ES2899031T3 - Dispositivo, método y uso de acondicionamiento de aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna - Google Patents

Dispositivo, método y uso de acondicionamiento de aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna Download PDF

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Abstract

Dispositivo de acondicionamiento de aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna, que comprende: - una línea que transporta el aire de admisión desde un punto de entrada (a) a un punto de salida (k), comprendiendo la línea además los siguientes componentes entre dicho punto de entrada (a) y dicho punto de salida (k); - un compresor (12) mecánico que comprime el aire de admisión a los valores de presión y temperatura deseados; - una línea de secado de elementos colocada entre los puntos (b) y (f), aguas abajo del compresor (12) mecánico, comprendiendo dichos elementos: - un enfriador (16) que reduce la temperatura y la humedad del aire de admisión, - un primer separador (18) ciclónico que retira la humedad condensada del aire de admisión; - una primera válvula (20) de derivación que deriva tanto del enfriador (16) como del primer separador (18) ciclónico; - un calentador (22) que aumenta la temperatura del aire de admisión, ubicado aguas abajo de un punto de intersección (g) entre un trayecto desde el separador (18) ciclónico y un trayecto desde la primera válvula (20) de derivación; - una segunda válvula (24) de derivación que deriva del calentador (22); - un humidificador (26) ubicado entre el calentador (22) y el punto de salida (k); y - una primera válvula (28) 0/1 que permite/impide que el aire de admisión pase a través de dicho humidificador (26), derivándose también del humidificador (26) por la segunda válvula (24) de derivación; mediante lo cual el aire de admisión acondicionado en el punto de salida (k) se alimenta directamente a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba o a un dispositivo adicional que acondiciona adicionalmente la presión del mismo.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo, método y uso de acondicionamiento de aire de admisión para someter a prueba motores de combustión intema-Campo de la invención
La presente invención se refiere, en general, a dispositivos para acondicionar el aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna, y más específicamente a un dispositivo y a un método para acondicionar la temperatura y la humedad del aire de admisión a alta presión.
Técnica anterior
Las emisiones en condiciones de conducción reales (RDE, real driving emissions) se han regulado recientemente en Europa y, por tanto, los fabricantes de motores deben someter a prueba los motores en condiciones ambientales variables (presión, temperatura y humedad). En concreto, la homologación de condiciones ampliadas impone la homologación a 1300 m sobre el nivel del mar.
Los fabricantes de motores deben poder emular en sus laboratorios las condiciones atmosféricas de diferentes partes del mundo para asegurarse de que pueden superar la normativa sobre emisiones y satisfacer las expectativas de los clientes en términos de rendimiento, fiabilidad y consumo de combustible.
Este acondicionamiento puede realizarse mediante pruebas interlaboratorios extremadamente costosas. Estas pruebas implican el envío de operadores y el transporte de aparatos de prueba a varias ubicaciones en las que el ambiente es representativo de determinadas condiciones deseadas. Ésta es una técnica cara y por debajo del nivel óptimo en las primeras etapas de desarrollo. Durante las campañas de prueba interlaboratorios, los ingenieros están lejos de las condiciones ideales de instrumentación de laboratorio para las pruebas de motores, lo que da como resultado un diagnóstico limitado del motor. Aunque todavía se necesitan pruebas interlaboratorios para la etapa de validación final, no son óptimas para las primeras etapas de desarrollo o calibración del motor.
Otra posibilidad es acondicionar completamente la sala de la cámara de prueba o algún espacio dentro de la sala de prueba. Esta segunda opción es sumamente cara debido a las obras de ingeniería civil necesarias y al enorme consumo de energía. La estructura de la cámara (o un espacio específico en la misma) debe soportar condiciones de vacío y sobrepresión, lo que hace que la obra civil sea bastante costosa y requiera mucho espacio. Además, el volumen de aire que va a acondicionarse en términos de temperatura y humedad es bastante grande, con altas pérdidas térmicas y difícil control de las condiciones deseadas en el punto de admisión del motor. Tales instalaciones se dan a conocer, por ejemplo, en el documento US2004186699. Sin embargo, la implementación de las mismas en los locales de instalación de prueba no es común debido a los inconvenientes mencionados anteriormente.
Los inventores de la presente invención ya han patentado varias soluciones que superan algunos de los inconvenientes previos (véanse los documentos WO2012104454, WO2015110683 y WO2016116642). Las soluciones dadas a conocer en dicha técnica anterior han dado lugar a un simulador de atmósfera denominado MEDAS (Bermúdez, V., Serrano, J.R., et al. “Analysis of the role of altitude on diesel engine performance and emissions using an atmosphere simulator” International Journal of Engine Research2017, vol. 18 (1-2) 105-117).
Sin embargo, el dispositivo MEDAS sólo puede regular la presión de admisión y escape del motor sin controlar la humedad del aire de admisión del motor y proporcionando un control bastante limitado de la temperatura del aire de admisión. La regulación de la temperatura del aire de admisión por dicho dispositivo está restringida por la presión de admisión deseada. Por consiguiente, MEDAS no ofrece suficiente libertad para emular de manera independiente ambas variables (presión y temperatura), como suele ser el caso en condiciones de conducción reales para la homologación RDE.
Algunos documentos de la técnica anterior intentan resolver algunos de estos inconvenientes proporcionando medios para aumentar la humedad del aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna (véase, por ejemplo, el documento ES 2535501T3). En este caso, se inyecta vapor de agua en una corriente de aire a presión ambiente para aumentar la humedad del mismo. Sin embargo, esta solución no es posible en condiciones de alta presión (por ejemplo, 3 bar) porque en ese caso el vapor de agua debe generarse a alta presión y a una temperatura mayor de 100°C (por ejemplo, aproximadamente 130°C). Este dispositivo sería entonces una caldera de alta presión y supondría un gran riesgo, inaceptable según la normativa vigente.
Otros dispositivos conocidos para acondicionar el aire de admisión para pruebas de motores de combustión interna incluyen los fabricados por AVL, Sierra y Control Sistem. Sin embargo, esos dispositivos se basan o bien en compresores volumétricos rotatorios de alta presión y bajo flujo (Control Sistem) o bien en turboventiladores de baja presión y alto flujo (AVL y Sierra). Ninguno de ellos es adecuado para ofrecer un buen equilibrio entre simulación de gran altitud (alta relación de presión), alto caudal de aire (gran cilindrada del motor) y bajo consumo de energía (bajo amperaje).
Otro dispositivo se muestra por el documento WO 0242730 A2.
Por tanto, todavía existe la necesidad de un dispositivo que puede proporcionar un control total de las condiciones del aire de admisión del motor (específicamente, temperatura y humedad) independientemente de la presión deseada. También existe la necesidad de un dispositivo que puede realizar dicho control de una manera altamente dinámica y eficiente a nivel energético. Además, existe la necesidad de proporcionar un dispositivo que puede realizar dicho control requiriendo pocas o ninguna obra de ingeniería civil o adaptaciones in situ. Finalmente, también existe la necesidad de un dispositivo que puede realizar dicho control que también pueda moverse entre diferentes cámaras de motor de una instalación de prueba.
Sumario de la invención
La presente invención da a conocer un dispositivo, un método y un uso para acondicionar el aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna que satisfacen al menos algunas de las necesidades mencionadas anteriormente.
Según un primer aspecto, la invención proporciona un dispositivo para acondicionar el aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna según la reivindicación 1.
El aire de admisión acondicionado en el punto de salida del dispositivo de la invención es adecuado para alimentarse directamente a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba o a un dispositivo adicional para acondicionar adicionalmente la presión del mismo.
Según un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para acondicionar el aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna, que comprende las etapas de:
(a) aumentar la presión del aire de admisión;
(b) opcionalmente disminuir la temperatura y la humedad del aire de admisión;
(c) opcionalmente aumentar la temperatura del aire de admisión; y
(d) alimentar el aire de admisión directamente a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba o a un dispositivo adicional para acondicionar adicionalmente la presión del mismo.
Según un tercer aspecto, la invención proporciona un uso del dispositivo según el primer aspecto de la invención, para acondicionar la presión, temperatura y humedad del aire de admisión que va a alimentarse a un motor de combustión interna para someter a prueba el mismo.
Breve descripción de los dibujos
La presente invención se entenderá mejor con referencia a los siguientes dibujos que ilustran realizaciones preferidas de la invención, proporcionadas a modo de ejemplo, y que no deben interpretarse como limitativas de la invención en modo alguno.
La figura 1 muestra dos gráficos que representan el intervalo de temperatura y presión de un emulador de refuerzo de motor según una realización preferida de la invención dotado de un calentador eléctrico a 23 kW.
La figura 2 muestra dos gráficos que representan el intervalo de temperatura y presión de un emulador de refuerzo de motor según una realización preferida de la invención dotado de un calentador eléctrico a 46 kW.
La figura 3 muestra el intervalo de humedad para un emulador de refuerzo de motor según una realización preferida de la invención dotado de un reactor de burbujas diseñado específicamente.
La figura 4 es un diagrama esquemático de un dispositivo según la realización preferida de la presente invención. Descripción detallada de la invención
El dispositivo según la realización preferida de la presente invención comprende un emulador de refuerzo de motor (EBOR) que, usando energía de la manera más eficiente, puede proporcionar aire de admisión a una temperatura y presión controladas dadas.
Dotado de un calentador eléctrico de baja potencia (23 kW), puede usarse para reforzar motores de aspiración natural de varios cilindros o de un solo cilindro con un flujo de aire controlado a una temperatura controlada de hasta 200°C. En este caso, las condiciones aguas abajo del compresor de un turbocompresor se simulan para reforzar directamente el motor o mediante un refrigerador de carga de aire. El intervalo completo de presión y temperatura que puede lograrse en este caso se muestra en la figura 1.
Puede lograrse un intervalo adicional aumentando la potencia del calentador eléctrico. La figura 2 muestra cómo un incremento de hasta 46 kW para el calentador eléctrico puede proporcionar temperaturas del aire de hasta 600°C. En este caso, el EBOR puede usarse como toma de gas para someter a prueba turbocompresores o cualquier otro elemento de flujo caliente de la línea de escape del motor (sistemas de descontaminación de gases de escape: catalizadores, DPF, SCR y trampas de NOx, refrigeradores de EGR, refrigeradores de gases de escape, etc. ...). Por tanto, aumenta el intervalo de uso más allá de la admisión del motor o los elementos de la línea de admisión hasta la línea de escape del motor.
Si el EBOR se coloca aguas arriba de un reactor de burbujas diseñado específicamente (denominado en el presente documento BUBRER), también puede proporcionar aire de admisión con una humedad relativa controlada. Por tanto, tal como se muestra en la figura 3, el uso de EBOR BUBRER puede aumentar la humedad del aire ambiental hasta el 80% a una temperatura máxima de suministro de aire de 40°C y puede reducir la humedad específica hasta 1,82 [g (de H2O)/kg (de aire seco)] (100% de humedad relativa a 2,5 bar y 3°C) a una temperatura mínima de suministro de aire de 3°C.
La figura 3 muestra en el área de color gris claro las condiciones ambiente aceptadas y en el área gris oscuro las condiciones de humedad del aire alcanzables que pueden proporcionarse usando EBOR BUBRER.
Además, también puede proporcionarse el aire de admisión a temperatura y humedad controladas a un dispositivo de acondicionamiento de presión de motor conocido tal como MEDAS, o a cualquier otro medio de acondicionamiento de presión. En este caso, el dispositivo dado a conocer ofrece importantes sinergias si se combina con sistemas de tipo MEDAS para el control total de las tres variables del aire de admisión, es decir, presión, temperatura y humedad. Sinergia significa que es posible lograr un consumo de energía incluso menor al tiempo que se obtiene un mayor intervalo operativo en la combinación de ambos dispositivos.
La figura 4 muestra un diagrama esquemático de un dispositivo según la realización preferida de la presente invención. El área con línea de puntos en la parte superior derecha del diagrama incluye un dispositivo para acondicionar aún más la presión del aire de admisión y, más específicamente, este es un diagrama para un dispositivo MEDAS. La divulgación de dicho dispositivo puede hallarse en los documentos WO2012104454, WO2015110683 y WO2016116642 y, por tanto, se omitirá en el presente documento una descripción detallada del mismo.
El área con línea de puntos en el lado izquierdo del diagrama incluye un emulador de refuerzo de motor (denominado en el presente documento EBOR) y el área de línea de puntos en el lado inferior derecho encierra un sistema de humidificador de reactor de burbujas (denominado en el presente documento (BUBRER). Se han dibujado dos áreas en aras de una mayor claridad, pero no representan dos dispositivos independientes. El dispositivo según una realización preferida de la presente invención comprende tanto el EBOR como el BUBRER. El dispositivo según una realización preferida adicional de la presente invención comprende todos los elementos que se muestran en la figura 4, incluidos los incluidos en el dispositivo MEDAS.
El grupo de emulador de refuerzo de motor satisface principalmente las tareas de secado y regulación de la temperatura del aire de admisión, tal como se describirá con más detalle a continuación. El humidificador se basa en un reactor de burbujas y satisface principalmente las tareas de aumentar la humedad de la corriente de aire de admisión y retirar las gotas de agua parásitas de la misma.
Tal como puede observarse en la figura 4, el dispositivo según la realización preferida de la presente invención comprende
- un filtro (10) de aire antes de un punto de entrada (a) de una línea para transportar el aire de admisión desde el punto de entrada (a) hasta un punto de salida (k);
- una línea para transportar aire de admisión desde el punto de entrada (a) hasta el punto de salida (k), comprendiendo la línea además los siguientes componentes entre dicho punto de entrada (a) y dicho punto de salida (k);
- un compresor (12) mecánico para comprimir el aire de admisión a unos valores de presión y temperatura deseados;
- un refrigerador (14) de agua-aire para disminuir la temperatura del aire de admisión;
- un enfriador (16) para disminuir la temperatura y la humedad del aire de admisión;
- un primer separador (18) ciclónico para retirar la humedad condensada del aire de admisión;
- una primera válvula (20) de derivación para derivar del refrigerador (14) de agua-aire, el enfriador (16) y el primer separador (18) ciclónico;
- un calentador (22) para aumentar la temperatura del aire de admisión;
- una segunda válvula (24) de derivación para derivar del calentador (22);
- un humidificador (26) ubicado entre el calentador (22) y el punto de salida (k) y una primera válvula (28) 0/1 para permitir/evitar que el aire de admisión pase por dicho humidificador (26), derivándose también del humidificador (26) por la segunda válvula (24) de derivación;
- un intercambiador (34) de calor de agua-aire dentro de dicho humidificador (26) y una segunda válvula (32) 0/1 para permitir/evitar que el aire de admisión pase a través de dicho intercambiador (34) de calor de agua-aire ; y
- un segundo separador (30) ciclónico antes del punto de salida (k) para retirar la humedad condensada del aire de admisión.
El aire de admisión acondicionado en el punto de salida (k) es adecuado para alimentar directamente a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba. El aire de admisión acondicionado en el punto de salida (k) también puede alimentarse a un dispositivo adicional para acondicionar adicionalmente la presión del mismo. El dispositivo (o medio) adicional para acondicionar adicionalmente la presión del aire de admisión puede ser una parte integral del dispositivo según la presente invención, o puede ser un dispositivo independiente al que puede acoplarse el presente dispositivo.
Según la realización preferida de la presente invención, el calentador (22) es un calentador eléctrico.
El dispositivo que se muestra en la figura 4 puede usarse en varios modos.
Secado y calentamiento del aire.
El aire de admisión se aspira en las condiciones ambiente por el compresor (12) mecánico colocado entre el punto (a) y el punto (b) en la figura 4. El compresor (12) mecánico es preferiblemente un compresor centrífugo accionado eléctricamente que proporciona la presión requerida a la corriente de aire de admisión para superar las pérdidas de presión del sistema de conducción provocadas por el flujo másico de aire deseado.
Aguas abajo del punto (b), la corriente de aire puede seguir dos trayectos. Puede fluir a través de la primera válvula (20) de derivación ubicada entre los puntos (b) y (c) o a través de la línea de secado de los elementos colocados entre los puntos (b) y (f). Si va a secarse toda la corriente de aire de admisión, entonces se cierra la primera válvula (20) de derivación entre los puntos (b) y (c). Si sólo va a secarse una porción de la corriente de aire de admisión, la primera válvula (20) de derivación regula la cantidad de aire de admisión que debe derivar la línea de secado entre los puntos (b) y (f). Por tanto, el dispositivo aprovecha la humedad ambiental y no seca todo el aire de admisión, sino sólo el porcentaje requerido. Como resultado, se evita el consumo de energía ineficiente en el secado completo seguido por humidificación.
La porción de la corriente de aire de admisión que va a secarse sigue el trayecto a través de un refrigerador (14) de agua-aire colocado entre los puntos (b) y (d) seguido por un enfriador (16) colocado entre los puntos (d) y (e) y un primer separador (18) ciclónico para retirar la humedad condensada colocado entre los puntos (e) y (f). El refrigerador (14) de agua-aire y el enfriador (16) reducen la temperatura de dicha porción de aire de admisión y, por tanto, se condensa la humedad. El refrigerador (14) de agua-aire permite aprovechar el agua de enfriamiento disponible en la instalación de prueba o simplemente puede usar agua de depósito. Preferiblemente no hay retirada de agua en el punto (d) (entre el refrigerador (14) y el enfriador (16)) para reducir la pérdida de presión en la corriente de aire de admisión. Todos los condensados de agua se retiran en el primer separador (18) ciclónico colocado entre los puntos (e) y (f).
El aire secado procedente del punto (f) se mezcla con el aire no secado procedente del punto (c) para lograr la humedad objetivo en el punto (g). Tal como se muestra en la figura 4, el punto (g) es el punto de intersección entre el trayecto desde el separador (18) ciclónico y el trayecto desde la primera válvula (20) de derivación.
Si va a calentarse aire secado, entonces la segunda válvula (24) de derivación y una segunda válvula (32) 0/1, ambas entre los puntos (g) e (i), están completamente cerradas. Por tanto, toda la corriente de aire de admisión pasa a través del calentador (22) eléctrico colocado entre los puntos (g) y (h). El calentador (22) eléctrico aumenta la temperatura del aire de admisión hasta un valor deseado. Vale la pena señalar que la posición relativa del calentador (22) eléctrico entre los puntos (g) y (h) es muy relevante. De esta manera, si toda la corriente de aire de admisión no se secó previamente, sino que pasó a través del punto (c), el aumento de temperatura logrado en el compresor (12) mecánico se aprovecha para reducir el consumo de energía en el calentador (22) eléctrico.
Puesto que es necesario que el aire de admisión esté seco, se mantiene abierta la primera válvula (28) 0/1, justo aguas abajo del punto (h). Si se mantiene abierta la primera válvula (28) 0/1, se deriva del humidificador (26), entre los puntos (h) y (j). Tal como se muestra en la figura 4, el punto (j) es el punto de intersección entre el trayecto desde la primera válvula (28) 0/1 y el trayecto desde el humidificador (26).
Desde el punto (j), la corriente de aire de admisión fluye a través del segundo separador (30) ciclónico colocado entre el punto (j) y el punto (k). Este segundo separador (30) ciclónico retira humedad condensada o polvo de la corriente de aire de admisión.
Después del punto (k), la corriente de aire de admisión secada se dirige a la admisión del motor a la humedad y temperatura objetivo. Además, la corriente de aire de admisión puede llevarse a un sistema de acondicionamiento de presión del aire de admisión, tal como un dispositivo MEDAS, tal como se muestra en la figura 4.
Secado y enfriamiento del aire.
Si, en el punto (g), la temperatura del aire secado es demasiado alta y es necesario refrigerarse, entonces la segunda válvula (24) de derivación y la segunda válvula (32) 0/1, ambas entre los puntos (g) y (i), están completamente abiertas. Al mismo tiempo, se apaga el calentador (22) eléctrico colocado entre los puntos (g) y (h). Si la corriente de aire de admisión debe mantenerse seca, se mantiene abierta la primera válvula (28) 0/1 ubicada justo aguas abajo del punto (h).
Se combinan las corrientes de aire de admisión después de los puntos (h) e (i) y entonces estarán en las mismas condiciones termodinámicas que en el punto (g). Después de eso, la corriente de aire de admisión continúa su camino hacia el segundo separador (30) ciclónico colocado entre el punto (j) y el punto (k). Este segundo separador (30) ciclónico retira humedad condensada o polvo de la corriente de aire.
Después del punto (k), la corriente de aire de admisión secada se dirige a la admisión del motor a la humedad deseada y a una temperatura dada igual a la temperatura en el punto (g). Si la corriente de aire de admisión se lleva a MEDAS, tal como se muestra en la figura 4, puede obtenerse una reducción de temperatura adicional expandiendo la corriente de aire en la turbina de geometría variable (VGT) de MEDAS. Dicho de otro modo, la temperatura en el punto (1) puede ser menor que la temperatura en el punto (k) debido a la expansión del flujo a través de una turbina de geometría variable.
Por tanto, usando el dispositivo descrito en el presente documento, MEDAS aumenta su rendimiento de control de temperatura mediante el incremento de presión en el punto (k) con respecto a la presión ambiente. Este incremento de presión permite aumentar la relación de expansión en la turbina de geometría variable de MEDAS y, por tanto, aumentar el intervalo de reducción de temperatura alcanzable en el punto (1) de MEDAS.
Humidificación y calentamiento del aire.
Tal como se comentó anteriormente, aguas abajo del punto (b), la corriente de aire puede seguir dos trayectos. En este caso, si va a humidificarse la corriente de aire de admisión, entonces se mantiene abierta la primera válvula (20) de derivación entre los puntos (b) y (c). Por tanto, el dispositivo aprovecha la humedad ambiental y no se pierde humedad ambiental. Además, se apaga el enfriador (16) colocado entre los puntos (d) y (e). Esta disposición y modo de funcionamiento evita el consumo de energía en el secado y la posterior humidificación.
La corriente de aire de admisión parcialmente húmeda (humedad ambiental) en el punto (g) se encuentra a alta presión y alta temperatura según el proceso de compresión experimentado en el compresor (12) mecánico. La humedad específica no ha cambiado con respecto a su valor original en las condiciones ambiente en esta etapa. Si el objetivo es aumentar la humedad específica de la corriente de aire de admisión, entonces se cierra la primera válvula (28) 0/1 colocada entre los puntos (h) y (j). Así, desde el punto (g), la corriente de aire de admisión sólo puede seguir dos trayectos. Por un lado, puede fluir a través de los puntos (g), (h) y (j) fluyendo en primer lugar a través del calentador (22) eléctrico y en segundo lugar a través del humidificador (26). Por otro lado, la corriente de aire de admisión puede fluir directamente desde el punto (g) hasta el punto (i) derivándose del calentador (22) eléctrico y el humidificador (26).
La segunda válvula (24) de derivación entre los puntos (g) e (i) decide cuánto flujo másico pasará a través del humidificador (26), donde la corriente de aire de admisión alcanza el 100% de humedad relativa (HR), o cuánto flujo másico se derivará. La relación de mezclado entre el flujo derivado y el 100% de humedad relativa establecerá la humedad específica objetivo en el flujo.
El calentador (22) eléctrico entre los puntos (g) y (h) es clave para aumentar la humedad específica en la corriente saturada (100% de HR) puesto que, para un flujo saturado, cuanto mayor es la temperatura, mayor será la humedad específica. El humidificador (26) entre los puntos (h) y (j) es un humidificador de tipo reactor de burbujas en el que una corriente de burbujas de aire fluye a través de una masa de agua. Se muestra una ampliación del área del humidificador en la esquina inferior derecha de la figura 4, donde se han representado las burbujas de aire pasando a través de la masa de agua.
Finalmente, el humidificador (26) entre los puntos (h) y (j) requiere que la masa de agua esté caliente para mantener el aire caliente y la humedad específica alta. Por un lado, el calentador (22) eléctrico entre los puntos (g) y (h) calienta la corriente de aire de admisión y el aire en contacto con la masa de agua calienta el agua mientras se satura de agua. Por otro lado, cuando la temperatura del aire derivado en el punto (g) es mayor que la temperatura de la masa de agua, se cierra la segunda válvula (32) 0/1. Puesto que la corriente de aire de admisión de baja humedad en el punto (g) puede estar muy caliente debido al proceso de compresión, esta energía se usa para calentar el aire a través de un intercambiador (34) de calor de agua-aire ubicado en el interior del humidificador (26) y sumergido en la masa de agua.
En resumen, si el aire de admisión derivado de baja humedad está más caliente que la masa de agua, se cierra la segunda válvula (32) 0/1 para permitir que este aire de admisión transfiera su calor al agua sin estar en contacto con la misma (a través del intercambiador (34) de calor de agua-aire). En este caso, la mezcla de la corriente del 100% de HR en el punto (j) y la corriente de baja humedad en el punto (i) se realizará casi a la misma temperatura y bastante cerca de la temperatura del agua.
Sin embargo, en el caso de que el aire de admisión derivado de baja humedad esté más frío que el agua, se abre la segunda válvula (32) 0/1 para impedir que este aire retire calor del agua. En este segundo caso, la mezcla de la corriente del 100% de HR en el punto (j) y la corriente de baja humedad en el punto (i) se realizará a diferentes temperaturas. Por consiguiente, parte del agua puede condensarse debido al hecho de que la temperatura será menor en el punto (i) que en el punto (j). Por tanto, la corriente de aire de admisión se ve obligada a pasar a través del segundo separador (30) ciclónico colocado entre los puntos (j), (i) y el punto (k). Este segundo separador (30) ciclónico retira la posible humedad condensada.
La disposición relativa del calentador (22) eléctrico, las válvulas (20, 24, 28, 32) de derivación y 0/1 y el humidificador (26) es clave para ahorrar energía y reducir el número de elementos necesarios para lograr el máximo rendimiento para el dispositivo. Por ejemplo, puesto que el calentador (22) eléctrico no está sumergido dentro del agua, el sistema es intrínsecamente seguro y no puede producirse vapor de agua a alta presión (riesgo de explosión de BUBRER) de manera accidental. El motivo es que la transferencia de calor al agua siempre se realiza a través de un vector que es el flujo de aire, es decir, si se detiene la corriente de aire, también lo hace la transferencia de calor. Es decir, no hay ningún riesgo de generar vapor de agua a alta presión a presiones mayores que los límites de velocidad excesiva e inestabilidad del compresor centrífugo (2 barG en el diseño mencionado de 23 kW). Por encima de 2 barG, el compresor se rompería y el flujo de aire se detendría y el flujo de aire ya no podría ser el vector de calor.
Humidificación y enfriamiento del aire.
Combinando algunas de las operaciones descritas anteriormente, la humidificación y el enfriamiento del aire pueden lograrse fácilmente con el dispositivo que se muestra en la figura 4.
Después del punto (k), la corriente de aire de admisión humidificada se dirige a la admisión del motor a una humedad específica objetivo y a una temperatura dada, cercana a la temperatura del agua. Si la corriente de aire de admisión se lleva a m EdAS, tal como se muestra en la figura 4, puede obtenerse una reducción de temperatura adicional expandiendo la corriente de aire de admisión en la turbina de geometría variable (VGT) del dispositivo MEDAS. Dicho de otro modo, la temperatura en el punto (1) puede ser menor que la temperatura en el punto (k) debido a la expansión del flujo a través de VGT. En caso de que se produzcan algunos condensados durante la expansión del flujo, esto se corregirá con la válvula de derivación entre los puntos (g) e (i) para mantener la humedad específica objetivo en el punto (l).
Por tanto, usando la presente invención, MEDAS aumenta su rendimiento de control de temperatura mediante el incremento de presión en el punto (k) con respecto a la presión ambiente. Este incremento de presión permite aumentar la relación de expansión en la turbina de geometría variable y, por tanto, aumentar el intervalo de reducción de temperatura alcanzable en el punto (1) de MEDAS. Al mismo tiempo, el aire de admisión en el punto (1) tendrá una humedad específica controlada diferente a la humedad ambiente y controlada por el presente dispositivo.
La realización preferida de la presente invención también proporciona un método para acondicionar el aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna, que comprende las etapas de:
a) aumentar la presión del aire de admisión;
b) opcionalmente disminuir la temperatura y la humedad del aire de admisión, preferiblemente usando un refrigerador de agua-aire seguido por un enfriador, reduciéndose de ese modo el consumo de energía total de la etapa (b);
c) opcionalmente aumentar la temperatura del aire de admisión; y
d) alimentar el aire de admisión directamente a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba o a un dispositivo adicional para acondicionar adicionalmente la presión del mismo.
Según otra realización preferida de la invención, el método comprende además filtrar el aire de admisión antes de aumentar la presión del mismo.
Según otra realización preferida de la invención, el método comprende además retirar la humedad condensada del aire de admisión después de dicha etapa (b).
Según otra realización preferida de la invención, el método comprende además, antes de la etapa (d), una etapa de aumentar la humedad del aire de admisión. La temperatura del agua usada en dicha etapa de aumentar la humedad del aire de admisión se aumenta preferiblemente usando parte del propio aire de admisión.
Según otra realización preferida de la invención, el método comprende además retirar la humedad condensada del aire de admisión antes de dicha etapa (d).
Según otra realización preferida de la invención, la etapa (d) comprende acondicionar adicionalmente la presión del aire de admisión antes de alimentar el aire de admisión directamente a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba.
La presente invención también proporciona el uso del dispositivo tal como se describe en el presente documento, para acondicionar la presión, temperatura y humedad del aire de admisión que va a alimentarse a un motor de combustión interna para someter a prueba el mismo.
Aunque la presente invención se ha descrito con referencia a realizaciones preferidas de la misma, el experto comprenderá que pueden aplicarse modificaciones y variaciones a las realizaciones descritas sin apartarse del alcance de la presente invención.
Según lo anterior, la presente invención describe un dispositivo que puede proporcionar un control total de las condiciones del aire de admisión del motor (específicamente, temperatura y humedad) independientemente de la presión deseada, de una manera altamente dinámica y eficiente a nivel energético.
Se describen a continuación algunas de las ventajas de la presente invención con respecto a la técnica anterior:
• Ofrece un buen equilibrio entre simulación a gran altitud (alta relación de presión), alto caudal de aire (gran cilindrada de los motores) y bajo consumo de energía.
• Requiere pocas o ninguna obra de ingeniería civil o adaptaciones in situ para su instalación en los laboratorios.
• Puede moverse entre diferentes cámaras de motor de una instalación de prueba (alta movilidad).
• Ofrece claras sinergias con los dispositivos de simulación de altitud.
• Aprovecha las condiciones ya existentes en el aire ambiental (el dispositivo no seca ni humedece todo el aire de admisión sino sólo el porcentaje requerido), para evitar un consumo de energía ineficiente.
• Aprovecha el uso sinérgico de la temperatura de los procesos de compresión y expansión para calentar o refrigerar el aire y el agua que se usan para humidificar aire seco, con el fin de evitar un consumo de energía ineficiente.
• La elección de turbomáquinas para la compresión (en consecuencia, calentamiento) y expansión (en consecuencia, refrigeración) y humidificación mediante reactor de burbujas, permite un cambio dinámico (suficientemente rápido) de las variables atmosféricas.
• La combinación precisa de elementos en la disposición (especialmente, el calentador eléctrico y el enfriador) permite realizar varias funciones sin necesidad de su duplicación y sin moverse de su posición con respecto al resto de elementos (gracias a una ubicación inteligente de las válvulas de derivación y 0/1). Como consecuencia de lo anterior, el coste de implementación y uso del dispositivo es altamente competitivo.

Claims (16)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Dispositivo de acondicionamiento de aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna, que comprende:
    - una línea que transporta el aire de admisión desde un punto de entrada (a) a un punto de salida (k), comprendiendo la línea además los siguientes componentes entre dicho punto de entrada (a) y dicho punto de salida (k);
    - un compresor (12) mecánico que comprime el aire de admisión a los valores de presión y temperatura deseados;
    - una línea de secado de elementos colocada entre los puntos (b) y (f), aguas abajo del compresor (12) mecánico, comprendiendo dichos elementos:
    ■ un enfriador (16) que reduce la temperatura y la humedad del aire de admisión,
    ■ un primer separador (18) ciclónico que retira la humedad condensada del aire de admisión;
    - una primera válvula (20) de derivación que deriva tanto del enfriador (16) como del primer separador (18) ciclónico;
    - un calentador (22) que aumenta la temperatura del aire de admisión, ubicado aguas abajo de un punto de intersección (g) entre un trayecto desde el separador (18) ciclónico y un trayecto desde la primera válvula (20) de derivación;
    - una segunda válvula (24) de derivación que deriva del calentador (22);
    - un humidificador (26) ubicado entre el calentador (22) y el punto de salida (k); y
    - una primera válvula (28) 0/1 que permite/impide que el aire de admisión pase a través de dicho humidificador (26), derivándose también del humidificador (26) por la segunda válvula (24) de derivación; mediante lo cual el aire de admisión acondicionado en el punto de salida (k) se alimenta directamente a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba o a un dispositivo adicional que acondiciona adicionalmente la presión del mismo.
  2. 2. Dispositivo según la reivindicación 1, que comprende además un filtro (10) de aire antes del punto de entrada (a) de la línea.
  3. 3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un refrigerador (14) de agua-aire antes del enfriador (16), derivándose también del refrigerador (14) de agua-aire por la primera válvula (20) de derivación.
  4. 4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un intercambiador (34) de calor de agua-aire dentro de dicho humidificador (26) y una segunda válvula (32) 0/1 que permite/impide que el aire de admisión pase a través de dicho intercambiador (34) de calor de agua-aire.
  5. 5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un segundo separador (30) ciclónico antes del punto de salida (k) que retira la humedad condensada del aire de admisión.
  6. 6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el calentador (22) es un calentador eléctrico.
  7. 7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un medio de acondicionamiento de presión colocado aguas abajo del punto de salida (k) que acondiciona adicionalmente la presión del aire de admisión antes de alimentarlo a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba.
  8. 8. Método de acondicionamiento de aire de admisión para someter a prueba motores de combustión interna con el uso del dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende las etapas de: a) aumentar la presión del aire de admisión;
    b) opcionalmente disminuir la temperatura y la humedad del aire de admisión;
    c) opcionalmente aumentar la temperatura del aire de admisión; y
    d) alimentar el aire de admisión directamente a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba o a un dispositivo adicional que acondicione adicionalmente la presión del mismo.
  9. 9. Método según la reivindicación 8, que comprende además filtrar el aire de admisión antes de aumentar la presión del mismo.
  10. 10. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, que comprende la etapa (b) de disminuir la temperatura y la humedad del aire de admisión usando un refrigerador de agua-aire seguido por un enfriador, reduciéndose de ese modo el consumo de energía total de dicha etapa (b).
  11. 11. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que comprende la etapa (b) de disminuir la temperatura y la humedad del aire de admisión, que comprende además retirar la humedad condensada del aire de admisión después de dicha etapa (b) usando un primer separador (18) ciclónico.
  12. 12. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, que comprende además, antes de la etapa (d), una etapa de aumentar la humedad del aire de admisión.
  13. 13. Método según la reivindicación 12, que comprende además usar parte del propio aire de admisión para aumentar la temperatura del agua usada en dicha etapa de aumentar la humedad del aire de admisión.
  14. 14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, que comprende además retirar la humedad condensada del aire de admisión antes de dicha etapa (d) usando un segundo separador (30) ciclónico.
  15. 15. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14, en el que la etapa (d) comprende acondicionar adicionalmente la presión del aire de admisión antes de alimentar el aire de admisión directamente a un motor de combustión interna que va a someterse a prueba.
  16. 16. Uso del dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, para acondicionar la presión, temperatura y humedad del aire de admisión que va a alimentarse a un motor de combustión interna para someter a prueba el mismo.
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