Fonctionnement d'un banc de puissance

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A quoi servent ils ?

Les bancs de puissance ont été développés dans le but de mesurer réellement, le couple et la puissance du moteur. Ensuite leur utilisation s’est étendue aux rodages des moteurs avant commercialisation, aux mesures des consommations de carburant selon la charge appliquée au moteur, aux tests de fiabilité par rapport au temps de fonctionnement du moteur etc..
Nous allons ici étudier les bancs de puissance et voir comment ils peuvent déterminer les performances du moteur.

Les types d’essais

Il y a 2 grandes familles parmi les bancs :

1) Les bancs inertiels
2) Les bancs freinés


1) Essais sur banc inertiel


Dans le principe de fonctionnement d’un banc type inertiel, la mesure de l'accélération communiquée au rouleau par le moteur du véhicule permet de calculer le couple instantané.
Plusieurs types d’essais sont possibles :

L’essai à rapport fixe : On place le véhicule sur le banc en respectant les normes de sécurité. On lance le véhicule, on se positionne en 4e ou 5e rapport ensuite on écrase la pédale d’accélérateur pour être à pleine charge, L’essai à rapport fixe fournit la puissance et le couple à la roue ( je ne poste pas l'image, même principe )



Il y a l'essais pour vitesses automatiques ( scooter ), l'essais à rapport variable, qui ne nous intéressent pas vraiment.

L’essai mesurant les pertes de puissance entre la sortie moteur et les roues motrices :
Après la mise en accélération du véhicule pour mesurer sa puissance, le logiciel ordonne de débrayer. On laisse ralentir le véhicule sur le rouleau sans freiner, jusqu’à ce qu’il s’arrête. Pendant la phase de décélération, en connaissant les données propres au système autrement dit, l’inertie du rouleau, les pertes par frottement des roulements etc., le logiciel mesure la puissance et le couple que le véhicule perd à travers la transmission. La somme de la puissance ( ou couple) à la roue et de celle perdue par frottement donnera puissance ( ou couple) mesurée au moteur.



Celle qui nous intéresse le plus est la puissance à la roue car c'est celle qui va se répercuter sur la route, c'est aussi le meilleur point de comparaison entre 2 voitures puisqu'elles pourraient avoir la même puissance moteur mais pas la même aux roues si l'un a plus de pertes de transmission que l'autre ;-)

2) Essais sur les bancs freinés

L’usage du banc en mode freinée est une utilisation et un principe de fonctionnement totalement différent. A travers un frein électrique, on peut bloquer le régime de rotation du moteur ou la vitesse du véhicule, ainsi on peut effectuer des mises au point dans lesquelles on demande au moteur de rester à un régime stationnaire. On peut dès lors établir des cartographies d’injection, allumage, simulation d’effort et résistance à l’air
On peut également effectuer l’essai de puissance, mais respectivement à la puissance inertielle, c’est une puissance freinée ou bien obtenue à des régimes préfixés. Ces essais sont beaucoup plus intensifs et stressants au regard de ceux effectués avec l'inertie normale du rouleau.
Le logiciel utilisé avec le banc opère un contrôle électronique qui alimente le frein, générant un champ magnétique apte à produire le couple qui freinera le moteur.
Les essais possibles sont:

Frein a régime (vitesse) constant : Avec cet essai, on peut bloquer le régime du moteur ou la vitesse du véhicule sur des points d'intérêt, par exemple à 5000 tr/min ou à 90 km/h. D'autres points peuvent également être bloqués pour étudier le moteur. C'est l'essai qui doit être effectué pour obtenir le tableau de l'injection ou de l'allumage. Pour cela il faut entrer des données comme les régimes, les vitesses du véhicule pour lequel le frein doit pouvoir bloquer le moteur.



Sur le screenshot on aperçoit tout en haut " soft engine " c'est le banc qui est utilisé chez Power Plus Engineering pour votre info ;-)

voici ce que va visualiser l'opérateur qui va régler la carto



A partir de la, on se rend bien compte qu'il est facile de régler une carto avec un banc puisqu'on affiche le régime, puissance et le couple instantané. il suffit alors d'appuyer sur + ou - dans le logiciel de la carto que ce soit pour l'essence ou l'allumage en fonction que l'on voit la puissance augmenter ou diminuer.
On a pas cette chance la lorsqu'on règle un moteur sur route, par conséquent l'exercice est de loin nettement plus compliqué et prends forcément plus de temps.
Un metteur au point qui sait régler un moteur sur route saura d'office régler un moteur sur banc, par contre l'inverse n'est pas forcément vrai

L’essai de rodage : On peut faire subir au moteur des cycles de montées en régime en gardant une charge moteur constante. La variation de régime va se faire en freinant ( via le banc ) plus ou moins le moteur. Sur l'image qui suit, on peut voir comment on va faire évoluer le régime par l'intermédiaire du frein en fonction du temps de l'essais



L’essais à charge constante : Ici, on simule une charge sur le moteur. Par exemple, on peut simuler l'effet du poids d'un passager ou d’une côte et voir l’influence sur la puissance du moteur. La donnée nécessaire au logiciel est celle de "Force de traction". L'utilité de cet essai est aussi de donner une charge prolongée au moteur et de pouvoir ainsi effectuer des essais de résistance et d'endurance.

L’essais à charge variable ou « road simulation » : On va simuler le mieux possible le vrai comportement routier en tenant compte également de la résistance aérodynamique. Grâce à l'insertion d'une valeur de Cx, des coefficient de frottement des roues etc, le frein va offrir une résistance variable à la montée en régime du moteur en tenant compte des paramètres recréant les conditions extérieures. En définitive, on peut avoir les temps d'accélération et la vitesse maximale réelle que le véhicule aurait sur la route.



Dans la pratique, je ne pense pas que les ingénieurs PPE, shiftech, tuning box etc passent leur temps à simuler des essais routiers. Time is money ;-)

Premier petit résumé

Le banc inertiel et le banc frein sont en général un unique et même banc. Le banc inertiel seul existe toujours et ne sert qu'à mesurer la puissance et le couple, comme certain l'on vu lorsqu'ils sont passé au banc. Je pense aussi que certains ingénieurs utilisent toujours ce type d'essais même pour régler les moteurs...
Une fois que l'on freine le banc, on va pouvoir travailler sur des points précis de la carto.


Fonctionnement d’un banc à inertie ( Dyno )

Ce que nous cherchons à mesurer, c’est le couple, donc la force de rotation appliquée à une masse appelée volant à inertie, autrement dit le rouleau.
Si on arrive à obtenir les valeurs d’accélérations par l’intermédiaire d’un capteur de vitesse de rotation, on peut déterminer en connaissant la masse du rouleau, quelle a été la force nécessaire pour obtenir cette accélération. Ce moment de force obtenu, c’est le couple à la roue du véhicule.

Les bancs à rouleaux peuvent se présenter pour les véhicules 2 roues motrices ou 4 roues motrices. La disposition des rouleaux peut être simple ( à droite ) ou double ( à gauche )



Un véhicule en roulant exerce des efforts sur son environnement pour avancer et donc en réaction le milieu extérieur exerce des résistances sur l’avancement. Les principales résistances sont :

- Le poids total du véhicule à entraîner
- Le frottement des pneus sur le sol
- La traînée aérodynamique
- La dénivellation du sol

Un véhicule lourd avec une forte traînée aérodynamique qui se déplace en côte ne subira pas la même résistance qu’un véhicule léger, profilé, se déplaçant sur sol plat. De plus la résistance à l’avancement du véhicule ne peut pas être une constante car elle varie avec la vitesse d’avancement du véhicule.
Donc tous ces paramètres que l’on intègre via le logiciel du dyno vont pouvoir déterminer avec précision par exemple l’accélération du véhicule ou bien la vitesse maximale qu’il pourrait atteindre.
Pour effectuer cette résistance à l’avancement, le logiciel va venir piloter le frein de charge, ainsi le moteur testé subit la même résistance au banc que sur le terrain et ce sur toute sa plage de régime. C'est bien entendu en théorie, dans la pratique je ne sais pas si tout le monde fait fonctionner le banc via le frein...

On retrouve aussi le système ISO-VITESSE sur certains bancs. Pour cela il faut disposer d’un banc type 4 roues motrices. Les rouleaux du train arrière et du train avant sont solidaires par l’intermédiaire de courroie crantée. Cela permet ainsi à de faire tourner toutes les roues, aussi bien motrices que non motrices, à la même vitesse. On recrée ainsi les conditions de roulage du véhicule sur la route. Ce système permet donc d’accroître les précisions de mesures notamment pour le test des pertes mécaniques étant donné qu’il y a des frottements au niveau des roues non motrices et aussi au niveau des roulements. Il est aussi tout important pour ne pas mettre les calculateurs ABS et ESP en code panne pour certains véhicules récents.
Donc si vous voyez que le banc ou vous allez tester est un 4 RM permanent, c'est un gage de précision en plus

Liaison pneu - rouleau

La qualité de la liaison entre le pneu et le rouleau va être déterminante pour la précision des mesures. C’est pourquoi les mono rouleaux sont préférables au rouleaux doubles pour représenter de façon la plus naturelle possible la déformation du pneu sur le rouleau. Les mono rouleaux ont encore un avantage supplémentaire en proposant un grand diamètre et donc une grande surface rouleau - pneu.
On aura donc dans le premier cas 1 zone de déformation représentant au mieux l’application du pneu sur le sol tandis que pour le 2e cas on aura 2 zones de déformation et plus petites.
Le dernier avantage du mono rouleau, c'est qu'on peut passer sur le banc même avec une formule 1, on n'aura pas de problème de hauteur de caisse

J'avais d'ailleur vu à l'époque une video d'une ferrari 599 GTB qui passait sur un dyno avec des pneus kilometrés et ensuite avec des pneus neufs, il y avait je crois 9 whp en plus juste par le fait que le pneu avait un meilleur grip ;-)

Détermination du couple et de la puissance

Pour mesurer le couple développé par le véhicule sur les rouleau il faut introduire préalablement des relations dans le logiciel.

La première est :

C = I * a ou C est le couple, I est le moment d’inertie du rouleau et a est l’accélération angulaire.

L’inertie du rouleau est bien entendu connue mais si toute fois on ne la connaît pas on peut la déterminer comme suite

I = m/2 * r² ou m est la masse du rouleau et r est le rayon du rouleau

Pour déterminer la masse du rouleau ( cylindre )

m = p * r² * L * r ou L est la longueur du rouleau et r sa masse volumique

Pour déterminer l’accélération angulaire il faut pouvoir mesurer la vitesse de rotation du rouleau sur un laps de temps. Par exemple si le rouleau passe de 300tr/s à 400 tr/s en 1 seconde alors l’accélération du rouleau est de 100 tr /s²

La deuxième relation sert à trouver la puissance du moteur. Pour cela il suffit de connaître le régime de rotation du moteur et le multiplier au couple relevé par le dyno

P = C * N ou N est le régime de rotation du moteur

Pour avoir des mesures les plus précises possibles il faut pouvoir mesurer des régimes de rotation avec des petits " pas " par exemple 500x par seconde. Il faut donc disposer d’un système d’acquisition fonctionnant à 500Hz ( c'est l'échantillonnage ). Le logiciel, après avoir mémorisé toutes les données de l’essais va ensuite pouvoir calculer l’accélération angulaire et la réintroduire pour chaque point de mesure dans la relation qui nous donne le couple moteur pour chaque régime.

Avant que la valeur de couple ne passe directement au calcul de la puissance, on va passer par un algorithme qui normalise les résultats par rapport à une référence. En effet si on ne se réfère pas à une norme, pour un même moteur on pourrait avoir des grosses différences au niveau des mesures. Tout le monde sait que si l’air est froid, il sera plus dense et par conséquent on obtiendra plus de couple qu’à température élevée.

Cnormalisée = Cmesurée * (Préférence / Pactuelle ) * (Tactuelle / Tréférence )²

C = couple ; P est la pression atmosphérique ; T est la température présente lors de l’essais.

Les valeurs normalisées dépendent de la norme choisie.
La norme SAE est utilisée aux USA
La norme DIN est utilisée principalement en europe.

100 cv DIN = ~98 cv SAE

Ensuite vient apparaître la notion de Couple et puissance corrigée.

Pour cela on va essayer de déterminer les pertes qui se trouvent entre le volant moteur et les roues car il ne faut pas oublier que le dyno ne mesure que le couple à la roue. Si on veut déterminer le couple au moteur il faut prendre en compte un certain pourcentage de pertes.

Pour cela, le logiciel va demander à l’opérateur de débrayer pour déterminer les pertes. On va donc mesurer cette fois ci une décélération du rouleau en tenant compte de la résistance qu’a la voiture à s’opposer à la décélération du rouleau.
Cependant la mesure ne peut être précise étant donné que le moteur n’est plus en connexion avec la boîte et on ne sait pas prendre en compte la proportion de puissance perdue en frottement entre le moteur et la boîte.
La seule mesure valable serait de mesurer le couple à la roue avec un banc inertiel, ensuite enlever le moteur et le passer sur un banc freiné.

Les ordres de grandeurs pour se rendre compte si les mesures prises par le banc son cohérentes ou non sont les suivantes pour des puissances allant de 100 à 200cv :

- Pour les 2 roues motrices tractions ( FWD ) : pertes 15 %
- Pour les 2 roues motrices propulsions ( RWD ) : pertes 17%
- Pour les 4 roues motrices ( 4WD ) : pertes 22%

Il existe cependant des relations théoriques qui sont très précises pour déterminer le lien entre la puissance moteur et la puissance à la roue.

Conversion puissance à la roue à puissance au moteur

FWD : rajouter 10cv à la puissance à la roue et diviser le résultat par 0,9
RWD : rajouter 10cv à la puissance à la roue et diviser le résultat par 0,88
4WD : rajouter 10cv à la puissance à la roue et diviser le résultat par 0,84

Conversion puissance au moteur à puissance à la roue
FWD : multiplier la puissance moteur par 0,9 et ensuite retirer 10cv
RWD : multiplier la puissance moteur par 0,88 et ensuite retirer 10cv
4WD : multiplier la puissance moteur par 0,84 et ensuite retirer 10cv


Les informations allant au logiciel

Voici comment se présente de façon synoptique le banc à rouleau.



On peut aussi présenter comment vont les infos à un banc moteur ( chassis sur lequel on fixe un moteur )




Fonctionnement d’un banc moteur freiné

Le banc moteur freiné est l’outil indispensable pour tout réglage sur un moteur. Il permet de travailler ou d’étudier le moteur en question indépendamment du reste du véhicule. L’opérateur peut relever différentes mesures à l’aide d’un logiciel complexe. On peut donc produire une charge freinant pour en récolter une courbe de couple ou de puissance, étudier des consommations de carburants, relever des pressions dans les cylindres pour obtenir le diagramme pv, faire le rodage d’un moteur selon des cycles automatiques pilotés par le logiciel.

Le principe du freinage par courant de Foucault est le suivant :



Le frein est schématiquement constitué d’un rotor et d’un stator. Le stator est monté en balancier sur le socle et est retenu dans sa rotation par un capteur de force. Il accueille également une bobine électrique et des chambres de refroidissement. Le rotor tourne à l’intérieur du stator dans un champ magnétique généré par les bobines électriques. Il en coupe les lignes de forces et induit des courants de Foucault. Ces courants génèrent des forces qui s’opposent au mouvement qui leur a donné naissance. Le couple moteur est ainsi transmis au stator qui agit par réaction sur le capteur de force. Grâce au bras de levier le capteur mesure ainsi le couple de freinage.
L’énergie mécanique absorbée par le frein est transformée en chaleur. Celle ci est évacuée par de l’eau de refroidissement circulant dans des labyrinthes. Sur le schéma ci dessus, le frein est refroidit par eau mais il existe des modèles ou le refroidissement se fait par l’intermédiaire de 2 rotors de pompages (ci dessous).



Voici une petite idée d'une cellule test banc moteur



Conclusion

Les bancs d’essais sont d’excellents outils pour mesurer et pratiquer des réglages sur les moteurs. Toute fois il est aussi très facile de tricher sur les données obtenues ne fus que pour satisfaire le client qui vient passer sa voiture au banc. L’opérateur peut par exemple introduire une température d’essais supérieure sachant que si on se ramène à une température normalisée, la puissance ne peut qu’augmenter. Il en va de même pour les pertes de transmission, il suffit de les augmenter pour voir apparaître des résultats plus qu’optimistes du point de vue puissance moteur. J'ai aussi très fortement synthétiser cette documentation car le fonctionnement des capteurs etc ne nous intéresse pas.
Il reste une dernière problèmatique, l'interprétation des résultats qui peut varier très fortement d'une marque de banc à l'autre mais cela fera l'objet d'un autre topic

Source : travail de groupe ( luig, chris22 et anto ) pour le cours d'electromécanique en 3e année Bac auto

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Pour completer un peu ce dossier et pour vous faire comprendre que les résultats des bancs de puissance ne sont qu'à titre indicatif, j'ai ici 2 videos qui j'espère vous feront réfléchir sur l'interprétation des résultats.

Un comparatif entre un système dynapack et un banc dynojet

Ici un comparatif entre 2 bancs de la même marque ( dynojet )

C'est bien la preuve que tout est fonction de la manière de calibrer le banc. Je suis persuadé aussi que les sociétés qui font les cartos n'hésitent pas a booster un peu leur chiffres quand ils te disent, voila passage avant et passage après...

Méfiance ;-)