Dyno Tech – Trasferimento di tecnologia, Parte V

Un motore su un banco da ginnastica è come un paziente in terapia intensiva: tutte le variabili principali sono costantemente monitorate.

Vedi tutti i 7 fotoswpengineWordsJan 8, 2003

Una delle chiavi di ogni programma di sviluppo del motore, dalla Winston Cup al pilota del sabato sera, è la capacità di valutare efficacemente le modifiche al motore. L’obiettivo di qualsiasi programma di sviluppo del motore è un miglioramento delle prestazioni in pista, ma le modifiche al motore per il test in pista possono essere difficili. Il dinamometro è un modo molto più efficace di valutare le modifiche al motore, poiché le variabili non legate al motore possono essere eliminate da questo tipo di test.

Il dinamometro consente di utilizzare una strumentazione che non sarebbe pratico includere in un test su un veicolo. La capacità di misurare caratteristiche prestazionali chiave come il flusso di carburante, il flusso d’aria e il blow-by è fondamentale per aumentare la comprensione della combinazione del motore. Il dinamometro permette anche di analizzare la forma delle curve di coppia e di potenza, cosa che un cronometro e la pista non possono fare.

In un’officina di motori Winston Cup, il dinamometro non è solo uno strumento di sviluppo, ma anche il controllo finale di qualità prima della spedizione del motore. Ogni motore che lascia un’officina di motori Winston Cup viene fatto funzionare su un banco prova prima della spedizione. Pertanto, molti negozi fanno funzionare il veicolo anche su un banco dinamometrico a telaio per valutare l’intera catena cinematica e l’installazione del motore nel veicolo. Il test del dinamometro diventa una delle pietre miliari del programma di un motore Cup.

Tipi di dinamometri per motori Ci sono molti tipi diversi di dinamometri per motori, ma i due tipi più comuni sono idraulici ed elettrici.

Dinamometri idraulici: il banco idraulico o “freno ad acqua” converte l’energia dell’albero a gomiti in calore. Un dispositivo simile ad un convertitore di coppia (giunto fluido) è collegato all’albero a gomiti. L’acqua viene immessa nell’accoppiamento del fluido e il taglio dell’acqua tra il rotore e lo statore fornisce un effetto frenante all’albero a gomiti mentre riscalda l’acqua. L’effetto frenante del motore è controllato dal livello dell’acqua nell’accoppiamento del fluido. Un dinamometro idraulico può assorbire solo la potenza. Non può alimentare il motore.

Il freno ad acqua è il più economico e comune banco prova motori usato oggi nei negozi di motori da corsa. I vantaggi del freno ad acqua includono la semplicità, l’economicità, la facilità di controllo e la bassa inerzia. Dinamometri elettrici – Ci sono tre tipi di dinamometri per motori elettrici comunemente usati: DC (corrente continua), corrente parassita e AC (corrente alternata).

Il dinamometro a corrente continua è semplicemente un grande motore elettrico a corrente continua o un generatore. L’energia dell’albero a gomiti viene utilizzata per generare elettricità che deve essere dissipata da un banco di carico o convertita in corrente alternata e fornita alla rete elettrica.

I dinamometri a corrente continua non sono comunemente usati nello sviluppo di motori da corsa, in quanto sono generalmente configurati per applicazioni ad alta coppia a basse velocità dell’albero. In questa forma, hanno una maggiore inerzia rispetto ad altri tipi di dinamo e non hanno la capacità di girare ad alte velocità. I dinamometri a corrente continua possono sia assorbire la coppia che alimentare il motore. I dinamometri a correnti parassite trasferiscono l’energia dall’albero a gomiti in calore che deve essere dissipato da un sistema di raffreddamento. I dinamometri a correnti parassite possono funzionare ad alta velocità e possono essere molto precisi, ma generalmente non sono utilizzati nelle corse, a causa del loro costo, della loro complessità e della loro maggiore inerzia. Le dinamo a correnti parassite possono solo assorbire, non possono alimentare il motore.

I dinamometri a corrente alternata sono attualmente lo stato dell’arte. Un banco a corrente alternata è semplicemente un motore a corrente alternata molto grande. I dinosauri a corrente alternata sono ampiamente utilizzati in F1, CART, IRL e in alcuni negozi di motori Winston Cup. I dinamometri a corrente alternata possono assorbire e motorizzare il motore, hanno una bassa inerzia e hanno una risposta estremamente veloce. I dinamometri a corrente alternata possono davvero simulare qualsiasi condizione in pista, compreso il cambio. Questi dinamometri, se impostati per la simulazione ad alta dinamica, sono le strutture di prova del motore più capaci, ma sono estremamente costosi, anche per gli standard Winston Cup. Negli Stati Uniti ci sono solo una manciata di strutture di banco a corrente alternata in questo momento configurate per l’uso negli sport motoristici. Una cella di prova a corrente alternata configurata per gli sport motoristici permetterà al costruttore del motore di percorrere chilometri di gara simulati nel negozio di motori in qualsiasi periodo dell’anno e di avere la certezza che i risultati saranno correlati molto bene al chilometraggio in pista.

Il valore dei dati del dinamometro ad inerzia

A tutti gli effetti, questo è quanto di più vicino a un circuito senza essere lì. Mentre la resistenza “inerziale” di un motore e di un propulsore su un banco a inerzia non fornisce condizioni di carico che variano positivamente e negativamente (così come un circuito), permettendo ad un motore di accelerare contro una resistenza che cambia si avvicina. A differenza dei cosiddetti test di “accelerazione” che prevedono lo scarico controllato di un’unità di assorbimento di potenza (PAU), la resistenza di un banco a “ruota” può approssimare più fedelmente i carichi in pista, portando ad un ambiente migliore per la messa a punto di una data combinazione di motori per le prestazioni in gara.

Infatti, il corridore del sabato sera è in grado di approssimare l’analisi del dyno “ruota” eseguendo alcune fasi di cronometraggio in pista. Ad esempio, se si stanno facendo giri di prova o giri di messa a punto, selezionare un punto in cui inizia l’accelerazione diretta e un altro in cui l’acceleratore è costantemente alzato. In un certo senso, questo diventa il vostro “dragstrip” o sezione di pista su cui è possibile misurare e confrontare i tempi trascorsi dopo ogni cambio di messa a punto del motore. Questo approccio non compensa le condizioni atmosferiche o l’influenza del telaio, ma fornisce un confronto in pista delle variazioni di potenza. A dire il vero, questo approccio non è poi così diverso dall’eseguire la messa a punto su un banco a rulli.

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Secondo Dennis Wells della Wells Racing Engines, “Prima di installare il mio banco a ruote, segmentare la pista e registrare i tempi trascorsi era un modo abbastanza buono per valutare i cambiamenti di sintonia (del motore). Anche se l’ambiente è meno controllato, l’approccio è in realtà più utile rispetto ai tempi sul giro completi. Le condizioni in curva, dove l’accelerazione diretta è più rappresentativa della potenza della ruota posteriore, tendono ad influenzare i tempi sul giro. Se stai solo annotando i tempi sul giro e vedendo i cambiamenti, non saprai dove questi si stanno verificando a meno che non vengano registrati tempi segmentati”.

In particolare, le dinamo di inerzia consentono di valutare le parti (rapporti di trasmissione, dimensioni delle ruote e dei pneumatici, pacchetti frizione, smorzatori dell’albero a gomito e relativi componenti che influiscono sull’inerzia) che influenzano la resistenza complessiva di un determinato gruppo propulsore per essere accelerati in potenza. Naturalmente, la prova delle parti del motore che producono potenza può essere facilmente misurata su un banco a rulli, spesso rivelando potenziali (o problemi) di prestazioni che sarebbero difficili o costosi da identificare in pista.

L’obiettivo Lo scopo dell’utilizzo di un dinamometro è quello di ottenere dati precisi e ripetibili sul motore in prova. Se un dinamometro non è in grado di restituire risultati di prova costantemente ripetibili giorno dopo giorno, non è efficace. Il livello di competizione in tutte le forme di sport motoristici aumenta ogni anno. I costruttori di motori sono sfidati a trovare sempre più potenza. In passato, i guadagni di 5 CV erano comuni. Oggi, il livello di sviluppo dei motori è così alto che l’unico modo per trovare 5 CV è quello di sommare cinque aumenti di 1 CV ciascuno. Per fare questo, il vostro dinamometro deve essere in grado di rilevare 1 CV in modo costante. I test accurati e ripetibili sono il risultato di un attento controllo delle variabili che influenzano le prestazioni del motore, in modo che solo le modifiche pianificate al motore influenzino la coppia e la potenza.

Le dinamo non devono essere complicate o costose per essere un grande strumento. L’operatore del banco è spesso la chiave dell’utilità dell’apparecchiatura. Gli aspetti dell’hardware che possono influenzare la precisione e la ripetibilità del banco sono:

1. 1. Il tipo di test 2. 2. I sistemi di controllo e il sistema di acquisizione dati 3. 4. Il sistema di controllo della temperatura dell’olio e dell’acqua

Tipi di test I due tipi di test più comuni utilizzati per lo sviluppo dei motori sono il test a gradini e il test di “accelerazione” o test di sweep.

Per una prova a gradino, il motore viene fatto funzionare a velocità costante fino a quando non è stabile e poi vengono presi i dati. Il regime di rotazione del motore viene poi portato al punto di regolazione successivo. Il vantaggio della prova a gradino è che senza accelerazione, l’inerzia del motore e del dinamometro non influisce sulla lettura della coppia e quindi la prova può essere più coerente. Il test a gradino richiede che il motore venga mantenuto a un regime di rotazione per un breve periodo di tempo, ma questa non è una condizione che i motori vedono in funzione e può influire sul modo in cui il motore viene messo a punto. (Nota: qui sta uno dei motivi fondamentali per cui la sintonizzazione ottimale del banco e la sintonizzazione ottimale della pista possono differire).

Il test di sweep o di accelerazione accelera il motore a velocità costante: ad esempio, 100 giri/min/secondo o 300 giri/min/secondo. (Le prove di sweep sono tipicamente il risultato di una velocità di scarico controllata dell’unità di assorbimento della potenza). Le prove di sweep simulano le condizioni della pista più da vicino rispetto alle prove a gradino, ma il controllo dell’accelerazione del motore avrà un impatto sulle letture della coppia. È estremamente importante che la velocità di accelerazione sia costante durante la prova e di prova in prova. Pertanto, il sistema di controllo del dinamometro è un fattore che produce coerenza tra le prove di sweep.

Sistemi di controllo e sistema di acquisizione dati

Sistema di controllo – Il controllo del dinamometro stesso è una delle chiavi per ottenere dati precisi e ripetibili. I costosi controlli del computer non sono necessari per rendere un dinamometro preciso e ripetibile, ma possono rendere il dinamometro più facile da usare. Le dinamo manuali richiedono un operatore altamente qualificato ed esperto per essere efficaci. L’affidabilità del banco è influenzata da fattori quali la velocità di rotazione del motore prima della spazzata, il tempo di permanenza a quel numero di giri e la fluidità. Un operatore esperto che esegue una macchina da stampa manuale può ripetere queste condizioni più e più volte. Il compito è simile, nei requisiti, a quello della guida, cosa che non tutti sono in grado di padroneggiare. Un sistema controllato da un computer, se correttamente regolato, può rendere questo lavoro più facile. L’operatore può concentrarsi sul controllo degli altri sistemi.

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Acquisizione dati – La maggior parte dei dinamometri oggi sono dotati di un sistema di acquisizione dati. Ciò consente all’operatore di concentrarsi sul funzionamento del banco, non sulla lettura dei misuratori. Sono disponibili sensori economici per misurare praticamente qualsiasi parametro immaginabile delle prestazioni del motore. I sistemi di dati consentono anche una presentazione grafica dei dati che rende più facile vedere le tendenze piuttosto che una semplice presentazione tabellare dei numeri.

I sistemi di dati flessibili che consentono l’aggiunta di qualsiasi tipo di sensore permettono agli operatori del forno di acquisire una maggiore comprensione di ciò che accade nel motore. Alcuni dei sensori che sono fondamentali:

* Rapporto aria/carburante a larga banda I più recenti sensori a larga banda sono sia economici che precisi. Questi sensori sono il modo più accurato per monitorare il rapporto aria/benzina e regolare il motore.

* Flusso del carburante I misuratori di flusso del carburante sono inclusi nella maggior parte dei dinosauri. Il monitoraggio del flusso di carburante da un motore all’altro è un buon modo per tracciare l’efficienza del motore. Avere un misuratore di carburante per ogni vasca di galleggiamento è un buon modo per capire come funziona ogni estremità del carburatore.

* Sono disponibili misuratori a soffietto economici e sono un buon strumento per il monitoraggio della tenuta dell’anello di tenuta. Con un motore a carter secco, il sensore dovrebbe essere collegato allo sfiato sul serbatoio. Ricordate, qualsiasi perdita del carter si manifesterà come un aumento del blow-by.

* Alimentazione dell’aria di combustione (CAS) L’aria fornita al carburatore è una delle chiavi per la ripetibilità dei test. Mentre il fattore di correzione compensa le variazioni delle condizioni atmosferiche, può farlo solo su base media. I cambiamenti istantanei sono difficili da correggere. È meglio avere un grande serbatoio di aria stabile da cui il carburatore possa attingere. Per esempio, fornire un condotto dalla stanza più grande del vostro edificio direttamente al carburatore. Sarebbe meglio se l’aria venisse prelevata da una parte riscaldata/condizionata dell’edificio. È importante che l’aria nella stanza sia stabile dal punto di vista della temperatura e dell’umidità. Se le porte dei garage si aprono durante le corse al banco, il CAS può essere gravemente colpito.

Un ventilatore in grado di erogare una quantità d’aria significativamente maggiore di quella che il motore può utilizzare dovrebbe fornire il carburatore. Per un motore da 350-cid che eroga meno di 700 CV (potenza del freno), dovrebbe essere sufficiente una pressione di erogazione da 1.000 a 1.200 cfm. L’alimentazione dell’aria deve essere sigillata al carburatore, con uno sportello di scarico della pressione tagliato nel condotto. A questo sportello dovrebbero essere aggiunti dei pesi in modo che al massimo regime del motore il carburatore sia alimentato con aria a circa 5 pollici di acqua sopra l’ambiente.

* Raffreddamento ad olio e ad acqua È importante che le temperature dell’olio e dell’acqua siano costanti per tutta la durata del test. Sia l’olio che l’acqua devono essere mantenuti a 3 gradi F dai loro punti di regolazione.

Lettura dei fogli di Dyno Molte persone che guardano un foglio di Dyno guardano solo la potenza di picco. Mentre la potenza di picco è chiaramente un numero importante, più importante è la potenza media sull’intervallo di giri utile del motore. L’intervallo dei giri utili è il numero minimo di giri che il motore vedrà al regime massimo che il motore vedrà.

Fattore di correzione Il fattore di correzione viene utilizzato per compensare il modo in cui le variazioni della densità dell’aria influiscono sulla potenza del motore. La potenza del freno (CV) è la potenza che il motore eroga dall’albero motore. La potenza di attrito (fhp) è la potenza assorbita da tutti gli attriti del motore. Le variazioni di densità dell’aria non influiscono sull’attrito nel motore. Il fattore di correzione stima l’attrito interno del motore e corregge solo la componente non attrattiva della potenza del motore.

Le variazioni di pressione hanno il maggiore impatto sul fattore di correzione, ma fortunatamente la pressione barometrica normalmente non cambia rapidamente. La temperatura ha il prossimo impatto più significativo, e la temperatura può cambiare così rapidamente che il fattore di correzione sarà inefficace.

Consumo specifico di carburante del freno Il consumo specifico di carburante del freno (b.s.f.c.) viene osservato la potenza del motore divisa per il flusso di carburante. Questa è una misura del consumo di carburante che si normalizza per la potenza. Questi numeri non devono essere usati per la regolazione della miscela a meno che non siano compresi tutti i fattori che influenzano la potenza del motore.

Consideriamo questo esempio: Un motore viene fatto funzionare su un dinamometro e raggiunge un numero di 0.500 b.s.f.c.. La pompa meccanica dell’acqua viene rimossa dal motore e sostituita da una elettrica. Quando il motore viene fatto funzionare, la potenza aumenterà e il b.s.f.c. diminuirà a causa del miglioramento delle perdite per attrito, ma il flusso di carburante rimarrà lo stesso. Ovviamente, in questo esempio, la miscela non è cambiata, ma il b.s.f.c. appare più magro.

I sintonizzatori di motori con rapporto aria/benzina di solito cercano di sintonizzare i loro motori per ottenere la migliore potenza con un rapporto aria/benzina da 12,5:1 a 13,0:1. Questo è un rapporto medio confortevole aria/carburante per un motore a benzina. È comune per i motori a carburatore avere una differenza di 1,5 di rapporto aria/benzina dal cilindro più magro a quello più ricco. Pertanto, a meno che non siano disponibili rapporti aria/carburante individuali per ogni cilindro, è meglio non correre più magri di una media di 13,0:1.

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Portare in pista le informazioni del dyno Spesso si sente dire tra gli operatori del dyno: “Non siamo dinosauri delle corse”. Anche se questo è vero, sia i dinamometri per motori che quelli per telai hanno il loro posto nell’ottimizzazione delle prestazioni delle auto da corsa in pista. Svelare i mucchi di dati che ogni test può produrre diventa la chiave per un uso efficace delle informazioni.

Ricordiamo alcuni elementi di base: nelle parti precedenti di questa serie, si è fatta una distinzione tra coppia e potenza. In particolare, la coppia è una variabile indipendente; la potenza in cavalli è una variabile dipendente e calcolata utilizzando i valori di coppia. La coppia accelera una macchina da corsa, la potenza in cavalli la rende veloce.

Abbiamo anche parlato del consumo di carburante specifico per i freni (b.s.f.c. ). In larga misura, questa è una misura dell’efficienza con cui un motore converte il carburante in potenza (libbre di carburante per cavalli all’ora). Generalmente, poiché i numeri di b.s.f.c. vengono abbassati in tutto l’intervallo dei giri e senza una perdita di potenza, la risposta dell’acceleratore si affina e i tempi di accelerazione sono in genere più rapidi. Sia la scintilla di accensione che l’erogazione del carburante possono influire sulle prestazioni del b.s.f.c., così come la qualità della miscela, la combustione contaminata e le perdite parassitarie su un motore.

Quando si eseguono test dinamometrici per valutare le modifiche al motore, lavorare per ridurre al minimo i numeri b.s.f.c.. Poiché la coppia di picco e il numero minimo di b.s.f.c. si verificano tipicamente allo stesso regime di rotazione del motore o in prossimità di esso, ecco un possibile protocollo di messa a punto.

Baseline il motore attraverso una gamma completa di giri al minuto, dal minimo al massimo. Selezionare il punto di picco della coppia al minuto. Regolare la scintilla di accensione e il carburante per ridurre al minimo il b.s.f.c. a questo punto senza che si verifichi una perdita di potenza. Eseguire nuovamente la curva completa. Gli scostamenti nei valori di b.s.f.c. (di solito visti come diminuzioni) al di sopra e al di sotto della coppia di picco b.s.f.c. possono essere normalmente attribuiti a una perdita di efficienza della combustione o a un’alimentazione d’aria non corretta.

In assenza di perdite di potenza, più bassa è la b.s.f.c., più nitida è la risposta dell’acceleratore. Questo metodo consente la messa a punto del motore al banco riducendo al minimo il numero di giri completi o “tiri” necessari, riducendo così l’usura delle parti del motore e mantenendo una ragionevole ripetibilità dei test di prova.

Applicazione di dati dinamometrici di coppia e potenza del dinamometro del motore: convertire i dati numerici in grafici. Studiando le informazioni tracciate, piuttosto che scansionare colonne di numeri, è più facile valutare l'”immagine” della potenza di un motore. Una delle ragioni è il valore derivato dall’osservazione di una “impronta” invece di fare confronti numerici. Questo ci porta all’importanza di come la forma delle curve di coppia possa essere importante quanto i valori di picco, ed ecco perché: Supponiamo di confrontare due combinazioni di parti (o motori), ognuna delle quali fornisce relativamente la stessa coppia di picco e a regimi di rotazione del motore comparabili (vedi illustrazione). Nel grafico mostrato, si noti che una curva mostra più “area sotto la curva” rispetto all’altra, sebbene entrambe producano circa gli stessi punti di picco della coppia e dei giri al minuto. A parità di tutto il resto, maggiore è l’area della curva di coppia, maggiore è la probabilità che il veicolo acceleri più rapidamente. La tracciatura di questo tipo di dati fornisce una rapida e grafica rappresentazione delle potenziali prestazioni in pista.

Inoltre, i motori tendono ad accelerare più rapidamente quando vengono azionati sul lato della coppia crescente della curva piuttosto che sul lato della coppia decrescente. L’attenzione a questo aspetto aiuta nella scelta delle dimensioni del cambio/ruota/gomme e della gamma più vantaggiosa di velocità del motore.

Il messaggio qui è che i valori di potenza di picco e di coppia dipingono solo un quadro parziale di ciò che ci si può aspettare dalle prestazioni in pista. Il tasso di sviluppo della potenza (la pendenza della curva di coppia) è più descrittivo, sottolineando così i benefici derivanti dai dati di tracciamento e dallo studio dei risultati. In altre parole, più è ripida e più ampia una data curva di coppia, maggiore è il potenziale di accelerazione delle auto da corsa.

Alcune riflessioni conclusive su questa serie, dichiarate all’inizio, questa serie aveva lo scopo di identificare e spiegare le aree di sviluppo della potenza comuni tra Cup e i costruttori di motori del sabato sera. Pur essendo completa fino a un certo punto, lo spazio all’interno della sua lunghezza prevista ha impedito che alcune aree fossero incluse e discusse. Entrambi gli autori visiteranno queste aree se i lettori del Circle Track vorranno che ciò avvenga. Le vostre lettere dettano la decisione di farlo. Identificate semplicemente le aree per le quali desiderate ulteriori informazioni. Inviare le lettere a: Circle Track, 3816 Industry Blvd., Lakeland, FL 33811. CT

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