¿Cómo hacer pruebas de potencia en el banco de pruebas para motores de karts?

octubre 21, 2024 Faluga Racing 0 comentarios

En Faluga Racing, como buenos preparadores de motores de karts, tenemos un banco de pruebas único en el mundo.

¿Por qué realizar pruebas de motor en el banco de pruebas?

Giampaolo Borghi, de la conocida empresa de bancos de pruebas de potencia Borghi & Saveri, que fue contratada por Ferrari hace más de cuarenta años para fabricar bancos de pruebas adecuados para probar sus motores, recuerda una frase que le dijo el propio ingeniero Enzo Ferrari: «La sala de pruebas es como la sala de partos, debe estar siempre funcionando. En el taller podemos apretar tornillos, comprobar materiales y perfeccionar cárteres, pero cuando un bebé sale del vientre materno, va a la sala de partos y es allí donde empieza a vivir». Y, efectivamente, la comparación es válida. Porque una vez que se ha diseñado/reconstruido un motor, o comprado, si el objetivo es «hacerlo crecer» (en términos de rendimiento y fiabilidad), la única manera de obtener resultados tangibles y valiosos es realizar pruebas en banco en una sala de ensayos. Por un lado, esto permite llegar a la carrera con motores objetivamente performantes. Por otro lado, la realización de pruebas de banco de potencia permite crear una base de datos (en cuanto a la configuración de la carburación o del propio motor) sólida y lista para ser consultada si es necesario en la pista, en función de las condiciones a las que se enfrente, sin tener que perder demasiado tiempo en la pista o modificar por ensayo y error. Gracias a este «Cómo» te guiaremos paso a paso en los fundamentos para optimizar el tiempo, aprovechar cada minuto y hacer valer cada céntimo que gastes durante tus pruebas en el banco de potencia.

Preparación

Una vez seleccionado el banco de pruebas adecuado, hay que preparar la zona y el motor para que todo (componentes y herramientas) esté a mano durante la sesión. Nunca, como en este caso, el tiempo marca la diferencia. En primer lugar, recomendamos vivamente que acuda al banco de potencia con todos los componentes del motor en un estado totalmente limpio y, de ser posible, con un desgaste limitado. Esto sirve tanto para obtener mejores datos como para garantizar una mayor confiabilidad del motor, que será sometido a un gran estrés mecánico durante las pruebas. Por otro lado, en cuanto a la configuración general, es importante anotar todas las características principales al inicio de la prueba (carburación, squish, eventuales avances, cigüeñal utilizado, etc. etc.) y actualizar la hoja a cada cambio, para tener siempre una idea exacta, en todos los detalles, del motor que se está probando. Esta información será muy útil a la hora de evaluar e interpretar los datos registrados durante las pruebas. En nuestro caso, el banco de pruebas elegido registra y guarda los valores atmosféricos, así como los principales valores de funcionamiento del motor, generalmente: rpm, temperatura del motor, potencia y torque. Sin embargo, hay que tener en cuenta que también se pueden registrar otros tipos de datos, gracias a las sondas adicionales que se pueden conectar: es decir, los extras opcionales del banco de potencia. En cuanto a la relación a utilizar, debe ser siempre la misma, incluso entre pruebas. Cualquier relación es válida, pero por lo general se tiende a preferir una que no sea ni demasiado corta ni demasiado larga, con el fin de mantenerse dentro de un rango medio de uso. Lo importante es que la combinación Piñón-Cadena-Corona sea óptima, es decir, con componentes que ofrezcan el mismo nivel de uso y que suelan estar nuevos o muy poco usados.

3 INSTALACIÓN

Preámbulo: No es necesario calentar el motor, ni la caja de cambios, antes de entrar en la sala de pruebas. De hecho, el motor debería instalarse en frío o casi en frío, más por comodidad que por otra cosa. Además, puede ocurrir que el motor calentado se enfríe durante el tiempo de instalación, que puede ser un poco más largo de lo esperado entre las diversas puestas y el llenado de los circuitos (para los bancos que utilizan un sistema de refrigeración del motor diferente del presente en el kart). Dicho esto, podemos pasar a la instalación del motor o a la colocación del kart en los rodillos que consideramos ya instalados y firmemente fijados al suelo. En el primer caso, dispondremos de los soportes a los que anclar el motor; en el segundo, tendremos que tener cuidado de hacer coincidir los neumáticos traseros con los rodillos del banco. En el caso del motor montado individualmente en el banco de potencia, hay que comprobar que la posición permita la correcta colocación y fijación de todos los accesorios (como ocurriría en el kart): desde el filtro hasta el silenciador, pasando por las palancas de control y los tubos de mezcla. Si, por el contrario, utilizamos el kart completo para las pruebas, debemos prever una correcta alineación a los ventiladores y/o tomas dinámicas, un adecuado anclaje del chasis para asegurar la máxima estabilidad, junto con una adecuada carga de los neumáticos sobre los rodillos para evitar que resbalen: la carga debe ser alta, pero no exagerada, de lo contrario se corre el riesgo de generar una excesiva fricción que puede distorsionar los resultados y penalizar el rendimiento como en el caso concreto de los motores menos potentes de las categorías MINI y Junior. Todas las conexiones son más o menos las mismas que se harían en casa o en la pista, sólo cambia el número de sondas que se conectan al sistema. De hecho, cuantos más datos se obtengan, mejor será el resultado final, no tanto por la exactitud de los resultados como por las evaluaciones y estudios posteriores con el fin de desarrollar y mejorar nuestro motor. Para los bancos de pruebas de rodillos, también podemos aprovechar nuestro sistema de refrigeración del motor instalado en el chasis y hacia el que se canalizarán los flujos de un potente ventilador, o encontrar instrumentos en los que haya un sistema de refrigeración dedicado que se conectará con tubos en lugar de nuestro radiador. Las sondas que se conectan para la recogida de datos pueden ser de lo más variadas. Los expertos añaden, además de la sonda básica de régimen del motor:

sonda de temperatura del agua en entrada;
sonda de temperatura del agua en salida;
sensor de temperatura de los gases de escape;
sonda lambda, que recoge datos sobre la concentración de oxígeno en los gases de escape;
sonda de presión de aire aspirado por el filtro
sensor de temperatura del aire en entrada por el filtro;
sensor de temperatura del aceite de la caja de cambios;
sonda de detonación, que informa del número de detonaciones dentro de la cámara de combustión;
sonda de presión del cárter.

En esta fase el motor continúa apagado, hasta el inicio de la prueba.

4 ARRANQUE Y CALENTAMIENTO

Una vez comprobado de nuevo, también en el monitor, el apriete y el correcto funcionamiento de las sondas cableadas, se encienden los sistemas de ventilación y extracción de gases de escape. Si la sala de pruebas es hermética y permite simular determinadas condiciones de funcionamiento, se pueden establecer las condiciones atmosféricas-climáticas elegidas, una vez alcanzadas éstas se puede poner en marcha el motor. Para los motores con arranque retráctil o eléctrico a través de su propia batería, se procede de la manera tradicional. Para otros tipos de encendido, como el de empuje o el de correa, existen bancos de pruebas con la posibilidad de hacer girar el eje de frenado mediante un motor eléctrico o gracias al freno de corrientes parásitas, que, invirtiendo el sentido de funcionamiento, se convierte en un motor de arranque. Con el motor en marcha, se lo calienta en general, manteniéndolo a un número de revoluciones medio-bajo. En el caso de los motores equipados con caja de cambios, se utilizan todas las subidas de marcha, y luego las bajadas con bastante rapidez, pero con la ayuda del embrague, para no estresar la mecánica cuando el conjunto motor-caja de cambios está todavía «frío». Cabe destacar que durante estas fases de calentamiento, el freno Dynojet se utiliza para reducir la velocidad de los rodillos con el fin de acelerar el aumento de la temperatura hasta alcanzar las temperaturas óptimas. Durante esta fase, mediante la lectura de los instrumentos conectados a las distintas sondas, es muy importante determinar si la carburación establecida es adecuada. Además de las temperaturas del motor, de los gases de escape y de la sonda Lambda, el uso de la sonda de detonación permite evaluar la frecuencia con la que se produce este fenómeno en un determinado periodo de tiempo. La detonación no es ciertamente algo bueno, pero ocurre inevitablemente a altas revoluciones (generalmente por encima de las 14.000 rpm) y se acentúa cuando la carburación tiende a ser más pobre. Sin embargo, si este valor se encuentra dentro de un límite determinado, se puede proceder a completar el calentamiento y a continuación iniciar las pruebas propiamente dichas. En caso contrario, es necesario parar y revisar el ajuste de la carburación para evitar daños graves.

5 PRUEBA «ÚNICA»

La prueba del banco de potencia se realiza generalmente mediante una única aceleración. En el caso de los motores mono marcha, incluidos los que tienen un embrague centrífugo, que comienzan la prueba con el embrague ya abierto (en arrastre y generalmente engranando a menos de 4.000 rpm), es una operación bastante sencilla. En cambio, para los que tienen marchas, hay que engranar todas las relaciones hasta la más larga (generalmente la sexta para los motores de dos tiempos de tipo shifter, la segunda para el motor Rotax DD2) y lanzarse sólo en esa relación. Aunque existe esta pequeña diferencia de base, tanto si se utiliza un motor mono marcha como uno con caja de cambios, la ejecución de la prueba básica sigue siendo la misma, ya que se acelera desde la velocidad mínima sostenible hasta la máxima alcanzable, sin parar y con el acelerador totalmente abierto. Hay que tener en cuenta que algunos bancos de pruebas incluyen la prueba de descenso por inercia, que puede determinar con precisión la fricción generada por los componentes de la transmisión y los neumáticos. Se realiza en los motores dotados de palanca o pedal de embrague, antes de los lanzamientos y de forma inversa a los lanzamientos: es decir, se alcanza la máxima velocidad de giro disponible, se tira de la palanca de embrague y a partir de ahí se mide la desaceleración de los rodillos hasta que se paran. Mediante la parametrización de los valores de potencia de los rodillos, las prestaciones de transmisión y los datos obtenidos a través de esta medición, el software es capaz de deducir la potencia correcta a las ruedas.
Volviendo a la «prueba única», para realizar cada «lanzamiento» hay que seguir los siguientes pasos previos:

Se alcanza la temperatura de funcionamiento deseada, que en término medio está entre 50°C y 54°C;
Para los motores de tracción directa, los de embrague centrífugo y los de marchas (de la categoría Junior, Senior o superiores), el régimen del motor se estabiliza en torno a las 8.000/9.500 rpm (según el motor considerado), 5.000 rpm para los motores de la categoría MINI;
El sistema se resetea para tener los valores de referencia correctos y controlar el funcionamiento del motor (temperaturas, revoluciones del motor, detonación, etc.);
En este punto, en la mayoría de los casos, cuando el software indica en la pantalla que está listo, se inicia la prueba pisando el acelerador.

Una vez iniciada la prueba, se acelera el motor, a lo largo de toda su gama de utilización, mientras se miden constantemente todos los datos, con intervalos de rpm a intervalos regulares (generalmente cada 50 rpm). La aceleración continúa, mientras que los datos medidos por las sondas se controlan constantemente para garantizar un funcionamiento correcto, hasta que se alcanzan las máximas revoluciones posibles: es casi como buscar el exceso de revoluciones cuando no hay un limitador instalado.
Una vez alcanzado el máximo de revoluciones, la prueba finaliza y se procede (de forma secuencial) a soltar completamente el acelerador, tirar de la palanca de embrague (para los motores con marchas) y aplicar el freno del banco de pruebas, hasta que el eje frenado disminuya progresivamente su velocidad de giro hasta una velocidad similar a la del inicio de la prueba o, incluso, hasta cero si se quiere interrumpir o suspender el trabajo.

El gráfico representa una curva de aceleración realizada en una sola marcha (sexta para los shifters) y relaciona los valores de [A] potencia y [B] par (en el eje y, a la izquierda y a la derecha del gráfico respectivamente) en la escala de [C] rpm del motor que va de 9.000 a 15.500 rpm (eje x). A un número determinado de revoluciones del motor le corresponden diferentes valores de potencia y par según la curva representada. Los valores de [D] potencia máxima y [E] par máximo se muestran en la esquina superior izquierda y en la esquina inferior izquierda del gráfico, 46,24 CV y 24,58 Nm respectivamente. En la parte inferior, en azul, también están escritas las condiciones de la prueba, con la temperatura ambiente (20,46 °C), la presión barométrica (998,69 mBar) y la humedad (19%). La barra vertical [F] es un simple deslizador que se puede mover a lo largo del eje X para ver los valores de potencia y par a unas rpm determinadas.

GRÁFICO

6 PRUEBA DE CARRERA

En el caso de los motores con cambio, a diferencia de la prueba de la sexta marcha, también es posible realizar una prueba que incluya todos los cambios de marcha a partir de la segunda. ¿Para qué sirve esto? Pongamos un ejemplo: tras una prueba de banco de potencia en sexta velocidad, el motor «X» rinde menos que el motor «Y». Sin embargo, en la pista, el mejor rendimiento lo consigue el motor «X». ¿Por qué? Al comparar los dos motores en una prueba que incluye todos los cambios de marcha (es decir, en un modo que reproduce el uso normal del motor en la pista), el motor «X» se comporta mejor porque tiene una menor caída de las revoluciones durante los cambios de marcha, lo que resulta en un motor que gana más metros en el uso real aunque tenga curvas de potencia y torque ligeramente peores en general. En lo que respecta a la prueba del banco de potencia, el modo de ejecución de la prueba de marchas sigue siendo más o menos el mismo que el de la prueba «simple», pero a partir de la segunda marcha: a una velocidad bajo torque de alrededor de 9.000/9.500 rpm, se abre completamente el acelerador extendiendo cada marcha al máximo, hasta la sexta. Evidentemente, para que la prueba sea fiable, es necesario contar con un tester adecuado, es decir, un piloto que sea siempre constante en cuanto a la velocidad de cambio, para que no pueda influir en la prueba de ninguna manera.

El gráfico de una prueba de potencia y torque con cambios de marcha. Se puede ver la curva de aceleración (realizada a partir de la segunda marcha hasta la sexta) de los valores de [A] potencia y [B] revoluciones del motor (en el eje y, a la izquierda y a la derecha del gráfico, respectivamente) en relación con la [C] velocidad que va de 30 a 160 km/h (en el eje x). Se puede ver que la curva tiene picos descendentes que marcan el punto en el que las revoluciones y la potencia caen en cada cambio de marcha. Los valores elegidos para destacar en esta prueba son la potencia máxima obtenida (46,51 CV) y el régimen máximo alcanzado (15.030 rpm). A continuación, también encontramos las condiciones de la prueba, con temperatura ambiente (20,49 °C), presión barométrica (998,78 mBar) y humedad (19%).

GRÁFICO

7 EL GRÁFICO Y LA CURVA DE POTENCIA

Una vez realizadas las pruebas, es imprescindible obtener las distintas curvas de utilización del motor. Estas pueden obtenerse a través del software del banco de pruebas utilizado. Una vez elegida la prueba que se va a representar, se seleccionan los tipos de datos que se van a mostrar, marcando o desactivando los elementos disponibles (que serán tantos como el número de sondas conectadas durante la prueba), y asignando los respectivos valores en los ejes del gráfico. Esto crea diferentes posibilidades de lectura e intersección de datos para permitir todo tipo de seguimiento y estudio posibles. Dependiendo de la tecnología disponible, también es posible superponer diferentes curvas de prueba, comparando diferentes tests del mismo motor o tests similares en diferentes motores, pudiendo así evaluar cada efecto de una manera altamente personalizada.

El gráfico representa dos curvas de aceleración realizadas en dos momentos diferentes (prueba 1, en azul; prueba 2, en rojo) y comparadas. El software disponible permite elegir si se representan o no los valores medidos por las distintas sondas conectadas dentro del gráfico. En evidencia en esta representación vemos, en el rango de 9.500 a 15.500 rpm, los valores de:

[A] Potencia (HP), con una escala de 20 a 50 HP
[B] Temperatura de los gases de escape (EGT), con una escala de 400 a 700°C
[C] Valor lambda (Lambda), con una escala de 0,75 a 1,25
[D] Número de detonaciones (DETO), con una escala de 0 a 1
[E] Velocidad (km/h), con una escala de 75 a 150 km/h

En el extremo superior izquierdo se muestran los valores máximos de potencia alcanzados en las dos pruebas diferentes (47,91 CV en la prueba 1, en azul; 47,55 CV en la prueba 2, en rojo)
La parte inferior del gráfico muestra las condiciones de cada prueba, con la temperatura ambiente, la presión atmosférica y el porcentaje de humedad.

GRÁFICO

CONSEJO PRACTICOAntes de realizar una prueba en el banco, es conveniente tomar nota del identikit del motor que se está probando. Básicamente, hay que anotar todos los parámetros de configuración que pueden influir en el rendimiento. Para recomendar algunas de ellas, señalamos:

la carburación ( jets, pins, flotadores, atomizador… para los motores con marchas o MINI; el ajuste de los tornillos de mínimo y máximo, para los carburadores de diafragma)
tipo de bomba de gasolina (si está instalada)
valor de squish
avance del encendido (si lo hay)
tipo y modelo de bujía utilizada
tipo de cigüeñal, biela, muñón y pistón utilizados
perfil de la cúpula utilizada
longitud del escape
tipo de silenciador de escape utilizado
tipo de filtro de aire/airbox utilizado
tipo y mezcla de combustible (gasolina y aceite) utilizado

En los casos en los que se ha montado todo el kart en el banco de potencia, preste mucha atención a la fase de desaceleración, después de la prueba: no accione mal el freno de su kart. Se podrían causar daños y crear una situación peligrosa, ya que las ruedas están apoyadas en los rodillos que, aunque el conjunto esté firmemente anclado, no resistirían fácilmente una frenada brusca, a diferencia de frenar el eje del banco de potencia, que tiene una inercia mucho mayor que el sistema de frenado de un kart que se ha aplicado con firmeza.Realizar una sola prueba para comprobar la puesta a punto de un motor no tiene mucho sentido: para obtener los valores medios del motor, se suelen realizar al menos dos o tres pruebas antes de concluir o realizar cambios, a no ser que sea necesario ajustar la carburación o se evidencie algún problema que obligue a una parada inmediata. En la «prueba de marchas» es conveniente empezar en segunda, evitando empezar en primera, que sería ineficaz por ser una relación demasiado corta y fácilmente influenciable por el probable mayor deslizamiento de los neumáticos sobre los rodillos.