Por Charles Blouin
Los dinamómetros son herramientas excelentes para medir el rendimiento de los motores. Al aplicar una carga controlada al motor, los dinamómetros pueden caracterizar el par, las RPM y la potencia del motor.
Pero ¿es esta la única forma de obtener una comprensión integral del rendimiento del motor?
Queríamos saber si era posible mapear el rendimiento del motor sin un dinamómetro de freno tradicional, utilizando en su lugar un banco de empuje motor-hélice.
(Alerta de spoiler: es posible.)
Contenidos:
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Configuración experimental
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Mapa de consumo de potencia del motor
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Mapa de eficiencia del motor
1. Configuración experimental
Utilizamos nuestro banco de empuje Flight Stand 15 para medir el rendimiento del motor en términos de par, RPM, potencia y más.
Instalamos 6 hélices diferentes de varias marcas en el motor, utilizándolas como cargas para nuestra prueba. Sus tamaños fueron los siguientes:
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11”
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16”
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18”
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22”
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26”
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30”
Figura 1: Banco de empuje Flight Stand con motor de prueba y hélices
Diseñamos una prueba de pasos automatizada con 10 incrementos de acelerador de 1150 a 2000 µs, y realizamos la prueba con cada hélice.
Los datos se registraron utilizando el software Flight Stand, y luego se exportaron a .CSV.
Los mapas de los motores se generaron utilizando un cuaderno de Google Colab ejecutando Python. El código puede verse y reutilizarse utilizando sus propios archivos de datos de rendimiento del motor. Para usar sus propios datos, deberá utilizar las mismas unidades y títulos de columna que se utilizaron en el archivo exportado o modificar el código para adaptarse a su elección de unidad.
Figura 2: Prueba de pasos automatizada en el software Flight Stand
2. Mapa de consumo de potencia del motor
Se presentan cuatro variables en el gráfico de abajo. El eje x presenta la velocidad de rotación en RPM mientras que el eje y presenta el par en Nm. El gráfico de contorno es la potencia modelada. Los puntos representan los puntos de datos reales medidos, y su color representa la diferencia entre la medición y el modelo.
Se aplicó un polinomio de tercer orden a los datos para modelar el consumo de potencia eléctrica. Las predicciones están representadas por las secciones de colores en el gráfico, cada una representando un rango de 25 W.
El color de los puntos de datos representa el error entre el valor predicho por el modelo y el valor medido de la potencia eléctrica en vatios. El error máximo del modelo fue de 0.8 vatios sobre 150 vatios medidos, o 0.5%.
Figura 3: Mapa del consumo de potencia del motor
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3. Mapa de eficiencia del motor
El mapa de eficiencia del motor de abajo se derivó del mapa de potencia de la sección anterior.
En este mapa, cada sección de color representa la eficiencia predicha del motor en %, con cada sección ocupando un rango del 2%.
A eficiencias muy bajas, <50%, el error en la medición fue de hasta 3 puntos porcentuales, lo cual es esperado ya que la potencia medida y el par son bastante bajos en esos rangos. A eficiencias más altas donde el motor normalmente opera durante el vuelo, el error fue mucho más despreciable, <1 punto porcentual para eficiencias que van del 74-86%.
Figura 4: Mapa de eficiencia del motor
4. Validación del modelo
Al generar los modelos de rendimiento, la hélice de 18" se dejó intencionalmente fuera del conjunto de datos para verificar la precisión del modelo utilizando datos de prueba independientes.
El modelo se desarrolló utilizando mediciones de las otras cinco hélices, y luego se usó para predecir el rendimiento del motor en los puntos de operación medidos con la hélice de 18". Los valores predichos se compararon con las mediciones reales para determinar con qué precisión el modelo representa el comportamiento físico del motor, en lugar de simplemente ajustar los datos utilizados para desarrollarlo.
Este enfoque también ayuda a identificar el sobreajuste potencial, donde un modelo se ajusta bien al conjunto de datos original pero falla en predecir con precisión nuevas mediciones.
Dado que la hélice de 18" cae dentro del rango de tamaños de hélice utilizados para desarrollar el modelo, esta prueba evalúa su capacidad para predecir el rendimiento del motor entre condiciones de operación conocidas. Los resultados mostraron que la eficiencia predicha del motor difirió de los valores medidos en menos de 1 punto porcentual en la mayor parte del rango probado.
La figura de abajo muestra el mapa de consumo de potencia del motor con los puntos de datos medidos de la hélice de 18" agregados para comparación.
Figura 5: Mapa del consumo de potencia del motor con los puntos de datos de la sexta hélice (18") agregados.
Conclusión
En resumen, es posible mapear la potencia y eficiencia del motor sin un dinamómetro de freno tradicional. Pudimos usar datos de nuestro banco de empuje Flight Stand y un polinomio de tercer orden para modelar el consumo de potencia y eficiencia del motor, generando mapas para predecir el rendimiento en configuraciones aún no probadas.
Para aprender más sobre la caracterización del motor, echa un vistazo a nuestro artículo sobre Cómo y por qué medir el par del motor