Dispositivo de acondicionamiento de atmósfera para el ensayo de motores de combustión, procedimiento y uso relacionados.

La invención describe un dispositivo de acondicionamiento de atmósfera para ensayo de motores,

que comprende un conducto de entrada conectado a una admisión de motor, un conducto de salida conectado al escape del motor y que expulsa gases de escape, un conducto de comunicación que comunica el conducto de entrada con el de salida, un turbogrupo de sobrealimentación en el conducto de entrada que comprende una turbina, una válvula de baipás que deriva el caudal de aire que circula hacia la turbina, un regenerador de calor compuesto por intercambiadores de calor en los conductos de entrada y de salida conectados por un mismo circuito de fluido térmico, una válvula de baipás en el conducto de salida junto a su intercambiador de calor, un intercambiador de calor en el conducto de salida aguas abajo del regenerador de calor, y un turbocompresor aguas abajo del intercambiador de calor.

Dispositivo de acondicionamiento de atmósfera para el ensayo de motores de combustión, procedimiento y uso relacionados Campo de la invención La presente invención se refiere de manera general al campo de los ensayos de 5 motores de combustión, y más concretamente a un dispositivo para acondicionar la atmósfera durante ensayos de motores de combustión.

Antecedentes de la invención El ensayo y la caracterización de motores de combustión interna alternativos en bancos de ensayo requieren, en multitud de circunstancias, el control preciso de la presión y/o de la 10 temperatura, tanto en admisión como en el escape. Este es el caso, por ejemplo, de campañas de ensayos destinadas a la calibración del control del motor con la altitud, estudios de arranque en frío, repetitividad de condiciones de referencia en campañas de ensayos que se extienden en el tiempo, etc.

En muchos casos el problema planteado es el de obtener control sobre la presión para 15 que ésta sea inferior a la atmosférica, es decir, para simular una situación de altitud superior. Este caso se da, por ejemplo, cuando se desea estudiar el funcionamiento del motor en una cota de altitud superior a la del laboratorio en el que se realiza el ensayo, o en el caso del estudio de motores y equipos de aviación. Sin embargo, en otros casos también es deseable reproducir condiciones de altitud inferior aumentando la presión atmosférica, por ejemplo 20 cuando se desean reproducir las condiciones a nivel del mar en una sala de ensayo que se encuentra geográficamente a altitud elevada, o cuando se desea estudiar el comportamiento del motor en el interior de una mina por debajo del nivel del mar.

En la técnica ya se conocen algunos procedimientos para realizar este tipo de simulación de condiciones atmosféricas. 25

Por ejemplo, el documento ES2398095 A1, de los mismos solicitantes que el presente, da a conocer una instalación para simular las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo operando en altura. Dicha instalación comprende, entre otras cosas, una turbina radial centrípeta para expandir un flujo de aire hasta la presión y temperatura del aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo. Por 30 otro lado, la instalación dada a conocer en el documento ES2398095 A1 está dedicada principalmente al estudio de altitudes superiores para su aplicación en la aviación, pero no al estudio del funcionamiento de los motores en condiciones de altitud inferiores, como puede ser el caso de minas que se encuentran por debajo del nivel del mar.

El documento WO2008036993 A2 divulga un procedimiento y dispositivo para 35 suministrar gas de combustión acondicionado a un motor de combustión interna. Los gases de escape pueden mezclarse con el aire que va a introducirse en la aspiración del motor. Los gases de escape del motor de combustión interna se descargan a través de un tubo de escape mediante un sistema de aspiración para el gas de escape del motor de combustión, preferiblemente un sistema que incluye un filtro, un conducto de dilución y un ventilador. 40

Aunque se conocen algunos procedimientos y dispositivos para proporcionar una simulación de las condiciones atmosféricas a diferentes altitudes para los ensayos de motores de combustión interna, sigue existiendo la necesidad en la técnica de procedimientos y dispositivos alternativos que proporcionen ventajas con respecto a la técnica anterior. Por ejemplo, sería deseable disponer de un dispositivo que permita realizar el acondicionamiento 45 de la atmósfera en cuanto a presión y temperatura para ensayos de motores de combustión con un gasto energético reducido. También sería deseable un dispositivo que permita que dicho acondicionamiento de la presión y de la temperatura pueda realizarse de manera independiente uno de otro. Por otro lado, sería deseable disponer de un dispositivo que permita simular condiciones atmosféricas tanto a altitudes superiores como inferiores, con diseño fácil y sencillo de usar, sin requerir grandes cambios de configuración para cambiar el modo de funcionamiento. 5

Sumario de la invención La presente invención da a conocer un dispositivo de acondicionamiento de atmósfera para el ensayo de motores de combustión que proporciona al menos una o varias de las ventajas descritas anteriormente. Para ello, el dispositivo de la presente invención comprende:

- un conducto de entrada dispuesto para conectarse en un primer extremo a una 10 admisión de un motor de combustión que va a someterse a ensayo y que aspira aire de la atmósfera exterior por un segundo extremo;

- un conducto de salida dispuesto para conectarse en un primer extremo al escape del motor de combustión y que expulsa por un segundo extremo los gases de escape a la atmósfera; 15

- un primer conducto de comunicación que comunica el conducto de entrada con el conducto de salida cerca de sus primeros extremos respectivos, de modo que la admisión del dispositivo está en comunicación con el escape del mismo;

- un turbogrupo de sobrealimentación dispuesto en el conducto de entrada, comprendiendo el turbogrupo una turbina acoplada a un sistema de disipación de la 20 energía generada en la expansión;

- una válvula de baipás que deriva el caudal de aire en el conducto de entrada que circula hacia la turbina, pudiendo regularse la válvula de baipás y la turbina para obtener un valor de caudal y de presión deseados en el conducto de entrada;

- un primer regenerador de calor, compuesto por intercambiadores de calor respectivos 25 en el conducto de entrada y en el conducto de salida conectados por un mismo circuito de fluido térmico, dispuesto entre el turbogrupo de sobrealimentación y el primer conducto de comunicación, facilitando el intercambio de calor indirecto entre los gases de escape en el conducto de salida y el aire de admisión en el conducto de entrada;

- una válvula de baipás en el conducto de salida junto a su intercambiador de calor 30 correspondiente del primer regenerador de calor, que regula la cantidad de gases de escape que participan realmente en el intercambio de calor;

- un intercambiador de calor en el conducto de salida aguas abajo del primer regenerador de calor para enfriar los gases de escape hasta una temperatura segura; y

- un turbocompresor aguas abajo del intercambiador de calor, alimentado por medios de 35 alimentación de turbocompresor, para regular junto con la turbina y la válvula de baipás la disminución de presión del aire de admisión y el caudal de aire.

Preferiblemente, el funcionamiento del dispositivo de la presente invención puede invertirse, conectando la admisión del motor al segundo extremo del conducto de salida y el escape del motor al segundo extremo del conducto de entrada, convirtiéndose el conducto de 40 entrada en el de salida y viceversa, de modo que el turbocompresor, la turbina y la válvula de baipás regulan en conjunto el aumento de presión del aire de admisión.

Por tanto, el dispositivo de la presente invención permite modificar la presión y la temperatura del aire de entrada suministrado al motor que va a someterse a ensayo de manera independiente. Asimismo, el dispositivo de la presente invención permite modificar la 45

temperatura del aire de entrada con un gasto energético mínimo, mediante el aprovechamiento del calor de los propios gases de escape del motor de combustión para aumentar la temperatura del aire de entrada.

La presente invención también da a conocer un procedimiento de acondicionamiento de atmósfera para el ensayo de motores de combustión, que comprende las etapas de: 5

- someter aire de entrada atmosférico a una etapa de variación de la presión;

- someter aire de entrada a una etapa de variación de la temperatura;

- desviar aire de entrada hacia la salida para poner en comunicación directa los gases de escape con el aire de entrada;

- introducir aire de entrada sometido a variaciones de presión y de temperatura 10 independientes en la admisión de un motor que va a someterse a ensayo;

- reducir la temperatura de los gases de escape hasta una temperatura segura para su paso por un turbocompresor; y

- expulsar gases de escape del motor que se somete a ensayo a la atmósfera.

En el procedimiento de la invención, la etapa de variación de la presión del aire de 15 entrada se realiza mediante la acción combinada de un turbocompresor, una turbina y una válvula de baipás que regula la cantidad de aire de entrada.

Por último, la presente invención también se refiere al uso de un dispositivo según la presente invención para acondicionar independientemente...

1. Dispositivo de acondicionamiento de atmósfera para el ensayo de motores de combustión, comprendiendo el dispositivo:

- un conducto de entrada (1) dispuesto para conectarse en un primer extremo (1a) a una admisión de un motor de combustión que va a someterse a ensayo y que aspira 5 aire de la atmósfera exterior por un segundo extremo (1f) ;

- un conducto de salida (3) dispuesto para conectarse en un primer extremo (3a) al escape del motor de combustión y que expulsa por un segundo extremo (3g) los gases de escape a la atmósfera;

- un primer conducto de comunicación (4) que comunica el conducto de entrada (1) 10 con el conducto de salida (3) cerca de sus primeros extremos (1a, 3a) respectivos, de modo que la admisión del dispositivo está en comunicación con el escape del mismo;

- un turbogrupo de sobrealimentación dispuesto en el conducto de entrada (1) , comprendiendo el turbogrupo una turbina (8) acoplada a un sistema de disipación de 15 la energía generada en la expansión;

- una válvula de baipás (12) que deriva el caudal de aire en el conducto de entrada (1) que circula hacia la turbina (8) , pudiendo regularse la válvula de baipás (12) y la turbina (8) para obtener un valor de presión y caudal de aire deseados en el conducto de entrada (1) ; 20

- un primer regenerador de calor, compuesto por intercambiadores de calor (15, 15â?) respectivos en el conducto de salida (3) y en el conducto de entrada (1) conectados por un mismo circuito de fluido térmico, dispuesto entre el turbogrupo de sobrealimentación y el primer conducto de comunicación (4) , facilitando el intercambio de calor indirecto entre los gases de escape en el conducto de salida (3) 25 y el aire de admisión en el conducto de entrada (1) ;

- una válvula de baipás (17) en el conducto de salida (3) junto a su intercambiador de calor (15) correspondiente del primer regenerador de calor, que regula la cantidad de gases de escape que participan realmente en el intercambio de calor;

- un intercambiador de calor (28) en el conducto de salida (3) aguas abajo del primer 30 regenerador de calor para enfriar los gases de escape hasta una temperatura segura; y

- un turbocompresor (29) aguas abajo del intercambiador de calor (28) , alimentado por medios de alimentación de turbocompresor, para regular junto con la turbina (8) y la válvula de baipás (12) la disminución de presión del aire de admisión y el caudal 35 de aire de admisión.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que permite conectar la admisión del motor al segundo extremo (3g) del conducto de salida (3) y el escape del motor al segundo extremo (1f) del conducto de entrada (1) , de modo que se invierte el funcionamiento del dispositivo convirtiéndose el conducto de entrada en el de salida y 40 viceversa, de modo que el turbocompresor (29) , la turbina (8) y la válvula de baipás (12) regulan en conjunto el aumento de presión del aire de admisión.

3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además una bomba (14) que impulsa el fluido térmico entre los intercambiadores (15, 15â?) del primer regenerador de calor. 45

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por que el circuito de fluido térmico en el primer regenerador de calor comprende además:

- una válvula de tres vías (18) situada aguas arriba del intercambiador de calor (15â?) ubicado en el conducto de entrada (1) ; y

- un intercambiador de calor auxiliar (19) conectado a un circuito de fluido frigorífico; 5

de modo que el intercambiador auxiliar (19) puede enfriar indirectamente el aire de entrada en el conducto de entrada (1) .

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además un segundo regenerador de calor, compuesto por intercambiadores de calor (22, 22â?) respectivos en el conducto de salida (3) y en el conducto de entrada 10 (1) conectados por un mismo circuito de fluido térmico, dispuesto en la proximidad de los segundos extremos (1f, 3g) respectivos del conducto de entrada (1) y el conducto de salida (3) , facilitando un intercambio de calor indirecto adicional entre los gases de escape en el conducto de salida (3) y el aire de admisión en el conducto de entrada (1) .

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por que comprende además una 15 válvula de baipás (24) en el conducto de entrada (1) junto a su intercambiador de calor (22â?) correspondiente del segundo regenerador de calor, que regula la cantidad de gases de entrada que participan realmente en el intercambio de calor.

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado por que comprende además una bomba (21) que impulsa el fluido térmico entre los 20 intercambiadores (22, 22â?) del segundo regenerador de calor.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por que el circuito de fluido térmico en el segundo regenerador de calor comprende además:

- una válvula de tres vías (25) situada aguas arriba del intercambiador de calor (22) del conducto de salida (3) ; y 25

- un intercambiador de calor auxiliar (26) conectado a un circuito de fluido frigorífico;

de modo que el intercambiador auxiliar (26) puede enfriar indirectamente el aire de entrada en el conducto de entrada (1) .

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el primer conducto de comunicación (4) comprende además una válvula (5) que permite 30 abrir o cerrar dicha comunicación entre el conducto de entrada (1) y el conducto de salida (3) .

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además un segundo conducto de comunicación (6) , dispuesto en la proximidad de los segundos extremos (1f, 3g) respectivos del conducto de entrada (1) y 35 el conducto de salida (3) , que pone en comunicación el conducto de entrada (1) con el conducto de salida (3) .

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado por que el segundo conducto de comunicación (6) comprende además una válvula (7) que permite abrir o cerrar dicha comunicación entre el conducto de entrada (1) y el conducto de salida (3) . 40

12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el sistema de disipación de energía generada en la expansión en la turbina está compuesto por un compresor radial centrífugo (9) que está conectado a un filtro (10) a través del cual aspira aire de la atmósfera y a una válvula de contrapresión (11) a través

de la cual descarga el aire que trasiega a la atmósfera.

13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que el sistema de disipación de energía generada en la expansión en la turbina está compuesto por un generador eléctrico (41) .

14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la 5 turbina (8) es una turbina de geometría variable.

15. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado por que la turbina de geometría variable es de tipo radial centrípeta.

16. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de alimentación de turbocompresor se seleccionan de un motor eléctrico 10 (31) y una turbina (42) .

17. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además un filtro (2) en el extremo del dispositivo por el que se aspira aire de la atmósfera exterior para evitar la entrada de impurezas en el dispositivo.

18. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende además: 15

- una primera válvula de tres vías (32) que conecta el conducto de entrada (1) , aguas abajo del turbogrupo de sobrealimentación, con el conducto de salida (3) , entre el intercambiador de calor (28) y el turbocompresor (29) ;

- una segunda válvula de tres vías (34) que conecta el conducto de entrada (1) , entre el turbogrupo de sobrealimentación y el primer regenerador de calor, con el 20 conducto de salida (3) próximo a su segundo extremo (3g) ;

- una tercera válvula de tres vías (36) que conecta el conducto de salida (3) , entre el primer regenerador de calor y el intercambiador de calor (28) , con el conducto de entrada (1) , entre la primera válvula de tres vías (32) y el turbogrupo de sobrealimentación; y 25

- una cuarta válvula de tres vías (38) que conecta el conducto de salida (3) , entre el turbocompresor (29) y el punto en el que desemboca un conducto procedente de la segunda válvula de tres vías (34) , y el conducto de entrada (1) , entre la segunda válvula de tres vías (34) y el primer regenerador de calor;

de modo que la configuración del conjunto de válvulas de tres vías (32, 34, 36, 38) 30 permite el uso del dispositivo en modo de aumento o reducción de la presión del aire de entrada con respecto al aire atmosférico.

19. Dispositivo según la reivindicación 18, caracterizado por que comprende además un intercambiador de calor adicional (40) en el conducto de entrada (1) , aguas arriba de la primera válvula de tres vías (32) , para reducir la temperatura del aire de entrada. 35

20. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además al menos un separador de condensados (13, 27, 30) .

21. Procedimiento de acondicionamiento de atmósfera para el ensayo de motores de combustión mediante un dispositivo de acondicionamiento de atmósfera, que comprende las etapas de: 40

- someter aire de entrada atmosférico a una etapa de variación de la presión;

- someter aire de entrada a una etapa de variación de la temperatura;

- desviar aire de entrada hacia la salida para poner en comunicación directa los gases de escape con el aire de entrada;

- introducir aire de entrada sometido a variaciones de presión y de temperatura independientes en la admisión de un motor que va a someterse a ensayo;

- reducir la temperatura de los gases de escape hasta una temperatura segura para 5 su paso por un turbocompresor; y

- expulsar gases de escape del motor que se somete a ensayo a la atmósfera;

en el que la etapa de variación de la presión del aire de entrada se realiza mediante la acción combinada de un turbocompresor, una turbina y una válvula de baipás que regula la cantidad de aire de entrada. 10

22. Procedimiento según la reivindicación 21, caracterizado por que comprende dos etapas de variación de la temperatura del aire de entrada.

23. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 21 y 22, caracterizado por que al menos una de las etapas de variación de la temperatura del aire de entrada consiste en el aumento de la temperatura del mismo mediante intercambio de calor indirecto con 15 gases de escape calientes.

24. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 21 a 23, caracterizado por que la etapa de variación de la presión del aire de entrada comprende reducir la presión del aire de entrada.

25. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 21 a 23, caracterizado por que 20 la etapa de variación de la presión del aire de entrada comprende aumentar la presión del aire de entrada.

26. Uso de un dispositivo tal como se definió en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, para acondicionar independientemente la presión y la temperatura de la atmósfera en un ensayo de motores de combustión. 25