Pruebas de motor

La localidad MAHLE en Muskegon, MI, EE. UU.

Componentes para pruebas de motor son una parte indispensable del desarrollo del motor. Pruebas realizadas internamente proporcionan hechos incuestionables sobre la funcionalidad y la calidad de los productos.

El Grupo MAHLE mantiene 13 Tech Centers, que reúnen ocho instalaciones de pruebas, con una capacidad total de 92 bancos de prueba. Los Tech Centers y, por lo tanto, los laboratorios de pruebas de motores, están ubicados cercanos a los más importantes centros de desarrollo de la industria automotriz, permitiendo así una estrecha cooperación con los clientes en sus localidades.

El desarrollo y prueba de motores y sus componentes está cada vez más descentralizado. La transparencia y el intercambio de información entre las distintas localidades de prueba son, por lo tanto, indispensables.

Las localidades de prueba de MAHLE están interconectadas por medio de bancos de datos y plataformas de trabajo globales. Esto significa que los datos técnicos están localmente disponibles en cualquier momento y que el intercambio regular de información y experiencias está asegurada. Estrategias para pruebas de motores, métodos de medición y análisis y programas de prueba son discutidas y comparadas durante reuniones realizadas regularmente.

Las pruebas de motores realizados por MAHLE incluyen una serie de tareas que, esencialmente, están divididas en seis áreas.

  • Desarrollo de métodos de prueba
    • Nuevos métodos de medición, prueba y análisis proporcionan información importante para el desarrollo de nuevos productos. Siguiendo una coordinación global y desarrollo local, son lanzados globalmente nuevos métodos en el Grupo MAHLE. Esto significa que estos nuevos métodos pueden ser implementados en todas las localidades, brindando información y hechos valiosos tanto para MAHLE como para sus clientes.
  • Investigación fundamental
    • Esta área incluye preparación y verificación de catálogos de acciones genéricamente aplicables para problemas especiales y áreas de interés.
  • Pruebas de motor de nuevos productos
    • Antes que los nuevos productos sean liberados para las aplicaciones de los clientes, estos deben cumplir con un alto grado de madurez y funcionalidad. Así, nuevos productos son probados y validados internamente en baterías de pruebas de motores.
  • Pruebas de productos en motor hasta la producción en serie
    • Durante el desarrollo del producto, productos existentes son adaptados a las especificaciones de los clientes y probados en baterías de pruebas de motores específicas para cada cliente. Pruebas holísticas de una unidad power cell (PCU, incluyendo pistones, aros de pistón y camisas de cilindros) son indispensables para evaluar las interacciones entre componentes individuales y armonizarlos a unos con relación a los otros.
  • Estudio de problemas
    • Complicaciones con productos en la producción en serie requieren respuesta inmediata. Fallas en campo pueden ser reproducidas con baterías de pruebas apropiadas en una instalación de pruebas de motores de forma que potenciales medidas correctivas puedan ser probadas.
  • Servicios de desarrollo
    • Pruebas de motores pueden proporcionarle al cliente un extensivo soporte basado en experiencia y conocimiento técnico, realizando una amplia gama de pruebas en el papel de proveedor de servicios de desarrollo.

Las pruebas de motor son uno de los pasos finales en el desarrollo de cualquier producto. Solamente la real operación del motor puede mostrar el verdadero comportamiento operativo de los componentes y las interacciones potenciales con otros componentes. Antes de las pruebas de motor, cuya atención está en conseguir los principales objetivos del desarrollo, no se puede implementar ni demostrar la eficacia de las medidas detalladas de optimización listadas a continuación.

  • Verificación de la funcionalidad y de la resistencia de componentes
  • Optimización del consumo y separación del aceite
  • Prevención de la acumulación de carbonización y depósitos de residuos diversos
  • Optimización de la refrigeración de componentes y de la distribución de la temperatura
  • Optimización del comportamiento acústico y de la vibración
  • Optimización de sistemas de flujo
  • Minimización de las pérdidas por fricción y del desgaste de componentes
  • Análisis del comportamiento termodinámico y de emisiones
  • Aplicación del mapa de operación y población de datos.

Los bancos de prueba de motores MAHLE pueden accionar unidades que van de pequeños motores de dos tiempos a motores gasolina y diesel utilizados en vehículos de paseo o en vehículos comerciales pesados. Los bancos cubren potencias hasta de 1.200 kW.

Los modernos sistemas de automatización de pruebas de bancos ahora son de última tecnología y permiten operación continua y no monitoreada del motor. Complejas herramientas de logística para la planificación de las secuencias de prueba y sistemas de intercambio rápido acortan los tiempos de preparación de los bancos, aumentando sustancialmente su tasa de utilización y evitando tiempo ocioso innecesario.

Además de diversos desarrollos mecánicos y bancos de prueba funcionales, y también de bancos de prueba para análisis de termodinámicos y emisiones, MAHLE opera diversos bancos especializados a los cuales otras áreas importantes de desarrollo son dirigidas, tales como pérdidas por fricción, acústica y arranques en frío.

Desarrollo mecánico y bancos de pruebas funcionales

Todos los medios operativos del motor están condicionados por el banco de pruebas para desarrollo mecánico, verificación funcional y pruebas de largo plazo relacionados a la resistencia de componentes. Los frenos activos de los bancos de prueba conducen a la operación del motor, de forma que sistemas de frenos de vehículos comerciales también pueden ser probados, por ejemplo.

Además de programas de prueba específicos de MAHLE, todas las pruebas específicas de los clientes (por ejemplo, pruebas de choque térmico) pueden ser realizadas.

Bancos de pruebas termodinámicos

Además de los sistemas de acondicionamiento de los bancos de prueba para bancos de pruebas de desarrollo mecánico y prueba funcional, los bancos de pruebas termodinámicos están equipados con sistemas de acondicionamiento del aire de admisión. Sistemas de indexación de alta y baja presión y herramientas de análisis correspondientes están disponibles para las pruebas termodinámicas. Para analizar los componentes de los gases de escape, sistemas FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer, o Espectrómetro de Infrarrojo por Transformación de Fourier) están disponibles, además del típico análisis de cinco componentes. Diversos instrumentos de medición también son usados para analizar la masa o el conteo de las partículas en los gases de escape.

Bancos de prueba en frío

Bancos de prueba en frío

El banco de pruebas en frío permite que el comportamiento de arranque en frío del motor sea evaluado y diversos revestimientos de superficie sean probados en lo que respecta a daños de arrastre debidos a arranques en frío. El banco de prueba completo, incluyendo el refrigerante, aceite y temperaturas del aire de admisión pueden ser enfriados hasta –28 °C.

Bancos de pruebas acústicos

Bancos de pruebas acústicos

Bancos de prueba de baja reflexión son usados para pruebas NVH (ruido, vibración, dureza) para optimizar el comportamiento acústico de componentes como pistones, cojinetes, componentes del tren de válvulas y módulos de admisión. Pueden ser hechos tanto a medidas de ruido transmitidos por la estructura como por el aire. Baterías definidas de prueba pueden reproducir con precisión la estimulación por ruido en el banco de pruebas, permitiendo la comparación objetiva de potenciales medidas correctivas.

Banco de prueba de fuerza de fricción para motores completos

Bancos de prueba de fuerza de fricción

Un importante factor que contribuye a la reducción del CO2es la minimización de las pérdidas por fricción en el motor. Además de simular y determinar coeficientes de fricción fuera del motor, MAHLE usa diversos métodos de medición de motores para determinar y minimizar las pérdidas por fricción.

Las fuerzas de fricción de los pistones, aros de pistón y grupo del cilindro pueden ser determinadas como función del ángulo del cigüeñal en un motor de un cilindro con camisa flotante, midiendo las fuerzas axiales que actúan en la camisa del cilindro.

Con el banco de pruebas de fuerza de fricción para motores completos, MAHLE usa una herramienta que determina mapas de operación de presión de fricción promedio usando el método en un motor completo accionado. Una amplia gama de variación de parámetros de proyecto permite, así, que las medidas sean comparadas a lo largo de todo el mapa de operación. Usando el mapa de operación de presión de fricción promedio, pueden ser utilizadas herramientas de simulación adecuadas para calcular las emisiones de CO2 en ciclos de conducción relevantes para el cliente.

Los motores de los clientes pueden, así, ser individualmente optimizados con relación a las emisiones de CO2 en ciclos de conducción legalmente relevantes.

Superficie del refrigerante de una camisa de cilindro dañada por cavitación

Cavitación

La cavitación, especialmente en las camisas de cilindro húmedas de los motores de vehículos comerciales de gran tamaño, puede causar corrosión en la camisa del cilindro y, así, llevar a la falla del motor después de largos periodos de funcionamiento. La eficacia de medidas correctivas normalmente tiene que ser demostrada por medio de largas baterías de durabilidad, de alto costo.

Micrografía de una camisa de cilindro dañada por cavitación

MAHLE desarrolló un complejo método de medición y una metodología de análisis que permite que la propensión a la cavitación sea diagnosticada y analizada.

La eficacia de las medidas correctivas puede, así, ser demostrada rápidamente y a bajo costo.

Mapa de caracterización de consumo estacionario de aceite

Consumo de aceite

Además de métodos gravimétricos convencionales para determinar el consumo de aceite, tales como métodos de pesaje o volumétrico, o también de la medición del nivel de aceite en el cárter, MAHLE usa métodos químicos analíticos. También se utilizan métodos basados en rastreadores tales como azufre o tritio, en la medida que son métodos analíticos químicos libres de rastreador.

Consumo de aceite en una prueba dinámica

El uso de espectrometría de masa para determinar el consumo de aceite es un método analítico químico libre de rastreador que está ganando importancia. El método provee una gran cantidad de información en un corto periodo de tiempo. Mapas estáticos de caracterización de consumo de aceite pueden, así, ser creados en pocas horas. Gracias a la medición continua de la concentración de aceite en el gas de escape, es posible determinar el consumo de aceite en condiciones de operación transitoria. La respuesta del sistema de medición es lo suficientemente rápida para evaluar incluso hasta efectos altamente dinámicos del consumo de aceite, tales como ciclos rápidos de carga y velocidades. Extraer el gas de escape directamente después de la cámara de combustión permite que se hagan mediciones selectivas para cada cilindro.

Amplios estudios han producido catálogos de mediciones que pueden ser usados para la optimización del consumo de aceite.

Temperatura del pistón

Para cálculos confiables de la vida útil del pistón, es absolutamente necesario determinar la temperatura del pistón. Dependiendo de los requisitos, son utilizados diversos métodos de medición para evaluar las temperaturas de los componentes.

Un método rápido y simple es el uso de un templug (roscas de acero hechos de una determinada aleación) para determinar la temperatura del pistón en un punto fijo de operación. La resistencia residual y el tiempo de aplicación del templug pueden ser usados para calcular la temperatura máxima de un componente.

Pistón de vehículo de paseo sujeto a la metrología NTC

Este método de medición, conocido como NTC, es usado para requisitos más elevados. Semiconductores conocidos como NTC’s son usados como sensores de medición. Los datos son transferidos sin contacto, usando acoplamiento inductivo, para una unidad externa de adquisición y análisis de datos. Hasta tres puntos de medición pueden ser aplicados a cada pistón.

Para los requisitos más elevados, o sea, para mediciones extensivas a lo largo de todo el mapa de operación, variaciones de parámetros y mediciones transitorias en baterías de pruebas específicas para un cliente, es usado el sistema conocido como RTN (Real-time Telemetry Piston Temperatura Measurement System). En este caso, las temperaturas de los componentes se meden por medio de termopares NiCr-Ni. La señal analógica de voltaje de los sensores de medición es modulada en una señal digital por un amplificador de señal del sensor montado en el pistón. La telemetría se usa para transmitir la señal modulada inalámbrica a una unidad externa de adquisición y análisis de datos. Hasta siete puntos de medición pueden ser fijados al pistón.

Los clientes pueden usar este método de medición en tiempo real en las plantas de MAHLE para proyectar la aplicación de combustión de forma que las cargas térmicas máximas permitidas para el componente no sean excedidas.

Pistón de vehículo de paseo con daño por detonación

Detonación

Fallas de detonación en motores a gasolina pueden llevar a daños en el pistón, o incluso a la falla del motor. Usando un método de medición y análisis desarrollado en MAHLE, cada evento individual de detonación puede ser detectado y cuantificado, al mismo tiempo en que la intensidad de la detonación es determinada en tiempo real. La comparación entre las amplitudes de la detonación y el ángulo de ignición permite sacar conclusiones sobre los controles de detonación, permitiendo así la optimización y verificación de dichos sistemas de control.