecto, es de gran interés para los distintos protagonistas de la industria automotriz, por
no decir imperativo, conocer cómo se van a desempeñar sus vehículos bajo las distintas condiciones
operativas en las que los usuarios utilizarán sus productos. Conocer en detalle el comportamiento de
la flota vehicular, tiene una relación directamente proporcional con ampliar el impacto y
posicionamiento comercial de una industria productora de automóviles, logrando ser más
competitiva en el panorama mundial. Ahora, el hecho de conocer el desempeño vehicular en
múltiples escenarios, permite dar un aporte significativo en el desarrollo sostenible del sector
económico del transporte, puesto que el parque automotor comprende cerca del 19.6[%] del
consumo de combustibles fósiles en las últimas dos décadas (1995-2015 - Gráfica 1) (BP Company,
2014) y es responsable entre el 20-25[%] de las emisiones de gases efecto invernadero (Gráfica 2)
(Junta de Andalucía) (Government of Canada: Environment Canada, 2013), una de las principales
problemáticas medioambientales del presente siglo.
Gráfica 1. Consumo de combustibles fósiles por sector económico. Información obtenida del BP Energy Outlook 2035 – Enero 2014.
(BP Company, 2014)
5
Gráfica 2. Distribución porcentual de emisión de gases efecto invernadero por sector económico. Izquierda: Proporción correspondiente
a la región norteamericana. Derecha: Proporción correspondiente a los países pertenecientes a la Unión Europea. Información tomada
de (Government of Canada: Environment Canada, 2013) y (Junta de Andalucía)
Se espera así que, conociendo la eficiencia mecánica y energética vehicular bajo diferentes
condiciones operativas, la industria automotriz pueda identificar los puntos críticos de su tecnología
actual, de tal forma que se logren distribuir vehículos que sean lo más eficientes posible y se
ajusten a las necesidades tanto de los usuarios como del panorama sostenible global.
1.2. Vehículos con Motores de Combustión Interna
En la actualidad, los motores de combustión interna son la tecnología principal utilizada en
el panorama global de los vehículos automotores. Es cierto que en la última década se han dedicado
recursos e investigación para introducir nuevas tecnologías alternativas en el sector automotriz,
como los HEV´s y los EV´s3. Sin embargo, por ser una tecnología en desarrollo, aún no componen
un índice de impacto comparable con los motores de combustión de uso corriente.
En esta sección se pretende, de forma muy general, describir qué es y cómo funciona un
motor de combustión interna de cuatro tiempos4, para finalmente dejar expuesto por qué su
desempeño energético es susceptible a las condiciones atmosféricas de operación.
Un motor de combustión interna es uno de los varios tipos de máquinas térmicas de
conversión de energía. Se encuentra dentro de esta rama de la maquinaria puesto que transforma
energía térmica, resultante del proceso de combustión de una fuente de energía primaria
(combustible), en potencia mecánica útil. En la Figura 1, se pueden observar los elementos
mecánicos principales de un motor de combustión interna. En esta figura, así como en la totalidad
de la información teórica subsecuente acerca de los motores de combustión interna, se presenta y
analiza el comportamiento de un cilindro independiente, pues el número de cilindros y la
3 HEV’s: Hybrid Electric Vehicles; EV’s: Full Electric Vehicles (Por sus siglas en Inglés).
4 Existen motores de combustión interna de dos tiempos, sin embargo, no se analizarán puesto que es una
tecnología en desuso dentro de la rama automotriz. En efecto, una de las principales razones por las que se limitó el uso de esta tecnología, fue por el alto índice de contaminación auditiva cuando están en funcionamiento. Siendo la rama de las motocicletas una de las más damnificadas por esta prohibición. (Vargas, 2008)
6
orientación de los mismos son parámetros exclusivos del diseño general del motor, puesto que el
comportamiento se rige bajo los mismos principios operativos.
Figura 1. Elementos mecánicos principales de un motor de combustión interna. Izquierda: Vista isométrica de elementos mecánicos de
comportamiento dinámico. Centro: Corte Longitudinal del bloque de un motor. Derecha: Corte Transversal del bloque de un motor.
Todas las Figuras tomadas de (Crolla, 2009) pg. 3-4
Los componentes principales de un motor de combustión interna son:
Cigüeñal/Manivela (Crankshaft): Transmite potencia mecánica útil en forma de Par Motor
rotacional.
Biela (Connecting Rod): Convierte movimiento longitudinal del pistón en movimiento
angular del Cigüeñal.
Pistón (Piston): Encargado de comprimir la mezcla de Aire/Combustible y transmitir
energía cinética longitudinal, producto de la combustión, en potencia mecánica útil.
Cilindro/Camisa (Cylinder): Mantiene alineación longitudinal del pistón y sirve cumple
papel de recámara en dónde se genera la combustión de la mezcla Aire/Combustible
Válvulas (Valve Port): Hay válvula de admisión (Mezcla de Aire/Combustible) y Válvula
de Escape (expulsión gases sobrantes producto de la combustión incompleta)
Bujía: Encargada de dar explosión a la mezcla de Aire/Combustible. Nota: Únicamente
presenta en motores Otto a gasolina. Las bujías de los motores Diesel son de
precalentamiento de las camisas/cilindros del motor.
Teniendo claros los componentes mecánicos principales del motor de combustión interna,
es posible entrar en una breve descripción de su funcionamiento térmico, que es el punto de interés
en el proyecto. Así pues, como se mencionó anteriormente, en este proyecto solamente se hace
énfasis en motores de combustión de cuatro tiempos, que son:
Admisión/Inducción (Induction)
Compresión (Compression)
Combustión/Expansión (Power/Expansion)
Expulsión/Escape (Exhaust)
7
Entrando en materia, en la actualidad se utilizan dos tipos de motores de combustión interna
que, no obstante de tener los mismos elementos, tienen principios operativos distintos. El primero
de éstos es el motor a gasolina de Otto, presentado mas no diseñado por Nicolaus August Otto hacia
el año 1876. Este motor recibe su nombre porque opera bajo el ciclo termodinámico de Otto y su
combustible (fuente de energía primaria) es gasolina, siendo también conocido como motor de
combustión interna de Ignición por Chispa S.I.5, puesto que necesita de una bujía que, por medio de
una chispa, dé inicio al proceso de combustión. (Crolla, 2009)
En la Figura 2, se presentan los estados termodinámicos correspondientes a cada etapa del
ciclo térmico del motor Otto a gasolina de cuatro tiempos, así como un corte transversal de un
bloque de un motor de cuatro cilindros en línea que representa los estados del ciclo térmico en
cuestión:
Figura 2.Ciclo térmico de un motor Otto a Gasolina de cuatro tiempos de Ignición por Chispa. Figura tomada de (Crolla, 2009), pg. 6
5 S.I.: Spark Ignition (Por sus siglas en Inglés)
8
En la otra mano, se encuentra el motor Diesel de cuatro tiempos, revelado por Rudolf
Diesel (Crolla, 2009). Al igual que el motor a gasolina, recibe su nombre porque opera bajo el ciclo
térmico de Diesel (Figura 3) y utiliza como fuente de energía primaria aceites combustibles (Fuel
Oil), de menor calidad y bajo costo que la gasolina.
Este tipo de motores se conocen como motores de combustión interna de Ignición por
Compresión C.I.6, pues en éste, el combustible es inyectado en la cámara de combustión justo en el
momento en el que la temperatura del aire comprimido del interior del cilindro alcanza una presión
tal que al entrar en contacto con el combustible, la mezcla explota espontáneamente. Estos motores
no necesitan bujías para inducir chispa pero son motores que requieren mantener una temperatura
cálida para la cámara de combustión, por lo que generalmente tienen dentro su configuración bujías
de precalentamiento. (Crolla, 2009)
Figura 3.Ciclo térmico de un motor Diesel de cuatro tiempos de Ignición por Compresión. Figura tomada de (Crolla, 2009), pg. 11
6 C.I. : Compression Ignition (Por sus siglas en Inglés)
9
Generalmente, el motor Otto de cuatro tiempos a gasolina, en el ámbito automotriz, es el
más utilizado para vehículos particulares, motocicletas, motores fuera de borda y en general para
aplicaciones de poca potencia. En contraparte, el motor Diesel es el encargado de impartir
movimiento a toda la flota de transporte de carga, desde colectivos escolares hasta buques
trasatlánticos de carga, además de estaciones de generación de energía mecánica como potencia
eléctrica para alimentación industrial. (Beltrán Pulido, 2008)
Como se ha mencionado anteriormente, el proceso de combustión (energía térmica)
dentro de un motor de combustión interna, implica la explosión de la mezcla de Aire/Combustible.
La porción de aire de la mezcla, es tomada directamente del aire ambiente de donde se encuentra el
vehículo mediante un ducto de admisión, que creando un diferencial positivo de presión, logra
succionar aire constantemente y lo distribuye al motor por medio del múltiple de admisión una vez
ha pasado por el carburador o el mezclador utilizado. En este ducto, dependiendo del diseño del
vehículo, se encuentra al menos un filtro que evita que lleguen impurezas al mezclador y a los
cilindros (Figura 4).
Figura 4. Esquema básico del sistema de admisión de aire en vehículos de combustión interna. Imagen tomada de
http://jeroitim.blogspot.com/2012/12/motores-de-combustion-interna-en_10.html el 2 de Julio de 2014
Por su lado, la porción de combustible es tomada directamente del tanque dispuesto en la
parte inferior del vehículo. La succión está asociada con la bomba de combustible e, igualmente,
dependiendo de la tecnología involucrada, el sistema de combustible puede ser con retorno o sin
retorno (Figura 5). No obstante, independientemente del sistema y del tipo de combustible, éste
pasa por al menos un filtro encargado de separar impurezas que pueden llegar a afectar la mezcla y
los cilindros.
La proporción de Aire/Combustible que llega a los cilindros del motor, inicialmente fue
regulada por un carburador que dependiente de las condiciones operativas del vehículo ofrecía la
posibilidad de manipular la posición de las mariposas de cierre y calibrar manualmente la relación
de mezcla. Sin embargo, la tecnología actual involucra un conjunto de inyectores controlados
electrónicamente que se auto-regulan dependiendo del algoritmo de control de fábrica.
10
Figura 5. Esquema de Sistema de combustible utilizado en vehículos de combustión interna. Izquierda: Sistema de combustible con
retorno; Derecha: Sistema de Combustible Sin retorno. Imagen tomada de http://www.itacr.com/img/guia_img_006.jpg y
http://www.itacr.com/img/guia_img_007.jpg el 2 de Julio de 2014.
Teniendo esta información en cuenta, el estado termodinámico del aire de admisión
(presión barométrica, humedad relativa y temperatura), es determinante a la hora de evaluar la
potencia mecánica entregada por el motor. En efecto, la potencia del motor de combustión interna
es proporcional al trabajo por unidad de masa multiplicado por el flujo másico de aire (Beltrán
Pulido, 2008):
(1)
(2)
De esta forma, queda expuesto en términos generales que las condiciones atmosféricas en
las que el vehículo se encuentre operando, en especial la altura (relacionada directamente con la
Presión Atmosférica), tienen un efecto sobre la potencia mecánica entregada por el motor de
combustión interna al vehículo. Esto se asocia directamente con la magnitud del flujo másico de
aire que entra al motor, que está en función de la densidad del mismo y ésta a su vez en función de
la altura respecto al nivel del mar.
1.3. Pruebas Dinamométricas de Potencia
Las pruebas dinamométricas son el método más utilizado actualmente en la industria del
automóvil para cuantificar de forma experimental la potencia mecánica útil entregada, ya sea por el
vehículo en general o únicamente por el motor del mismo. El principio de operación de los
dinamómetros utilizados en la actualidad es el mismo del Freno DeProny (Figura 9), en donde el
objetivo es determinar el Momento Par que tiene determinado eje que gira a una velocidad angular
particular. Para ello, se utiliza algún mecanismo que impone una carga de freno opuesta al sentido
de rotación del eje motriz y, mediante algún sistema de medición, cuantifica el Momento Par de
interés.
11
Figura 6. Esquema de un freno DeProny. Imagen tomada de http://www.scrigroup.com/limba/engleza/122/Direct-Current-
Motors92428.php el 10 de Junio de 2014.
De esta forma, y para diferentes regímenes de velocidad del eje motriz, se determinan
experimentalmente las curvas de rendimiento tanto de Par Motor como de Potencia Mecánica al
freno observada, completándose así una prueba dinamométrica corriente.
En la actualidad, la tecnología utilizada tanto para frenar el eje motriz, como para
cuantificar el Momento Par del eje varían de acuerdo al fabricante, interés del usuario y límites
operativos en general. En sector automotriz, los tipos de dinamómetros más utilizados son
(Atkins, 2009):
Dinamómetro de Motor: Evalúa directamente la potencia de salida en el volante del motor del
vehículo. Desprecia pérdidas asociadas con la transmisión, tren motriz y contacto
rueda/superficie, por lo que sus registros de potencia siempre serán mayores a los obtenidos con
cualquier otro tipo de dinamómetro y, por ende, es la información preferida y utilizada
comercialmente.
Dinamómetro de Cubo: Se ensamblan directamente a los cubos campana del eje de tracción
del vehículo de pruebas. Sus mediciones ofrecen la potencia mecánica útil en eje7, teniendo en
cuenta la totalidad del tren de potencia, sin embargo, en magnitud los registros serán menores
que en el caso de los dinamómetros de motor. Se caracterizan por tener baja inercia. (Land &
Sea Inc., 2014)
Dinamómetro de Chasis: También conocidos como dinamómetros de rodillo, puesto que
evalúan la potencia mecánica útil del vehículo en la rueda, es decir, tienen en cuenta el efecto
tanto del tren de potencia del vehículo como de la interacción rueda/superficie. Por esta razón,
los registros de potencia mecánica siempre será menores en relación con los dinamómetros de
motor y de cubo.
En la Figura 10 se presenta una imagen de cada uno de los tipos de dinamómetros
presentados en el mismo orden en que se describieron:
7 Se puede considerar como la potencia real útil que entrega el vehículo, puesto que la interacción
rueda/superficie implica modelos teóricos complejos y en la práctica, la superficie por la que se desplazará el vehículo generalmente es inesperada y variable.
12
Figura 7. Principales tipos de dinamómetros de cubo utilizados para pruebas de potencia en vehículos automotores. Imágenes tomadas
de (Land & Sea Inc., 2014) y http://blog.setra.com/test-and-measurement-dynamometer/2013/02/06 el 3 de Junio de 2014
Finalmente, existe gran variedad de pruebas dinamométricas que se realizan sobre
vehículos en la actualidad. Sin embargo, las de mayor aplicación son:
Prueba Dinamométrica en Estado Estable: En términos generales, se hacen mediciones
independientes para cada régimen de velocidad de motor de interés, manteniendo condición
de carga y velocidad de motor estable durante un período determinado según normativa.8
Prueba Dinamométrica en Régimen Transitorio: En este caso se realiza un barrido
continuo por el espectro de velocidades de motor de interés bajo una tasa de aceleración
particular.9
1.4. Desempeño Mecánico vs. Desempeño Energético en Vehículos
Dos de las figuras de interés al evaluar el rendimiento de cualquier tipo de vehículo, son el
desempeño mecánico y el desempeño energético, también entendidos como eficiencia mecánica
( ) y eficiencia térmica ( ) del vehículo, ésta última teniendo en cuenta que se trata de una
máquina térmica. Cada una de éstas vincula determinadas variables de interés y una metodología
experimental particular.
La primera, el Desempeño Mecánico en vehículos, se limita a evaluar la relación de
potencia mecánica que se obtiene entre la potencia mecánica al freno en eje (salida) y la potencia
mecánica entregada por el motor en el volante (entrada):
(3)
Por su parte, la eficiencia energética de un vehículo es la relación entre la potencia térmica
entregada a un motor por efectos de la combustión y la potencia mecánica al freno en eje, en
términos generales, cuánta potencia entrega en relación con cuánta energía consume (consumo
específico de combustible y poder calorífico). (Beltrán Pulido, 2008)
(4)
8 En la sección 3.3. de este documento se profundiza acerca del desarrollo de este tipo de prueba
dinamométrica. 9 Para mayor información, remitirse a (SAE International, 2008)
13
Para evaluar la eficiencia energética de un vehículo, es necesario determinar
experimentalmente mediciones de consumo específico de combustible10
, flujo volumétrico de aire y
potencia al freno en el eje, por mencionar los más relevantes. (Beltrán Pulido, 2008)
1.5. Efecto de la altura en el Desempeño de Motores de Combustión Interna – Panorama Global
La problemática de conocer específicamente el efecto de las condiciones atmosféricas en el
desempeño de motores de combustión interna, ya ha suscitado el interés de diferentes sectores de la
industria del automóvil desde finales del pasado siglo. Sin embargo, curiosamente, existe una
brecha de tiempo de aproximadamente 30 años entre la información histórica y los nuevos recursos
de investigación y desarrollo que se están dedicando en relación a este objetivo.
Los primeros estudios realizados sobre el tema, se registran entre la década de 1960 y de
1970, se desarrollaron una serie de estudios en condiciones controladas de laboratorio sobre
únicamente el motor11
, que permitían controlar las variables atmosféricas de interés, de tal forma
que lograban recrear diferentes condiciones ambientales de operación.
El primero de estos estudios fue desarrollado por The Motor Industry Research Association
en la década de 1960, sobre el efecto de las condiciones atmosféricas en el desempeño de motores
Diesel, tanto Naturalmente Aspirados como Turbocargados, y finalmente publicado en el año 1966
bajo el título “Some Considerations of the Effect of Atmospheric Conditions on the Performance of
Automotive Diesel Engines” (Fosberry & Holubecki, 1966). En este estudio, se sometieron siete
motores Diesel Naturalmente Aspirados y uno Turbocargado a condiciones atmosféricas
equivalentes hasta una altura de 3657[m.s.n.m.], utilizando una cámara de descompresión (Figura 6)
que permitía manipular la presión del aire de admisión, así como la temperatura y la humedad
relativa.
Figura 8. Vista Isométrica de la cámara de descompresión evaluados. Figura tomada de (Fosberry & Holubecki, 1966)
10
En la actualidad existen equipos de medición de flujo de combustible conocidos como Flujómetros. 11
Cuando se habla de únicamente el motor, se hace referencia a que no se evalúa el tren de potencia de vehículos automotores, únicamente el motor como volumen de control.
14
Los resultados obtenidos en este estudio fueron contrastados con los métodos de corrección
de desempeño por efecto de a altura de la época, es decir, la norma SAE J81612
, proponiendo ciertas
modificaciones o correcciones para éstos. En términos generales, el estudio publica una relación de
corrección para este tipo de motores por condiciones de altura que indica , entre otros, la necesidad
de contemplar factores como la densidad del humo del escape y el consumo de combustible, que no
son tenidos en cuenta por los estándares de corrección asociados.
De forma homóloga, hacia el año 1969, el departamento de ingeniería de Toyota Motor Co.,
Ltda., se interesó en evaluar el efecto de las condiciones atmosféricas en el desempeño, en este
caso, de un motor a gasolina naturalmente aspirado de automóvil. Finalmente, el trabajo se publicó
bajo el título “Experiments on Effects of Atmospheric Conditions on the Performance of an
Automotive Gasoline Engine” (Nakajima, Shinoda, & Kuniyasu, 1969). Al igual que en el caso
anterior, las pruebas experimentales se llevaron a cabo únicamente sobre el motor del vehículo, en
máxima carga13
, y bajo condiciones controladas de laboratorio (Figura 7). Es importante mencionar
que en la década de 1970, la tecnología de los motores vinculaba un carburador, razón por la que
gran parte de la información experimental consignada en este estudio ya no es aplicable a la
tecnología vehicular actual de inyección electrónica.
Figura 9. Esquema de la célula de pruebas utilizada para evaluar efecto de las condiciones atmosféricas en motores a gasolina.
Toyota Motor Co. (Nakajima, Shinoda, & Kuniyasu, 1969)
La información recopilada por los ingenieros de Toyota Motor en el estudio, dentro de sus
objetivos principales, por medio de la evaluación del efecto de las condiciones atmosféricas en el
desempeño observado del motor, proponer un método adecuado para ajustar los motores en busca
12
Esta normativa fue posteriormente retirada por la SAE y reemplazada por la norma SAE J-1349. Sin embargo, en ésta última se hace énfasis en que los métodos de corrección propuestos no son aplicables para corrección por altura. (SAE International, 2008) 13
Condición de máxima carga del motor se refiere a la condición de máxima apertura de la válvula reguladora (mariposa) del acelerador. En otras palabras, acelerador a fondo.
15
de mejorar rendimiento dependiendo de las condiciones de operación. Igualmente, buscaba validar
experimentalmente la información de factores de corrección propuestos en la SAE J816, y proponer
el método de corrección apropiado dependiendo del caso de interés.
No obstante, los estudios anteriormente mencionados, aunque son de amplia utilidad y la
base de las aproximaciones actuales utilizada en la industria, representan una metodología
experimental limitada a condiciones controladas de laboratorio y, particularmente para el caso
vehicular, deja fuera de contexto a los demás componentes del tren de potencia. De esta manera, por
si solos, no se pueden considerar un modelo teórico aplicable para calcular potencia útil entregada
por un vehículo en evaluación.
En la última década, el desarrollo de mayor importancia que se ha presentado en la industria
automotriz referente al tema del efecto de las condiciones atmosféricas en el desempeño de
vehículos, es el Centro de Pruebas Energético y Medioambiental (EVZ) de la marca alemana
BMW. En estas instalaciones se desarrollan pruebas de desempeño real, en donde se simulan
condiciones atmosféricas variables de forma controlada, sobre la totalidad de la gama de vehículos
ofrecidos por esta marca. Particularmente, BMW busca reducir costos de producción, haciendo
pruebas experimentales de comportamiento real sobre los nuevos vehículos en diseño, con el fin de
ser más competitivos y ajustarse a los requerimientos funcionales que su flota vehicular pueda tener
tanto ahora como en un futuro próximo. (TOP-MOTOR: Últimas tendencias en coches y el mundo
del motor, 2010), (Noticias Coches.com, 2010).
Nota: En el Anexo 1, se presenta información sobre un modelo teórico desarrollado con
base en la información experimental entregada por la marca Kipor el estudio del efecto de
condiciones atmosféricas en el desempeño de grupos electrógenos (Kipor, 2008). Se considera
información de interés, pues dichos sistema de generación de potencia eléctrica tienen un motor de
combustión interna encargado de impartir movimiento al generador eléctrico.
1.6. Geografía Física Colombiana – Variación en Terreno como Condición Operativa
Teniendo en cuenta que las condiciones atmosféricas juegan un papel determinante en el
desempeño de los vehículos con motores de combustión interna, se considera necesaria una breve
descripción de las condiciones topográficas del territorio colombiano. En efecto, Colombia es un
país que presenta fuertes variaciones en la altura del terreno con respecto al nivel del mar, teniendo
así sus principales ciudades (puntos neurálgicos de operación del sector del transporte) en alturas
por encima de los 1000 [m.s.n.m.].
Puntualmente, Colombia tiene cuatro ciudades principales: Bogotá (2600 [m.s.n.m.]),
Medellín (1479[m.s.n.m.]), Cali (995[m.s.n.m.]) y Barranquilla (0[m.s.n.m.]). Diariamente, la flota
vehicular actual se encuentra movilizándose a lo largo de la cambiante topografía colombiana entre
estas ciudades. A lo largo del transporte a lo largo del territorio, los vehículos se ven expuestos a
climas y alturas cambiantes, pues el país está dividido en diferentes zonas (Tabla1).
16
Pisos Térmicos
Tipo de Zona Altura [m.s.n.m.] Temperatura [°C] Área [m2]
Zonas Cálidas 0 - 1000 24 a 40 875.980
Zona Templada 1000 - 2000 18 a 24 122.400
Zona Fría 2000 - 3000 6 a 18 110.000
Páramos 3000 - 4000 0 a 6 43.000
Cumbres de los Andes 4800 < 0 355 Tabla 1. Pisos Térmicos y Zonas del territorio colombiano. Información tomada de (Arango Cano, 1964)
Al observar la información compilada en la Tabla 1, se puede observar que las condiciones
de operación en las que se desenvuelven los vehículos en Colombia son fluctuantes, por lo tanto es
de esperarse que el desempeño observado también lo sea, por lo que se hace evidente que el país es
una zona clave de investigación que sirve como exponente de la región andina (Colombia,
Venezuela, Ecuador).
2. Presentación y Definición del Problema
En la sección anterior se dieron a conocer los pilares que fundamentan la base de este
proyecto de grado: Vehículos de combustión Interna, efecto de las condiciones atmosféricas en el
desempeño vehicular, pruebas dinamométricas y topografía del territorio colombiano. En esta
sección, se presenta tanto el contexto actual en la Universidad de Los Andes como el objetivo
general del proyecto, que a su vez delimita el alcance propuesto.
2.1. Desempeño vehicular en Colombia – Universidad de Los Andes
En la actualidad, la Universidad de Los Andes ha logrado determinar experimentalmente el
desempeño mecánico y energético de vehículos con motor a gasolina de ignición por chispa en
condiciones atmosféricas de la ciudad de Bogotá (2600 [m.s.n.m.] ) y un caso particular en la
ciudad de Pereira (1411 [m.s.n.m.] )14
. De esta forma, se cuenta con la primera evidencia
experimental del efecto de la altura sobre el rendimiento de vehículos con motores de combustión
interna, particularmente en la potencia mecánica útil en eje de salida. (García L. A., Efecto de la
Altura en el Desempeño de un Vehículo a Gasolina, 2013)
La evaluación del desempeño mecánico de estos vehículos se ha desarrollo bajo los
estándares de la norma SAE J-1349 para medición experimental de Potencia Neta en motores de
combustión interna (SAE International, 2008). Para este fin, se han utilizado dinamómetros de cubo
portátiles (Sección 2.4) que garantizan medición experimental de la potencia útil en el eje de
tracción del vehículo. Así pues, siguiendo un análisis intravehicular en diferentes alturas, se logra
comenzar a observar el efecto de esta variable sobre el resultado medido. De forma homóloga, se
han desarrollado pruebas de carretera In-Situ, también de evaluación intravehicular, en diferentes
14
La ciudad de Pereira se considera una altura homóloga a la ciudad de Medellín (1479 [m.s.n.m.]), siendo escogida como estación de prueba por contar con infraestructura dinamométrica equivalente a la utilizada en Bogotá
17
ubicaciones del país (Tunja, Bogotá, Pereira, Espinal, Guamo) con el objetivo de contemplar un
escenario corriente de operación de la flota en el país.15
Finalmente, con la información actual se cuenta con una primera evidencia que indica que
la eficiencia térmica de un vehículo con motor de combustión interna (tecnología actual del parque
automotor nacional) tiene una relación inversamente proporcional con la altura sobre el nivel del
mar (Figura 8), fenómeno que se atribuye a las tres variables atmosféricas, antes mencionadas, que
modifican la densidad y el estado termodinámico del aire de admisión al motor:
Presión Atmosférica [kPa]
Temperatura Aire Ambiente [°C]
Humedad Relativa [%]
Figura 10. Representación del efecto de las condiciones atmosféricas en el desempeño de vehículos con motores de combustión Interna
Sin embargo, la información teórica y experimental aún no es suficiente para determinar en
qué proporción y qué relación existe entre las variables atmosféricas y la potencia mecánica útil
observada en los vehículos, por lo que se evidencia la necesidad de profundizar la investigación y
desarrollo experimental en esta área. De esta necesidad, se desprende el interés de aporte de este
proyecto.
2.2. Objetivo General
Evaluar experimentalmente el desempeño mecánico de un vehículo de combustión interna,
de ignición por chispa y tecnología representativa, en condiciones atmosféricas de la ciudad de
Bogotá (2600 [m.s.n.m.]), mediante pruebas dinamométricas de potencia neta en estado estable.
Para esto se propone utilizar la célula dinamométrica del Laboratorio Móvil de Dinámica Vehicular.
15
Las particularidades de las pruebas de carretera se consideran fuera del alcance del proyecto, por lo que se recomiendo referirse a (García L. A., Efecto de la Altura en el Desempeño de un Vehículo a Gasolina, 2013).
18
2.3. Alcance y Aporte Final
Con el objetivo general propuesto anteriormente, se busca dar un aporte en la construcción
del mapa de eficiencia mecánica de vehículos de combustión interna en el territorio colombiano.
Para esto, se quiere determinar experimentalmente el desempeño mecánico de un vehículo con
tecnología corriente en la ciudad principal de Colombia, considerada una de las condiciones más
críticas en cuanto a altura sobre el nivel del mar que debe afrontar la flota vehicular en el país.
Igualmente, con el desarrollo del proyecto, se quiere diseñar e implementar una
metodología experimental, adecuada y replicable, para pruebas dinamométricas de potencia neta
que involucre la infraestructura y tecnología de punta del Laboratorio Móvil de Dinámica
Vehicular. Así pues, se quiere dar claridad al proceso experimental y tener el mayor conocimiento
posible del manejo de la tecnología asociada a las pruebas dinamométricas de potencia en la
Universidad de Los Andes.
2.4. Laboratorio Móvil de Dinámica Vehicular – Célula Dinamométrica
El Laboratorio Móvil de Dinámica Vehicular (L.M.D.V.), es una iniciativa que surgió de
parte del profesor Luis Ernesto Muñoz, de la Universidad de Los Andes, enfocada en diseñar e
implementar una estación de carácter móvil que permita realizar pruebas en vehículos automotores
a lo largo del territorio colombiano. En efecto, una de las principales motivaciones para que el
laboratorio tenga carácter móvil (Figura 11), es la posibilidad de realizar pruebas en diferentes
alturas en busca del objetivo base de evaluar experimentalmente el efecto de las condiciones
atmosféricas en el rendimiento de vehículos. (García & Muñoz, Laboratorio Móvil: Efecto de la
altura en desempeño de vehículos con motor de combustión interna, 2012)
Figura 11.Esquema a futuro del remolque correspondiente al laboratorio móvil de dinámica vehicular. Imagen tomada de (García L. A.,
Efecto de la Altura en el Desempeño de un Vehículo a Gasolina, 2013)
Actualmente, la propuesta aún está en progreso, sin embargo, a la fecha ya se cuenta con
todos los equipos correspondientes a la célula dinamométrica de pruebas (Figura 12 y Tabla 2), por
lo que ésta será utilizada como infraestructura base para el desarrollo del presente proyecto.
19
Figura 12. Componentes y distribución estándar de Célula Dinamométrica del L.M.D.V.
Ítem
No. Equipo Cantidad
Fabricante
Referencia Software
Consumo Energético
60[Hz]
Dimensiones
A X L X B [mm] Peso [kg]
1 Dinamómetros
de Cubo
2 ó 4
Módulos
Land And Sea
DYNOmite 2000
AWD Axle-Hub
DYNO
MAX
2010
208 [V] - 25[A] AC
712 X 940 X 1270 490/Módulo 10.3 [kVA] Bifásico
Línea-Línea Desbalanceado
3 Ventilador 1
Global Industrial
N/A
120 [V] - 10[A]
Arranque 1067 X 458 X 1067 37
Electric Fan 89DF
607026 (FDM-42)
120 [V] - 3.6[A]
Operación16
4 Extractor de
Gases 1
Filcar SPA
N/A
220 [V] Trifásico - 12.3[A]
Arranque 1305 X 670 X 420 30
150 Trotter
230V/60Hz
220 [V] Trifásico - 2[A]
Operación Tabla 2. Equipos base de la célula dinamométrica de pruebas del L.M.D.V. Parte de la información tomada de (Steffens G. , 2014)
3. Diseño Experimental
3.1. Restricciones Experimentales
El diseño experimental del proyecto parte de las restricciones experimentales planteadas en
los siguientes numerales.
3.1.1. Tecnología Vehicular de Interés a Evaluar – Requerimientos Técnicos
Uno de los puntos clave del proyecto a desarrollar, es que el vehículo a evaluar tenga
tecnología actual y homóloga a la flota vehicular que se moviliza en Colombia. En la Tabla 3, se
resumen los requerimientos técnicos que debe satisfacer el vehículo de pruebas para ajustarse al
objetivo general propuesto:
16
Conexión a tomacorriente común.
20
Tecnología Vehicular a Evaluar
Concepto Requerimiento
Motor
Gasolina
Otto - 4 Tiempos
Naturalmente Aspirado
Ignición por Chispa
Transmisión Manual17
Tracción
FWD
RWD
4WD (2H, 4H, 4L)18
Sistema de Alimentación Inyección Electrónica Multipunto Tabla 3. Tecnología vehicular de interés que se quiere evaluar.
3.1.2. Restricciones Metodológicas
Aparte de las características técnicas que debe cumplir el vehículo de pruebas, en la Tabla 4
se presentan las restricciones metodológicas base para el desarrollo del proyecto:
Restricciones Experimentales
Concepto Restricción
Altura [m.s.n.m.] 2600
Porcentaje de Admisión Motor [%] 100
Tipo de Prueba Dinamométrica Estado Estable
Carga extra sobre el motor19 Ninguna
Tabla 4. Restricciones Experimentales
3.2. Estructura y Metodología de Solución
Teniendo en cuenta el contexto, las restricciones experimentales y las herramientas con las
que se debe desarrollar el proyecto, en la Figura 13 se plantea la estructura de la metodología de
trabajo a seguir para alcanzar el objetivo propuesto.
De acuerdo a la Figura 13, partiendo de la motivación de evaluar el desempeño de
vehículos en altura a lo largo del territorio colombiano, se propone determinar experimentalmente el
desempeño mecánico de un vehículo en la ciudad de Bogotá utilizando la célula dinamométrica del
Laboratorio Móvil de Dinámica Vehicular, tal como se presentó en la sección 1 y 2 del presente
documento.
Posteriormente, para el desarrollo del proyecto se propone una metodología de solución
compuesta por tres bloques principales
Caracterización: Etapa de inmersión en tecnología y procedimientos certificados
relacionados con pruebas dinamométricas.
17
Controlabilidad Experimental. Favor remitirse a sección 3.4.1. del presente documento. 18
Aunque la célula dinamométrica del Lab. Móvil cuenta con cuatro módulos para pruebas en vehículos de tracción integral (AWD), la infraestructura eléctrica actual sólo permite utilizar dos módulos. 19
Entiéndase por carga extra a todos los demás equipos eléctricos y de ventilación que se alimentan de la potencia de salida del motor tales como luces, sopladores, aire acondicionado y sistema eléctrico.
21
Protocolo: Una vez hecha la caracterización correspondiente, se diseña y elabora un
protocolo, con una metodología de carácter replicable, para pruebas experimentales de
potencia neta en la célula dinamométrica de pruebas.
Evaluación Experimental: Etapa final correspondiente a la obtención de resultados
experimentales, aplicando el protocolo de pruebas diseñado en la etapa inmediatamente
anterior del proyecto.
Figura 13. Estructura de la metodología de trabajo a seguir para el desarrollo del proyecto.
De las tres etapas principales de la metodología de solución, se desprenden los objetivos
específicos trabajados en el proyecto, que se enuncian formalmente en la siguiente sección.
3.2.1. Objetivos Específicos – Ejes Centrales Proyecto
Caracterizar teórica y experimentalmente los dinamómetros de cubo 2000 AWD Axle Hub
de la célula dinamométrica de pruebas, de tal forma que se tenga el más amplio
conocimiento posible de esta nueva tecnología, al igual que de su correcta configuración
para aplicaciones según estándares internacionales de pruebas de potencia.
Diseñar e implementar un protocolo replicable de pruebas dinamométricas de potencia neta,
desarrollado específicamente para la célula dinamométrica del Laboratorio Móvil de
Dinámica Vehicular.
Desarrollar pruebas dinamométricas de potencia neta en estado estable, según normativa
SAE J-1349 y aplicando el protocolo de pruebas diseñado, para determinar
experimentalmente las curvas de rendimiento (Norma SAE J-1312) de un vehículo de
combustión interna de ignición por chispa, de tal forma que se tenga información sobre el
desempeño mecánico real del mismo a 2600 [m.s.n.m.].
22
3.3. Normativa a Seguir - Prueba de Potencia Neta en Estado Estable
Dentro de las restricciones metodológicas de la Tabla 4, se indica que la metodología
experimental a desarrollar debe incluir pruebas dinamométricas de potencia neta en Estado
Estable, que como se mencionó en la sección 1.3., son uno de los dos tipos de pruebas de potencia
más utilizadas en la rama automotriz.
Teniendo esto en cuenta, se buscó normativa relacionada con pruebas dinamométricas de
potencia neta en estado estable, de tal forma que el procedimiento experimental a desarrollar tuviera
un sustento válido y fuera lo más homologablemente posible con las prácticas actuales de la
industria automotriz.
De esta forma, se consultó el SAE HANDBOOK 200920
, teniendo en cuenta que es la
entidad de regulación internacional del sector automotriz de mayor reconocimiento a nivel
internacional, encontrando la siguiente normativa asociada son pruebas de potencia neta y/o
potencia en bruto experimentales:
SAE J-1349: “Engine Power Test Code – Spark Ignition and Compression Ignition Engine
- Net Power Rating” (SAE International, 2008)
SAE J-1995: “Engine Power Test Code – Spark Ignition and Compression Ignition – Gross
Power Rating” (SAE International, 1995)
SAE J-1312: “Procedure for Mapping Performance – Spark Ignition and Compression
Ignition Engines”
De manera análoga, se investigó en la normativa ISO21
con el fin de contemplar otro
estándar internacional referente al tema de interés. Particularmente, la norma relacionada con
pruebas de potencia neta es:
ISO-1585: “Road Vehicles – Engine Test Code – Net Power” (ISO, 1992)
En este punto cabe mencionar que toda la normativa anteriormente presentada hace
referencia a procedimientos experimentales para determinar la potencia del motor, es decir, sin
tener en cuenta efecto de pérdidas mecánicas asociadas con el tren de motriz. (En la sección 3.4 se
presenta la descripción detallada del modelo analítico utilizado).
Teniendo en cuenta la información presentada en cada una de los estándares anteriormente
mencionados, por el lado de la SAE, se utilizará la norma SAE J-1312 para presentar los resultados
experimentales correspondientes a la prueba de potencia neta.
Entre la normativa relacionada con la ejecución experimental de la prueba de potencia neta,
se realiza una selección comparativa entre la ISO-1585 y la SAE J-1349, preferida sobre la SAE J-
1995 debido a que esta última está enfocada para procedimientos experimentales de potencia
20
Referencia disponible como recurso electrónico en la Biblioteca General de la Universidad de Los Andes. 21
ISO: International Organization por Standarization (Por sus siglas en Inglés)
23
cuando los equipos alternos22
que se alimentan al motor están en funcionamiento (No cumple las
restricciones experimentales de la Tabla 4).
Como se mencionó anteriormente, en la Tabla 5 se presentan las variaciones entre la norma
ISO-1585 y la SAE J-1349:
Concepto SAE J-1349 ISO-1585
Exclusivo para vehículos terrestres NO SI
Temperatura controlada de suministro de combustible SI NO
Referencia específica de combustible utilizado SI NO
Procedimiento alterno para motores con enfriador de aire SI NO
Pruebas para obtener un porcentaje mínimo de pérdidas SI NO
Procedimiento para pruebas de Estado Transitorio SI NO
Información sobre pérdidas en accesorios SI NO
Permite correcciones significativas de potencia NO SI Tabla 5. Variaciones principales entre los dos estándares internacionales relacionados con pruebas de potencia neta. Información
tomada de (SAE International, 1995)
Con la información de la Tabla 5, se selecciona la norma SAE J-1349 (SAE International,
2008) como normativa internacional de potencia neta a utilizar para el subsecuente desarrollo del
procedimiento experimental y del correspondiente protocolo de pruebas. En efecto, seleccionar la
norma SAE J-1349 permite, entre otros, desarrollar un protocolo de pruebas de mayor cobertura y
versatilidad, pues es una norma aplicable para diferentes escenarios y tecnología involucrada, ya sea
para motores Diesel o Motores Otto. Además, es una norma que se puede ajustar a pruebas
experimentales en vehículos con tren de potencia híbridos que incluyan motores de combustión en
su configuración.
Finalmente, en la normativa seleccionada se especifica que ejecutar pruebas
dinamométricas de potencia neta, es un procedimiento de aceptación histórica para evaluación del
desempeño mecánico y/o energético de vehículos con motores de combustión interna que se
desenvuelven bajo condiciones de carga y velocidades promedio. Así mismo, también es aplicable
para automóviles y vehículos de carga de operación en carretera (casos que cobijan las condiciones
de operación de la generalidad de la flota vehicular colombiana). De esta manera, en la Tabla 6 se
presentan los parámetros principales de ejecución de una prueba dinamométrica en estado estable,
para motores de ignición por chispa, según la normativa:
Requerimiento Descripción
γ [%] 100
Rango N [menor velocidad estable, máxima velocidad recomendada]
Intervalo de puntos de muestra [rpm] ≤ 500
Puntos clave de muestreo [rpm] Potencia Pico, Par Motor Pico
Intervalo refinamiento de muestra ≤ 100 alrededor de puntos clave de muestreo
Variación porcentual N respecto al valor nominal [%] ≤ 1
Tiempo de muestreo [s] 60
Rata de Muestreo [Hz] 10 ≤ Tabla 6. Parámetros reglamentarios para prueba de potencia neta en estado estable según SAE J-1349. (SAE International, 2008)
22
Luces, sistema eléctrico, ventilación y aire acondicionado principalmente.
24
3.4. Modelo Analítico de Potencia Mecánica
Una vez teniendo en cuenta los requerimientos experimentales y las pautas a seguir acorde
a la normativa experimental seleccionada, en la Figura 14, se plantea el modelo analítico a utilizar
sobre el tren de potencia de un vehículo, junto con las suposiciones correspondientes utilizadas en el
desarrollo experimental. Así mismo, en la Tabla 7 se puntualiza la forma en la que es medida cada
una de las variables directamente relacionadas en el modelo analítico.
Figura 14. Esquema de tren de potencia de un vehículo para delimitar volumen de control de desempeño mecánico.
Variable Equipo de Medición
[Nm] Dinamómetro de Cubo – Galga Extensiométrica
[rpm] Dinamómetro de Cubo
[rpm] Pinza Inductiva
[Nm] Calculado por Software23
[kW] Calculado por Software24
[kW] Calculado por Software Tabla 7. Equipo y/o forma de medición de las señales e información de interés
Teniendo en cuenta el volumen de control correspondiente al desempeño mecánico (Figura
14), se plantea el siguiente balance de energía, que en este caso es un balance de potencia mecánica:
(5)
En donde en condiciones reales de operación, debido a que siempre se van a
presentar pérdidas de potencia mecánica asociadas a la transmisión, caja de transferencia,
embragues, convertidores de par, cárdan y en general a los componentes del tren motriz.
23
El software determina el valor del Par Motor en el volante en función de los múltiples factores de corrección que ofrece el software. Sin embargo, para el procedimiento experimental desarrollado, de acuerdo a la ecuación 6, éste valor será calculado de acuerdo a las relaciones dinámicas de las ecuaciones 7 y 8. 24
Tanto la Potencia en el Eje como en el volante del motor, se calcula siguiendo la relación física de P=Tw.
25
Generalmente, estas pérdidas de potencia se determinan calculando la eficiencia del tren
motriz, procedimiento que implica un análisis intravehicular de alta profundidad (generalmente
realizado por empresas de diseño de tren de potencia), siendo considerablemente intrusivo y
extenso. Por esta razón, determinar la eficiencia mecánica del tren de potencia del vehículo a
evaluar se considera fuera del alcance de este proyecto.
Para no incurrir en tomar falsa información experimental, en la configuración del software
de la prueba experimental (tema que se abordará específicamente en la sección 3.5.2.), se asume
que la eficiencia mecánica del tren motriz (driveline) es igual a 1, de tal forma que la potencia
observada en la prueba, sea equivalente a la potencia mecánica útil en eje. Así pues, la ecuación (5)
queda:
Si se asume que:
Entonces
(6)
Recordar que el objetivo de suponer eficiencia de tren motriz igual a la unidad, se hace para
poder obtener mediciones directas de la potencia mecánica útil observada en el eje del vehículo.
Igualmente, se quiere tener información válida que, eventualmente, pueda ser procesada para
obtener la potencia mecánica útil en el volante del motor, una vez se tenga un modelo
teórico/experimental acertado de la eficiencia en el tren motriz del vehículo evaluado.
De esta forma, si se aplican relaciones dinámicas a la ecuación 6, se obtiene que:
(7)
Y se sabe que:
(8)
3.5. Pruebas Piloto
Dado el carácter experimental del proyecto y la necesidad de integrarse con la tecnología
involucrada en el desarrollo del mismo, como primera medida se realizaron dos pruebas piloto de
potencia. Para estas pruebas, se utilizó como vehículo de pruebas una Chevrolet Blazer S10 AT
4WD 1994 y una homóloga pero modelo 1998 para la primera y segunda prueba piloto
respectivamente. En la Tabla 8 se presentan las especificaciones técnicas principales de este
vehículo de pruebas:
26
Especificaciones Técnicas Vehículo Pruebas Piloto
Modelo Chevrolet Blazer AT 4WD 1994/1998
MOTOR
Motor Vortec 4300 V6
Desplazamiento [cm3] 4298
Tipo de Ignición Ignición por chispa 4 tiempos
Sistema de Combustible Inyección Directa Monopunto
Tipo de Carga Naturalmente Aspirado
Par Motor Máximo [Nm @ rpm] 339 @ 2800
Potencia Máxima [kW @ rpm] 141.5 @ 4400
Diámetro Pistón X Carrera [mm] 101.60 X 88.39
Longitud Biela [mm] 144.78
TRANSMISIÓN
Caja de Cambios GM Turbo Hydramatic 4L60-E
Tipo Automática 4 Velocidades
Relación de Transmisión
1ra (3.059)
2da (1.625)
3ra (1.000)
4ta (0.696)
R (2.294)
FGR (3.420)
DIMENSIONES
Distancia entre Ejes [mm] 2718
Capacidad Combustible [gal] 18
Tamaño Rueda Estándar 205/75 R15
Patrón de Pernos 5 X 120.65[mm] Tabla 8. Especificaciones técnicas vehículo de pruebas utilizado para las dos pruebas dinamométricas piloto. Información tomada de
(Automobile Catalog, 2010), (General Motors Corporation Powertrain, 2003)
Como se mencionó en la sección 2.1, en la Universidad de Los Andes ya se había trabajo en
un primer acercamiento de pruebas dinamométricas de potencia neta (García L. A., Efecto de la
Altura en el Desempeño de un Vehículo a Gasolina, 2013). Este trabajo estuvo acompañado por una
serie de tutoriales base25
de cómo desarrollar una prueba de esta naturaleza, que fueron utilizados en
las pruebas piloto como guía operativa. Así mismo, se utilizó la información y capacitación de parte
de Land & Sea Inc.26
mediante asistencia telefónica y el manual del usuario entregado (Land & Sea
Inc., 2010).
Nota: No se hace énfasis en detalles de los tutoriales base utilizados, puesto que el grueso
de la metodología experimental estará consignado en la sección correspondiente al protocolo de
pruebas.
Éstas pruebas piloto se desarrollaron con el fin de familiarizarse con la metodología actual,
y así mismo poder evidenciar puntos clave para el desarrollo de la caracterización de los
dinamómetros de cubo y el diseño del protocolo de pruebas formal de la célula dinamométrica
(sección 3.5.1. y 3.5.2.), que como se mencionaba, son dos etapas centrales del proyecto. De esta
forma, no se registran resultados formales de potencia, puesto que las mediciones experimentales se
desarrollan una vez la caracterización y el protocolo de pruebas están terminados. Igualmente, como
25
Tutoriales de Interés: (García L. A., Montaje Vehículo en Dinamómetro de Cubos, 2013); (García L. A., 2013); (García L. A., 3. Tutorial DYNO-MAX - Información de Corrida, 2013); (García L. A., 4. Tutorial DYNO-MAX - Configuración de Consola, 2013); (García L. A., 5. Tutorial DYNO-MAX - Configuración de Gráficas, 2013); (García L. A., 6. Tutorial DYNO-MAX - Lista de Fórmulas, 2013); (García L. A., 7. Tutorial DYNO-MAX - Calibración Canales, 2013); (García L. A., 8. Tutorial DYNO-MAX - configurar prueba, 2013) 26
Proveedores de los dinamómetros de cubo.
27
se puede observar en la Tabla 8, las especificaciones técnicas del vehículo utilizado en estas pruebas
piloto no cumple con las restricciones de tecnología vehicular a evaluar expuestas en la Tabla 3.
En la Figura 15, se presenta una fotografía del montaje experimental de una de las pruebas
piloto desarrolladas. En ésta, se puede ver el vehículo de pruebas completamente ensamblado en los
dinamómetros de cubo, así como una configuración estándar de la célula dinamométrica.
Figura 15. Ensamble de vehículo de pruebas piloto en dinamómetros de cubo. Izquierda: Vista general; Derecha: Vista lateral.
Como resultados de las pruebas piloto, se evidenció:
Temperatura de los módulos dinamométricos aumenta considerablemente durante
operación. Caso homólogo con la temperatura ambiente de la célula de pruebas y por ende
del aire de admisión y del motor del vehículo.
En una iteración, después de haber realizado varias seguidamente, el freno de los
dinamómetros se desactivó durante operación, posiblemente por estar con una temperatura
muy elevada (120[°C]).
Se evidenció dificultades en la ejecución de la prueba por tratarse de ser un vehículo AT sin
tener caja de transmisión secuencial.
Siguiendo la configuración y desarrollo de la prueba propuesta en los tutoriales
mencionados, no fue posible controlar electrónicamente el freno de los dinamómetros. Fue
necesario recurrir a estrategias manuales de regulación de carga sobre el vehículo.
Se desconoce el comportamiento y magnitud de la alimentación eléctrica demandada por
los módulos durante operación. Tema de importancia para futuras pruebas móviles y para
complementar el protocolo de prueba para que pudiera ser aplicado no sólo en las
instalaciones de la Universidad de Los Andes.
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en la prueba piloto, se abordaron los puntos
críticos, cuyo desarrollo se presenta en los numerales siguientes.
28
3.5.1. Caracterización Dinamómetros de Cubo DYNOmite 2000 AWD Axle Hub
La caracterización de los dinamómetros de cubo (de la empresa DYNOmite Land & Sea
Inc. – 2000 AWD Axle Hub), como se mencionó en la sección 3.2, compone la etapa inicial de la
metodología de solución y se considera como punto base para el desarrollo del proyecto. Ésta etapa
se dividió en cuatro bloques principales que buscan abarcar la mayor información relacionada con
el comportamiento operativo de los equipos.
3.5.1.1. Comportamiento Térmico
Los dinamómetros de cubo disponibles en el laboratorio de dinámica vehicular tienen la
particularidad que el freno es de corrientes de Foucault (Eddy Current Brake) refrigerado por aire.
Éstos, funcionan con energía eléctrica, induciendo un campo electromagnético que es generado por
la interacción de varias bobinas con un rotor que gira a la misma velocidad del eje de tracción del
vehículo evaluado. Esto último se logra gracias a que el eje de rotación del dinamómetro se
ensambla con el cubo campana del vehículo de pruebas, de ahí recibe su nombre. En la Figura 16 y
17, se muestran los módulos dinamométricos, y un esquema longitudinal de la configuración de este
tipo de freno, así como información sobre los cuadrantes de operación del mismo.
Como se mencionó, la refrigeración de estos dinamómetros es por aire, mediante dos
ventiladores principales que giran a la misma velocidad del rotor. Así pues, la potencia mecánica
que absorben del eje del vehículo de pruebas la deben disipar en forma de calor al ambiente, por lo
que el desempeño de éstos es inversamente proporcional a la temperatura de operación de los
módulos.
Figura 16. Dinamómetros de Cubo Portátiles para pruebas experimentales de potencia neta. Izquierda: Módulo principal en vista
frontal; Derecha: Módulo secundario en vista lateral.
29
Figura 17. Superior Izquierda: Vista corte longitudinal del esquema interno del freno de corrientes de Foucault. (Powerlink, 2014);
Superior Derecha: Cuadrantes de Operación estándar del freno de corrientes de Foucault (Atkins, 2009); Inferior: Vista esquemática
(Frontal y Lateral) del freno de corrientes de Foucault. (Land & Sea Inc., 2010)
Teniendo en cuenta la información presentada anteriormente y la evidencia del
comportamiento térmico de los módulos dinamométricos recogida durante las pruebas piloto
realizadas, se desarrolló investigación y capacitación directamente con los fabricantes de los
equipos (Land & Sea Inc.), logrando obtener las curvas de rendimiento del freno de corrientes de
Foucault presente en los dinamómetros (Ref: #440 Eddy Current Brake – Air Cooled Absorber)
(Land & Sea Inc., 2014) .
La información se presenta en las Gráficas 3 y 4, en donde el fabricante entrega curvas de
rendimiento del freno para tres estados de temperatura interna de los mismos (Caliente, Tibio, Frío).
No obstante, de ninguna forma entrega información de referencia para determinar qué es Caliente,
Tibio o Frío. No obstante, con la información entregada en las curvas, es posible determinar la
pérdida en rendimiento asociada a factores de temperatura (Gráficas 5 y 6).
30
Gráfica 3.Curva de rendimiento – Par Motor [Nm] en función de la velocidad en eje del freno para tres condiciones distintas de
temperatura de operación. (Land & Sea Inc., 2014)
Gráfica 4.Curva de rendimiento – Potencia [kW] en función de la velocidad en eje del freno para tres condiciones distintas de
temperatura de operación. (Land & Sea Inc., 2014)
Gráfica 5 y 6. Pérdida porcentual de potencia para cada una de la condición de temperatura de operación de las Gráficas 3 y 4.
31
No obstante, como la información entregada por el fabricante no precisa qué valor se puede
considerar Frío, Tibio o Caliente, en uno de los procedimientos experimentales se llevó a cabo toma
de temperatura interna de los módulos justo después de terminar una medición para un total de 7
mediciones, partiendo de condiciones ambiente. En la Gráfica 7, se presenta la relación de
temperatura interna final del módulo dinamométrico principal para diferentes velocidades de motor
evaluadas bajo los lineamientos de la Tabla 6.
Gráfica 7. Temperatura interna de módulo dinamométrico principal posterior a desarrollar prueba de potencia neta a una velocidad de
motor particular.
De esta manera, un primer aproximado del rango de temperaturas de operación que se
relacionan con las curvas de rendimientos de las Gráficas 4 y 5 es:
Frío: Cuando el freno está en temperatura ambiente. Es decir, al inicio de la prueba
dinamométrica. Para el caso del laboratorio de Dinámica Vehicular el promedio es de
26.7[°C] .
Tibio: Temperatura que tendrán los módulos justo después de operar a máxima carga
durante 1[min]. En evidencia experimental, se plantea un rango entre 60 – 100 [°C] para
operación sin ventilación forzada.
Caliente: Por un caso aislado registrado durante pruebas piloto, se determinar que caliente
se consideran temperatura de operación superiores a los 100[°C] con ventilación forzada.
Sin embargo, determinar este límite está fuera del alcance del proyecto.
Finalmente, se evidencia la obligación de tomar un tiempo de enfriamiento27
entre cada
iteración experimental con los dinamómetros de 5-10[min], dependiendo de la duración de la
prueba recién finalizada y de la cantidad de pruebas anteriores acumuladas.
27
Entiéndase por tiempo de enfriamiento suspender cualquier tipo de prueba con los módulos y, dependiendo de la gravedad del caso, utilizar ventilación forzada sobre el cuerpo de los dinamómetros.
32
3.5.1.2. Demanda Eléctrica
Durante las pruebas piloto, surgió la posibilidad de caracterizar la demanda eléctrica de una
pareja de dinamómetros de cubo, puesto que su magnitud durante operación no era conocida.
Actualmente, los dinamómetros son alimentados en configuración de sistema bifásico línea-línea
conexión delta, tomando la corriente de la red eléctrica trifásica de la Universidad, por lo que se
considera de entrada un sistema trifásico desbalanceado.
Para determinar el comportamiento y la demanda eléctrica, se desarrolló un procedimiento
experimental de dimensionamiento energético en operación (Nota: Toda la información de esta
sección es tomada de (Steffens G. , 2014). Para este fin, se realizó el montaje experimental
presentado en la Figura 18 durante la segunda prueba piloto en la Chevrolet Blazer AT RWD 1998
(Sección 3.5.).
Figura 18. Esquema del montaje experimental para cuantificar demanda de potencia eléctrica pareja de dinamómetros de cubo.
La Tabla 2, presenta información acerca de rango de operación y precisión de los
instrumentos de medición utilizados, que en este caso fueron el Multímetro y la Pinza
Amperimétrica, puesto que el osciloscopio sólo se utilizó para efectos de visualización y sistema de
adquisición entre la señal de muestreo de la Pinza.
Instrumento Marca-Modelo Rango Operación Precisión
Pinza Amperimétrica Fluke-Y8100 20-200 [A] AC ó DC ±2[%] de rango ±0.7[A]
Multímetro Fluke-117 6-600 [V] AC ±1[%] de rango ±3[V] Tabla 9. Información de Instrumentos de medición. (KO4BB, 2013) y (UC College of Engineering: Woodall Research Group, 2013)
La Figura 19, presenta el comportamiento de la corriente máxima demandada por los
dinamómetros de cubo durante una prueba de potencia neta. Con base en la información de
corriente RMS consignada en este resultado, se calculó la demanda de potencia eléctrica de los
módulos dinamométricos. Para la correcta interpretación, la pinza Amperimétrica registra valores
33
de voltaje en [mV] que deben ser convertidos a unidades de corriente [A] mediante la siguiente
relación:
[ ] [ ]
(9)
Figura 19. Registro experimental de Corriente RMS demandada por [los dinamómetros de cubo durante una prueba de potencia neta.
De la Figura 19, se tiene una medición de voltaje [mV] corriente pico-pico de 703[mV], y
utilizando la relación mencionada anteriormente, se llega a concluir que la corriente RMS pico-pico
demandada es de:
[ ] [ ]
Es importante mencionar que 70.3[A] representan la demanda eléctrica durante el arranque
de los módulos dinamométricos, es decir, durante el estado trasiente. En efecto, en la misma Figura
se puede ver cómo la corriente primero se reduce y luego se estabiliza durante operación.
Finalmente, en la Tabla 10, se consignan los resultados obtenidos.
Demanda eléctrica de operación (Conectado a Red)
Voltaje de operación [V] AC 208 ó 220 RED Sistema Trifásico
Línea/Línea (Delta)
Corriente Pico a Pico [A] 70
Sistema Bifásico Línea/Línea
Condición de carga
DESBALANCEADA
Corriente RMS [A] AC 25
Voltaje de operación [V] AC 208
Factor Seguridad Picos de corriente (Arranque) 2
Potencia (PRIME) de operación [kVA] AC 10.3 Tabla 10. Requerimientos de potencia eléctrica para alimentación de una pareja de dinamómetros de cubo.
34
3.5.1.3. Caracterización software DYNO-MAX 2010
Los dinamómetros de cubo DYNOmite 2000 AWD Axle Hub, involucran una compleja
tecnología de control electrónico de operación y configuración mediante un software llamado
DYNO-MAX 2010 Pro V10. Durante las pruebas piloto, se evidenció que, a pesar de llevar a cabo
todas las actividades de alistamiento y ejecución de manera efectiva, una deficiente configuración
del software de control daba como resultado la imposibilidad de obtener resultados experimentales.
DYNO-MAX 2010, es un software que tiene alcances que están más allá de lo que se
requiere para el desarrollo, no sólo de este proyecto, sino de cualquier prueba de potencia neta
mediante el uso de los dinamómetros de cubo. Así pues, en esta sección se presenta la información
relacionada con los puntos críticos a configurar en el controlador28
que son totalmente
independientes del vehículo de pruebas, no obstante en la sección 3.6.2., correspondiente a la fase
de alistamiento del protocolo, se precisan las demás etapas de configuración y ejecución particular
de una prueba de potencia neta en estado estable.
Gain: Corresponde al parámetro Proporcional del PID del controlador. Su magnitud determina
la rapidez de respuesta con la que el sistema de carga de los dinamómetros reacciona frente a
cambios en el valor de régimen de velocidad de motor inducido desde el software.
Drift: Corresponde al parámetro del Integrador del PID del controlador. Su magnitud
determina qué tan abrupto se realiza el cambio de estado del sistema de carga de los
dinamómetros en respuesta de un cambio en el valor de régimen de velocidad de motor
inducido desde el software.
Rate: Corresponde al parámetro del Diferencial del PID del controlador. Su magnitud
determina la capacidad del sistema de carga de los dinamómetros de mantener determinado
régimen de velocidad de motor previamente inducido desde el software
Como es conocido, el valor de las constantes del PID de un controlador deben ser
determinadas en función del requerimiento deseado y deben mantener cierta relación lógica entre
las mismas. Particularmente, la magnitud de las variables del controlador del software deben estar
dentro del siguiente rango (Land & Sea Inc., 2010):
El procedimiento teórico para ajustar estos valores se considera fuera del alcance de este
proyecto. Sin embargo, después de exponer el caso directamente con el proveedor de los
dinamómetros, una configuración de fábrica válida para el tipo de prueba (Tabla 6) a realizar es:
28
Dentro del software, ir a la pestaña Electronics/Configure DYNOmite controls
35
Función Controlador: HOLD Engine RPM. Correspondiente a una prueba de potencia
neta en estado estable.
Escala: 4000. Un valor máximo para velocidad de rotación del eje del freno.
Frecuencia de Muestreo: 200[Hz]. Cumplir la normativa SAE J-1349 y reducir el error
porcentual de muestreo respecto al valor nominal.
%Min. Escala del Servo-Controlador: 0. Porcentaje del valor de escala al cual los
dinamómetros activan sistema de ahorro de energía y evitar aumento de temperatura interna
innecesariamente.
Tiempo de STEP del Servo-Controlador: 3[ms]. Valor correspondiente al tipo de freno
de los dinamómetros, en este caso, Eddy Current Brake.
3.5.1.4. Ficha Técnica – Límites operacionales
Con la información recopilada al llevar a cabo el proceso de caracterización de los
dinamómetros de cubo DYNOmite 2000 AWD Axle Hub, teniendo en cuenta que representan una
tecnología de aplicación reciente a la fecha en el territorio colombiano29
, en la Tabla 11, se presenta
una ficha técnica que compila toda la información inicialmente ignorada, puesto que los datos
técnicos ofrecidos por defecto eran muy superficiales:
Límites Máximos30 de Operación POR PAREJA Dinamómetros de Cubo
Peso Máximo Vehículo en eje [kg] 1360
Velocidad Lineal Máxima [km/h] 322
Potencia Máxima eje [kW] @ [rpm] 292 @ 4400
Momento par Máximo [Nm] @ [rpm] 1260 @ 570
Velocidad de Eje Máxima [rpm] 5000
Tiempo de Enfriamiento entre Pruebas [min] 5 a 10
Demanda Eléctrica [kVA] 10.3
Peso/Módulo [kg] 490
Dimensiones Módulo A X L X B [mm] 712 X 940 X 1270
Software/Sistema de Adquisición DYNO-MAX Pro V10
DYNOmite Pro Board Tabla 11. Ficha técnica dinamómetros de cubo DYNOmite 2000 AWD Axle Hub.
29
En efecto, se tiene conocimiento que aparte de la Universidad de Los Andes, únicamente la Universidad Tecnológica de Pereira cuenta con dinamómetros de cubo. La generalidad de los dinamómetros disponibles en el país es de tipo chasis.
30 Límites máximos de potencia y momento par hacen referencia a operación en caliente (Gráfica 3 y 4),
considerada la condición más crítica de operación reportada por fabricante. En caso de no contar con ventilación forzada adicional sobre el cuerpo de los dinamómetros, estos límites caerán mínimo un 20[%] más en relación con el valor reportado. LÍMITES ÚNICAMENTE REFIEREN EFECTOS MAGNÉTICOS E IGNORAN LÍMITES MECÁNICOS Y ESTRUCTURALES RELACIONADOS CON HARDWARE DE DINAMÓMETROS, por lo que es IMPERATIVO NO SOBREPASAR LÍMITES AÚN TRABAJANDO EN TIBIO O INCLUSO EN FRÍO. (Land & Sea Inc., 2014)
36
3.6. Protocolo Pruebas Dinamométricas de Potencia Neta – Laboratorio Móvil Dinámica Vehicular
Siguiendo el esquema de desarrollo experimental, una vez hecha la caracterización de los
dinamómetros de cubo e identificados los puntos del desarrollo experimental, se diseñó un
protocolo de pruebas titulado: “Protocolo Prueba Dinamométrica de Potencia Neta en Vehículos
Terrestres con Motor de Combustión Interna de Ignición por Chispa/Compresión para el
Laboratorio Móvil Uniandes”
Como se mencionó anteriormente, es un protocolo que busca implementar una metodología
adecuada y replicable no solamente para el desarrollo de este proyecto sino para las demás pruebas
subsecuentes de potencia neta en la célula dinamométrica del laboratorio móvil de dinámica
vehicular. En esta sección, se expone la estructura del protocolo (Figura 20) y posteriormente, una
breve descripción de cada una de las fases que lo componen. El grueso del protocolo de pruebas se
encuentra en el Anexo 2 del presente documento.
Figura 20. Estructura protocolo de pruebas dinamométricas de potencia neta en estado estable.
En el Anexo 2, de este documento, se presenta el cuerpo completo del protocolo de pruebas
dinamométricas. Por factores prácticos, en esta sección se evita entrar en detalles, puesto que la
totalidad de la información está consignada específicamente en el cuerpo general del protocolo.
Es importante recordar que para el desarrollo de las pruebas experimentales finales del
proyecto, se siguieron las directrices estipuladas en el protocolo de pruebas, siendo el componente
principal del diseño experimental del proyecto desarrollado.
37
4. Desarrollo Experimental – Resultados Pruebas Finales
La etapa final del proyecto está dedicada al desarrollo de pruebas experimentales finales de
potencia neta en la ciudad de Bogotá, para determinar el desempeño mecánico de un vehículo
aplicando el protocolo de pruebas descrito en la sección anterior.
4.1. Vehículo de Pruebas – Suzuki Grand Vitara 2.0 SZ MT
Teniendo en cuenta que durante las pruebas piloto realizadas con vehículos AT no fue
posible una ejecución efectiva, y considerando que éstos no cumplían las restricciones de tecnología
vehicular a evaluar enunciadas en la Tabla 3, se decidió utilizar un nuevo vehículo de pruebas que
cumpliera la totalidad de los requerimientos técnicos y así mismo se ajustara a la infraestructura de
la célula dinamométrica.
El vehículo de pruebas final es una SUZUKI GRAND VITARA SZ 2.0 MT modelo 200931
.
En la Figura 21, se presentan las dimensiones globales del vehículo y en la Tabla12, las
especificaciones técnicas del mismo.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS VEHÍCULO PRUEBAS
Modelo Suzuki Grand Vitara SZ MT RWD 2009
MOTOR
Motor Suzuki J20-A
Cilindros 4 en Línea
Válvulas 16 (DOHC)
Desplazamiento [cm3] 1995
Relación de Compresión 10.5:1
Tipo de Ignición Ignición por chispa 4 tiempos
Sistema de Combustible MPFI
Tipo de Carga Naturalmente Aspirado
Par Motor Máximo [Nm @ rpm] 183 @ 4000
Potencia Máxima [kW @ rpm] 103 @ 6000
Diámetro Pistón X Carrera [mm] 84 X 90
Longitud Biela [mm] 143
TRANSMISIÓN
Tipo Manual 5 Velocidades
Relación de Transmisión
1ra (4.545)
2da (2.354)
3ra (1.695)
4ta (1.242)
5ta (1.000)
R (4.431)
FGR (4.300)
DIMENSIONES
Peso CW [kg] 1575
Distancia entre Ejes [mm] 2640
Capacidad Combustible [L] 66
Tamaño Rueda Estándar 225/70 R16
Patrón de Pernos 5 X 114.3[mm]
Torque Pernos [Nm] 100 Tabla 12. Ficha Técnica Suzuki Grand Vitara SZ 2.0 MT 2009. Información tomada de (Suzuki Auto, 2014) (Manuals Lib: The Ultimate
Manuals Library, 2014)
31
Vehículo de uso doméstico común en Colombia, por lo que se puede considerar como una muestra significativa de los vehículos tipo SUV del parque automotor colombiano.
38
Figura 21. Dimensiones globales vehículo de pruebas. Todas las dimensiones presentadas en [mm]. Izquierda: Vista frontal. Centro:
Vista Lateral. Derecha: Vista Isométrica del vehículo. Información tomada de (Manuals Lib: The Ultimate Manuals Library, 2014) y
(Suzuki Auto, 2014)
Es importante mencionar que el vehículo mantiene la configuración de fábrica, es decir, no
tiene ningún tipo de modificaciones en el tren de potencia, suspensión, chasis o diseño original de
Suzuki. Igualmente, como es modelo 2009, es un vehículo reciente que no ha superado la vida útil
de ninguno de sus componentes ni elementos mecánicos (a excepción de partes reemplazables en
los mantenimientos de 5000[km] como filtros, bombillas y accesorios de menor impacto), por lo
que no ha sido sometido a reparaciones de motor.
Igualmente, es un vehículo en estado operativo normal, sin presencia de fugas de líquidos,
problemas de desgaste del embrague o mal funcionamiento de la transmisión, estado de frenos
normal y es un vehículo doméstico de uso diario en ciclos básicos de ciudad.
4.2. Verificación Prueba de Potencia Neta a 2600[m.s.n.m.]
Conociendo el vehículo de pruebas, es posible aplicar la FASE I – Verificación del
protocolo de pruebas (Anexo 2). De esta forma, teniendo en cuenta la información técnica del
vehículo de la Tabla 12, se determina que éste cumple con todos los requerimientos técnicos
obligatorios de tanto de la Tabla 6 como de la etapa de verificación de vehículo dispuesta en el
protocolo de pruebas:
Patrón de Pernos: 5X114.5[mm]
Motor Otto de 4 tiempos de Ignición por Chispa a Gasolina - Naturalmente Aspirado
Transmisión Manual
Tracción trasera 4X2 RWD
Sistema electrónico MPFI
Igualmente, teniendo en cuenta los límites operativos de los dinamómetros de cubo listados
en la Tabla 11, se determinó que este vehículo si puede ser evaluado con la infraestructura
disponible en la célula dinamométrica pues:
39
Peso CW[kg] = 1575[kg], asumiendo que el peso se reparte equitativamente en cada eje del
vehículo32
y que el piloto de pruebas pesa 70[kg], el peso final resultante en el eje trasero
sobre los dinamómetros sería de aproximadamente 820[kg], que está por debajo del límite
de 1360[kg] que soportan los dinamómetros.
La velocidad tope de un vehículo SUV de esta categoría está lejos de los 392[km/h]
máximos de los dinamómetros. Igualmente, en el diseño experimental de la prueba no se
contempla llevar el vehículo a esta velocidad
La potencia máxima del motor es de 103[kW], siendo la máxima 292[kW], igualmente el
par motor máximo del vehículo es de 183[Nm], siendo el máximo 1260[Nm]
Del mismo modo, con la información consignada en la Tabla 12, se tiene la información
obligatoria del vehículo pedida en el protocolo para la configuración del software.
4.3. Alistamiento Prueba de Potencia Neta a 2600[m.s.n.m.]
Dando seguimiento al protocolo de pruebas, la FASE II correspondiente al alistamiento
tanto de la prueba como del vehículo y de la célula dinamométrica pide llenar una tabla que define
el contexto general de la prueba a realizar, con el fin de poder realizar seguimiento en ocasiones
futuras. Dicha información se consigna en la Tabla 13:
CONTEXTO GENERAL PRUEBA DE POTENCIA NETA
Enfoque Académico
Proyecto Raíz Efecto de la Altura en Desempeño Colombia
Proyecto Específico Desempeño Mecánico a 2600 [m.s.n.m.]
Período de Prueba 20/Ene/2014 - 11/Julio/2014
Laboratorio Móvil Célula Dinamométrica
Vehículo de Pruebas Suzuki Grand Vitara SZ MT 2.0
Ubicación Geográfica Bogotá
Establecimiento Universidad de Los Andes
Profesor a Cargo Uniandes Luis Muñoz
Ingeniero de Pruebas Uniandes Gabriel Steffens
Piloto de Pruebas Omar Amaya - Andrés Guerra – Sergio Roa
Técnico Operativo Omar Amaya
Altura 2600 [m.s.n.m.]
Presión Atmosférica 75.3[kPa]
Temperatura Ambiente 26.7[°C]
Humedad Relativa 42.7[%]
Objetivos Específicos
Curva de Potencia vs. RPM
Curva de Par Motor vs. RPM
Caracterización Dinamómetros de Cubo
Implementación Protocolo de Pruebas de Potencia Tabla 13. Contexto general prueba de potencia realizada para efectos de seguimiento futuro.
Como se informa en la Tabla 13, el personal con el que se desarrolló la prueba de potencia
estuvo compuesto por el profesor encargado, un ingeniero de pruebas, un piloto de pruebas y un
técnico operativo, dando seguimiento a lo estipulado en el protocolo.
32
En este caso, teniendo en cuenta que el vehículo está vacío y únicamente con el piloto de pruebas dentro del mismo, el mayor porcentaje del peso estaría soportado por el primer eje puesto que es un vehículo que tiene el motor y la caja de transmisión en la parte delantera.
40
La siguiente etapa de la fase de alistamiento, fue la configuración del software DYNO-
MAX Pro V10. Para ello, se utilizó la información tanto de la Tabla 12 como los parámetros de
control estipulados en la sección 3.5.1.3. de este documento, siguiendo la metodología expuesta en
el protocolo de pruebas.
Finalmente, se llevó a cabo el montaje del vehículo en los dinamómetros de cubo siguiendo
las pautas tanto del protocolo como del tutorial (García L. A., Montaje Vehículo en Dinamómetro
de Cubos, 2013), completando igualmente la instalación del Hardware de los dinamómetros de cubo
y organizando la célula de pruebas de acuerdo a los requerimientos funcionales de la Fase II -
Alistamiento. En la Figura 22, se observa el vehículo el montaje experimental final del vehículo en
la célula dinamométrica para el desarrollo de las pruebas de potencia:
Figura 22. Montaje experimental final de la célula dinamométrica utilizado para pruebas de potencia neta en la ciudad de Bogotá.
Izquierda: Ensamble cubo campana vehículo/eje rotación dinamómetros. Derecha: Vista global de la célula dinamométrica.
Una vez con el montaje final, se procedió a la ejecución de la prueba experimental.
4.4. Ejecución Prueba de Potencia Neta a 2600[m.s.n.m.]
Para la ejecución de la prueba, lo primero que se hizo fue determinar los puntos de
medición del barrido. Teniendo en cuenta que el ralentí del vehículo (después de tiempo de
estabilización y con el motor caliente) es de 690[rpm]. De esta forma, los puntos objetivos del
barrido, junto con el tiempo de muestreo estipulado se presentan en la Tabla 14.
41
Puntos de Muestreo Barrido
Velocidad Nominal de Motor
[rpm]
Tiempo de Muestreo
[s]
690 033
1500 60
2000 60
2500 60
3000 60
3250 60
3500 60
3750 60
4000 60
4500 60
5000 20
5500 20
6000 20 Tabla 14. Velocidades nominales de motor de muestreo del barrido de prueba de potencia.
Como se puede observar en la Tabla 14, el primer punto de muestreo es 1500[rpm], que
está 800[rpm] por encima del valor de ralentí, debido a que experimentalmente los parámetros del
controlador no lograron mantener condiciones estables a 1100[rpm], que según el protocolo de
prueba debería ser el primer punto de muestreo. Por esta razón, para evitar modificar los parámetros
del PID del controlador, se decidió tomar como primer punto de medición el siguiente múltiplo de
500[rpm]
Otro tema que vale la pena mencionar, es que se determinó un menor tiempo de muestreo
para regímenes de motor superiores a 4500[rpm] (20[s]), con el objetivo de no forzar el motor del
vehículo de pruebas y, eventualmente, arriesgar la integridad del recurso. Sin embargo, como la
frecuencia de muestreo (200[Hz]) está muy por encima de los 10[Hz] mínimos recomendados por la
SAE J-1349, un período de 20[s] se considera aceptable teniendo en cuenta las limitaciones de
refrigeración del motor del vehículo en la célula de pruebas.
Igualmente, se tomaron puntos de refinamiento con intervalos de 250[rpm] alrededor del
punto donde se observó el mayor par motor observado (3500[rpm]) durante el primer barrido
(1500[rpm] – 6000 [rpm]).
De forma análoga, todas las iteraciones experimentales se llevaron a cabo en 4ta Marcha
(1.241) del vehículo, siguiendo la recomendación tanto del fabricante como del protocolo de
pruebas, con intervalos de enfriamiento entre pruebas de 10[min] y 20[min] para regímenes de
motor superiores s 4500[rpm].
Con la información recogida, se tienen puntos de construcción tanto para la curva de par
motor como para la curva de potencia que, por las razones anteriormente mencionadas, no se
sometió a etapa de refinamiento.
La metodología de desarrollo se llevó a cabo siguiendo las recomendaciones del protocolo
de pruebas y conforme a la norma SAE J-1349 para máxima admisión del motor, sin observar
ningún tipo de anomalía ni en software - hardware o vehículo durante la realización de las mismas,
33
Teniendo en cuenta que es un vehículo MT sin convertidor de par que induzca velocidad inercial “Stall Speed” sobre el vehículo, en ralentí el par motor y la potencia se consideran como nulos y no se toman mediciones.
42
de tal forma que se comprueba experimentalmente la validez y aplicabilidad de las tres primeras
fases del protocolo de pruebas, así como del diseño experimental de la prueba.
Finalmente, la validación primaria fue bastante rápida, pues los parámetros del controlador
y la calibración de las señales involucradas en el proceso de medición permitieron obtener
mediciones de regímenes de velocidad de motor estables (Gráfica 8):
Gráfica 8. Ejemplo del tipo de resultados primarios obtenidos durante la prueba de potencia neta. En este caso, es la medición
correspondiente a una velocidad nominal de motor de 4000[rpm]
4.5. Resultados Experimentales Prueba de Potencia Neta a 2600[m.s.n.m.]
Una vez finalizado el procedimiento experimental de toma de datos, se dio inicio a la etapa
final del proyecto utilizando la FASE IV del protocolo de pruebas, correspondiente al
procesamiento y presentación de resultados conforme a lo estipulado en la normativa seguida.
Como se tomaron datos para un periodo de tiempo mayor a 60[s], o 20[s] dependiendo del
punto de muestreo, se realizó el procedimiento de selección de los 60[s] continuos de muestreo que
mostraran el menor error porcentual respecto al valor nominal de velocidad de motor evaluada,
siguiendo la metodología dispuesta en el protocolo. Todas las mediciones experimentales se
encontraron dentro del rango de aceptación de ±50[rpm] respecto al valor de velocidad nominal
propuesto y con un error porcentual respecto a la media menor al 1.0[%].
De esta manera, en la Tabla15, se presenta el compilado de resultados de la prueba de
potencia neta en estado estable para el vehículo de pruebas, siguiendo los lineamientos de la norma
SAE J-1312 (Es importante mencionar que el valor nominal de velocidad de motor medido es
diferente al valor esperado, puesto que no se tendrá un régimen de velocidad exacto debido a la
43
naturaleza del procedimiento experimental. El valor reportado equivale a la media experimental de
la muestra):
Suzuki Grand Vitara 2.0 MT 2009 @ 2600[m.s.n.m.] Desempeño Mecánico γ = 100[%]
Velocidad Nominal Medida
[rpm]
± [rpm] I.C.
95%
Potencia
[kW]
± [kW] I.C.
95%
Par Motor
[Nm]
± [Nm] I.C.
95%
1497 0.22 14.474 0.004 92.355 0.019
1995 0.11 20.152 0.002 96.443 0.007
2492 0.10 25.919 0.002 99.339 0.006
2990 0.10 31.279 0.002 99.902 0.006
3237 0.08 34.272 0.003 101.114 0.009
3489 0.10 38.222 0.003 104.625 0.008
3737 0.09 40.974 0.003 104.708 0.009
3990 0.08 43.302 0.003 103.628 0.008
4489 0.06 47.869 0.005 101.834 0.011
4994 0.21 50.864 0.008 97.265 0.012
5494 0.27 52.494 0.007 91.239 0.011
5993 0.12 51.992 0.006 82.839 0.010 Tabla 15.Resultados prueba de potencia neta de Suzuki Grand Vitara SZ MT 2.0 en la ciudad de Bogotá, según norma SAE J-1312.
Como se puede observar en la Tabla 15, cada uno de los resultados de las señales de interés,
está acompañado por un intervalo de confianza (I.C.) del 95[%] asociado a la media de la muestra
(Valor nominal reportado). Para el cálculo del mismo, se utilizó un nivel de significación de 0.05
(generalmente conocido como Alfa) con el que se calcula el área bajo la curva de la distribución
normal estándar (±1.96 para un nivel de confianza de 95[%]), y finalmente, utilizando el valor
conocido de desviación estándar y tamaño de la muestra, determinar el intervalo de confianza
utilizando la ecuación 10 (Microsoft Office, 2014):
(
√ ) (10)
Es importante mencionar que se utiliza la distribución normal como estadística descriptiva,
teniendo en cuenta el tamaño de la muestra que, como se mencionó anteriormente, implica 60[s] de
muestreo a una frecuencia de 200[Hz] que implica un total de 12 000 datos. En caso de mediciones
únicamente durante 20[s], se tiene un total de 4 000 datos, que igualmente permite utilizar este tipo
de estadística descriptiva. Finalmente, tener en cuenta que este procedimiento se utilizó para la
información de velocidad nominal medida, potencia y par motor.
Con la información de la Tabla 15, en la Gráfica 9 se presentan las curvas de rendimiento
del vehículo, considerado el objetivo principal del proyecto desarrollado.
44
Gráfica 9. Curvas de rendimiento de Suzuki Grand Vitara SZ MT 2.0 bajo pruebas dinamométricas de potencia neta en la ciudad de
Bogotá 2600[m.s.n.m.]
La Gráfica 9, presenta el comportamiento esperado de las curvas de rendimiento de
vehículos con motor de combustión interna. Es importante mencionar que los valores tanto de
potencia como de par motor que se presentan en la Tabla15 y en la Gráfica 9, son los
correspondientes al motor del vehículo bajo los supuestos tomados en el modelo analítico de la
sección 3.4., en donde se asume una eficiencia de 100[%] del tren de potencia.
Particularmente, el valor de potencia registrado es equivalente tanto a la potencia del motor
como a la potencia en el eje (medición dinamómetros), ya que el software se configuró respecto a la
Ecuación 6 para no incurrir en una falta al asumir determinada eficiencia en el tren de potencia.
Por el lado del Par Motor, el valor registrado corresponde al valor medido en el eje por los
dinamómetros, dividido por la multiplicación de la relación de transmisión de 4ta Marcha y la
Relación Eje Posterior (FGR), como se especifica en la Ecuación 7.
No obstante, la información presentada de esta manera permite recalcular los resultados en
función de cualquier valor de eficiencia de tren de potencia que se requiera utilizar en el momento
que se cuente con un modelo acertado.
De esta forma, a continuación se resumen los resultados experimentales de desempeño
mecánico de un vehículo de combustión interna de ignición por chispa en la ciudad de Bogotá:
45
[ ] [ ]
[ ] [ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
La potencia máxima medida en el eje de tracción del vehículo fue de 53[kW], que
representa únicamente el 51[%] del valor máximo potencia en el volante del motor ofrecido por el
fabricante (103[kW]), lo que deja visto que hay un total de 49[%] de pérdidas en potencia entre las
condiciones ideales34
del fabricante y la condición real de operación del vehículo en la ciudad de
Bogotá.
Dicho porcentaje de pérdidas, entre multiplicidad de factores, se asocia directamente con
las pérdidas mecánicas a lo largo del tren de potencia y a las condiciones atmosféricas de impacto,
es decir, presión atmosférica, temperatura y humedad relativa del aire de admisión. No obstante,
sólo un punto de medición atmosférica no permite determinar con certeza cuánto porcentaje de
pérdidas dentro del total puede ser asociado a cada una de las variables de interés.
Finalmente, con los resultados obtenidos durante la prueba, se determina la validez y
aplicabilidad general del protocolo de pruebas, así como del diseño experimental planteado para el
desarrollo del proyecto. Además queda expuesta la necesidad e interés de realizar pruebas
equivalente de análisis intravehicular en diferentes alturas del territorio colombiano.
5. Conclusiones
5.1. Resultados Globales
Se determinó experimentalmente el desempeño mecánico de un vehículo de combustión
internan mediante pruebas dinamométricas de potencia neta en la ciudad de Bogotá
(2600[m.s.n.m.]), considerándose un aporte para la construcción del mapa de desempeño
mecánico de vehículos en Colombia.
34
Potencia medida directamente en el volante del motor, a 25[°C], 101.325[kPa] y condiciones estándar. El valor reportado siempre representa el pico de mayor magnitud obtenido experimentalmente por el fabricante, incluso si éste es un dato aislado.
46
La caracterización de los dinamómetros de cubo, permite contar con la posibilidad de utilizar
los equipos para los diferentes objetivos propuestos a la fecha para el laboratorio móvil de
dinámica vehicular. Teniendo en cuenta que se determinaron límites operaciones, demanda
energética y configuración del software de control.
El protocolo de pruebas de potencia neta diseñado e implementado, mostró una metodología
experimental adecuada, mediante la que se obtienen resultados satisfactorios para pruebas de
potencia neta con la célula dinamométrica del laboratorio móvil de dinámica vehicular.
La potencia neta máxima registrada fueron 53[kW] en el eje de tracción del vehículo que,
teniendo en cuenta la potencia máxima en el volante del motor entregada por el fabricante bajo
condiciones ideales (103[kW]), implica un 49[%] de pérdidas.
5.2. Conclusiones Generales
El protocolo de pruebas desarrollado puede ser de carácter replicable, puesto que al aplicar la
metodología propuesta, se llega a mediciones experimentales con un porcentaje de variación
menor al 1.0[%] respecto a su valor nominal. Así mismo, la información final que se reporta es
procesada bajo los parámetros de estadística descriptiva normal estándar con un intervalo de
confiabilidad del 95[%]. Igualmente, es un procedimiento que se ajusta a los requerimientos de
la normativa de evaluación vehicular actual, por lo que puede ser utilizado como guía para el
desarrollo de las subsecuentes pruebas dinamométricas de potencia neta en la Universidad de
Los Andes.
Con la información, protocolo y resultados obtenidos en este proyecto, se obtiene conocimiento
y manejo de la tecnología de los dinamómetros de cubo, por lo que en este punto se garantiza la
viabilidad técnica y operacional de la célula dinamométrica del laboratorio móvil de dinámica
vehicular para comenzar la construcción del mapa de desempeño mecánico en Colombia. Esta
viabilidad queda sujeta a recursos tanto económicos como de infraestructura del laboratorio
móvil en general.
El porcentaje de pérdidas en potencia entre la información entregada por el fabricante y los
resultados medidos experimentalmente (49[%]), entre múltiples factores, se le atribuye
principalmente a pérdidas de potencia mecánica en el tren de potencia así como a la presión
atmosférica (75.3[kPa]), temperatura ambiente (26.7[°C]) y humedad relativa (42.7[%]) del aire
de admisión.
Con sólo un punto de medición, no es posible determinar qué porcentaje de pérdidas dentro del
total se puede atribuir a las condiciones atmosféricas, por lo que se hace necesario realizar más
puntos de muestreo en diferentes alturas del territorio colombiano.
Se hace evidente la necesidad de conocer y/o desarrollar un modelo analítico y experimental de
eficiencia mecánica en el tren de potencia, en caso que se desee conocer el desempeño aislado
del motor de combustión interna y no la potencia resultante en eje de tracción.
47
6. Trabajo Futuro
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en el desarrollo del proyecto, al igual que el
estado actual global de la investigación, en esta sección se mencionan puntos centrales a desarrollar
en estudios futuros que se desprenden del alcance final logrado con este proyecto:
Replicar pruebas de potencia neta equivalentes en diferentes alturas del territorio
colombiano, utilizando la célula dinamométrica del laboratorio móvil de dinámica vehicular
y el protocolo de pruebas aquí desarrollado. Esto con el fin de poder determinar la potencia
neta, y eventualmente el desempeño energético, bajo diferentes condiciones atmosféricas
del país.
Desarrollar inicialmente una evaluación intravehicular de potencia a diferentes alturas, con
el fin de poder aislar la variable de pérdidas mecánicas asociada con el tren de potencia. De
esta manera, es posible observar únicamente el efecto de las condiciones atmosféricas en el
desempeño mecánico del vehículo.
Posteriormente, se puede comenzar a hacer evaluaciones de carácter intervehicular, esta vez
con el objetivo de poder aislar la variable vehículo, buscando tendencias generales del
efecto de la altura en el desempeño de la tecnología vehicular actual. No obstante, para ello
es necesario obtener mediciones experimentales válidas suficientes para cada caso
particular.
Determinar experimentalmente el porcentaje de pérdidas de potencia asociado a las
condiciones atmosféricas, especialmente a la presión, puesto que es la variable atmosférica
más estable y, además, de mayor influencia en las condiciones termodinámicas del aire de
admisión. Para esto, basta con llevar pruebas de potencia neta en diferentes alturas del país.
Desarrollar pruebas de potencia neta para diferentes porcentajes de carga-admisión del
motor, logrando construir experimentalmente las curvas características del motor de
combustión interna del vehículo.
Implementar pruebas dinamométricas de potencia neta en vehículos Diesel Turbocargados,
de tal forma que, inicialmente, se pueda ajustar el protocolo de prueba, e igualmente se
pueda comenzar a tener información sobre la otra tecnología principal del parque automotor
en Colombia, principalmente el sector de carga.
Pensar en realizar pruebas sobre vehículos con tecnologías alternativas como vehículos
eléctricos o híbridos eléctricos. Tema de alta importancia en la introducción de la nueva
tecnología vehicular dentro del panorama tanto nacional como internacional.
48
7. Anexos
7.1. Anexo 1: Efecto de condiciones atmosféricas en el desempeño de grupos electrógenos:
Figura 23.Factores de modificación de potencia de plantas eléctricas KIPOR debido a condiciones atmosféricas. (Kipor, 2008)
Teniendo en cuenta la información experimental recopilada por la marca Kipor (Figura 23),
se desarrolló un análisis de comportamiento, cuyo objetivo principal es observar el efecto de la
Presión Atmosférica, Temperatura Ambiente y Humedad Relativa en el porcentaje de caída de
potencia nominal útil. Para el análisis desarrollado, se propuso evaluar un caso particular de una
planta eléctrica con las siguientes características y condiciones estándar35
:
Potencia Nominal Prime36
: 40[kVA] – 32[kW]
Factor de Potencia: 0.8
Valor Potencia Nominal a: 0[m.s.n.m.]
Temperatura Ambiente para Valor Potencia Nominal: 25[°C]
Humedad Relativa para Valor Potencia Nominal: 60[%]
El primer análisis fue, con base en la información de la Figura 5, determinar el porcentaje
de pérdida de potencia asociado a cambios de altura, que el fabricante lo modelaba directamente
35
La información entregada en todo tipo de catálogos hace referencia a valores obtenidos para el equipo operando en condiciones estándar, razón por la que se hacen necesarios los factores de correcciones. 36
Entiéndase por PRIME, la potencia continua que entrega la planta. Caso contrario es la Potencia Stand-By, correspondiente a potencia de reserva y siempre es superior a la PRIME.
49
con cambios en presión atmosférica. Para esto, se fijó una temperatura y se construyó una curva de
Porcentaje de Pérdidas en Potencia (Derated) vs. Altura para diferentes condiciones de Humedad
Relativa.
El segundo análisis siguió una metodología equivalente al primero, pero esta vez enfocada
en determinar el Porcentaje de Pérdidas en Potencia (Derated) vs. Temperatura Ambiente, fijando
un porcentaje de Humedad Relativa y construyendo una curva para diferentes alturas.
El tercer análisis, para evaluar el efecto de la Humedad Relativa en desempeño, fijando una
Temperatura Ambiente, se construyó una curva de Porcentaje de Pérdidas en Potencia (Derated) vs.
Humedad Relativa, para diferentes alturas.
Finalmente, la Gráfica 1 presenta el porcentaje máximo promedio de pérdidas de potencia
eléctrica útil, para los tres análisis presentados anteriormente asociados a cada una de las tres
variables atmosféricas estudiadas:
Gráfica 10. Máximo Porcentaje Promedio de Pérdidas potencia según información base presentada por (Kipor, 2008).
De la Gráfica 1, se puede observar que el efecto de la Presión Atmosférica, también
entendida como presión barométrica, juega un papel determinante en la potencia nominal útil de los
sistemas de potencia híbridos. Así pues, queda nuevamente expuesta la necesidad de evaluar el
efecto de la altura y de las condiciones atmosféricas en el desempeño de vehículos híbridos
eléctricos.
45.40 [%]
8.83 [%]
3.00 [%]
0
10
20
30
40
50
PresiónAtmosférica
TemperaturaAmbiente
HumedadRelativa
Máx
. Pro
me
dio
Pé
rdid
a d
e
Po
ten
cia
[%]
Variable Atmosférica
50
7.2. Anexo 2: Protocolo de Pruebas Dinamométricas de Potencia Neta37
:
PROTOCOLO PRUEBA DINAMOMÉTRICA DE POTENCIA NETA EN VEHÍCULOS
TERRESTRES CON MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA DE IGNICIÓN POR
CHISPA/COMPRESIÓN PARA EL LABORATORIO MÓVIL UNIANDES
INTRODUCCIÓN
El presente protocolo plantea un esquema operativo para desarrollar pruebas dinamométricas de
potencia neta dentro del marco de caracterizar el desempeño mecánico de un vehículo de
combustión interna, ya sea de ignición por chispa o de ignición por compresión, utilizando los
equipos disponibles a la fecha en el laboratorio móvil de dinámica vehicular.
Es imperativo que el Ingeniero de Pruebas o el encargado de la ejecución de la misma lea
detenidamente este documento PREVIAMENTE a ejecutar cualquier actividad experimental
relacionada con pruebas de potencia neta. El protocolo está estructurado de forma tal que si se da
cumplimiento a los lineamientos y procedimientos aquí consignados, se garantiza la efectividad de
la planeación, desarrollo y procesamiento de la prueba experimental. En caso contrario, es esperado
incurrir en iteraciones experimentales vacías y, principalmente, pérdida de tiempo y recursos.
NOTA: Durante el documento, se da por hecho que el lector (Ingeniero de Pruebas o
Encargado en jefe) tiene conocimientos previos tanto en Ingeniería Mecánica como en Mecánica
Automotriz.,38
así como un nivel estándar de lectura en Inglés. Igualmente, se asume que ya se está
previamente familiarizado con qué es una prueba dinamométrica de potencia neta, el tipo de
dinamómetros de cubo a utilizar (Axle Hub Eddy-Current Air Cooled Absorbers) y la normativa
actual asociada.39
FASE I
VERIFICACIÓN
El punto de partida de la etapa de verificación, está enfocado en determinar la viabilidad del
desarrollo de una prueba experimental dado los recursos disponibles, teniendo en cuenta
restricciones operacionales de los equipos y de infraestructura.
En la configuración de la célula de prueba, el único elemento variable (aleatorio) es el vehículo
de pruebas, puesto que los equipos a utilizar hacen parte de la infraestructura (elementos
constantes). Por ello, la etapa de verificación está principalmente enfocada en la identificación del
37
Tanto la numeración como la nomenclatura de Tablas, y Figuras, es independiente del texto del protocolo. No referirse a la numeración del documento de grado, únicamente a la del Anexo 2. Únicamente se mantiene la misma sección de referencias/bibliografía al final de todo el documento. 38
Como soporte, se recomienda consultar la referencia (Stone & Ball, 2004) , disponible en la Biblioteca General de la Universidad de Los Andes. 39
Para mayor información, remitirse a (Atkins, 2009) y (SAE International, 2008), referencias igualmente disponibles en la Universidad de Los Andes.
51
vehículo de pruebas junto con la correspondiente validación del mismo respecto a las condiciones
operativas de la célula.
En la Tabla 1, se presentan los requerimientos mínimos que debe satisfacer el vehículo de
pruebas, mientras que en la Tabla 2, se hace el compilado de la información técnica del mismo que
es de vital importancia para la posterior configuración y desarrollo de la prueba experimental.
Nota: Se recomienda inicialmente validar el cumplimiento de las restricciones de la Tabla 1 por
parte del vehículo de pruebas antes de iniciar la profundización técnica pedida en la Tabla 2, puesto
que si las restricciones base no se satisfacen, no es posible llevar a cabo un procedimiento
experimental en el vehículo en cuestión y por ende no justifica hacer investigación técnica.
Concepto Restricción a Cumplir Motivo
Patrón de Pernos
5 X 4.50 [in] Acoples Campana de Vehículo a Eje
Dinamómetro 5 X 4.75 [in]
5 X 5.00 [in]
Tracción
FWD
Capacidad infraestructura eléctrica RWD
4WD
Transmisión MT Controlabilidad Dinamómetros
Sistema de Combustible Inyección Electrónica
Monopunto/Multipunto
Evaluación consecuente con tecnología
vehicular actual
Tabla 1. Restricciones básicas en selección de vehículo de pruebas.40
Una vez se tenga la verificación anterior, es necesario recopilar la información técnica del
vehículo de pruebas solicitada en la Tabla 2.
Concepto Especificación Técnica Tipo de Información
Motor
Configuración (Alineación Cilindros) L, V, W, Opuestos
Desplazamiento [cm3]
Número de Cilindros 3 a 16
Longitud de la Biela [mm] - [in]
Diámetro Pistón (Bore) [mm] - [in]
Carrera (Stroke) [mm] - [in]
Potencia Neta [HP @ rpm] - [kW @ rpm]
Par Motor [ft-lb @ rpm] - [Nm @ rpm]
Tipo de Motor Ignición S.I./C.I.
Alimentación Carburado/Inyección electrónica
Sistema de Carga Aspiración Natural/Turbocargado
Fabricante Casa Matriz (Ej: GM)
Modelo del Motor (Ej: GM Vortec 4300)
Serial del Motor VIN
Relación de compresión (Ej: 10:1)
Descripción de Pistones (Ej: Material, Tamaño)
Avance Inicial Chispa En términos de [°] cigüeñal
Avance Final Chispa En términos de [°] cigüeñal
RPM Motor de Avance Final Chispa [rpm]
Tipo de Bujías (Ej: Calientes/Cuello Corto/Puente)
Número de Bujías por Cilindro 1 ó 2
40
Verificar cada concepto en el orden propuesto en la Tabla 1, considerada la ruta crítica de las restricciones base. Se consideran RESTRICCIONES VITALES A LA FECHA las dos primeras (Si no se cumplen, no se puede hacer prueba), mientras que las dos últimas son RESTRICCIONES IDEALES, sin el cumplimiento de las cuales aún existe viabilidad de llevar a cabo la prueba.
52
Concepto Especificación Técnica Tipo de Información
Combustible
Tipo de Combustible Gasolina/Diesel/Biocombustibles
Sistema de Combustible Sin retorno/Con retorno
Gravedad Específica Combustible [kg/m3]
Relación Aire/Combustible (Ej: 6/1)
Octanaje R.O.N.
Presión de Combustible [kPa] - [psi]
Transmisión
(Tren Motriz)
Tipo de Transmisión Manual (MT) / Automática (AT)
Número de Cambios 3 a 8
Relación de Cambios I,II,III,IV,V,VI, VII, VIII, R
Relación Final (FGR) (Ej: 3.73)
Factor de pérdidas tren motriz Normativa/Calcular
Factor de Convertidor de Torque Sólo para AT
Torque Tuercas Rueda [Nm] – [ft-lb]
Ruedas Estándar (Ej: 205/75 R15)
Dimensiones,
Capacidades y
Peso
Patrón de Pernos Número X Radio (Ej: 4X100[in])
Coast Down (G's) [gravedades]
Peso Vacío (CW) [kg]
Peso Bruto Vehicular (GVW) [kg]
Carga Neta (Payload) Payload [kg] = GVW - CW
Longitud punta a punta [m] -[in]
Ancho [m] -[in]
Alto [m] -[in]
Distancia entre ejes [m] -[in]
Trocha Frontal [m] -[in]
Trocha Trasera [m] -[in]
Admisión
Método cálculo de flujo de aire Para flujo de aire al motor
Descripción sistema de admisión motor Especificaciones/Componentes
Información Inyector Motores a Inyección
Descripción MAP Motores a Inyección
Caudal/Capacidad de admisión [cfm]
Identificación del MAP Motores a Inyección
Escape
Tipo/Descripción Especificaciones/Componentes
Diámetro Tubería Principal [mm]
Longitud Tubería Principal [mm]
Diámetro del Colector [mm]
Longitud del Colector [mm]
Tipo Silenciador (Muffler) Especificaciones
Válvulas
Y
Árbol de Levas
Válvulas/Cilindro 2 a 5
Tipo árbol de levas Regulación Continua/Gradual
Descripción tren de válvulas Esquema
Tipo Válvulas Plana/Convexa/Cóncava
Tipo Resorte Válvulas
Overlap [°]
Descripción Lóbulos Levas Especificaciones
Avance/Retraso Levas [°]
Razón balancín válvula de alivio (Ej: 1.45 a 1.7)
Diámetro válvulas [mm]
Presión Cierre [psi]
Presión Apertura [psi]
Elevación efectiva válvula
Duración de giro árbol de levas [°]
Culata
Volumen MÍNIMO Cámara de Combustión [cm3]
Compresión Cigüeñal [psi]
Volumen Admisión [cm3]
Volumen Escape [cm3] Tabla 2. Información técnica requerida del vehículo de prueba
53
En la Tabla 2, se resalta en gris la información técnica indispensable para la configuración del
software de los dinamómetros de cubo, que debe ser determinada en fuentes de la mayor
confiabilidad posible con el fin de garantizar la obtención de datos consecuentes al vehículo de
interés.
Igualmente, dependiendo de la formalidad de la prueba de potencia neta que se quiera
desarrollar, es necesario llenar los demás numerales de la Tabla 2 que no se encuentran resaltados.
El software tiene incorporada una función de presentación formal de resultados correspondientes a
la prueba deseada, en donde se compila toda la información pedida.
La etapa final de la Fase I, está enfocada en la verificación del ajuste del vehículo de pruebas a
los límites operacionales de los equipos involucrados. En la Tabla 3, se presentan las principales
restricciones a analizar de los dinamómetros DYNOmite 2000 AWD Axle Hub:
Límites Máximos41 de Operación
POR PAREJA Dinamómetros de Cubo
Peso Máximo Vehículo en eje [kg] 1360
Velocidad Lineal Máxima [km/h] 322
Potencia Máxima eje [kW] 292
Momento par Máximo [Nm] 1260
Velocidad de Eje Máxima [rpm] 5000
Tabla 3. Límites de operación de los dinamómetros 2000 AWD Axle Hub. (Land And Sea Inc., 2014)
La verificación del cumplimiento de las mismas:
Peso Máximo Vehículo por eje: Pesar vehículo por rueda con básculas individuales.42
Velocidad Máxima: Dado por fabricante o en especificaciones técnicas.43
Potencia Máxima: Tomar la potencia máxima de motor según ficha técnica (Potencia Neta
Tabla 2).
Momento Par Máximo: Tomar el par motor máximo de motor según ficha técnica (Par
Motor Tabla 2).
41
Límites máximos de potencia y momento par hacen referencia a operación en caliente (Gráfica 3 y 4), considerada la condición más crítica de operación reportada por fabricante. En caso de no contar con ventilación forzada adicional sobre el cuerpo de los dinamómetros, estos límites caerán mínimo un 20[%] más en relación con el valor reportado. LÍMITES ÚNICAMENTE REFIEREN EFECTOS MAGNÉTICOS E IGNORAN LÍMITES MECÁNICOS Y ESTRUCTURALES RELACIONADOS CON HARDWARE DE DINAMÓMETROS, por lo que es IMPERATIVO NO SOBREPASAR LÍMITES AÚN TRABAJANDO EN TIBIO O INCLUSO EN FRÍO. (Land & Sea Inc., 2014) 42
El Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad cuenta con las básculas apropiadas para este procedimiento. 43
Las pruebas de potencia neta NUNCA involucran llevar vehículos a su velocidad tope. Además, es un límite que de entrada está por encima de, por ejemplo, la velocidad tope del McLaren F1, por lo que deja sólo vehículos especiales y a la línea Bugatti fuera de contexto. (Top Car Rating, 2013), (Top 10 The Best, 2014)
54
Velocidad de Eje máxima: Como son dinamómetros de cubo, es un dato que no presenta
inconveniente alguno. Sin embargo, es recomendable no superar las 6500 [rpm] en el
motor.
Una vez teniendo compilada y verificada la información anterior, se da por concluida la FASE I
correspondiente a verificación.
FASE II
PLANEACIÓN Y ALISTAMIENTO
1. Planeación de la Prueba
Previamente al proceso de evaluación, es necesario desarrollar la planeación de la prueba
deseada, puesto que no todos los experimentos de potencia neta están encaminados hacia la misma
dirección ni siguiendo la misma metodología, así las bases operativas sean las mismas. En términos
generales, determinar el contexto, el estado y recursos actuales, los objetivos buscados y la
metodología para lograrlos.
En este orden de ideas, se delimita el centro y por ende el alcance de este protocolo dentro del
marco de evaluación mecánica y energética de motores de combustión interna. Este protocolo hace
referencia a:
Prueba de potencia neta en eje al freno (dinamómetro de cubo).
Prueba con protocolo de evaluación de ESTADO ESTABLE.
Prueba para evaluar desempeño mecánico del motor/tren de potencia (según sea el caso).
Prueba con ÉNFASIS en vehículo de transmisión manual, con algún acercamiento a
transmisión automática.
Prueba SIN medición de consumo/economía de combustible.
Prueba SIN evaluación desempeño energético.
Prueba SIN determinar eficiencia térmica del vehículo como máquina de conversión de
energía.
Prueba para célula DENTRO y FUERA de Universidad de Los Andes.
1.1. Contexto - Objetivo de la Prueba de Potencia Neta a Desarrollar
Con esta fase del protocolo se busca generalizar la metodología de planeación y alistamiento de
la prueba para cualquier ubicación del laboratorio móvil de dinámica vehicular, de tal forma que
pueda ser utilizado, no sólo en las pruebas desarrolladas en el laboratorio de la Universidad de Los
Andes, sino en pruebas de campo a lo largo del territorio nacional. (García & Muñoz, Laboratorio
Móvil: Efecto de la altura en desempeño de vehículos con motor de combustión interna, 2012).
La Tabla 4 propone la información necesaria que garantiza una correcta delimitación del
contexto dentro del que se va a desarrollar la prueba:
55
CONTEXTO GENERAL PRUEBA DE POTENCIA NETA
Enfoque Académico/Industrial
Proyecto Raíz Ej: Efecto de la Altura en Desempeño
Proyecto Específico Ej: Desempeño a 2600 [m.s.n.m.]
Período de Prueba Ej: 1/Ene/2014 - 9/Mayo/2014
Laboratorio Móvil Si/No
Vehículo de Pruebas Ej: Chevrolet Blazer S10 4WD MT 1998
Ubicación Geográfica Ciudad/Pueblo/Carretera (On Road)
Establecimiento Universidad/Empresa/Carretera
Profesor a Cargo Uniandes Ej: Luis Muñoz
Ingeniero de Pruebas Uniandes Ej: Gabriel Steffens
Piloto de Pruebas Ej: Omar Amaya
Técnico Operativo Ej: Luis Carlos Ardila
Altura [m.s.n.m.]
Presión Atmosférica Esperada [kPa]
Temperatura Ambiente Esperada [°C]
Humedad Relativa Esperada [%]
Objetivos Específicos
Ej: Curva de Potencia vs. RPM
Ej: Curva de Par Motor vs. RPM
Ej: Consumo Específico de Combustible vs. RPM
simulando ciclo en pendiente44
Tabla 4. Contexto Prueba de Potencia Neta con Célula dinamométrica
1.2. Tipo de Prueba de Potencia Neta a Desarrollar45
En la Figura 1, se presenta la ruta crítica para definir correctamente el tipo de prueba
dinamométrica con los respectivos resultados y metodología que deberá ser tenida en cuenta para
cada caso. Importante: Recordar que este protocolo va direccionado por la ruta de pruebas de
potencia neta en Estado Estable SIN consumo de combustible:
Figura 1. Ruta crítica para definir tipo de prueba de potencia neta a desarrollar
44
Recordar que este protocolo deberá ser complementado con planeación extra en caso de querer vincular pruebas de consumo específico/economía de combustible. 45
Se asume que el Ingeniero de Pruebas (Lector) ya está familiarizado con la norma SAE J-1349. En caso contrario, es OBLIGATORIO remitirse a (SAE International, 2008)
56
Con fines aclarativos, a continuación se mencionan las consideraciones necesarias para
determinar correctamente el tipo de prueba dependiendo de las necesidades propuestas en la Tabla
4.
Prueba en Estado Estable (“Steady State”).
Se toman registros de desempeño del motor (tanto par como potencia neta al freno) a diferentes
regímenes de velocidad del mismo de forma aislada, es decir, se lleva a cabo un barrido
interrumpido del espectro de velocidades de interés del motor.
Prueba en Régimen Transitorio (“Transient”).
Se toman registros de desempeño del motor (tanto par como potencia neta al freno) a diferentes
regímenes de velocidad del mismo de forma continua, es decir, en cada iteración se hace un barrido
del espectro de velocidades del motor de interés sin interrupción intermedia con una tasa de
aceleración previamente determinada.
Nota: Por registros previos, hasta la fecha hay evidencia experimental que el rendimiento
observado del motor mediante pruebas en estado estable, es aproximadamente 6[%] mayor
que el obtenido por medio de pruebas en régimen transitorio (Muñoz & García, 2012). Por esta
razón, se aconseja llevar a cabo la prueba de potencia neta bajo la metodología de Estado Estable,
dejando como opcional la prueba en régimen transitorio (dependiendo del tiempo y recursos
disponibles).
Si se requiere hacer prueba de consumo de combustible (ya sea de economía de combustible o
de C.E.C.46
), entonces es necesario estipular el tipo de prueba:
Ciclo de simulación de carretera.47
Los dinamómetros de cubo traen integrada una función de simulación de carga de carretera
“Simulate Driving Condition” que puede configurarse de acuerdo a los requerimientos a evaluar48
.
Para el correcto desarrollo de este tipo de prueba es necesario estudiar con detenimiento la norma
SAE J-1082 “Fuel Economy Road Test Procedure” y SAE J-1263 “Road Load Measurement and
Dynamometer Simulation Using Coastdown Techniques”.
Nota: Si se decide hacer una prueba de Ciclo de Simulación de Carretera para pruebas de
combustible, es necesario DESACOPLAR la misma de cualquier intento de evaluación de potencia
neta, puesto que son dos metodologías experimentales diferentes. Esta prueba generalmente es para
efectos de contraste y validación de pruebas de economía de combustible hechas en carretera.
46
Consumo Específico de Combustible (C.E.C.) 47
Prueba dinamométrica que simula condiciones reales de prueba de carretera según SAE J-1082 (SAE International, 2008) 48
Consultar Tutorial “Ciclo Simulación de Carretera”
57
Ciclo ligado a prueba de potencia neta escogida.49
Prueba de consumo de combustible directamente relacionada con la prueba de potencia neta,
puesto que se obtiene registro de C.E.C. durante el desarrollo de la misma. De esta manera, se
cuenta con la curva C.E.C. para las velocidades de motor evaluadas y por ende, determinar la
eficiencia térmica del motor de combustión interna y/o del vehículo evaluado.
Nota: Esta es la prueba que se debe implementar y desarrollar si se desea determinar la
eficiencia energética del motor y7o vehículo de combustión interna. Igualmente, es la que debe
desarrollarse según la Figura 1.
1.3. Requerimientos Célula de Prueba
Una vez definida la prueba a desarrollar, es necesario tener en cuenta qué se necesita para
llevarla a cabo.
1.3.1. Equipos e Instrumentos
En la Tabla 5, se presenta la lista de los equipos que componen la célula de prueba con su
correspondiente consumo energético, dimensiones principales y peso.50
Ítem
No. Equipo Cantidad
Fabricante
Referencia Software
Consumo Energético
60[Hz]
Dimensiones
A X L X B [mm] Peso [kg]
1 Dinamómetros
de Cubo
2 ó 4
Módulos
Land And Sea
DYNOmite 2000
AWD Axle-Hub
DYNO
MAX 2010
208 [V] - 25[A] AC
712 X 940 X 1270 490/Módulo 10.3 [kVA] Bifásico
Línea-Línea
Desbalanceado
2 Flujómetro 1 Corrsys - Datron CeCal Win
Pro 12 [V] - 8[A] DC 265 X 820 X 65051 36
DFL3x-5Bar
3 Ventilador 1
Global Industrial
N/A
120 [V] - 10[A]
Arranque 1067 X 458 X 1067 37
Electric Fan 89DF
607026 (FDM-42)
120 [V] - 3.6[A]
Operación52
4 Extractor de
Gases 1
Filcar SPA
N/A
220 [V] Trifásico -
12.3[A] Arranque 1305 X 670 X 420 30
150 Trotter
230V/60Hz
220 [V] Trifásico - 2[A]
Operación Tabla 5. Equipos base de la célula de pruebas a primer semestre de 2014.
Por otro lado, es necesario contar con los siguientes recursos electrónicos e instrumentos de
medición:
Computador portátil (Software para programación y control de equipos).
Tarjetas de adquisición Dinamómetros de cubo.
Red eléctrica monofásica común de 120[V] a 60[Hz] con tomacorriente para adaptadores de los
anteriores equipos y componentes electrónicos.
Manómetro Presión Atmosférica: Rango 30 a 110[kPa]; Precisión ±1[kPa].53
49
Registro en tiempo real del consumo de combustible durante ciclos de prueba de potencia neta. 50
La Tabla 5 cobija los equipos de la División Dinamométrica del Lab. Móvil a primer semestre del 2014. 51
Dimensiones y peso hacen referencia a la caja de embalaje para transporte de todo el equipo. 52
Conexión a tomacorriente común.
58
Termómetro: Rango -10 a 60 [°C]; Precisión ±1[°C].
Higrómetro: Rango 10 a 95 [%RH]; Precisión ±4[%HR].
Estación Meteorológica Dinamómetros 2000 AWD Axle Hub.
Estroboscopio y marcadores brillantes.
Flexómetro: 3.0[m] mínimo.
Multímetro y Pinza Amperimétrica (opcional ésta última)
Goniómetro
Cronómetro
1.3.2. Herramienta y Utensilios
En compañía de los equipos mencionados en la sección anterior, la célula de prueba debe
contar con la siguiente herramienta MÍNIMA consignada en la Tabla 6 para el correcto
alistamiento tanto de la misma como del vehículo de pruebas:
o Llave de Cruceta54
o 2 ó 4 Gato Torre55
o Tapabocas
o Juego de Copas de ¼, ¾ , y ½
[in]
o Gato Hidráulico/Gato de Botella56
o Extintor
o Llave Mixta 7, 10, 11, 12,
14[mm]
o Cables de Iniciar (Pinzas)
o Overol
o Torquímetro Desde 40[Nm] y
superior a 150[Nm]
o Linterna/Lámpara/Bombillo 12[V]
DC/Baterías
o Guantes de protección
o Destornillador Pala y Estrella
o Tacos de bloqueo
o Gafas de seguridad
o Alicate
o Líquido Afloja-tuercas (Opcional)
o Protector de oídos
o Martillo
o Gasolina/Diesel57
o Botas/Zapatos de seguridad
o Embudo
o Tela absorbente de derrames
Tabla 6. Listado de herramienta y utensilios básicos para alistamiento y desarrollo prueba de potencia neta.
53
Rango y Precisión empleados en (García L. A., Efecto de la Altura en el Desempeño de un Vehículo a Gasolina, 2013). Aclaración aplica también para Termómetro e Higrómetro. 54
Utilizar la que trae por ley el vehículo de pruebas. 55
Un gato torre por cada dinamómetro a utilizar 56
NO UTILIZAR el gato de mariposa o tornillo sinfín del kit del vehículo. 57
Dependiendo de la duración y ubicación de la prueba.
59
1.3.3. Personal
El personal MÍNIMO para el correcto desarrollo de la prueba está compuesto por:
o Ingeniero de Pruebas e Instrumentación.
o Técnico-Mecánico Automotriz y Eléctrico.
o Piloto de Pruebas (Puede ser también el Ingeniero de Pruebas o el Técnico Mecánico
Automotriz).
1.3.4. Infraestructura Requerida (Alimentación Eléctrica y Espacio)58
La información consignada en la Tabla 5, presenta los requerimientos energéticos
espaciales para la operación de la célula por parte de sede/ubicación de trabajo.
En caso que sea una prueba On Road59
, es necesario utilizar un Grupo Electrógeno con las
características presentadas en la Tabla 7. (Steffens G. , 2014)
Características Grupo Electrógeno60
Potencia Prime Mínima [kVA] 40
Frecuencia Corriente [Hz] 60
Voltaje Línea Trifásico [V] 208-220
Voltaje Línea Monofásico [V] 110/120
Combustible Diesel
Alimentación Turbocargado
Transporte Portátil - Trailer (King pin) Tabla 7. Características Grupo Electrógeno para pruebas de potencia On Road.
La carga neta, área y volumen a transportar en caso de una prueba fuera de las instalaciones
de la Universidad, se consigna en la Tabla 861
:
Ítem Carga Neta a
Transportar [kg] Área [m2] Volumen [m3]
Dinamómetros (2 módulos) 980 2.40 0.85
Embalaje Flujómetro 36 0.53 0.14
Ventilador 37 1.14 0.52
Extractor de Gases 30 0.28 0.37
Herramientas62 97 0.77 0.66
Grupo Electrógeno63 Variable Variable Variable
Total 1180 5.12 2.54 Tabla 8. Peso neto, área y volumen de transporte de la célula de pruebas.
Por último, si la ubicación de la célula es en una sede con infraestructura, es necesario un
ducto de entrada a un sistema de extracción de gases al que pueda ser acoplada la manguera del
58
Si la prueba se desarrollará en las instalaciones de la Universidad de Los Andes, pasar a la sección 2 de la Fase II – Alistamiento del protocolo de pruebas. 59
Pruebas en cualquier ubicación geográfica y en terreno abierto (no sede con infraestructura) 60
Para pruebas con 2 módulos dinamométricos. 61
Si la prueba involucra 4 módulos dinamométricos, agregar 1.0[Ton] al total de carga neta a transportar. 62
Incluye 1 Gato hidráulico MEGA de 6[Ton], 2 Gato Torre, Caja de Herramientas. 63
El grupo electrógeno aún no es fijo, por lo que la información está sujeta a la oferta. Sin embargo, rodea los 1.2[Ton] extra a contemplar.
60
extractor y que se garantice un flujo de aire mínimo de 0.15 [m3/s]. (García L. A., Efecto de la
Altura en el Desempeño de un Vehículo a Gasolina, 2013)
Nota: Para mayor información acerca del grupo electrógeno requerido, transporte e instalación de
célula de prueba favor remitirse a (Steffens G. , 2014).
2. Alistamiento Célula de Pruebas
La etapa de alistamiento de la célula de pruebas, corresponde a un proceso de
reconocimiento y verificación de cada uno de los componentes de los equipos de prueba
involucrados.
2.1. Lista Verificación Dinamómetros de Cubo 2000 AWD Axle Hub
En la Tabla 9 se presenta el listado de componentes a reconocer y alistar para ser utilizados
en el montaje de los dinamómetros de cubo:
Checklist DYNOmite 2000 AWD Axle-Hubs (Por Pareja de módulos)
Número Ítem Cantidad Descripción
1 Extensión Eléctrica 1
Cable Encauchetado
3 Hilos-3X12
Clavija NEMA L14-30
2 Computador 1
XFR- Latitude (Portátil)
Software DYNO-MAX 2010
Adaptador 110/120 [V] AC
3 Arnés Adquisición 1
Madeja de Cables
Múltiples entradas
4 Cable Torque 1
PN. 970-240
2 a 1 Terminales
5 Cable Sensor RPM 1 Caucho Negro -Terminal Metálico
6 Cable Servo Control 1 Hilo Negro - Terminal negro
7 Cable Ventiladores 1 Caucho Gris - Terminal clavija blanca
8 Cable de Potencia 1 Caucho Rojo/Blanco - Terminal clavija blanca
9 Tarjeta Adquisición 1 DYNOmite Pro Board Set - Roja con negro
10 Adaptador Tarjeta Adquisición 1
OEM AC Adapter Modelo A4-121ª
Input: 120[V]AC - 60[Hz]; Output: 12[V] - 1[A] DC
61
11 Cable RS232 1 Caucho Gris - Comunicación Puerto PC
12 Pinza Inductiva 1 Hilo Negro - Extremo en Pinza
13 Módulo Estación Meteorológica 1 Caja negra pequeña plástico "Weather Station"
14 Adaptadores de Cubos 2 Aluminio con 3 patrones de agujeros en cara externa
15 Acoples Dinamómetro 2 Extremo circular negro dinamómetro con 5 pernos ½
[in] – 13 UNC Grado 8
16 Módulos Dinamométricos 2 ó 4 2000 AWD Axle Hub Dyno (Rojo/Negro)
Tabla 9. Listado de verificación para montaje de Dinamómetro de cubo 2000 AWD Axle-Hub. Para mayor información y reporte
fotográfico de los componentes, remitirse a (García L. A., Montaje Vehículo en Dinamómetro de Cubos, 2013)
2.2. Lista Verificación Ventilador de Enfriamiento de Motor
El ventilador de enfriamiento de motor basta solamente con tener precaución de contar con
un tomacorriente según especificaciones de la Tabla 6 y, en caso de ser necesario, una extensión
eléctrica para conexión.
2.3. Lista Verificación Extractor de Gases64
Además de los requerimientos eléctricos consignados en la Tabla 6, en la Tabla 10 se
resume la lista de verificación asociada a este componente de la célula de pruebas:
Checklist Extractor de Gases
Número Ítem Cantidad Descripción
1 Extensión Eléctrica 1
Cable Encauchetado
3 Hilos-3X12
Clavija NEMA L14-30
2 Manguera de Gases 1
Operación >300 [°C]
Diámetro 5.5 [in]
Longitud 5 [m]65
3 Acoples Manguera/Ducto66 2 Diámetro > 5.5 [in] Tabla 10. Listado de verificación para montaje de Extractor de Gases. (García L. A., Efecto de la Altura en el Desempeño de un
Vehículo a Gasolina, 2013)
2.4. Lista Verificación Sistema de Adquisición
En la Tabla 11, se resume el sistema de adquisición de datos correspondiente a la célula de
pruebas que anteriormente ya se han mencionado en Tabla 8 y 9:
64
Si es una prueba On Road, NO SE NECESITA EXTRACTOR DE GASES. Gases se liberan directamente a la atmósfera. 65
Longitud corresponde a la manguera actual disponible en la célula. 66
Abrazaderas metálicas para apretar con destornillador pala.
62
Sistema de Adquisición Célula de Pruebas
Equipo Software Hardware
2000 AWD
Axle-Hub
DYNO-MAX 2010 "Pro" Versión
10.22 SP #0
Land and Sea Inc.
Computador Portátil XFR - Latitude
Tarjeta de Adquisición
DYNOmite Pro Board Set
Cable RS232
OEM AC Adapter Modelo A4-121A
Input: 120[V]AC - 60[Hz];
Output: 12[V] - 1[A] DC
Arnés de Adquisición
Tabla 11. Lista de Verificación sistema de adquisición dinamómetros de cubo célula de pruebas.
3. Configuración Previa Software
La correcta configuración del software de control de los equipos determina el éxito de una
prueba de potencia neta. Por esta razón, es imperativo hacer la programación correspondiente del
mismo dependiendo del tipo de prueba que se quiere desarrollar (FASE I) PREVIAMENTE al día
de ésta (a menos que se indique lo contrario).
En caso de cualquier impedimento para configurar previamente el software, al menos tener
la información necesaria y la metodología de configuración completamente determinada, de tal
forma que sólo sea implementar e iniciar el proceso de alistamiento tanto del hardware como de los
equipos.
3.1. Configuración Software DYNOMAX 2010 (Dinamómetros de cubo)
Para esta sección, el Ingeniero de pruebas ya debe tener a la mano los componentes del
hardware correspondientes a los dinamómetros de cubo (Tabla 9), en especial el computador XFR –
Latitude, puesto que en éste es donde está instalada la versión con licencia del software aprobada
por Land & Sea Inc, y por ende, es obligatorio controlar la prueba desde el mismo.67
La configuración del ambiente de trabajo DEBE ser desarrollada previamente al día de la
prueba experimental.
La interfaz base del software se presenta en la Figura 2:
67
Actualmente, se cuenta una versión DEMO del software que permite instalar el programa en cualquier computador durante un período de 10 días de evaluación. Por ahora, el CD está disponible en el laboratorio de Dinámica Vehicular.
63
Figura 2. Pestañas principales Interfaz base DYNO-MAX 2010
El software DYNO-MAX, debe ser configurado por medio de la creación de un ambiente
de trabajo, que vincula 8 ARCHIVOS DE CONFIGURACIÓN distintos y por separado. En la
Figura 3, se observa cada uno de éstos con su respectivo tipo de archivo (Ej: Consola.dpl). Para
acceder al ambiente de trabajo desde la interfaz base, basta con oprimir (Ctrl + O) y en el cuadro de
diálogo seleccionar la opción (Default.env).
Figura 3. Archivos de Configuración de Ambiente de Trabajo DYNO-MAX 2010
64
Una vez abierto el ambiente de trabajo que trae el software por defecto, es necesario
configurar o seleccionar68
cada archivo de configuración de acuerdo a la prueba de potencia a
desarrollar. En este punto es OBLIGATORIO remitirse al Tutorial “2. Tutorial DYNO-MAX –
Ambientes” de (García L. A., 2013), en donde se profundiza de forma visual la información general
presentada en la Figura 2 y 3.
Para una prueba corriente, ÚNICAMENTE se deben modificar los siguientes archivos de
configuración en el ambiente de trabajo (Nota: Para la correcta configuración, por favor remitirse a
los tutoriales gráficos correspondientes a la referencia enunciada para cada caso):
Configuración de Corrida (.ifo): Seguir a fondo el Tutorial Configuración de Corrida y
complementar con (García L. A., 3. Tutorial DYNO-MAX - Información de Corrida, 2013)
Consola – Display (.dpl ó .dp3): (García L. A., 4. Tutorial DYNO-MAX - Configuración
de Consola, 2013)
Configuración Gráfica (.gph): (García L. A., 5. Tutorial DYNO-MAX - Configuración de
Gráficas, 2013)
Lista de Fórmulas (.for): (García L. A., 6. Tutorial DYNO-MAX - Lista de Fórmulas,
2013)
Actualmente, ya se construyeron los archivos de configuración correspondientes a la
Consola, Configuración Gráfica y Lista de Fórmulas para una prueba de potencia neta, por lo que se
recomienda trabajar con éstos69
y limitarse únicamente a configurar correctamente el archivo de
CONFIGURACIÓN DE CORRIDA, que es independiente para cada caso y varía para cada
vehículo y tipo de prueba. Por ello, se propone la Tabla 12, que identifica puntualmente cómo se
debe configurar el archivo de corrida:
CONFIGURACIÓN DE CORRIDA
Información General Corrida
Campo Información Obligatorio
Test Run Universidad de Los Andes # X on 2014-04-24 @ 13-24-56 SI
# Número de la Corrida (Automático por software) SI
By Nombre de quien hace la prueba (Ej: Gabriel Steffens) SI
Name Nombre de la institución encargada (Ej: Universidad de Los Andes) SI
Vehicle Descripción Formal Vehículo de Pruebas (Ej: Ford Explorer 4WD 4.0L Efi V6
1997) SI
Date Fecha (Automático por software) SI
Time Hora de la corrida (Automático por software) SI
Engine's Test Tiempo de duración de la prueba (Automático por software) SI
68
En caso que ya se haya hecho la configuración previa. 69
Modificarlos según los tutoriales únicamente en caso de necesitar una configuración más específica a la que actualmente se propone.
65
Hours
Import (Run
Template) Importar cuadro personalizado de configuración (NO USAR) NO
Export Run
Setup As… Guardar información de configuración de corrida (Creación de archivo .ifo) SI
#1 - Four Stroke
Otto
Cuadro de diálogo que determina las pestañas de configuración de la corrida
SI Vehículo a gasolina: #1-Four Stroke Otto
Vehículo a Diesel: #3 - Four Stroke Diesel
Siempre configurar #7-Transmission (Se explica al final de la tabla)
Para #1-Four Stroke Otto/#3-Four Stroke Diesel: Pestaña ENGINE
Campo Información Obligatorio
Engine Make Fabricante del motor (No siempre es el mismo del vehículo) Ej: Ford SI
Engine Model Modelo del Motor (Ej: Ford Cologne V6 4.0L) SI
Engine Serial
Number Número de motor (generalmente al lateral derecho del bloque o en el SOAT NO
Description Información adicional del motor (Ej: Inyección Modificada) SI
Advertise Power
@ rpm Potencia Máxima motor (Tabla 2 FASE I) SI
Advertise
Torque @ rpm Par motor Máximo (Tabla 2 FASE I) SI
Piston
Description Descripción del pistón extra (Ej: Material, Número de anillos) NO
Compression
ratio Relación de compresión (Tabla 2 FASE I) NO
Number of
Cylinders Número de cilindros del motor (Tabla 2 FASE I) SI
Rod Lenght Longitud de la biela del motor (Tabla 2 FASE I) SI
Bore Diámetro externo del pistón (Tabla 2 FASE I) SI
Stroke Carrera del Pistón (Tabla 2 FASE I) SI
Displacement Desplazamiento (Tabla 2 FASE I) SI
Para #1-Four Stroke Otto/#3-Four Stroke Diesel: Pestaña WEATHER
Campo Información Obligatorio
Use Weather
Station
Mejor opción SIEMPRE seleccionar después de arreglar factor de
compensación por fricción SI
Calibrate Calibrar la estación meteorológica (Nunca hacerlo, tema de mantenimiento) NO
Enter Weather
Information
Manually
NO usar la estación (Opción no recomendada). Sólo pinchar para calibrar
compensación por fricción SI/NO
Air Temperature Temperatura ambiente (Determinado por la estación) NO
Absolute
Barometric
Pressure
Presión Atmosférica (Determinado por la estación) NO
Relative
Humidity Humedad relativa del aire (Determinado por la estación) NO
Final Correction
Factor SIEMPRE: OBSERVED SI
Wet Bulb Temperatura de bulbo húmedo (Determinado por la estación) NO
Dry Bulb Temperatura de Bulbo Seco (Determinado por la estación) NO
66
Altitude Altura de la ubicación de la prueba respecto al nivel del mar (Determinado por
la estación) NO
Local Barometer Presión barométrica local (Determinado por la estación) NO
Friction
Compensation SIEMPRE 0[%] SI
Use Fixed ME % NUNCA seleccionar SI
Para #1-Four Stroke Otto/#3-Four Stroke Diesel: Pestaña INERTIA
Campo Información Obligatorio
RPM-A
Momento polar de Inercia elementos girando a velocidad de motor
SI Utilizar Inertia Calculator para RPM-A según el tipo de motor (Ej: 6-cyl. 4.0
liter + 4-cycle)
RPM-B
Momento polar de Inercia Elementos girando a diferente velocidad del motor o
de los Dynos SI
SIEMPRE = 0 para vehículo MT
RPM-C
Momento polar de inercia de elementos rotando a velocidad de los
dinamómetros SI
Utilizar Inertia Calculator para RPM-C con la opción 2000 axle-hub pair AWD
per-axle SIEMPRE
Calculate Torque
With SIEMPRE #1 - Compensation On SI
Pro>> Opciones Extra NO
Para #1-Four Stroke Otto/#3-Four Stroke Diesel: Pestaña VEHICLE
Campo Información Obligatorio
Gear Ratio Si se utiliza pinza inductiva o sensor óptico SIEMPRE = 1 SI
VIN/Serial # Número de Chasis (Disponible en el SOAT del vehículo) NO
Description Información adicional del vehículo (Ej: Transmisión Modificada) NO
Automatically
approximate
Diveline Power
SIEMPRE debe estar seleccionada con el porcentaje particular del vehículo
(Si se ignora, entonces = 15[%]) SI
Driveline Power
loss - RPM-B Nunca modificar si se selecciona la casilla "Automatically" NO
Driveline % loss
- RPM-B Nunca modificar si se selecciona la casilla "Automatically" NO
Weight
Peso del vehículo CW + Conductor (Tabla 2 - FASE I)
SI Utilizar la herramienta Look up Weight & G's para el vehículo según
fabricante, modelo y año
Coast Down
Cost Down del vehículo (Tabla 2 - FASE 1)
SI Utilizar la herramienta Look up Weight & G's para el vehículo según
fabricante, modelo y año
Tire Diameter Diámetro de la rueda (Con la especificación de la Tabla 2 FASE 1 hacer el
cálculo) SI
Speedometer
Source SIEMPRE: #0- Shaft RPM SI
Acceleration
Source SIEMPRE: #0- Speedometer SI
Accelerometer
Pitch
Compensation
SIMEPRE: 0[%] SI
67
Pro>> Opciones Extra NO
Para #1-Four Stroke Otto/#3-Four Stroke Diesel: Pestaña FUEL
Campo Información Obligatorio
Calculate Fuel
Flow Method
SIEMPRE #0-Use Fuel A (A menos que se adapte el sistema de adquisición
del flujómetro a DYNO-MAX SI
Type and
Description
Si hay consumo de combustible involucrado SIEMPRE especificar (Ej:
Colombia Gasoline RON 87) SI/NO
Fuel Pressure Presión líneas de combustible (Registrar solamente si hay prueba de consumo) SI/NO
Specific Gravity Gravedad Específica del combustible (Registrar solamente si hay prueba de
consumo) SI/NO
Octane Octanaje del combustible utilizado (Registrar solamente si hay prueba de
consumo) SI/NO
AFR Source Canal para registro de relación Aire/Combustible (SIEMPRE #0 - Lambda
(O2) AFR Module) NO
Para #1-Four Stroke Otto/#3-Four Stroke Diesel: Pestaña IGNITION
Campo Información Obligatorio
Type and
Description
Descripción general del tipo de ignición (Ej: Spark Ignition 4 Stroke Gasoline
Engine) SI
Initial Advance Avance EN GRADOS inicial de la chispa NO
Final Advance Avance EN GRADOS final de la chispa NO
Plug Type Tipo de conector de la bujía NO
Plug Gap Tolerancia bujía NO
# OF Plugs/Cyl Número de bujías por cilindro SI
Coil/Magneto
Type Tipo de Bobina NO
Ignition Type Tipo de Ignición. Si el vehículo es a Gasolina: #0 - Spark Ignition; Diesel: #1-
Diesel SI
Para #1-Four Stroke Otto/#3-Four Stroke Diesel: Pestaña INDUCTION
Campo Información Obligatorio
Type and
Description Tipo de Alimentación del motor (Ej: Naturally Aspirated Gasoline Engine) SI
Calculate Air
Flow Method SIEMPRE #0- Use A SI
Carb/Intake
Type Tipo de admisión del carburador NO
Injector Tipo de Inyector NO
Map Description Descripción del MAP sensor NO
Throttle Body Flujo de Mariposa NO
Carb/Thr. Body
Model Tipo de Mariposa NO
Throttle
Diameter Diámetro de la Mariposa NO
Induction Type Tipo de Alimentación (Depende del vehículo) si es vehículo común a gasolina
#0-Normally Aspirated SI
Map #/ECU
Chip Controlador del MAP Sensor NO
Front Left,
Right; Back Diámetro por carburador de motor NO
68
Left, Right
# of
Barrels/Carbs,
Return/Bypass
Jet
Información adicional del motor (Ej: Inyección Modificada) NO
Para #1-Four Stroke Otto/#3-Four Stroke Diesel: Pestaña DYNO
Campo Información Obligatorio
Drive Ratio SIEMPRE = 1 (A menos que RPM - B ≠ 1) SI
Gear Ratio SIEMPRE = 1 si se usa pinza inductiva o sensor óptico para velocidad motor SI
Driveline
Power/% loss Nunca modificar (Determinados anteriormente) NO
Roll Dia Definido automáticamente NO
RPM Source
(Engine,
Absorber)
Si hay pinza inductiva o sensor óptico: #3- RPM-A, RPM-C; De lo contrario:
#1- RPM-C, RPM-C SI
Torque Source SIEMPRE: #0- DYNOmite Board SI
Dyno Power
Loss - RPM-B SIEMPRE: 8 [HP] SI
Dyno % loss -
RPM-B SIEMPRE: 0.2[%] SI
Vehicle Speed
Factor
NUNCA modificar (Determinado automáticamente con Define Dyno
Configuration) NO
Set RPM-A
Pulses NUNCA modificar NO
Para Pestaña DYNO: Campo Define Dyno Configuration
Campo Información Obligatorio
RPM Source
(Engine,
Absorber)
Si hay pinza inductiva o sensor óptico: #3- RPM-A, RPM-C; De lo contrario:
#1- RPM-C, RPM-C SI
Tire Diameter Diámetro de la rueda (Con la especificación de la Tabla 2 FASE 1 hacer el
cálculo) SI
Dynamometer
Configuration
Si es prueba con 2 módulos: #5 2WD Axle-Hub Dyno; 4 Módulo: #8 4WD
Axle-Hub Dyno SI
Other fields NO MODIFICAR NADA MÁS SI
Para #7-Transmission: Pestaña TRANSMISSION
Campo Información Obligatorio
Make Fabricante de la transmisión del vehículo (Ej: Ford) SI
Model Modelo de la transmisión del vehículo (Ej: Ford 5R55E) SI
Serial Number Número de serie de la transmisión NO
Description Determinar si es MT, AT y si es FWD, RWD, 4WD, AWD SI
Converter/Clutch Si es MT: Clutch; Si es AT: Converter SI
Transmission
Type Si es MT: #1Standard with Clutch; Si es AT: #0 – Automatic with Converter SI
Stall Speed Determinar dependiendo del tipo de transmisión SI/NO
Number of Gears Número de cambios (Tabla 2 FASE 1) SI
Transmission
Ratio Relación de cada cambio (configurar según Tabla 2 FASE 1) SI
Tabla 12. Metodología Configuración Archivo de corrida para prueba de potencia neta.
69
En la Figura 4, se observa la ventana de configuración de corrida y en la Figura 5 un
ejemplo de la consola de pruebas con la que se controla la ejecución de la prueba:
Figura 4. Ventana de Configuración de Corrida DYNO-MAX 2010
Figura 5. Ejemplo de Consola de Control de prueba DYNO-MAX 201070
Continuando, Los otros 4 archivos de configuración (.dmp; .daq; .ato; .rpd) deben quedar
tal como los entrega por defecto el programa al cargar el ambiente de trabajo Default.env. Teniendo
en cuenta esta información, el ambiente debe quedar configurado de la siguiente forma genérica:
Amortiguamiento de señales = Default1.dmp
Consola – Display = Universidad de Los Andes.dp3
70
OJO: NO es la consola actualmente diseñada y adaptada para las pruebas de potencia neta en la Universidad de Los Andes.
70
Configuración Gráfica = Universidad de Los Andes.gph
Lista de Fórmulas = Universidad de Los Andes.for
Configuración de Corrida (Vehículo) = Universidad de Los Andes MARCA MODELO AÑO AT/MT.ifo
Adquisición = DYNOmite-Pro Board ID 1.daq
Prueba Automática = Default.ato
Formato de Reporte = Default.rpd
Para cargar el archivo deseado en el ambiente de trabajo, basta con dar click en la barra
correspondiente y, en el cuadro de diálogo, seleccionar el indicado según la información anterior.
Claramente, este es el último paso y debe hacerse una vez terminado el proceso de creación de los
archivos y siguiendo las instrucciones dispuestas en los tutoriales visuales asociados.
Finalmente, la última parte de la configuración del software (Configuración electrónica de
la prueba de potencia neta) debe hacerse una el día de la prueba una vez teniendo el vehículo
instrumentado y el hardware de los dinamómetros completamente instalado, por lo que se deja al
final de este documento en la sección 5.1.
4. Alistamiento Vehículo de Pruebas y Equipos
Una vez teniendo la configuración previa del software, se da inicio a la etapa de
alistamiento. Se recomienda seguir lo más estrictamente posible las indicaciones aquí consignadas,
de tal forma que se garantice un montaje óptimo de la prueba. En este punto, se asume que se tiene
total disposición y acceso al vehículo de pruebas.
4.1. Alistamiento-Revisión Funcional Vehículo de Pruebas Previamente a la Prueba
El vehículo de pruebas a evaluar DEBE estar en condiciones aptas para una prueba de
potencia neta con resultados válidos. Debe ser un vehículo cuyos sistemas y elementos mecánicos,
así como su sistema eléctrico y/o electrónico (dependiendo del modelo) estén funcionando
correctamente71
y por ende desempeñe eficientemente las tareas de movimiento mecánico y
transporte (ya sea de carga o de pasajeros) y que se encuentre dentro de la normativa colombiana
vigente a la fecha.
A continuación, los puntos funcionales a revisar antes de proceder a instrumentar el
vehículo:
Revisar presión de inflado y estado de las llantas: Aunque las llantas no se tienen en
cuenta durante la prueba de potencia neta, la presión de inflado72
y el estado de las llantas
son un indicador rápido del estado de mantenimiento del vehículo. Nota: En algunos
vehículos se presenta fuga de lubricante de los rodamientos del cubo. En este caso es
necesario contactar al fabricante del vehículo para revisión.
71
Correctamente, no significa que el vehículo debe tener motor nuevo o estar en el mejor punto de desempeño de su vida útil. 72
Generalmente, la presión de inflado para automóviles y SUV’s de baja carga oscila entre 30-50[psi].
71
Número de Tuercas y Estado de Pernos: Indispensable que las tuercas de los pernos de las
cuatro ruedas estén completas y en buen estado73
, al igual que los pernos. Teniendo en
cuenta restricciones de la Tabla 1 de la FASE I, se deben entonces tener 20 ensambles
perno/tuerca.
NO Fugas de líquidos visibles: Basta con revisar la superficie del suelo posterior a un
periodo de parqueo superior a 1[hora]. Posibles fugas: Combustible, Agua, Líquido
Refrigerante, Líquido de Frenos, Aceite Motor, Aceite Transmisión (Valvulina), Aceite
Hidráulico. Igualmente, revisar los niveles de cada uno de los fluidos mencionados. Nota:
Para esta revisión NO DEBE ESTAR ENCENDIDO EL SISTEMA DE AIRE
ACONDICIONADO del vehículo.
Guayas en buen estado: Dependiendo de la tecnología del vehículo, verificar que la guaya
del capó, tapa de combustible y baúl funcionen correctamente. En caso contrario,
asegurarse de identificar la forma empírica de abrir dichos seguros y sobretodo de
poderlos volver a asegurar correctamente.
Correcta Ignición y Estabilidad de Ralentí: El vehículo debe encender en el primer intento.
Sin embargo, dependiendo de la temperatura del motor, la ignición debe suceder máximo
en el tercer intento. De cualquier forma, después de los 5[s] posteriores al encendido, se
debe tener una condición estable para el ralentí74
. Si el motor evaluado es Diesel, es
posible que el tiempo de estabilización sea mayor, sin embargo, generalmente no supera
los 10[s].
Gases de Escape Corrientes: Revisar que el vehículo no exhorte gases constantemente. En
el caso de motores a gasolina, es normal apreciar humo negro o gris posterior a la ignición
en motores fríos, sin embargo éste debe parar brevemente. En el caso de motores Diesel,
se va a encontrar humo blanco y tardará un poco más en desaparecer, sin embargo,
también debe parar. En Colombia se puede comprobar que tenga el certificado de gases.
Estado de la Batería: El hecho que el vehículo encienda, no garantiza que la batería esté en
facultades de soportar una prueba de potencia neta. Para ello, en el caso de motores a
gasolina en caliente, apague y encienda el vehículo un mínimo de 5 veces con intervalos
de no más de 1 [min]. Para motores Diesel NO HACER ESTA OPERACIÓN, pues se
compromete la integridad del motor y del turbocargador (para motores turbo-Diesel).
Bloqueo Central: Tener conocimiento de cómo activar y desactivar el bloqueo central del
vehículo, pues durante la prueba es posible que éste se active e impida el desarrollo de la
misma.
73
Debe poderse leer el cuadrante y que por ningún motivo estén “Robadas” o “Barridas”. 74
Dependiendo del motor de cada vehículo de uso corriente, generalmente éste se encuentra entre 600-1200[rpm].
72
Chequeo de Transmisión y Embrague: En caso de los vehículos MT, conducir el vehículo
en cada cambio (incluyendo reversa) llevándolo hasta las rpm de par motor y de potencia
(Tabla 2 Fase I), verificando que el embrague enganche y desenganche correctamente75
.
En caso contrario, el embrague o la guaya del mismo no están en condiciones para la
prueba.
En el caso de los vehículos AT sin transmisión secuencial, llevar a cabo la misma
verificación para la posición 1st, 2nd, 3th (dependiendo del modelo), D, R. Igualmente
verificar que N y P cumplan sus funciones correctamente.
Para vehículos AT con transmisión secuencial con la opción HOLD, llevar a cabo mismo
análisis que para vehículos MT enganchando el cambio deseado y presionando HOLD.
Para vehículos AT con transmisión secuencial sin la opción HOLD, identificar las rpm en
las que el vehículo sube el cambio (generalmente se hacen a potencia a menos que se
active alguna función de ahorro de combustible o seguridad), así mismo identificar los
límites de rpm para los que el vehículo permite bajar el cambio.
Recalentamiento: Revisar que el motor del vehículo no se recaliente. Sin embargo, al no
encontrar fugas de refrigerante o agua, es de esperarse que el circuito de refrigeración esté
operando correctamente. Igualmente, verificar que el ventilador del condensador esté
funcionando adecuadamente.
Frenos: Revisar que los frenos del carro estén operando correctamente. Para esto, basta
con realizar un circuito de manejo sencillo a velocidades corrientes (más 30[km/h]) y
verificar que el vehículo está en la capacidad de frenar.
Suspensión: Pasar el vehículo por un resalto prestando atención a golpes y ruidos no
convencionales. Verificar que los amortiguadores no estén explotados y que los resortes o
ballestas (vehículos grandes) no estén fisurados o quebrantados.
Sistema de Combustible: Si el vehículo es a gasolina pero se le ha adecuado sistema de
combustible a base de gas natural vehicular, asegurarse de saber cómo seleccionar que se
opere a gasolina.
4.2. Montaje Vehículo de Pruebas en Dinamómetros de Cubo 2000 AWD Axle Hub
El montaje del vehículo en los dinamómetros es el procedimiento que debe ser desarrollado
con la mayor precaución posible, pues está en riesgo la integridad del personal, del vehículo y de
los equipos que intervienen en la operación. Por esta razón, a continuación se establecen los pasos
que deben ser seguidos en el orden descrito y la mayor ATENCIÓN posible (Nota: Es obligatorio
remitirse al Tutorial (García L. A., Montaje Vehículo en Dinamómetro de Cubos, 2013) y
complementar la metodología descrita con los numerales dispuestos en este documento):
75
Si se salta el cambio, o la palanca se devuelve a neutro o es demasiada la fuerza para enganchar.
73
NO CONECTAR ningún cable ni de datos ni de alimentación de los dinamómetros. El montaje
del vehículo DEBE hacerse con los dinamómetros apagados y sin alistamiento previo de los
mismos.
Ubicar SIEMPRE la(s) unidad(es) principal(es)76
de la pareja de dinamómetros en el costado
izquierdo del vehículo.
Asegurarse de aflojar las tuercas de la llanta (con la llave de cruceta) antes de gatear el
vehículo. O en su defecto, si el vehículo es de tracción trasera, asegurarse de activar el freno de
parqueo si el vehículo ya se encuentra en el aire, y si es de tracción delantera, mantener
oprimido el pedal del freno. IMPORTANTE: JAMÁS pararse en la llave de cruceta para aflojar
las tuercas y siempre utilizar llaves de cruceta con 2 puntos de apoyo, con el fin de no dañar
el cuadrante de la tuerca y tener que dar por terminada la prueba antes de iniciarla.77
Gatear rueda IZQUIERDA del eje impulsor en el que se quieren instalar los dinamómetros.
JAMÁS apoyar el gato hidráulico en puntos no rígidos del vehículo como las ballestas,
semiejes, tanque de combustible entre otros.
Una vez gateada la llanta, ubicar 1 Gato Torre debajo de un punto rígido del chasis del
vehículo. Dependiendo de la relación de alturas entre chasis y gato torre, éste último se puede
apoyar en el balancín delantero de las ballestas de la suspensión trasera (en dado caso que el
vehículo tenga).
Terminar de desacoplar la rueda de los cubos de la suspensión del vehículo, teniendo atención
al repositorio de las tuercas. Generalmente, las ruedas de vehículos que cumplen las
restricciones actuales de infraestructura son ruedas pesadas, por lo que se necesita personal con
facultades para manipular carga, ya que se pueden afectar los pernos si la rueda se retira de
forma incorrecta.
Ubicar la llanta en una zona que no interfiera con los componentes de la célula de prueba.
Tomar el acople de aluminio de los dinamómetros y ensamblarlo en el cubo campana del
vehículo de pruebas (Nota: Estos acoples ahora juegan el papel de la llanta del vehículo) como
se muestra en la Figura 6.
76
La unidad principal se reconoce si al pararse de frente mirando contra el eje del dinamómetro, el brazo mayor de la base está hacia la derecha del observador. Siendo el caso contrario para la unidad secundaria, en donde el brazo mayor estaría hacia la izquierda del observador. 77
Se asume que la herramienta utilizada está en buen estado, puesto que en algunas ocasiones una herramienta defectuosa termina por afectar fuertemente el elemento. Revisar cuadrante de la cruceta antes de forzar.
74
Figura 6. Ensamble Adaptador – Cubo campana vehículo.
Ajustar el adaptador al cubo campana del vehículo utilizando las mismas tuercas de la llanta,
terqueándolas con el mismo valor de fábrica para las ruedas (Tabla 2 – FASE I). Para esto,
utilizar el Torquímetro de la herramienta solicitada.
Si las tuercas originales no permiten el ensamble del cubo campana con el adaptador, toca
buscar tuercas en el mercado que se ajusten dimensionalmente. JAMÁS afectar la integridad de
los adaptadores de aluminio.78
Una vez ensamblado el adaptador al eje, girar éste último MANUALMENTE (nunca con el
vehículo prendido!) para evidenciar cualquier tipo de interferencia o desajuste del ensamble. Lo
ideal es que el conjunto pueda rotar libremente.
Desplazar el módulo dinamométrico hasta que el centro de cara del eje del dinamómetro y del
vehículo (Figura 7) queden en el mismo eje longitudinal.
Figura 7. Cara eje dinamómetro y el eje longitudinal.
78
Muchas veces da la tentación de pasarle una broca. NO LO HAGA, así eso signifique la imposibilidad de realizar la prueba.
75
Claramente la altura del eje del vehículo no va a coincidir con la altura del eje del dinamómetro,
por lo que es necesario que, con la ayuda del gato hidráulico que aún está en posición, se
modifique esta altura hasta que ambas caras queden perfectamente alineadas.
En este punto, se ensambla la cara externa del adaptador (actualmente ajustado con el cubo
campana del vehículo) con la cara eje del dinamómetro. Para esto, se utilizan los 5 pernos de
referencia ½ [in] 13 UNC Grado 8, enroscando desde afuera hacia adentro del vehículo, de tal
forma que la cabeza de los mismos quede mirando hacia el módulo dinamométrico.
Con el Torquímetro, asegurar dichos pernos a 47.45 [Nm], utilizando el Torquímetro. El
montaje debe ir quedando según se muestra en la Figura 8.
Figura 8. Ensamble Dinamómetro-Eje vehículo.
Una vez hecho el ensamble, retirar lentamente el gato hidráulico hasta que la carga del vehículo
quede sostenida por el módulo dinamométrico. En este procedimiento NO DEBE suceder nada
extraño, como que se levante el módulo o se aprecie alta deformación por flexión
Una vez liberado el gato hidráulico, es necesario verificar que el compensador de camber del
dinamómetro79
no se encuentre ni en el límite superior ni en el límite inferior (Figura 9).
Figura 9. Indicador compensador de camber.
79
Esquina inferior izquierda de la parte trasera del módulo dinamométrico.
76
En caso que el indicador de camber alcance alguno de los límites, montar las ruedas del
dinamómetro en cuñas de madera para nivelar la carga, hasta que el indicador se encuentre en
alguna posición intermedia.
Repetir la totalidad de los pasos anteriormente mencionados para la instalación de cada uno de
los módulos requeridos para la prueba. En el caso de pruebas para los dos ejes (4 módulos)
comenzar con la llanta TRASERA IZQUIERDA, luego trasera derecha, delantera izquierda,
delantera derecha. NUNCA montar los dos módulos de un sólo lado primero, esto para evitar
excesivo camber en los dinamómetros.
En la Figura 10, se presenta un esquema de cómo debe quedar el montaje:
Figura 10. Esquema general de vehículo en dinamómetro de cubo para pruebas en 1 Eje.
4.3. Alistamiento Dinamómetros de Cubo 2000 AWD Axle Hub
Teniendo en cuenta la lista de partes y accesorios de la Tabla 9 del presente documento, y
teniendo montado el vehículo de pruebas en los módulos, se procede al alistamiento del hardware
de los dinamómetros de cubo. Atención: Todos los procedimientos que involucren conexiones
eléctricas, por motivos de seguridad DEBEN ser llevados a cabo por el técnico mecánico-
eléctrico capacitado. NUNCA debe hacerlo un estudiante.
Identificar y separar cables de datos (todos los que no tengan clavijas) de los cables de energía
(Cable de alimentación principal, Alimentación módulo secundario, Ventiladores).
De cada pareja de módulos dinamométricos, solamente la unidad principal se conecta a la red
según los requerimientos eléctricos planteados en la Tabla 5, mientras que la unidad secundaria
es alimentada por la primaria.
Se recomienda primero instalar cables de datos y posteriormente cables de energía, buscando
que NUNCA tengan contacto, pues la fuerza electromotriz asociada a la situación es de
magnitud tal que entorpece las señales del controlador y limita el alcance de la prueba.
Utilizar tubería PVC como aislante de interferencia FEM para los cables de datos.
Todos los cables (datos y energía) DEBEN pasar por debajo del vehículo pegados al suelo y
entre ejes. De esta forma se garantiza que NUNCA estén cerca de elementos móviles (ejes,
cárdan) ni de componentes que operen a altas temperaturas (Exhosto, motor etc…).
77
Se recomienda utilizar la pinza inductiva RPM-A que viene como accesorio de los
dinamómetros de cubo. Posteriormente, es necesario hacer la calibración de la misma según
metodología propuesta en la sección 5.2.
Para efectos prácticos, la metodología de instalación y alistamiento debe hacerse de acuerdo al
Tutorial visual (García L. A., Montaje Vehículo en Dinamómetro de Cubos, 2013) y
complementar la metodología descrita con los numerales dispuestos en este documento).
Recordar que una vez se tenga montado tanto el vehículo como el hardware de los
dinamómetros de acuerdo a los lineamientos del Tutorial, se debe encender el vehículo, soltar el
freno de parqueo y, en la marcha más alta (ojalá 5ta-4ta), acelerar el vehículo progresivamente
hasta alcanzar una velocidad crucero de 80[km/h] sosteniéndola durante al menos 2[min]. Esto
con el fin de garantizar que el montaje permite la correcta rotación del eje y que ninguno de los
dos sistemas enlazados está sufriendo cargas inusuales.
En el caso de los vehículos con transmisión automática, igualmente seleccionar la marcha más
alta que no sea Drive y lentamente soltar el freno.
OJO: Si se observa que un dinamómetro gira y el otro no, y teniendo en cuenta que se va a una
baja velocidad, no hay de qué preocuparse, pues el efecto se le atribuye al diferencial. Este
fenómeno pasa muy a menudo en vehículo de transmisión automática. La mejor verificación es
acelerar ligeramente y verificar que comiencen a girar ambos dinamómetros. Si se superan los
15[km/h] y no se soluciona la situación, detenga el vehículo y revise el montaje.
4.4. Alistamiento Extractor de Gases y Ventilador de Enfriamiento de Motor
Los últimos dos equipos de la célula de pruebas a alistar son el extractor de gases y el
ventilador de enfriamiento, según la metodología propuesta a continuación:
Abrir el capó del vehículo de pruebas y SIEMPRE tenerlo abierto durante la prueba de
potencia, con el fin de disminuir el riesgo de calentamiento.
Conectar a la fuente eléctrica el ventilador de enfriamiento (según especificaciones de la
Tabla 5 del presente documento).
Posicionarlo de frente la parrilla del vehículo a una distancia de 1.5[m], de tal forma que el
flujo de aire del ventilador tenga efecto positivo de refrigeración en el radiador del
vehículo. Es de suma importancia el ventilador, puesto que el vehículo se estará probando a
condiciones equivalentes de operación en carretera pero sin estarse desplazando
linealmente, por lo que el motor tenderá a recalentarse. En la FASE III – Ejecución se
especifica tiempos de prueba.
Siempre mantener encendido el ventilador, así el motor del vehículo esté apagado.
78
Llevar a cabo la conexión eléctrica trifásica del extractor de gases según los requerimientos
energéticos mencionados en la Tabla 5 del presente documento.
Conectar la manguera de extracción, con ayuda de las arandelas metálicas, a la salida del
extractor y al punto de conexión del sistema de extracción mecánica de la sede donde se
esté desarrollando la prueba. Esta conexión DEBE estar completamente sellada y no
permitir ninguna filtración de gases, al igual que la manguera nunca debe disponerse con
ángulos agudos, puesto que la temperatura de los gases puede generar rompimiento.
Posicionar el embudo de succión del extractor de gases a 0.2[m] de la boca del exhosto del
vehículo de pruebas. NUNCA meter el exhosto en el embudo de extracción!
Siempre mantener encendido el extractor de gases, así el motor del vehículo esté apagado.
En la Figura 11, se presenta un esquema de la disposición general de la célula de pruebas
para un montaje de 4 módulos:
Figura 11. Esquema general del montaje de la célula de pruebas.
79
Un montaje real, se presenta en la Figura 12:
Figura 12. Ejemplo de Vehículo de pruebas en célula dinamométrica.
5. Funcionalidad y Ajustes In-Situ Software
Una vez teniendo el vehículo montado en los dinamómetros e instrumentado dependiendo
de los requerimientos de la prueba, el paso final del alistamiento se enfoca a la configuración In-
Situ del sistema de adquisición de datos, partiendo de verificar que la instrumentación opere
correctamente y sea posible dar pie a la fase de ejecución
5.1. Software DYNOMAX 2010 (Dinamómetros de Cubo)
Por último, hay que configurar los controladores del software DYNO-MAX de acuerdo a la
prueba de potencia neta a desarrollar. En este punto del protocolo, se asume que ya el vehículo está
montado en los dinamómetros y el hardware de los mismos está correctamente instrumentado.
5.1.1. Configuración Electrónica Prueba de Potencia Neta
La configuración electrónica de la prueba de potencia neta, DEBE implementarse el día
de la prueba, siguiendo la metodología que se presenta a continuación80
(Nota: Se reitera que todo
este protocolo está enfocado hacia una prueba de potencia neta en estado estable, por lo que la
metodología de configuración es para dicho tipo de prueba en particular.):
Abrir el software DYNO-MAX
Cargar los archivos de configuración del ambiente de trabajo en caso que la configuración
previa del software se haya hecho en otro computador.
Conectar la tarjeta de adquisición DYNOmite Pro-Board I al computador DELL XFR Latitude
utilizando el puerto USB.
80
Obligatorio remitirse al tutorial (García L. A., 8. Tutorial DYNO-MAX - configurar prueba, 2013)
80
Antes de abrir una nueva corrida, entrar en la pestaña “Electronics”, opción “Communication
Ports Setup”.
Seleccionar tarjeta DYNOmite ProBoard 1. En efecto, si es una prueba para un sólo eje y se ha
conectado únicamente una pareja de dinamómetros, ésta será la única opción disponible en la
ventana de selección.
Verificar que el puerto COM, corresponda al serial de entrada del puerto USB.
Poner un BAUD RATE = 115,200 que es un valor suficiente para una tasa de muestreo de
200[Hz] (Land & Sea Inc., 2010)
El cuadro de diálogo del communication ports setup debe quedar tal como se presenta en la
Figura 13. (el COM es variable):
Figura 13. Configuración de comunicación DYNO-MAX
Al dar click en OK, el software intenta conectarse. Si la conexión se logra correctamente, se
debe desplegar un mensaje que diga “CHANGE WAS CONFIRMED CLOSING PORT PLEASE
WAIT”
En la interfaz principal de DYNO-MAX, presionar (F12) o abrir una nueva corrida.
Verificar que la información de la configuración de la corrida según la Tabla 12, sea la misma
que se había asignado en la configuración previa del software.
Nuevamente dar click en la pestaña “Electronics”, pero esta vez click en la opción “Configure
DYNOmite Controls”.
Para una prueba en estado estable, seleccionar HOLD ENGINE RPM
81
En DEVICE: #1 EDDY CURRENT BRAKE”
INITIAL HOLDING POINT: Poner el valor inicial al que se quiere mantener la velocidad del
motor. Esto depende del tipo de barrido que se haya propuesto en la etapa de configuración de
la prueba.
Inicialmente, se propone ACTIVAR la función SMART LOAD ASSISTANT (Poner carga
gradualmente al vehículo y no de un sólo golpe). Es necesario evaluar esta opción, y en caso de
no obtener resultados satisfactorios, desactivar la opción y la carga se aplicará de forma directa
al eje del vehículo.
Seleccionar GAUGE#5 (Analog)-RPM. O la señal que corresponda a la velocidad del motor
RPM – A.
En las variables del controlador poner: GAIN = 12; DRIFT = 16; RATE = 12 inicialmente. En
caso de necesitar ajustar parámetros de controlador, remitirse a (Land & Sea Inc., 2010).
Seleccionar la casilla GENERATE AUTO – TEST HOLD POINTS AT 10Hertz (Default)
En el campo Min. Hold RPM-C = 0 poner un valor de cero.
Campos SCALE = 4000 y SET MIN SERVO% = 0% (Land & Sea Inc., 2010)
Dar OK. Los cambios únicamente se salvan si hay comunicación efectiva entre el software y la
tarjeta de control.
En la interfaz base de DYNO-MAX (aún con la nueva corrida abierta) presionar (F11) para
entrar a la consola de visualización.
OJO: Debe estar en TESTING MODE y NUNCA EN DEMO MODE. Revisar que en la
pestaña “Tools” no esté seleccionada la opción “Activate Demo-Mode Simulation”.
En la consola, poner un DATA RATE = 200,000 [Hz]
Seleccionar STATUS = Ready (Black Box)
Encender el vehículo para llevar a cabo la calibración de canales de interés. En este momento es
necesario consultar el Tutorial (García L. A., 7. Tutorial DYNO-MAX - Calibración Canales,
2013)81
.
81
OJO. Verificar siempre la calibración del canal RPM-C de acuerdo a la configuración de interés. Información específica en (Land & Sea Inc: DYNO-MAX, 2010)
82
SIN Minimizar la consola de visualización nuevamente ir a la pestaña “Electronics” y
seleccionar la opción “Calibrate DYNOmite Channels”. En la Figura 14, se evidencian las
pestañas de interés a modificar. Las que no se encuentran enmarcadas NO DEBEN SER
MODIFICADAS
Figura 14. Canales de interés DYNO-MAX
En la Figura 14, para una prueba de potencia neta corriente, sólo es necesario configurar la
pestaña ENGINE RPM-A y verificar la pestaña ABSORBER RPM-C, que para este caso hace
referencia a la señal correspondiente a la pinza inductiva de velocidad del motor.
En esta pestaña, si se está trabajando con un motor a 4 tiempos, que es lo esperado, seleccionar
la opción RPM PULSES/REV = ½ para RPM-A y RPM PULSES/REV=1 para RPM-C
Frequency 1: Engine RPM-A
Seleccionar opción ROTATION
Con el vehículo encendido, verificar que la velocidad de rotación del motor según el tacómetro
corresponda a la mostrada en la consola de visualización. Debido a que generalmente los
tacómetros tienen una escala muy amplia, llevar un proceso de calibración induce fuentes de
error. Por ello se propone que (apagando el vehículo), se instale un marcador en el volante del
motor, correa de repartición al algún elemento que gira a velocidad del volante del motor que
sea de fácil visualización y, con ayuda del estroboscopio, determinar la velocidad de rotación
real del motor. Todo esto con el fin de minimizar la fuente de error.
En este momento, con el vehículo encendido, verificar que las RPM de ralentí correspondan a
las mostradas en la consola. En caso contrario, girar la perilla de calibración de la pinza
83
inductiva hasta obtener el valor más acertado posible en relación con la información mostrada
por el estroboscopio.
Verificar para 1500[rpm], 2000[rpm], 3000[rpm] y 3500[rpm]
En caso que ya se haya llegado al extremo de la perilla de calibración y aun así no se obtengan
valores acertados de velocidad del motor, en la ventana de configuración de canales
DYNOmite, presionar el botón “Edit Trigger Voltage” y en el cuadro de diálogo verificar que
el voltaje de trigger = 4 (Land & Sea Inc., 2010)
Si para un voltaje de trigger de 4 no se obtiene la señal deseada, comenzar a disminuirlo
paulatinamente. Se espera que no baje de 3.7
Al obtener la calibración deseada, dar click en DONE y en aceptar.
En la consola de visualización dar click en HOLD
Y Finalmente dar click en ZERO: El valor de Torque debe quedar en cero.
READY TO GO!
84
FASE III
EJECUCIÓN
Metodología de Ejecución Prueba de Potencia Neta en Estado Estable
En esta sección se presenta la metodología a seguir teniendo en cuenta el tipo de prueba
proyectada según la Figura 1 de la FASE II. De esta manera, y siguiendo los lineamientos de (SAE
International, 2008), únicamente se presenta la metodología para prueba de potencia neta en Estado
Estable sin consumo/economía de combustible y con énfasis en vehículos con transmisión mecánica
(MT)82
. Igualmente, es un protocolo aplicable ya sea en las instalaciones de la Universidad de Los
Andes, sede con infraestructura o en condición On Road (tema trabajado principalmente en FASE II
– Alistamiento). La FASE III – Ejecución es independiente de la ubicación de la misma, así que no
se hará distinción según ésta.
En este punto, se parte del supuesto que se han seguido y aplicado correctamente la FASE I
y FASE II, lo que deja como resultado que ya el vehículo de pruebas está montado en los
dinamómetros de cubo y el software de los mismos está completamente configurado. Así mismo, se
da por hecho que se conoce qué es una prueba de potencia neta en estado estable.
1. Estrategia de Desarrollo
La Figura 15, propone el esquema primario de la estrategia de desarrollo, que ciertamente
evidencia las opciones de mayor viabilidad para enfrentar una prueba de potencia neta:
Figura 15. Estrategia Primaria de Desarrollo.
Como se puede observar en la Figura 15, dependiendo del tipo de transmisión del vehículo,
la estrategia de desarrollo de la prueba DEBE cambiar. Evidentemente, la condición IDEAL es un
82
Igualmente, se hace referencia general sobre ejecución de pruebas en vehículos AT.
85
vehículo de transmisión manual (o en su defecto un vehículo de transmisión automática de caja
secuencial con la opción de HOLD), pues de esta forma es posible tener control directo.
Teniendo clara las condiciones de la transmisión, los siguientes numerales enuncian la
metodología para la correcta configuración de barrido para vehículo MT83
. La configuración de
un barrido tiene dos etapas: Selección marcha y puntos de medición.
Construir obligatoriamente la curva de par motor y opcionalmente la de potencia.
SIEMPRE comenzar con la construcción de la Curva de Par Motor.
Identificar velocidad del motor a la que se obtiene tanto potencia máxima como par motor
máximo, pues son los puntos de mayor interés del barrido.
Dependiendo de la caja de transmisión del vehículo y de la capacidad del motor (Tabla 2 – Fase
I), seleccionar el cambio más apropiado para hacer la medición experimental.
Si el motor es a gasolina (motor corriente sin modificaciones especiales) y su capacidad es
menor a 2000[cm3], es posible realizar mediciones en alguna marcha desde 2da hasta 4ta,
evitando seleccionar cambios muy planos (Ej: 5ta ó 6ta).
Si el motor es a gasolina (motor corriente sin modificaciones especiales) y su capacidad es
mayor o igual a 2000 [cm3], se recomienda realizar mediciones en alguna marcha desde 3ra
hasta 5ta, evitando cambios mayores.
Si el motor es Diesel Turbocargado84
, independientemente de su capacidad (generalmente entre
2000 – 4000 [cm3] ), realizar mediciones en alguna marcha desde 3ra hasta 5ta, nuevamente
evitando tomar cambios muy planos.
NUNCA tomar el cambio más alto (más plano) de la caja de transmisión. Procurar evaluar uno
o dos cambios anteriores dependiendo de la configuración de la misma. (Ej: Vehículo con 5
cambios, evaluarlo en 3ra o 4ta).
NUNCA tomar el cambio más bajo de la caja de transmisión (1ra marcha). Procurar evaluar al
menos a partir de dos cambios por encima (3ra, 4ta).
Nota: Se recomienda, independientemente del tipo y relaciones de transmisión del
vehículo, comenzar la prueba en 3ra o 4ta marcha, y dependiendo de la efectividad en las
mediciones, reevaluar esta condición.85
83
Manual Transmission (Transmisión Manual) 84
Por cuestiones de generalización, se asume que los vehículos con motores Diesel que satisfacen las restricciones propuestas en la FASE I, son turbocargados. 85
Eventualmente, se tendrán vehículos de transmisión Automática no secuencial que únicamente garantizan el HOLD hasta 2da marcha. En este caso, hacer prueba piloto en dicha marcha y para altas velocidades del motor.
86
Por el lado de los puntos de medición:
Teniendo presente el valor de ralentí del motor (generalmente inferior a 1300[rpm] en vehículos
no modificados), determinar el punto de medición inicial. Si el ralentí es menor a 1000[rpm], el
punto inicial debe ser a partir de 1500[rpm]. En caso que el ralentí esté entre 1000-1300[rpm],
se recomienda comenzar el barrido a partir de 1800[rpm].
En la zona de bajas revoluciones (cerca de ralentí) no es recomendable configurar el freno de
los dinamómetros. Se recomienda siempre dejar una diferencia mínima de 500[rpm] entre
ralentí del vehículo y punto inicial de medición.
Generalmente, la velocidad de motor para obtener potencia máxima (punto de mayor interés en
la curva de potencia) está por encima de las 3000[rpm] por lo que se aconseja, a partir del
primer punto de medición, seleccionar velocidades de motor con un intervalo de 500[rpm].
Cuando se esté en el múltiplo de 500[rpm] inmediatamente anterior al punto de máxima
potencia, disminuir el intervalo haciendo especial énfasis en éste, tomando mediciones en dos
puntos cercanos anteriores y dos posteriores al mismo. Entiéndase con cercano un intervalo de
máximo 250[rpm] e idealmente 100[rpm], de tal forma que si el punto de potencia máxima es
4400[rpm], los puntos de medición de zona de máxima potencia (refinamiento) 4200, 4300,
4400, 4500 y 4600 [rpm].
Inmediatamente después, continuar con el mismo intervalo de 500[rpm] reanudando el conteo a
partir del siguiente múltiplo de 500[rpm] respecto al último punto de medición de importancia y
hasta un máximo de 6500[rpm].
Como ejemplo, supóngase un motor con potencia máxima de 4400[rpm] y ralentí 900[rpm].
Los puntos de medición correctos para la construcción de la curva de potencia serían:
De igual manera, teniendo en cuenta la Figura 15 del presente documento, se debe trabajar
sobre la construcción de la curva de par motor dependiendo del tipo de transmisión del
vehículo, sin olvidar hacer refinamiento en intervalo de puntos de medición circundantes a la
velocidad de par motor máximo.
87
Dado que el protocolo de pruebas está enfocado principalmente para vehículos con transmisión
manual, es recomendable hacer 3 BARRIDOS siguiendo los lineamientos mencionados
anteriormente86
:
- Barrido No. 1 – Barrido General: Partiendo 500[rpm] por encima del valor constante de
ralentí, tomar mediciones cada 500[rpm] hasta 4500 [rpm], sin tomar zonas de refinamiento
debido a potencia o par motor.
- Barrido No. 2 – Curva de Potencia: Partiendo de 500[rpm] por encima del valor constante
de ralentí, tomar mediciones cada 500[rpm] hasta 500[rpm] por encima del punto de
máxima potencia, tomando una porción de refinamiento para dos puntos anteriores y dos
puntos posteriores a la velocidad de motor correspondiente a dicho punto, de intervalos de
máximo 100[rpm].
- Barrido No. 3 – Curva de Par Motor87
: Partiendo de 500[rpm] por encima del valor
constante de ralentí, tomar mediciones cada 500[rpm] hasta 4500[rpm], tomando una
porción de refinamiento para dos puntos anteriores y dos puntos posteriores a la velocidad
de motor correspondiente a par motor máximo, de intervalos de máximo 100[rpm].
Nota: Dependiendo del tiempo y recursos disponibles para la prueba (así como de la
transmisión del vehículo en cuestión), es posible obviar el Barrio No. 2, Sin embargo, si este es el
caso, se sugiere evaluar la posibilidad de incluir en el Barrido No. 1, el punto de velocidad de motor
para potencia máxima.
IMPORTANTE: Teniendo en cuenta los lineamientos de la norma SAE J-1349, para que cada
punto de construcción sea válido, es necesario mantener un régimen de velocidad de motor
constante al menos durante 60 [s]88
.
2. Ejecución
Una vez teniendo clara la estrategia de ejecución, es hora de llevar a cabo la prueba. Para
ello, hay que aplicar la siguiente metodología:
Configurar el controlador de los dinamómetros según los puntos de medición deseados,
siguiendo la metodología de la FASE II.
Con ayuda de una termocupla, registrar el valor de la temperatura interna de cada uno de los
módulos dinamométricos involucrados en la prueba. Para esto, basta con introducir durante
10[s] la punta de la termocupla a través de la rejilla de ventilación del módulo (carcasa roja).89
86
Es una sugerencia sujeta a disponibilidad de recursos y tiempo. 87
Idealmente, el tercer barrido debe hacerse experimentalmente. Sin embargo, dependiendo del tiempo disponible y de los recursos asociados a la prueba, es posible construir la curva a partir de la información recolectada tanto en el Barrido No. 1 como en el 2, teniendo en cuenta relaciones dinámicas. 88
En la sección 3 del presente documento profundiza en aspectos de validación de prueba.
88
Si es la primera iteración de la prueba (dinamómetros recién conectados y probados), la
temperatura interna de los módulos no debe superar la temperatura ambiente de la célula de
prueba por más de 2[°C].
Preferiblemente, el Ingeniero de pruebas no debe ser el mismo piloto de prueba a menos que se
demande alguna verificación especial, puesto que la tarea de éste es coordinar, supervisar y
validar la adquisición de los datos.
Ubicar el piloto de pruebas dentro del vehículo y encender éste último hasta obtener ralentí
constante al menos durante 1[min], también buscando calentar el motor del vehículo.
En la consola de visualización y estando el vehículo en ralentí, observar que la señal de rpm no
presente picos. Y pulsar el botón HOLD (Figura 16) que debe ponerse de color verde.
Figura 16. Consola de Visualización
NO utilizar la opción KNOB y para uso adecuado de la función AUTO, se recomienda
profundizar la teoría de (Land & Sea Inc., 2010). Dicho tema está fuera del alcance de este
protocolo.
A continuación, el Ingeniero de Pruebas debe pulsar el botón RECORD en la consola de
visualización (Figura 17) que debe ponerse de color verde. 90
89
El registro de la temperatura es un aspecto FUNDAMENTAL para el correcto desarrollo de la prueba, puesto que son equipos altamente sensibles a recalentamiento como se expuso en la FASE I del protocolo. 90
Siempre se recomienda registrar toda la iteración experimental, partiendo desde ralentí, alcanzando punto de estabilización requerido y finalizando nuevamente en ralentí. Luego en Fase IV se seleccionará la sección de interés.
89
Figura 17. Consola de Visualización – Señal de Grabación de Datos
Si el vehículo es MT, embragar y meter el cambio deseado (previamente determinado) sin soltar
el embrague.
Paulatinamente, ir pulsando el acelerador y soltando el embrague, de tal forma que el enganche
de la transmisión se dé justo al alcanzar la velocidad del motor deseada según el punto de toma
de medición buscado.
A medida que se va alcanzando la velocidad de HOLD (Ej: 2500[rpm]), el piloto de pruebas
debe empezar a sentir la carga de los dinamómetros sobre el eje del vehículo, presentándose una
sensación equivalente a cuando se va subiendo en pendiente, así como ciertas vibraciones en la
cabina. Es importante no entrar en pánico, pues es un comportamiento natural y se considera
una situación deseable.91
Durante el proceso de aceleración, el Ingeniero de Pruebas debe estar supervisando que el
software DYNO-MAX esté operando correctamente, al mismo tiempo que supervisando que el
montaje del vehículo y el ensamble se comporte adecuadamente en condición dinámica.
ADVERTENCIA: Por razones de seguridad, JAMÁS pararse contiguamente a los
dinamómetros ni cerca de los laterales del vehículo mientras estén girando los
dinamómetros.
Mantener la rata de aceleración hasta obtener TPS = 100[%] ó condición de 100[%] de
admisión, es decir, acelerador a fondo. En este momento el piloto hace una señal al Ingeniero de
Pruebas, de tal forma que éste último sepa que ya se cumplió dicha condición.
91
El problema es cuando se presentan vibraciones sin tener encendida la opción HOLD y con el vehículo rodando libremente con los dinamómetros.
90
Una vez se cumpla esta condición, con ayuda de la consola de visualización, observar el
momento en el que se tenga régimen de velocidad de motor constante en el valor previamente
determinado con el comando HOLD.
Es importante mencionar que la probabilidad de obtener una señal de velocidad de motor exacta
a la deseada (Ej: 2000[rpm]) es mínima debido a diferentes factores. Sin embargo, la señal
registrada (Teniendo en cuenta la oscilación típica de la misma) DEBE estar dentro de un rango
de variación de ±50[rpm]. En caso que ésta se encuentre fuera de estos límites, es obligatorio
verificar la calibración del sensor de rpm y el correspondiente voltaje de trigger hasta entrar
dentro del rango permitido.
Con ayuda del cronómetro, asegurarse que se registren datos de potencia y par motor a
velocidad de motor constante durante mínimo 65[s] y máximo 80[s]92
. En este intervalo de
tiempo, el piloto de pruebas debe asegurarse de mantener a fondo el acelerador y que las rpm
del tacómetro se mantengan constantes.
Advertencia: El intervalo de tiempo mínimo es aconsejable, sin embargo, queda a criterio del
Ingeniero de Pruebas y siempre sujeto a condición térmica tanto del vehículo como de los
módulos dinamométricos. No obstante NUNCA superar el máximo de 80[s] en las condiciones
mencionadas.
Una vez se cumpla el tiempo estipulado, el Ingeniero de Pruebas debe pulsar el botón PAUSE
en la consola (Figura 18) que debe ponerse color azul y hacer señal de parada al piloto de
pruebas.
Figura 18. Consola de Visualización – Señal de Suspender toma de datos
El piloto de pruebas al recibir la señal debe soltar el acelerador, oprimir el embrague y
desenganchar la transmisión, de tal forma que el vehículo quede en NEUTRO, y comience a
92
La normativa SAE J-1349 indica que deben ser 60[s], sin embargo, mientras más amplio sea el espectro registrado, disminuye la incertidumbre asociada al procedimiento.
91
desacelerar gradualmente. ADVERTENCIA: NUNCA PISAR EL FRENO MIENTRAS EL
VEHÍCULO ESTÁ ACELERADO. El pedal del freno puede oprimirse sutilmente una vez la
velocidad lineal del vehículo marque menos de 5[km/h], ya que por efectos inerciales podría
nunca parar por sí sólo el eje de rotación.
Una vez que el vehículo está detenido, sin apagar el motor, aplicar el freno de parqueo y sólo
liberar cuando se vaya a iniciar una nueva iteración experimental.
El Ingeniero de pruebas debe remitirse a revisar que se hayan grabado correctamente los datos
(no iniciar procesamiento, pues es tema de la FASE IV), en otras palabras, hacer una validación
primaria. Para esto, minimizar la consola de visualización, y en la interfaz principal de DYNO-
MAX oprimir el botón (F5) y (F6), de tal forma que mostrarán en la pantalla tanto las curvas
grabadas como la tabla de datos correspondientes a la prueba recién finalizada.
En la curva que muestra DYNO-MAX, basta con observar que la señal de rpm de motor haya
sido constante durante el mínimo 60[s] para el valor de interés y rápidamente visualizar la
presencia de picos extremos principalmente en la señal de par motor.
Como eventualmente se pueden estar grabando datos desde que el vehículo se encontraba en
ralentí, pasando por la zona en la que los módulos aplicaron el freno, una zona estable y
finalmente una descarga, es natural encontrar comportamientos inestables tanto antes como
después de la zona plana (régimen de rpm constante). Figura 19
Figura 19. Datos típicos esperados.
Si las condiciones anteriormente mencionadas se cumplen, proceder a verificar el estado
térmico y configuración del controlador de los módulos dinamométricos. Nota: Si la
Zona estable
Zona inestable
92
verificación de datos está tomando tiempo, se recomienda apagar el motor del vehículo para
minimizar tanto el flujo de gases de combustión en la célula como el consumo de combustible.
Si el vehículo tiene motor Diesel Turbocargado EVITAR a como dé lugar prenderlo y apagarlo
de seguido, pues se puede afectar la integridad tanto del motor como del turbocargador.
Igualmente, para prender el motor, esperar a que el testigo de las bujías de precalentamiento se
apague.
Tomar un tiempo de enfriamiento entre cada iteración de mínimo 5[min]. Deseable 10[min].
Posteriormente, supervisar la temperatura interna de los módulos previamente a cada iteración,
de tal forma que se garantice que ésta no sea mayor a 90[°C] 93
.
Continuar con los demás puntos del barrido correspondiente hasta obtener la curva de par motor
y eventualmente la de potencia.
Cada vez que se vaya a iniciar una nueva medición, es necesario que en la consola de
visualización, el Ingeniero de Pruebas pulse el botón NEW RUN.
Recomendación: En el caso ideal, para efectos de validación y estadística posterior de los datos
recolectados durante la prueba de potencia, se recomienda repetir un mínimo de 3 veces cada
uno de los barridos estipulados, con el fin de reportar datos promedio y minimizar el margen de
error. Evidentemente, esta consideración está sujeta a efectos de disponibilidad tanto de tiempo
como de recursos.
Igualmente, se recomienda observar el Tutorial Ejecución Prueba Estado Estable.
ADVERTENCIA: Cualquier variación de parámetros y consideraciones diferentes a las
consignadas en este protocolo, DEBEN ser debidamente referenciadas y explicadas al
momento de hacer el reporte de la prueba de potencia.
3. Solucionador de Problemas – Troubleshooting
Como tema anexo, se incluye una sección dedicada específicamente a los problemas que se
han presentado durante la ejecución de pruebas anteriores llevadas a cabo en la célula de pruebas,
su causa y una posible forma de darle solución.
Sólo gira un dinamómetro: Si es a baja velocidad es efecto del diferencial. Si es a alta velocidad
SUSPENDA inmediatamente la ejecución y revise el montaje.
93
Si la temperatura interna alcanza niveles críticos (Mayor a 100[°C]), utilizar el ventilador de enfriamiento del motor para ofrecer ventilación forzada directamente sobre el cuerpo de los módulos.
93
Picos en señal de rpm: Revisar conexión pinza Amperimétrica y conexión de la madeja de
adquisición de DYNOmite a polo a tierra. También probar con calibrar el voltaje de trigger o en
su defecto, utilizar la función Smart – Ratio (Land & Sea Inc., 2010), teniendo pleno
conocimiento de las relaciones de transmisión del vehículo.
Picos en señal de par motor: Es una condición muy común, pues la señal en la consola de
visualización de par motor puede quedarse “pegada” en cero (más un offset) o tender a infinito.
Este fenómeno puede estar relacionado a altas temperaturas en los módulos dinamométricos o a
picos inesperados en la señal de rpm del motor. También se relaciona con mala calibración de
los valores del PID del controlador. Se recomienda suspender la prueba y revisar los temas
mencionados.
El freno de los dinamómetros NO ENGANCHA: Por razones de sobrecalentamiento, las curvas
de rendimiento de los frenos de corrientes de Foucault caen cerca del 80[%], por lo que el par
motor inducido por el motor sobre el eje es superior al límite y, por cuestiones de integridad
estructural y electrónica, el equipo se protege. Si la temperatura está dentro del margen de
tolerancia, el problema está relacionado con los parámetros de configuración del controlador.
Exceso de ruido y picos inesperados en las señales: Modificar las constantes del controlador
según lo explicado en la FASE II y siguiendo los lineamientos de (Land & Sea Inc., 2010).
Profundizar en la calibración del amortiguamiento de señales y calibración de canales.
FASE IV
RESULTADOS
La última fase del protocolo está centrada en el procesamiento de datos y presentación de
los resultados obtenidos durante la prueba de potencia neta. Es importante mencionar que ésta debe
llevarse a cabo una vez se haya terminado la fase experimental94
y es tarea exclusiva del Ingeniero
de Pruebas o de algún otro Ingeniero en jefe encargado de la presentación de los resultados.
Para el correcto desarrollo de la FASE IV, es necesario que el Ingeniero encargado de la
evaluación esté familiarizado con la norma SAE J-1312 “Procedure for Mapping Performance –
Spark Ignition and Compression Ignition Engines”95
(SAE International, 1995) al igual que con la
norma SAE J-1349 referenciada a lo largo de todo el protocolo (SAE International, 2008).
94
Mientras se tenga el vehículo de pruebas, el montaje y la célula dinamométrica funcionando, la totalidad del
tiempo debe dedicarse exclusivamente a la recolección de datos (con su respectiva validación primaria FASE
III), para después entrar en el proceso específico de procesamiento. 95
Eventualmente, se recomienda también contemplar la norma SAE J-2723 (SAE International, 2005)
94
1. Datos en Bruto
Como se mencionó al final de la FASE III, los resultados obtenidos durante cada iteración
de prueba de potencia pueden ser visualizados en la consola principal del software DYNO-MAX, al
igual que la tabla de datos en bruto que, dependiendo de la preferencia del Ingeniero de Pruebas,
pueden ser exportados a diferentes formatos para utilizar distintas herramientas de procesamiento de
datos. A continuación, se presenta la secuencia adecuada para obtener y exportar los datos de en
bruto de todas aquellas pruebas que hayan pasado la verificación primaria:
Abrir el software DYNO-MAX y en la interfaz principal sin la necesidad de cargar ningún
ambiente de trabajo. Oprimir la tecla (F2) y, en el cuadro de diálogo que se abre, se despliegan
todas las pruebas de potencia96
que se han guardado históricamente (Figura 20). Por esta razón
es tan importante SIEMPRE seleccionar un nombre diferente para cada prueba de potencia que
se haga.
Seleccionar el archivo deseado, iniciando en el mismo orden en que se llevaron a cabo los
puntos de barrido durante la FASE III. En efecto, el orden de éstos se identifica fácilmente con
la fecha y hora de cada uno de los archivos de potencia guardados. (En la Figura 20 se
seleccionará el que está enmarcado)
Figura 20. Ventana para cargar archivo de registro de prueba de potencia neta.
Seleccionar y Abrir el archivo. Inmediatamente, debe desplegarse en la interfaz principal
del programa un archivo de configuración de nueva corrida (como si se hubiera oprimido la
tecla F12)
No modificar ninguna información de la ventana de configuración de la prueba y minimizar
la misma. NO CERRAR.
96
Los archivos de pruebas (o corridas) se identifican por tener un símbolo circular Rojo con un extremo de color azul.
95
Para obtener los datos en bruto de la prueba seleccionada, oprimir la tecla (F5).
Inmediatamente se despliega un cuadro de diálogo que indica que se están amortiguando las
señales y procesando los resultados gráficos de acuerdo a la configuración de ambiente
determinada en la FASE II.
Por defecto, la primera gráfica que aparece relaciona la curva de Potencia y Par Motor al
freno respecto a las revoluciones del motor (Figura 21):
Figura 21. Gráfica de resultados de Potencia y Par Motor vs. RPM
Para la recolección de datos en bruto, es preferible la gráfica de Potencia, Par Motor y RPM
respecto al tiempo, puesto que el objetivo es presentar resultados que cumplan el
requerimiento de 60[s] a régimen de velocidad de motor constante. (SAE International,
2008). Para esto, oprimir la tecla (Ins) y se obtiene una gráfica como en la Figura 22.
Figura 22. Gráfica de resultados de Potencia, Par Motor y RPM vs. Tiempo
96
Como se puede observar en la Figura 22, la curva de RPM presenta un valor aparentemente
constante por un período mayor a 60[s], por lo que se procede a exportar los datos.
Minimizar el cuadro de las gráficas y en la interfaz principal oprimir la tecla (F6) para
obtener la Tabla de Datos en bruto correspondiente a las gráficas. (Figura 23)
Figura 23. Tabla de datos en bruto del registro de prueba de potencia neta.
Con la Tabla de datos abierta ir a ARCHIVO/Export Graph’s Data Points data to .XLS
(para tener un archivo de Excel con todos los datos correspondientes a la información de la
prueba.
2. Validación datos en Bruto
Para el desarrollo de la etapa de validación, procesamiento y entrega de resultados, se
utilizará el programa de manejo de datos MS Excel, considerado como la herramienta más común y
de fácil acceso97
.
En este punto, se da por hecho que ya se tiene un libro nuevo de MS Excel con al menos las
cuatro columnas de importancia para el análisis de datos de la prueba para un punto de medición
de un barrido (Ej: 2000[rpm]): Tiempo[s], Velocidad Motor [rpm], Potencia [kW], Torque [Nm]
(las unidades se pueden determinar en el software). Una vez teniendo esto, iniciar la validación de
los datos en bruto
Verificar que la escala de tiempo sea continua (el delta de tiempo que debe aparecer es de
0.005[s] para 200[Hz] de muestreo) es decir, que no hayan saltos que indiquen que durante la
prueba se pulso el botón PAUSE para luego reanudar. Si este es el caso, la prueba se considera
INVÁLIDA.98
97
Si el Ingeniero de Pruebas desea utilizar otros paquetes de procesamiento de datos, está en total libertad de hacerlo. Sin embargo, es OBLIGATORIO seguir la metodología de trabajo aquí presentada. 98
Una forma rápida de verificarlo es graficar la columna de Tiempo[s] vs. Datos y no identificar saltos.
97
Graficar la curva de Velocidad del Motor[rpm] vs. Tiempo[s], obteniendo una curva similar a la
presentada en la Figura 2499
.
Figura 24. Ejemplo de curva de Velocidad de Motor vs. Tiempo para régimen de 2000[rpm].100
Ubicar el punto de inflexión de la curva. Entiéndase por punto de inflexión, el punto de la curva
en el que la zona estable sufre cualquier cambio abrupto (generalmente desaceleración por
liberación del acelerador), ya sea un pico, valle o singularidad evidente. En otras palabras, el
punto final de la zona estable, como se indica en la Figura 24.
Primer Refinamiento: Seleccionar la totalidad de la región de velocidad estable de motor,
dejando mínimo 3[s] de margen respecto al punto de inflexión (Figura 25) y recortar101
esta
zona de la curva general tal como se muestra en la Figura 26.
Figura 25. Zona de Interés para primer Refinamiento
99
El comportamiento de la curva se explicó anteriormente en la FASE III Figura 19 del presente protocolo. 100
Ejemplo meramente ilustrativo. 101
Entiéndase por recortar, graficar únicamente la región de interés de velocidad del motor respecto al tiempo.
98
Figura 26. Región de interés para Primer Refinamiento.
En la Figura 26, básicamente lo que se hace es un acercamiento a la región de interés. Como se
puede observar en la misma, la escala del eje vertical es más refinada que la utilizada en la
Figura 24 y 25, por lo que se puede apreciar la oscilación de la señal. Esto se considera
NORMAL.
Teniendo la región de interés acotada, utilizando MS Excel, conociendo el valor nominal
esperado para la velocidad del motor, verificar que la misma señal obtenida se encuentre dentro
del intervalo de aceptación de ±50[rpm] respecto a dicho valor102
indicado en la FASE III.
Si la media encontrada está fuera del intervalo de aceptación, debe entonces analizarse cuál
sería un valor nominal de velocidad de motor que garantice que la misma está dentro del
intervalo de aceptación de ±50[rpm]. Si aun así, la oscilación de la señal está fuera del
intervalo, la medición se declara INVÁLIDA.
Si la media encontrada está dentro del intervalo de aceptación, se determina que a medición
experimental es VÁLIDA (Figura 27), por lo que se debe continuar con el numeral 3 del
presente documento.
102
Entiéndase por valor nominal, el valor deseado como punto de medición (Ej: 2000[rpm], 2500[rpm], etc…), sobre el que se espera que la medición experimental oscile respetando el rango de aceptación determinado.
99
Figura 28. Intervalo de aceptación y condiciones típicas para considerar VÁLIDA una región de interés.
3. Procesamiento Datos
Una vez teniendo seleccionada la región de interés (cuyo periodo de tiempo debe ser igual o
superior a 60[s]), es necesario enfocarse en el tratamiento de los datos de la misma. Para ello, se
propone seguir la siguiente metodología:
Nota: El protocolo enuncia el procesamiento para los datos correspondientes a la velocidad del
motor, puesto que se considera la variable independiente de la prueba de potencia, y por lo tanto
crítica. El tratamiento de los datos tanto de potencia como par motor al freno deberá desarrollarse
conforme lo estipulado en los siguientes numerales y replicando metodología expuesta.
Seleccionar los datos de velocidad del motor (correspondientes a la región de interés) y,
utilizando al herramienta de Datos – Estadística Descriptiva, de MS Excel, obtener la
información general acerca del comportamiento de la muestra con un INTERVALO DEL
95[%] DE CONFIABILIDAD (IC=95%), tal como lo muestra la Figura 29.
100
Figura 29. Ejemplo de la información de estadística descriptiva requerido de la muestra.
Seguidamente, nuevamente utilizando las herramientas de MS Excel, calcular la variación
porcentual103
respecto a la media de cada uno de los datos registrados de velocidad del motor.
Para esto, utilizar la Ecuación 1:
| |
[ ] (1)
Para determinar que la región seleccionada es válida, la variación porcentual de cada uno de los
datos acotados en la misma DEBE SER MENOR AL 1.0[%]. 104
(SAE International, 2008)
Segundo Refinamiento: Recordar que en este punto, la región seleccionada comprende un
intervalo mayor a los 60[s] (mayor al estipulado por (SAE International, 2008) ). Por esta razón,
es necesaria una segunda etapa de refinamiento, en la que se seleccionan los 60[s] continuos
más estables de la medición (utilizar los resultados del error porcentual), con el fin de
minimizar la fuente de error asociada al proceso de medición. Figura 30.
103
Los datos de variación porcentual permiten confirmar la validez de la región seleccionada teniendo en cuenta los lineamientos de la SAE J-1349. 104
Eventualmente, se tendrán picos asociados a interferencia de la señal (independiente de qué señal sea) que terminan mostrando una variación porcentual superior al 1.0[%] establecido. Si esto ocurre, hacer caso omiso de este dato.
101
Figura 30. Región de Interés Segundo Refinamiento.
Una vez teniendo claramente delimitada la región del segundo refinamiento, repetir
procesamiento de datos con Estadística descriptiva con un intervalo del 95[%] de confiabilidad.
Conociendo el valor medio de la región interna de 60[s], volver calcular la desviación
porcentual respecto a la media para cada uno de los datos acotados. Si se calcula el promedio de
la variación porcentual, SIEMPRE debe ser menor al correspondiente del primer refinamiento
(por mínimo que sea).
Todo el procedimiento anteriormente mencionado, es exclusivo para determinar los límites
de la región a evaluar de las curvas tanto de Potencia como de Par Motor. En efecto, el
siguiente procedimiento se centra en determinar el valor medio de las variables de potencia de
interés para el punto de medición estudiado:
Construir las Curvas de Potencia y Par Motor respecto a la misma escala de tiempo utilizada
para la curva de velocidad de motor105
en gráficos distintos.
Conociendo los límites de la región correspondiente al segundo refinamiento, seleccionar
entonces la sección de la curva (datos) de Potencia comprendida entre los mismos. Igualmente
para la variable Par Motor (Figura 31).
105
El software la entrega por defecto, como se mencionó anteriormente.
102
Figura 11. Región de interés tanto para la curva de potencia como de par motor al freno.
Una vez delimitada la región de interés, correspondiente al segundo refinamiento (esta vez
tomando los datos de potencia y par motor al freno respectivamente), es necesario repetir el
mismo algoritmo de procesamiento de datos que se aplicó anteriormente a la señal de velocidad
del motor.
No tener en cuenta etapas de refinamiento, puesto que la región de tiempo seleccionada para la
velocidad del motor DEBE ser la misma que para la señal de potencia y par motor.
Únicamente, aplicar herramienta de estadística descriptiva con un intervalo de confiabilidad del
95[%] para determinar el valor promedio tanto de Potencia como Par Motor entregado bajo la
velocidad de motor nominal correspondiente.
Con los datos anteriormente determinados, consignar la siguiente información:
- [ ] 106 y [ ]107
- [ ] 108 y [ ]
- [ ] 109 y [ ]
SIEMPRE tomar el valor promedio, no tomar ni máximos ni mínimos. Esto para evitar incurrir
en información inválida asociada a picos/valles, particulares de la naturaleza del sistema de
adquisición.
106
Con Intervalo del 95[%] de confiabilidad. 107
VPmedia: Variación porcentual de la media con un intervalo del 95[%] de confiabilidad. 108
Con Intervalo del 95[%] de confiabilidad. 109
Con Intervalo del 95[%] de confiabilidad.
103
Repetir este procedimiento para cada una de las velocidades del motor evaluadas,
correspondiente para cada barrido pre-establecido en la Fase III.
En el caso que se hayan repetido barridos equivalentes, es necesario registrar los valores
promedio obtenidos previamente para cada una de las variables con un intervalo del 95[%] de
confiabilidad (Ecuación 2 y 3) para datos al mismo régimen de velocidad de motor:
[ ]
[ ] (2)
[ ]
[ ] (3)
En cuanto al intervalo de confiabilidad, es necesario utilizar las herramientas de propagación de
error correspondientes a la aplicación de las Ecuaciones 2 y 3, utilizando el promedio y la
incertidumbre anteriormente calculados para cada variable.
Teniendo en cuenta los lineamientos estipulados en la norma SAE J-1312 (SAE International,
1995), a medida que se va procesando cada punto de medición correspondiente a cada barrido,
es necesario ir completando una tabla de reporte equivalente a la Tabla 13.110
Nota: En la norma, hay que estipular la condición de carga bajo la que se desarrolló la prueba.
En este protocolo, se contempla condición de 100[%] de admisión, por lo que se debe registrar
carga máxima.
Carga: 100[%] de Admisión
Velocidad Nominal
Motor [rpm]
Potencia Mecánica
Promedio [HP]
Par Motor
Promedio [Nm]
Ralentí 0 0
A ± a D ± d G ± g
B ± b E ± e H ± h
C ± c F ± f I ± i
. . .
. . .
. . .
Veln ± n Pn ± n Tn ± n Tabla 13. Esquema recopilatorio de procesamiento de datos registrados durante prueba de potencia.
111
110
La Tabla 13 tiene en cuenta la información indispensable a registrar según la norma SAE J-1312, con anexos particulares asociados al protocolo en cuestión. 111
Notar que para cada registro hay un intervalo de incertidumbre asociado.
104
4. Entrega de Resultados
El objetivo final de una prueba de potencia neta, es construir las curvas de desempeño de un
vehículo con determinado motor y bajo determinadas condiciones (Fase I, II y III), es decir:
112
La última condición es indispensable cuando se requiere evaluar el desempeño energético del
vehículo. Sin embargo, no se contempla en este protocolo.
En consecuencia, la construcción de las curvas de rendimiento para evaluar desempeño mecánico,
se construyen a partir de la información recopilada anteriormente en la Tabla 13, cumpliendo los
siguientes requerimientos:
Eje Absciso: Siempre velocidad nominal de motor (Columna 1 – Tabla 13). No partir desde
cero, pues el punto inicial de una prueba de potencia es ralentí.
Eje Ordenado: Potencia (Columna 2 – Tabla 13) y/o Par motor (Columna 3 – Tabla 13) al freno
según sea el caso. Importante: para las variables dependientes siempre incluir las barras de la
incertidumbre asociada para cada punto.
Identificar, Potencia máxima y Par Motor máximo registrados en compañía de la velocidad
de motor asociada respectivamente (Incluyendo la incertidumbre asociada a cada variable).
Así como las condiciones atmosféricas principales (Presión Atmosférica, Temperatura
Ambiente, Humedad Relativa) en las que se desarrolló la prueba.
Nota: Esta información es considerada el resultado más importante de una prueba de
potencia neta!
Si se están haciendo pruebas de potencia neta en diferentes condiciones atmosféricas (alturas),
el dato a incluir en la compilación general es el de Potencia Máxima y Par Máximo con la
velocidad de motor correspondiente a cada uno. Esto con el fin de construir la curva de
desempeño a diferentes alturas sobre el nivel de mar.
De esta forma, se cierra el protocolo para prueba de potencia neta.
FIN
112
Eventualmente. En este protocolo no se considera la medición de esta variable.
105
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