Dispositivo para acondicionar la atmósfera en ensayos de motores de combustión interna alternativos, procedimiento y uso de dicho dispositivo.

La invención describe un dispositivo para acondicionar la atmósfera en ensayo de motores,

que comprende un conducto de entrada conectado a una admisión de motor, un conducto de salida conectado al escape del motor, un conducto de comunicación que conecta el conducto de entrada al de salida, una válvula de baipás en el conducto de entrada, un turbogrupo de sobrealimentación en el conducto de entrada, un intercambiador de calor en el conducto de salida, y un turbocompresor tras el intercambiador de calor. Además, comprende una primera válvula de tres vías que conecta el conducto de entrada al de salida, una válvula todo o nada en el conducto de salida, una segunda válvula de tres vías en el conducto de salida, una válvula de regulación en un conducto que conecta el conducto de salida con la atmósfera, y un tramo del conducto de salida que conecta el intercambiador al conducto de comunicación.

Dispositivo para acondicionar la atmósfera en ensayos de motores de combustión interna alternativos, procedimiento y uso de dicho dispositivo.

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. Sin 30 embargo, 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

El documento ES2485618, también de los mismos solicitantes que el presente, y que se considera el estado de la técnica más próximo a la presente invención, da a conocer una instalación para simular las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo operando tanto a cotas superiores como inferiores a las de la cota a la que se encuentra la instalación. Sin embargo, la instalación del documento 45 ES2485618 resulta relativamente compleja lo que aumenta su dificultad de fabricación, y por tanto su coste. Además, esta complejidad ocasiona pérdidas de presión por lo que no permite simular pequeñas diferencias de altitud entre la altitud a la que encuentra la instalación y la que se quiere simular en el motor de combustión interna alternativo.

Por tanto, 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 5 dispositivos alternativos que proporcionen ventajas con respecto a la técnica anterior. Por ejemplo, sería deseable disponer de un dispositivo que permita simular con precisión pequeñas diferencias de altitud entre la ubicación de la instalación en la que se realiza el ensayo y la altitud que se desea simular en el motor de combustión.

Sumario de la invención 10

En un primer aspecto, la presente invención da a conocer un dispositivo para acondicionar la atmósfera para el ensayo de motores de combustión que soluciona los inconvenientes de la técnica anterior mencionados. Para ello, el dispositivo de la presente invención comprende:

- un conducto de entrada dispuesto para conectarse en un primer extremo a una 15 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; 20

- 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;

- una válvula de baipás dispuesta en el conducto de entrada;

- un turbogrupo de sobrealimentación que deriva el caudal de aire en el conducto de 25 entrada que circula hacia la válvula de baipás, comprendiendo el turbogrupo una turbina acoplada a un sistema de disipación de la energía generada en la expansión, pudiendo regularse la válvula de baipás y la turbina para obtener un valor de presión y caudal de aire deseados en el conducto de entrada;

- un intercambiador de calor en el conducto de salida para enfriar los gases de escape 30 hasta una temperatura segura; y

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

De manera característica, el dispositivo de la presente invención también comprende:

- una primera válvula de tres vías que conecta el conducto de entrada, aguas arriba de la válvula de baipás con el conducto de salida aguas arriba del turbocompresor a través de un segundo conducto de comunicación;

- una válvula todo o nada en el conducto entre el intercambiador de calor y el punto de 40 conexión del conducto de salida con el segundo conducto de comunicación;

- una segunda válvula de tres vías que conecta el conducto de salida aguas abajo del turbocompresor y el conducto de salida, entre el intercambiador de calor y la válvula todo o nada;

- una válvula de regulación en un conducto que conecta el conducto de salida con la atmósfera; y

- un tramo del conducto de salida que conecta el intercambiador de calor con el primer conducto de comunicación entre la conexión del conducto de entrada y la conexión del conducto. 5

Así, la configuración del conjunto de válvulas de tres vías, de válvulas de baipás y de la válvula todo o nada permite el uso del dispositivo en modo de aumento o reducción de la presión del aire de entrada con respecto al aire atmosférico, así como cambiar fácilmente del modo de aumento al modo de reducción de la presión del aire de entrada. Además, dicha configuración novedosa de válvulas en el dispositivo de la presente invención permite realizar 10 variaciones de temperatura que simulan pequeñas variaciones de altura, por ejemplo a partir de +/-200 m, +/-100 m, +/-50 m o incluso menos con respecto a la altura a la que se encuentra el dispositivo.

En un segundo aspecto, la presente invención también da a conocer un procedimiento para acondicionar la atmósfera para el ensayo de motores de combustión mediante un 15 dispositivo según el primer aspecto de la presente invención, que comprende las etapas de:

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

- 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 en la admisión de un motor 20 que va a someterse a ensayo;

- reducir la temperatura de los gases de escape hasta una temperatura segura para su paso...

1. Dispositivo para acondicionar la atmósfera en ensayos de motores de combustión interna alternativos, 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 (1c) ;

- 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 (3f) 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;

- una válvula de baipás (6) dispuesta en el conducto de entrada (1) ;

- un turbogrupo de sobrealimentación que deriva el caudal de aire en el conducto de 15 entrada (1) que circula hacia la válvula de baipás (6) , comprendiendo el turbogrupo una turbina (8) acoplada a un sistema de disipación de la energía generada en la expansión, pudiendo regularse la válvula de baipás (6) y la turbina (8) para obtener un valor de presión y caudal de aire deseados en el conducto de entrada (1) ;

- un intercambiador de calor (14) en el conducto de salida para enfriar los gases de 20 escape hasta una temperatura segura; y

- un turbocompresor (17) en el conducto de salida (3) aguas abajo del intercambiador de calor (14) , alimentado por medios de alimentación de turbocompresor, para regular junto con la turbina (8) y la válvula de baipás (6) la presión del aire de admisión y el caudal de aire de admisión; 25

caracterizado por que comprende además

- una primera válvula de tres vías (5) que conecta el conducto de entrada (1c) , aguas arriba de la válvula de baipás (6) con el conducto de salida (3d) aguas arriba del turbocompresor (17) a través de un segundo conducto de comunicación (21) ;

- una válvula todo o nada (15) en el conducto (3c) entre el intercambiador de calor 30 (14) y el punto de conexión del conducto de salida (3d) con el segundo conducto de comunicación (21) ;

- una segunda válvula de tres vías (19) que conecta el conducto de salida (3e) aguas abajo del turbocompresor (17) y el conducto de salida (3c) , entre el intercambiador de calor (14) y la válvula todo o nada (15) ; 35

- una válvula de regulación (23) en un conducto (24) que conecta el conducto de salida (3a) con la atmósfera; y

- un tramo del conducto de salida (3b) que conecta el intercambiador de calor (14) con el primer conducto de comunicación (4) entre la conexión del conducto de entrada (1) y la conexión del conducto (24) ; 40

de modo que la configuración del conjunto de válvulas de tres vías (5, 19) , de válvulas de baipás (6, 23) y de la válvula todo o nada (15) permite el uso del dispositivo en modo de aumento o reducción de la presión del aire de entrada con respecto al aire atmosférico.

2. Dispositivo según la reivindicación anterior, caracterizado por que comprende además un silenciador (20) en el segundo extremo del conducto de salida (3f) .

3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además un silenciador (25) en un extremo de salida del conducto (24) .

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el 5 sistema de disipación de energía generada en la expansión en la turbina (8) 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) y un silenciador (12) a través de los cuales descarga el aire que trasiega a la atmósfera.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el 10 sistema de disipación de energía generada en la expansión en la turbina (8) está compuesto por un generador eléctrico (26) .

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

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado por que la turbina de geometría 15 variable es de tipo radial centrípeta.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de alimentación de turbocompresor se seleccionan de un motor eléctrico (18) y una turbina (27) .

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que 20 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.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además al menos un separador de condensados (13, 16) .

11. Procedimiento para acondicionar la atmósfera para el ensayo de motores de 25 combustión mediante un dispositivo para acondicionar la atmósfera según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende las etapas de:

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

- desviar aire de entrada hacia la salida para poner en comunicación directa los gases de escape con el aire de entrada; 30

- introducir aire de entrada sometido a variaciones de presión 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; 35

permitiendo el procedimiento realizar variaciones de presión que simulan pequeñas variaciones de altura con respecto a la altura a la que se realiza el procedimiento, 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. 40

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por que las variaciones de presión obtenidas simulan variaciones de altura a partir de +/-200 m con respecto a la

altura a la que se realiza el procedimiento.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12, caracterizado por que la etapa de variación de la presión del aire de entrada comprende reducir la presión del aire de entrada.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12, caracterizado por que 5 la etapa de variación de la presión del aire de entrada comprende aumentar la presión del aire de entrada.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12, caracterizado por que comprende la etapa de:

- cambiar entre un modo de aumento de la presión del aire de entrada y un modo de 10 reducción de la presión del aire de entrada,

en el que dicho cambio de modo de variación de presión se realiza simplemente ajustando dos válvulas de tres vías, dos válvulas de regulación y una válvula de todo o nada.

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado por que 15 comprende además la etapa de someter el aire de entrada atmosférico a una etapa de variación de la temperatura.

17. Uso de un dispositivo tal como se definió en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, para acondicionar la presión de la atmósfera en un ensayo de motores de combustión mediante variaciones de presión que simulan pequeñas variaciones de altura con 20 respecto a la altura a la que se realiza el procedimiento.