El par motor (2)

En el pasado número vimos el concepto físico del par motor así como su significado. En esta segunda parte vamos a analizar el comportamiento del motor cuando se encuentra sometido a una acción, o par resistente, producido por un freno dinamométrico. También veremos como se determinan la curvas características de Par Motor y Potencia y las primeras consecuencias de los resultados.

El freno dinamométrico (Figura1), es el dispositivo que somete al motor a un par resistente, previamente establecido, y que puede modificarse a voluntad hasta la máxima capacidad que admite el freno. Todos los frenos tienen unas limitaciones de par, potencia y velocidad. Se denominan también frenos de absorción porque transforman la energía mecánica del motor en energía calorífica, en el propio freno, la cual ha de ser disipada mediante refrigeración, a fin de preservar contra las altas temperaturas los componentes del freno que intervienen en el proceso.

Todo freno consta de dos componentes principales llamados Rotor y Estator. El primero está conectado al cigüeñal del motor, bien de manera directa, como sucede en los ensayos DIN, SAE etc., o indirecta , como ocurre con el ensayo OCDE donde el motor se frena a través de la toma de fuerza del tractor. El par resistente del freno llega al motor por medio de la transmisión que existe entre este y la propia toma de fuerza.
El Estator es el dispositivo que ofrece la resistencia, o par resistente al Rotor. Para ello se utilizan diferentes formas de llevarlo a cabo, según el tipo de freno, como pueden ser los frenos hidráulicos o eléctricos.
Cuando el Estator frena al Rotor, el primero tiende ser arrastrado por el segundo, esto no ocurre ya que el Estator está conectado a un brazo de palanca (b) sobre el que se aplica una fuerza (F) que tiende a equilibrar el par transmitido por el Rotor.
El valor de la fuerza F multiplicada por la longitud del brazo de palanca b es el par resistente (Mr). Cuando el motor mantiene la velocidad de giro al ser sometido al par resistente esta ofreciendo un par motor (Mm) igual al resistente.

En este caso se cumple:

Par Motor = Par Resistente = Fxb (Mm)

En el ensayo al freno, para una posición del acelerador, se aplican resistencias crecientes en el motor caracterizadas por valores de la fuerza F (N) y como se conoce, o puede determinarse, el valor del brazo de palanca b ( m ) obtenemos el valor del par motor Mm (Nm). Paralelamente, para cada valor de F se determina el régimen (nr/min) y el consumo de combustible en la unidad de tiempo (Ch kg/h).

Uno de los aspectos que todavía no se ha contemplado es, qué sucede cuando el par motor es mayor que el resistente y viceversa. En el primer caso el motor se acelera, es lo mismo que cuando pisamos el pedal del acelerador a fondo nada mas arrancar el tractor. En el segundo caso, el motor pierde velocidad y llegaría un momento en que se calaría. La bomba de inyección tiene un dispositivo de corrección de la velocidad llamado regulador.
Cuando el motor se embala el regulador es capaz de detectar el aumento de velocidad y actuar sobre el dosificador de combustible de la bomba, reduciendo la cantidad aportada, para que no sobrepase un determinado régimen. Si por el contrario el motor tiende a reducir la velocidad el regulador propicia una mayor aportación de combustible para mantenerla.
En los motores de los tractores la bomba lleva un regulador que se llama “de todas las velocidades o de continua” actuando en base a dos variables: la posición del acelerador y el régimen del motor. La posición del acelerador condiciona la velocidad máxima a la que actúa el regulador.
Cada posición equivale a una velocidad de regulación. A medida que el motor se va sobrecargando el regulador actúa aportando combustible de tal manera que el régimen tiende a disminuir ligeramente hasta que se alcanza un valor máximo donde la aportación se mantiene constante o aumenta ligeramente.
El intervalo donde la velocidad tiende a mantenerse constante se llama “zona de actuación del regulador”.

DETERMINACIÓN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE PAR (Figura 2)

Veamos un ejemplo obtenido de un boletín de ensayo de un tractor.
La curva característica de par se obtiene con el acelerador al máximo de su recorrido. Cuando el par resistente es nulo el motor tiende a embalarse pero el regulador actúa limitando su velocidad, en la Figura 2 , es el punto 1a y dicha velocidad 2450 r/min.
La bomba aporta 0,13 g por inyección, ver Figura 3, en este punto el combustible se consume en vencer las propias resistencias que tiene el motor por el hecho de estar en funcionamiento.
Cuando en el freno se aplica un par resistente aproximadamente de 150 Nm, siguiente punto de la curva, la velocidad del motor disminuye, esta caída es detectada por el regulador que actúa sobre el dosificador de la bomba para aumentar la cantidad de combustible inyectado, en este caso 0,22 g por inyección. La velocidad del motor ya no es 2450 r/min sino 2405. Seguimos aumentando el par resistente vamos obteniendo una serie de valores de velocidad y consumo de combustible.
Cuando llegamos al punto 2 el par se eleva a 710 Nm, la velocidad toma el valor de 2250 r/min y la bomba aporta 0,59 gr por inyección.
El tramo de la curva 1a –2 es el de la “zona de actuación del regulador” cuando el acelerador se encuentra en su máximo recorrido.
La caída de velocidad es la diferencia entre 2450 y 2250 r/min, es decir 200 r/min. La bomba ha corregido la cantidad de combustible aportado de 0,13 gr a 0,59 gr por inyección.
A partir del punto 2 la curva de par cambia como consecuencia de que se modifica el caudal aportado por la bomba. Desde dicho punto al 4 (Figura2), la corrección de caudal es aproximadamente 0,15 gr, diferencia entre 0,74 y 0,59.
En este caso la velocidad del motor disminuye considerablemente cuando en el freno aumentamos el par resistente. De este modo podemos determinar el par máximo que en nuestro caso es 985 Nm a 1400 r/min. Si el acelerador lo disponemos en un punto intermedio de su recorrido tal que, cuando no está sometido a carga alguna en el freno, su velocidad es 2240 r/min (punto 1b), al seguir frenando el motor, de la misma manera que en el caso anterior, obtendríamos el tramo dela curva de par 1b-3. En dicho tramo actúa también el regulador de la bomba.
El régimen ha variado entre 2240 y 2030 r/min, el par entre 0 y 821 Nm y la aportación de combustible de la bomba entre 0,11 y 0,65 gr por inyección, estos últimos valores no mostrados en la Figura 3.
Si continuamos el proceso de frenado los puntos obtenidos se solapan con los de la curva de máximo recorrido del acelerador. La zona de actuación del regulador de esta segunda curva nos lleva al punto 3 que corresponde al régimen del motor donde la toma de fuerza gira a la velocidad normalizada que en este caso es 1000 r/min.
En otra posición del acelerador obtendríamos un tramo de curva similar a los anteriores, pero con la salvedad que el par motor nunca sobrepasaría al obtenido cuando el acelerador se encuentra en su máximo recorrido.