INSTALACIÓN PARA SIMULAR LAS CONDICIONES DE PRESIÓN Y TEMPERATURA DEL AIRE ASPIRADO POR UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO.

Instalación para simular las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo.

La presente invención se refiere a una instalación para simular las condiciones de presión y temperatura de un flujo de aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo (1) a una altura sobre el nivel del mar correspondiente a la altura de operación de dicho motor de combustión interna alternativo (1), donde dicha instalación comprende, al menos, (a) una turbina radial centrípeta (2) para expandir un flujo de aire hasta la presión y temperatura del aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo; (b) un primer depósito (4) y (c) un segundo depósito (5) conectado al primer depósito (4) a través de al menos un conducto de conexión (7) para equilibrar la presión entre ambos depósitos; (d) un compresor centrífugo (3); y (e) una bomba de vacío (6) para mantener una presión igual a la presión del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo (1). Asimismo, es objeto de la invención el uso de dicha instalación para simular las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo.

Instalación para simular las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo

Campo de la invención La presente invención se refiere a un sistema y a un método para reproducir las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo. Más particularmente, la invención se dirige a un sistema y un método que permita simular las condiciones de presión y temperatura a las que es sometido un motor alternativo de combustión interna en función de la altura a la que opere sobre el nivel del mar.

Estado de la técnica anterior a la invención La necesidad de establecer unas condiciones fij as de presión y temperatura en la atmósfera, en función de la altitud, que puedan ser usadas para el desarrollo y puesta a punto de los motores u otros componentes de los aviones, llevó en 1952 a la Organización Internacional de la Aviación Civil (ICAO según sus siglas en inglés) a la definición de la atmósfera estándar internacional (ISA según sus siglas en inglés) .

A la hora de diseñar equipos destinados a operar a una cierta altitud sobre el nivel del mar, es necesario tener en cuenta las variaciones que se producen en la temperatura y presión atmosférica a medida que aumenta la altitud respecto al punto de medida, variaciones que afectan tanto a la composición, como a la densidad del aire. De este modo, es obj eto de esta invención presentar un sistema de bajo coste energético adecuado para su aplicación tanto en motores de aviones, como en motores de cualquier otro medio de locomoción destinado a operar en altura. Más concretamente, es obj eto de la invención un sistema capaz de reproducir las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor alternativo en función de su altura de operación sobre el nivel del mar.

Los sistemas destinados al ensayo de motores teniendo en cuenta la altitud sobre el nivel del mar pueden perseguir diversos objetivos, de entre los que cabe destacar:

la reparación de posibles fallos en el funcionamiento del motor bajo determinadas condiciones; la optimización del consumo de combustible, que se ve afectado por las características del aire aspirado por el motor;

la determinación del funcionamiento idóneo de los aparatos de aire acondicionado instalados en los aviones, o medios de locomoción similares;

la comprobación del funcionamiento de los conductos de circulación de gases.

En los últimos años, se han llevado a cabo diversos estudios destinados a lograr los objetivos anteriores. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las soluciones aportadas se basan en modelizaciones teóricas sobre el comportamiento de los motores, así como en pruebas in situ realizadas en altura. Asimismo, estas modelizaciones se encuentran en su mayoría dirigidas a lograr optimizar el consumo de combustible de los motores.

Así por ejemplo, la solicitud US2004186699 describe un método y sistema para controlar la presión y temperatura del aire aspirado por un motor, así como de los gases de descarga del mismo, logrando equilibrar las condiciones de presión y temperatura. Los ensayos se llevan a cabo tanto en condiciones simuladas de alta altitud (a presiones inferiores a las del lugar de medición) , como en condiciones de baja altitud, así como bajo distintas condiciones de temperatura. De este modo, los gases de escape del motor se envían a un túnel de dilución, y una muestra de los gases diluidos se somete a un análisis para determinar la actividad del motor y los componentes de emisión del mismo.

A diferencia de los estudios anteriores, la presente invención se refiere a un sistema capaz de reproducir a nivel del mar, las condiciones de un motor alternativo cuando funciona a la altitud que alcanza en operación.

Hasta el momento, no se ha encontrado en el estado de la

técnica ninguna invención que comprenda las mismas

características técnicas que las que definen el sistema

objeto de esta invención.

Descripción de la invención Es, por tanto, un objeto de esta invención una instalación para simular las condiciones de presión y temperatura de un fluj o de aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo (1) a una altura sobre el nivel del mar correspondiente a la altura de operación de dicho motor de combustión interna alternativo (1) , donde dicha instalación se caracteriza por que comprende, al menos, los siguientes equipos:

(a) una turbina radial centrípeta (2) para expandir un fluj o de aire desde un estado inicial de presión pO y temperatura TO hasta un segundo estado de presión p1 y temperatura T1, donde pO y TO corresponden a la presión y temperatura de la atmósfera Al en que se ubica el motor de combustión interna alternativo ( 1 ) y donde p1 y T1 corresponden a la presión y temperatura del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo ( 1) ;

(b) un primer depósito (4) situado a continuación de la turbina radial centrípeta (2) Y a la entrada del motor de combustión interna alternativo (1) para proveer al mismo de dicho flujo de aire a una presión p1 y una temperatura T1;

(c) un segundo depósito (5) situado a la salida del motor de combustión interna alternativo (1) y conectado al primer depósito (4) a través de al menos un conducto de conexión

(7) para equilibrar la presión entre ambos depósitos;

(d) un compresor centrífugo (3) unido por su eje a la turbina radial centrípeta (2 ) formando el conjunto un sistema conocido como turbogrupo;

(e) una bomba de vacío (6 ) situada a continuación del segundo depósito (5 ) para mantener una presión igual a la presión del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo (1) . Dicha bomba puede

consistir preferentemente en una bomba de paletas movida por un motor eléctrico con o sin variador de frecuencia para poder regular la presión p2 en el segundo depósito (5) . De manera preferida, la capacidad de dicha bomba de vacío (6) será la suficiente para trasegar los gases de escape del motor de combustión interna alternativo (1) desde la presión p2 en el remanso del segundo depósito 2 hasta la presión de la atmósfera Al. Asimismo, en una realización preferida de la invención, dicha bomba de vacío (6 ) puede comprender de manera adicional al menos una válvula de aspiración para la dilución de los gases de escape, así como al menos un sistema de extracción de condensados.

En una realización preferente de la invención, la turbina radial centrípeta (2) consiste en una turbina de geometría variable (TGV) . En general, las turbinas de geometría variable se componen de los mismos elementos que una turbina convencional, pero incluyendo una corona de álabes móviles en el estator, de modo que permiten modificar la relación de expansión independientemente del gasto trasegado.

De manera preferida, el primer depósito (4 ) y el segundo depósito (5) consisten en depósitos cilíndricos, preferentemente de acero y más preferentemente, con una longitud tal que cada uno de ellos presenta al menos un volumen igual a dos veces la cilindrada del motor de combustión interna alternativo (1) .

En concreto, el primer depósito (4) permite que el fluj o de aire se estabilice antes de entrar al motor de combustión interna alternativo (1) y se encuentra conectado a dicho motor de combustión interna alternativo (1) a través de un conducto de admisión diseñado para mantener al mínimo las pérdidas de presión y, preferentemente, de sección sustancialmente igual a la del primer depósito (4) . De igual manera, el segundo depósito (5) permite de los gases de escape del motor de combustión interna alternativo (1) y se encuentra conectado al mismo a través un conducto de escape, preferentemente de sección sustancialmente igual

a la del segundo depósito (5) .

En una realización preferida de la invención, la instalación puede comprender asimismo, de manera previa a la bomba de vacío (6) , al menos un filtro de partículas (11) , preferentemente, al menos un filtro de partículas de alta eficiencia. Mediante el uso de dicho filtro de partículas (11) es posible filtrar las partículas de los gases de escape antes de que estos entren a la bomba de vacío (6) , especialmente cuando el motor a ensayar sea un motor Diesel. Adicionalmente, en caso de emplear un filtro de partículas (11) , se llevará a cabo de manera periódica una sustitución de los componentes consumibles que formen parte de dicho filtro de partículas (11)

En una realización adicional de la invención, la instalación puede comprender al menos un intercambiador de calor (12) , preferentemente,...

1. Instalación para simular las condiciones de presión y temperatura de un flujo de aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo (1) a una altura sobre el nivel del mar correspondiente a la altura de operación de dicho motor de combustión interna alternativo (1) , donde dicha instalación se caracteriza por que comprende, al menos, los siguientes equipos:

(a) una turbina radial centrípeta (2) para expandi r un fluj o de aire desde un estado inicial de presión pO y temperatura TO hasta un segundo estado de presión pI y temperatura TI, donde pO y TO corresponden a la presión y temperatura de la atmósfera Al en que se ubica el motor de combustión interna alternativo (1) y donde pI y TI corresponden a la presión y temperatura del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo ( 1) ;

(b) un primer depósito (4) situado a continuación de la turbina radial centrípeta (2) y a la entrada del motor de combustión interna alternativo (1) para proveer al mismo de dicho flujo de aire a una presión pI y una temperatura TI;

(c) un segundo depósito (5) situado a la salida del motor de combustión interna alternativo (1) y conectado al primer depósito (4) a través de al menos un conducto de conexión

(7) para equilibrar la presión entre ambos depósitos;

(d) un compresor centrífugo (3) unido por su eje a la turbina radial centrípeta (2) formando el conjunto un sistema conocido como turbogrupo;

(e) una bomba de vacío (6) situada a continuación del segundo depósito (5) para mantener una presión igual a la presión del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo (1) .

2. Instalación, de acuerdo a la reivindicación 1, donde la bomba de vacío (6) consiste en una bomba de paletas movida por un motor eléctrico.

3. Instalación, de acuerdo a la reivindicación 1 o 2, donde la turbina radial centrípeta (2) consiste en una turbina de geometría variable.

4. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer depósito (4 ) se encuentra conectado al motor de combustión interna alternativo (1 ) a través de un conducto de admisión de sección igual a la del primer depósito (4) , donde el segundo depósito (5 ) se encuentra conectado al motor de combustión interna alternativo (1) a través de un conducto de escape de sección igual a la del segundo depósito (5) , y donde dicho primer depósito (4) y dicho segundo depósito

(5) consisten en depósitos cilíndricos de acero con una longitud tal que cada uno de ellos presenta al menos un volumen igual a dos veces la cilindrada del motor de combustión interna alternativo (1) .

5. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende asimismo, anteriormente a la bomba de vacío (6) , al menos un filtro de partículas (11) .

6. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende asimismo al menos un intercambiador de calor (12) localizado anteriormente a la bomba de vacío (6) .

7. Instalación, de acuerdo la reivindicación 6, donde el intercambiador de calor (12) consiste en un intercambiador de calor aire-agua que comprende adicionalmente al menos un sistema de drenaje para condensados.

8. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende adicionalmente al menos una válvula de control

(8) para el control de la presión pI en el primer depósito (4 )

9. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el compresor centrífugo

(3) se encuentra acoplado a la turbina radial centrípeta

(2) de tal forma que el rango útil del compresor centrífugo

(3) coincide con el rango de máximo rendimiento de la turbina radial centrípeta (2) .

10. Instalación, de acuerdo a la reivindicación 9, caracterizada por que comprende de manera adicional al menos una válvula de contrapresión (9) situada a continuación del compresor centrífugo (3)

11. Instalación, de acuerdo a la reivindicación 9 o 10, caracterizada por que comprende de manera adicional al menos un sistema acondicionador de temperatura (10) situado anteriormente a la turbina radial centrípeta (2) , donde dicho sistema acondicionador de temperatura (10) es capaz de variar la temperatura de la atmósfera Al en el entorno de ±10°C.

12. Instalación, de acuerdo a la reivindicación 11, donde dicho sistema acondicionador de temperatura (10) consiste en una resistencia eléctrica o en un equipo refrigerante.

13. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, caracterizada por que comprende de manera adicional, al menos un segundo intercambiador de calor (13) localizado antes de la turbina radial centrípeta

(2) y estando conectado al compresor centrífugo (3) para calentar el flujo de aire a la entrada de la turbina radial centrípeta (2) con el flujo de aire a la salida del compresor centrífugo (3)

14. Instalación, de acuerdo a la reivindicación caracterizada por que comprende de manera adicional al menos una válvula (14) para baipasear el segundo intercambiador de calor (13)

15. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las

reivindicaciones 1 a 9, caracterizada por que el compresor centrífugo (3) se encuentra situado a la salida del segundo depósito (5) para aumentar la presión de los gases de escape procedentes de dicho segundo depósito (5) antes de su entrada a la bomba de vacío (6) .

16. Instalación, de acuerdo a la reivindicación 15, caracterizada por que comprende un intercambiador de calor adicional (15) para enfriar los gases de escape del motor de combustión interna alternativo (1) hasta la temperatura de la atmósfera Al antes de su entrada al compresor centrífugo (3) .

17. Instalación, de acuerdo a la reivindicación 15 o 16, caracterizada por que comprende además al menos una válvula de check o de diodo de flujo (16) situada anteriormente al compresor centrífugo (3) .

18. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizada por que comprende de manera adicional al menos una segunda turbina radial centrípeta (17) y al menos un segundo compresor centrífugo

(18) , operando en serie con la turbina radial centrípeta (2) y el compresor centrífugo (3) .

19. Instalación, de acuerdo a la reivindicación 18, donde dicha segunda turbina radial centrípeta (17) y dicho segundo compresor centrífugo (18) presentan un tamaño menor que el de la turbina radial centrípeta (2) y el del compresor centrífugo (3)

20. Instalación, de acuerdo a la reivindicación 18 o 19, donde la segunda turbina radial centrípeta (17) comprende además al menos una válvula de descarga (19)

21. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, caracterizado por que comprende al menos un intercambiador de calor (12) situado en una posición aguas abajo del compresor centrífugo (3) , pero

aguas arriba del segundo compresor centrífugo (18) y del filtro de partículas (11) .

22. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada por que comprende de manera adicional al menos un enfriador y/o deshumidificador

(20) para enfriar el flujo de aire proveniente del compresor centrífugo (3) antes de entrar en la turbina radial centrípeta (2)

23. Instalación, de acuerdo a la reivindicación caracterizada por que comprende de manera adicional dos válvulas de tres vías (21) que se encargan de desconectar la descarga del compresor centrífugo (3) de la aspiración de la turbina radial centrípeta (2) .

24. Instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 22 o 23, caracterizada por que comprende al menos un segundo enfriador o deshumidificador (22) para enfriar el aire proveniente del segundo compresor centrífugo (18) antes de entrar en la segunda turbina radial centrípeta (17) .

25. Uso de una instalación, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para simular las condiciones de presión y temperatura de un fluj o de aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo (1) a una altura sobre el nivel del mar correspondiente a la altura de operación de dicho motor de combustión interna alternativo (1) .

26. Uso, de acuerdo a la reivindicación 25, donde el motor de combustión interna alternativo (1) consiste en el motor de un medio de locomoción que opera en altura.

27. Procedimiento para simular las condiciones de presión y temperatura de un flujo de aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo (1) a una altura sobre el nivel del mar correspondiente a la altura de operación de

dicho motor alternativo (1) , donde dicho procedimiento se caracteriza por que comprende las siguientes etapas:

(a) expandir en una turbina radial centrípeta (2) conectada a un compresor centrífugo (3) formando un conjunto conocido como turbogrupo un flujo de aire desde un estado inicial de presión pO y temperatura TO hasta un segundo estado de presión pI y temperatura TI, donde pO y TO corresponden a la presión y temperatura de la atmósfera Al en que se ubica el motor de combustión interna alternativo (1) y donde pI y TI corresponden a la presión y temperatura del flujo de aire aspirado por el motor de combustión interna alternativo (1) ;

(b) enviar dicho flujo de aire a una presión pI y una temperatura TI a al menos un primer depósito (4 ) desde donde el flujo de aire es aspirado por el motor de combustión interna alternativo ( 1) ;

(c) descargar los gases de escape del motor de combustión interna alternativo (1) a al menos un segundo depósito (5) , desde donde un caudal de dichos gases de escape es succionado mediante una bomba de vacío (6) para mantener

una presión p2 igual a la presión del flujo de aire

aspir ado por el motor de combustión interna altern ativo

(1) .

28. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 27, caracterizado por que comprende de manera adicional el control de la presión pI en el primer depósito (4) mediante el empleo de al menos una válvula de control (8) , mediante el empleo de un controlador PID que actúa sobre la válvula de control (8) .

29. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 27 o 28, caracterizado por que comprende de manera adicional la descarga a la atmósfera Al de un flujo de aire procedente del compresor centrífugo (3) a través de una válvula de contrapresión (9) regulada en una posición fija de tal forma que el rendimiento medio de la turbina centrípeta (2) es máximo en cualquier régimen de giro.

30. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 27 a 29, caracterizado por que comprende adicionalmente el control de la temperatura TI en el primer depósito (4) , mediante el empleo de al menos un sistema acondicionador de temperatura (10) y de un controlador PID que actúa sobre dicho sistema acondicionador de temperatura

(10) .

31. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 27 a 30, donde los gases de escape succionados por la bomba de vacío (6) son previamente enfriados en al menos un intercambiador de calor (12) Y donde las partículas de dichos gases de escape son retenidas en al menos un filtro de partículas (11) .

32. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 27 a 31, caracterizado por que comprende de manera adicional calentar el flujo de aire a la entrada de la turbina radial centrípeta (2) con el flujo de aire procedente de la salida del compresor centrífugo (3) mediante el empleo de al menos un segundo intercambiador de calor (13) .

33. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 27, caracterizado por que comprende aumentar la presión de los gases de escape procedentes del segundo depósito (5) mediante el empleo de al menos un compresor centrífugo (3) y de manera previa a su entrada en la bomba de vacío (6)

34. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 33, caracterizado por que comprende enfriar la temperatura de los gases de combustión procedentes del segundo depósito

(5) antes de entrar al compresor centrífugo (3) mediante el empleo de un intercambiador de calor adiconal (15) .

35. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 33 o 34, caracterizado por que comprende enfriar los gases de escape a la salida del compresor centrífugo (3) antes de su entrada a la bomba de vacío (6) mediante el empleo de al menos un intercambiador de calor (12) .

36. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 33 a 35, caracterizado por que comprende el control de la presión a la salida del compresor centrífugo (3) mediante el empleo de al menos una válvula de check o de diodo de flujo (16) .

37. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 27, caracterizado por que comprende la operación en serie respecto a la turbina radial centrípeta (2) y el compresor centrífugo (3) , de al menos una segunda turbina radial centrípeta (17) y al menos un segundo compresor centrífugo

(18) .

38. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 37, caracterizado por que comprende adicionalmente el control de la presión pI en el primer depósito (4) mediante el baipás del fluj o de aire alimentado a la segunda turbina radial centrípeta (17) a través de al menos una válvula de descarga (19) , así como mediante el empleo de al menos un sistema acondicionador de temperatura (10) .

39. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 37 o 38, caracterizado por que la bomba de vacío (6) opera en paralelo respecto al segundo compresor centrífugo (18) .

40. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 37 a 39, caracterizado por que comprende el enfriamiento de los gases de escape en al menos un intercambiador de calor (12) de manera previa a su entrada en la bomba de vacío (6) y/o en el segundo compresor centrífugo (18) .

41. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 27, donde el aire comprimido por el compresor centrífugo (3) es enviado a la turbina radial centrípeta (2) a través de un enfriador y/o deshumidificador (20) .

42. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 41, caracterizado por que comprende la expansión del flujo de aire en una turbina radial centrípeta (2) y en una segunda

turbina radial centrípeta (17) , tras haber sido previamente comprimido en el compresor centrífugo (3) y en el segundo compresor centrífugo (18) , y enfriado entre las etapas de compresión en el enfriador y/o deshumidificador (20) y en el segundo enfriador y/o deshumidificador (22) .

43. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 42, caracterizado por que comprende el control de la presión p1 en el primer depósito (4) mediante el empleo de dos controladores PID operando de forma secuencial.

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