WO2022189684A1 - Dispositivo y procedimiento de emulación de sistemas de sobrealimentación - Google Patents

Dispositivo y procedimiento de emulación de sistemas de sobrealimentación Download PDF

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WO2022189684A1
WO2022189684A1 PCT/ES2022/070124 ES2022070124W WO2022189684A1 WO 2022189684 A1 WO2022189684 A1 WO 2022189684A1 ES 2022070124 W ES2022070124 W ES 2022070124W WO 2022189684 A1 WO2022189684 A1 WO 2022189684A1
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supply air
electro
compressor
compressors
propulsive
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PCT/ES2022/070124
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French (fr)
Inventor
Jesús Vicente BENAJES CALVO
Vicente Remigio BERMUDEZ TAMARIT
José María Desantes Fernandez
Vicente Dolz Ruiz
José GALINDO LUCAS
Ricardo NOVELLA ROSA
José Ramón SERRANO CRUZ
Original Assignee
Universitat Politecnica De Valencia
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/02—Details or accessories of testing apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates generally to the sector of supercharging systems, and more specifically to the emulation of supercharging systems of propulsive sources such as, for example, alternative internal combustion engines, fuel cells, etc.; emulation that is carried out in the design phase of said supercharging systems and/or propulsive sources.
  • propulsive sources such as, for example, alternative internal combustion engines, fuel cells, etc.
  • propulsive sources such as engines or fuel cells
  • supercharging systems are also a common object of design.
  • these devices comprise a communication duct between the intake area and the exhaust area of the engine, which causes both pressures (intake pressure and exhaust counterpressure) to equalize.
  • the present invention provides a device for dynamic emulation of supercharging systems. Specifically, a device is disclosed that dynamically emulates the pressure and temperature variations experienced by the supply air in a supercharged propellant source, such as, for example, the combustion air in an alternative internal combustion engine (MCIA) turbo-supercharged or the air that circulates through the cathode in a turbo-supercharged fuel cell.
  • a supercharged propellant source such as, for example, the combustion air in an alternative internal combustion engine (MCIA) turbo-supercharged or the air that circulates through the cathode in a turbo-supercharged fuel cell.
  • MCIA internal combustion engine
  • a device for dynamic emulation of propulsive source supercharging systems comprising:
  • an inlet duct configured to connect at one end to an inlet of a propulsive source, and to suck in air from the environment at another end, called the suction end, for the use of the air sucked in from the environment as supply air to the propulsive source ;
  • an outlet conduit configured to connect at one end to an exhaust of the propulsive source, and to expel exhaust gases from the propulsive source to the environment at another end called the discharge end;
  • turbogroup comprising a variable geometry turbine in the outlet duct and a compressor in the inlet duct, coupled to the turbine, such that the turbogroup is configured so that the turbine satisfies the back pressure gradients of the outlet gases and recover part of the energy available in said gases to compress the supply air by the compressor;
  • a heating means configured to heat supply air
  • a means of thermal regulation of the supply air configured to regulate the mixture of at least a cold flow of supply air coming from the cooling medium and a hot flow of supply air coming from the heating medium, and thus regulate the temperature of the supply air independently of its pressure; so that the temperature gradient of the supply air is precisely controlled, overcoming the thermal inertia of the cooling medium and the heating medium.
  • a method for dynamic emulation of propulsive source supercharging systems is disclosed, using an emulation device according to the first aspect of the present invention.
  • the emulation procedure comprises sucking in air from the environment to use it as supply air for the propulsive source; feeding the propulsive source with the supply air; expel exhaust gases from the propulsive source into the environment; with the particularity that one or more of the following actions are carried out:
  • the device and method for dynamic emulation of supercharging systems according to the present invention can be applied to propulsive sources such as single-cylinder research ASMs, naturally aspirated or atmospheric ASMs of any type, fuel cells of any type, etc. In all these cases it is of great interest to have this dynamic emulation device and procedure in order to be able to experimentally evaluate quickly and effectively the coupling of a propulsive source with different turbo-supercharging systems under dynamic conditions.
  • Figure 1 is a schematic representation of the dynamic emulation system according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of the dynamic emulation system according to another preferred embodiment of the present invention, with two cooling means.
  • Figure 3 is a schematic representation of the dynamic emulation system according to another preferred embodiment of the present invention, with two cooling means, as well as three purge valves associated with a compressor of a turbogroup and two electro-compressors, respectively.
  • the present invention discloses a device for dynamic emulation of propulsive source supercharging systems, such as a reciprocating internal combustion engine supercharging system, a fuel cell supercharging system, etc.
  • the device is intended to emulate pressure and temperature gradient ranges for flow ranges of a turbo-supercharged propulsive source.
  • dynamic within the context of the present invention it is understood that it is capable of reproducing a wide range of pressure and temperature gradients, independently and accurately, which provides a significant difference with respect to the state of the art. current. These gradients correspond to those that can be achieved in a propulsive source with any turbocharging technology, including electrically assisted turbochargers.
  • the dynamic emulation device comprises an inlet duct (2), an outlet duct (4), a turbogroup (12) and one or more compressors, preferably of the electro-compressor type (14). , as explained below:
  • the inlet duct (2) is configured to connect at one end to an inlet of a propulsive source (10), and to suck in air from the environment at the other end, called the suction end. The air sucked in from the environment is used as supply air for the propulsive source (10).
  • inlet duct must be understood in a broad and non-limiting sense, encompassing not only a single duct, but any set of ducts intended for the transit of supply air between the environment and the propulsive source (10).
  • the outlet conduit (4) is configured to connect at one end to an exhaust of the propulsive source (10), and to expel exhaust gases from the propulsive source (10) to the environment at another end called the discharge end.
  • outlet duct must be understood in a broad and non-limiting sense, encompassing not only a single duct, but any set of ducts intended for the transit of outlet gases between the propulsive source (10) and the environment.
  • the ducts of the emulation device are DN50 ducts.
  • the turbogroup (12) comprises a variable geometry turbine and a compressor coupled to the turbine.
  • the turbine is arranged in the outlet duct (4), and the compressor in the inlet duct (2).
  • the turbo group (12) is configured so that the turbine satisfies the back pressure gradients of the exhaust gases and recovers part of the energy available in said exhaust gases to compress the supply air. through the compressor.
  • the turbogroup (12) has a power of 10 kW.
  • the turbine of the turbogroup (12) is a centripetal radial turbine.
  • the emulation device comprises several turbogroups, in order, for example, to emulate the operation of a biturbo.
  • electro-compressor means a compressor mechanically driven by an electric motor.
  • the electro-compressor or electro-compressors (14) are arranged in the inlet duct (2); and they are placed in series with the compressor of the turbo group (12).
  • the electro-compressor or electro-compressors (14) are configured to compress the supply air and reproduce supply air pressure gradients in a controlled manner.
  • the emulation device comprises several electro-compressors (14), which makes it possible to cover situations in which the supercharging needs are greater.
  • the emulation device comprises several electro-compressors (14) in series with each other and with the compressor of the turbo group (12). In this case, the fact that the electro-compressors (14) are arranged in series with each other favors the emulation device being able to achieve high levels of supply air pressure and reproduce high pressure gradients of the supply air in a controlled manner. supply.
  • the electro-compressor or electro-compressors (14) are centrifugal radials.
  • the electro-compressor or electro-compressors (14) have a total power of 20 kW, and more preferably with 11 kW for low pressure and 9 kW for high pressure.
  • the present invention has been developed taking into account the need to allow dynamic emulations to be carried out, as explained below:
  • the device of the present invention allows independent control of the intake pressure and the exhaust back pressure of the propulsive source (10 ). More specifically, the intake zone and the exhaust zone of the propulsive source (10) do not communicate with each other, so that the independence of the intake pressure with respect to the exhaust back pressure is guaranteed; circumstance that can be seen in figures 1, 2 and 3. Thanks to said independence, the device can carry out dynamic emulations of supercharging systems of propulsive sources.
  • the dynamic emulation device also comprises a cooling means (20).
  • the cooling medium (20) is placed in series with the electro-compressors (14).
  • the cooling medium (20) is configured to cool supply air, preferably after it has been heated in its compression. In this way, thanks to the cooling medium (20), the "supply air temperature” parameter becomes independent from the "supply air pressure” parameter.
  • the cooling medium (20) is arranged downstream of the two electro-compressors (14). According to another embodiment, the cooling medium (20) can be arranged between the two electro-compressors (14).
  • the cooling medium (20) is a heat exchanger type cooler.
  • the cooling medium (20) can use as a cooling source a suitable cooling fluid (such as water from a cooling tower, mains water at room temperature, etc.), a refrigeration machine based on the reverse Rankine cycle, etc.
  • a suitable cooling fluid such as water from a cooling tower, mains water at room temperature, etc.
  • a refrigeration machine based on the reverse Rankine cycle etc.
  • a combination of different types of cooling can also be used as the cooling source; for example, according to one embodiment shown in Figure 1, the cooling source is a combination of cooling tower water cooling and reverse Rankine cycle cooling.
  • the cooling medium (20) has a power of 15 kW.
  • the dynamic emulation device also comprises a heating means (24).
  • the heating means (24) is configured to heat supply air.
  • the "supply air temperature” parameter becomes independent from the "supply air pressure” parameter.
  • the heating medium 24 is a regenerator.
  • the regenerator is configured to recover heat from the exhaust gases of the propulsive source (10), which circulate through the outlet duct (4), and to use said heat in heating the supply air, which circulates through the exhaust duct. input (2).
  • the heating means (24) has a power of 40 kW.
  • the heating medium (24) is made up of the compressor of the turbo group (12) and the electro-compressor or electro-compressors themselves. (14), so that an additional device for heating the supply air is dispensed with.
  • a specific means can be implemented for this purpose, such as the cooling means (20) mentioned above.
  • the dynamic emulation device also comprises a thermal regulation means.
  • the thermal regulation means is configured to regulate the mixture of at least one cold flow of supply air coming from the means cooler (20) and a hot flow of supply air from the heating medium (24), which allows to regulate the temperature of the supply air independently of the regulation of its pressure. Thanks to the thermal regulation means, supply air temperature gradients can be precisely controlled, overcoming the thermal inertia of the cooling medium (20) and the heating medium (24).
  • the dynamic emulation device comprises the inlet duct (2), the outlet duct (4), the turbo group (12), the electro-compressor or electro-compressors (14), the cooling medium (20 ), the heating means (24), and the thermal regulation means.
  • the thermal regulation means is integrated in a circuit of parallel branches.
  • the branch circuit is located downstream of the electro-compressor or electro-compressors (14); that is, downstream of the electro-compressor (14) in the event that there is only one, or of the electro-compressor (14) that is arranged last (according to the embodiments of figures 1, 2 and 3, the second of the electro-compressors (14), which is located further downstream) in the case of having several electro-compressors (14).
  • the thermal regulation means comprises one or more mixing valves (26) arranged in one or more of the branches, respectively, which regulate the flow rate of the supply air flow through its corresponding branch.
  • the branch circuit has two branches that originate from a fork in the inlet duct (2) and that converge again at a confluence point upstream of the propulsive source (10).
  • the heating medium (24) is arranged in one of the branches and the cooling medium (20) is arranged in the other branch, so that they are arranged in parallel.
  • the thermal regulation means has two mixing valves (26) arranged in two branches (a mixing valve in one branch and another mixing valve in another branch), which regulate the flow rate of the hot flow of supply air and the flow rate of the cold flow of supply air, respectively, through the corresponding branch. In this way, the mixing at constant pressure of both flows at the confluence point and, consequently, the temperature gradient of the supply air is controlled.
  • the branch circuit has three branches.
  • the heating medium (24) is arranged in one of the branches
  • a cooling medium (20) is arranged in another of the branches
  • the remaining branch runs without passing through any heating or cooling medium, so that the flow of supply air flowing through this remaining branch does not change in temperature (referred to as supply air neutral flow).
  • the means of thermal regulation It has three mixing valves (26) arranged in two branches (one mixing valve for each of the three branches), which regulate the flow rate of the hot flow of supply air, the flow rate of the cold flow of supply air, and the flow rate of the neutral flow of supply air, respectively, through the corresponding branch. In this way, the constant pressure mixing of the flows and, consequently, the temperature gradient of the supply air is controlled.
  • the thermal regulation means and the branch circuit in which it is integrated may have other configurations:
  • the means The thermal regulation system comprises a thermostatic mixing valve (26) arranged at a branch confluence point.
  • the branch circuit has two branches, one of the branches runs without passing through any heating medium or cooling medium (for example, because the cooling medium is not arranged in the branches), so that the air flow of supply that circulates through this branch does not change in temperature.
  • one or more of the branches do not have a mixing valve (26).
  • the mixing valves (26) are linear guillotine regulation valves, preferably DN100, and more preferably model GS type from Schuber & Saltzer.
  • the mixing valve (26) of the branch corresponding to the hot flow of supply air is a high temperature valve that, for example, allows operating temperatures of up to 550°C.
  • the dynamic emulation device comprises one or more condensate separators (22), configured to remove condensed water from the humidity of the supply air. This prevents condensed water from damaging the emulation device or the propulsive source (10). As is known, condensation can appear in different circumstances, such as after cooling, compression, a combination of both, due to heat loss, etc. For this reason, the condensate separator or separators (22) can be arranged in different places of the emulation device according to needs, such as, for example, after an electro-compressor (14), after a cooling medium (20), etc.
  • the emulation device comprises a condensate separator (22) in the inlet duct (2), downstream of the cooling medium (20) of the branch circuit; specifically downstream of the branch circuit (in which the thermal regulation means is integrated) and upstream of the propulsive source (10).
  • the emulation device comprises another condensate separator (22).
  • This other condensate separator (22) is located between the two electro-compressors (14), downstream of the cooling medium (20) which is also located between the two electro-compressors (14). Thanks to said arrangement, this other condensate separator (22) prevents the electro-compressor located in second place from being damaged by condensate.
  • the condensate separator or separators (22) are axial cyclonic.
  • the condensate separator or separators (22) have a diameter of DN150.
  • the emulation device comprises a security means configured to control that the operating conditions of the electro-compressor or electro-compressors (14) are appropriate at all times, in terms of safety, avoiding those conditions that may result dangerous for the electro-compressors (14), the propulsive source (10) or other components of the emulation device.
  • the safety means comprises one or more air bleed valves (18) associated with the electro-compressor or electro-compressors (14), respectively (one bleed valve for each electro-compressor).
  • This air purge valve or valves (18) allow the propulsive source (10) to work when the air flows are so low that they are within the pumping zone (detachment) of the electro-compressor or electro-compressors ( 14). Thanks to the air purge valve or valves (18), the "supply air flow rate" parameter becomes independent from the "supply air pressure” parameter.
  • the flow of the supply air is determined by the proper operation of the propulsive source (10).
  • the supply air flow rate is also indirectly affected by the operation of the bleed valve or valves (18); therefore, due to its very nature, the purge valve or valves (18) could also allow some regulation of the supply air flow rate, as a secondary function.
  • the purge valve or valves (18) are arranged in respective purge conduits, which start from the inlet conduit (2) after the corresponding electro-compressor (14), and which flow into the outlet conduit (4).
  • the purge valve (18) associated with the first of the electro-compressors (14) (that is, the electro-compressor that is located upstream of the other electro-compressor) compressor), is arranged in a purge duct that starts from the inlet duct (2) between the two electro-compressors (14) and ends in the outlet duct (4);
  • the purge valve (18) associated with the second of the electro-compressors (14) is arranged in another purge conduit, which part of the inlet duct (2) after the second of the electro-compressors (14) and which ends in the outlet duct (4).
  • the emulation device has a cooling medium (20) between the two electro-compressors (14):
  • the purge duct corresponding to the first of the electro-compressors (14), part of the inlet duct (2), between the electro-compressor (14) and said cooling medium (20).
  • this purge pipe can start between the condensate separator (22) and the second of the electro-compressors (14).
  • the emulation device comprises an air purge valve (18) associated with the compressor of the turbo group (12).
  • This purge valve (18) is arranged in a respective purge conduit, which starts from the inlet conduit (2) after the turbogroup compressor (12), and which ends in the outlet conduit (4).
  • this purge conduit starts from the inlet conduit (2) between the turbogroup compressor (12) and the first of the electro-compressors (14).
  • the emulation device comprises three air purge valves (18); that is, the two bleed valves (18) associated with the electro-compressors (14) (as mentioned above) and the bleed valve (18) associated with the compressor of the turbo group (12).
  • the purge ducts preferably lead into the outlet duct (4) downstream of the regenerator.
  • the emulation device comprises three bleed ducts corresponding to the three bleed valves 18, respectively; the three purge ducts leading into the outlet duct (4), downstream of the regenerator.
  • the purge valve or valves (18) are linear guillotine regulation valves, preferably DN100, and more preferably model GS type from Schuber & Saltzer.
  • the electro-compressors (14) are of different sizes and are arranged in parallel with each other; so that, in this case, purge valves (18) are not needed to control that the operating conditions of the electro-compressors (14) are adequate at all times.
  • regulation of the supply air flow rate can be done by other means of flow regulation; for example, according to a particular embodiment, the flow of supply air entering the propulsive source (10) is regulated by means of a flow regulating valve placed at the inlet of the propulsive source (10).
  • the emulation device comprises a non-return valve (16), arranged in a bypass conduit that bypasses the compressor of the turbo group (12).
  • this bypass duct originates upstream of the turbogroup compressor (12) and ends downstream of it before the next electro-compressor (14).
  • air inlet through the bypass duct is the transit of air through the bypass duct towards the inlet of the propulsive source (10); and that "air return through the bypass duct” is the transit of air through the bypass duct towards the suction end of the inlet duct (2).
  • the non-return valve (16) is configured to prevent return of supply air through the bypass duct.
  • the non-return valve (16) is configured to prevent the entry of supply air through the bypass conduit when the outlet pressure of the turbogroup compressor (12) is greater than or equal to its inlet pressure, and to allow, in otherwise, the supply air enters through the bypass duct to equalize both pressures. In this way, when the turbine of the turbogroup (12) is not able to recover enough energy from the exhaust gases, for example, during rapid acceleration processes, the non-return valve (16) helps to bypass the compressor of the turbogroup (12) thus avoiding harming the dynamic response of the emulation device.
  • the non-return valve (16) is a DN100 non-return valve.
  • the dynamic emulation device comprises an additional cooling means (20), in series with the electro-compressor or electro-compressors (14).
  • the emulation device comprises two cooling means (20), ie the above-mentioned cooling means and the now-mentioned further cooling means.
  • one of the cooling means (20) is arranged between the two electro-compressors (14); and the other cooling medium is arranged downstream of the electro-compressor that is located in second place (by way of explanation, it is considered that the one located in second place is the one that is located downstream of the one located in first place).
  • this other cooling medium is arranged in one of the branches of the branch circuit.
  • the additional cooling medium (20) is a heat exchanger type cooler.
  • the additional cooling medium (20) can use as a cooling source a suitable cooling fluid (such as water from a cooling tower, mains water at room temperature, etc.), a refrigeration machine based on a reverse Rankine cycle, etc.
  • a suitable cooling fluid such as water from a cooling tower, mains water at room temperature, etc.
  • a refrigeration machine based on a reverse Rankine cycle etc.
  • a combination of different types of cooling can also be used as the cooling source, such as cooling with cooling tower water and cooling with a reverse Rankine cycle.
  • the additional cooling medium (20) has a power of 15 kW.
  • the cooling means 20 use the same cooling source.
  • the emulation device further comprises an air filter (28) at the suction end of the inlet duct (2), and a silencer (30) at the discharge end of the outlet duct (4), to clean the supply air of impurities and reduce the noise of both suction and discharge of the propulsive source outlet gases (10).
  • the emulation device comprises:
  • a programmable controller in communication with the sensor or sensors, which is configured to control the operation of the emulation device based on setpoint values and the readings of the sensor or sensors.
  • the precise location of the elements according to the supply air and exhaust gas flow diagrams shown in the figures has been designed to achieve maximum energy efficiency. possible by taking advantage of synergistic effects of different components.
  • the electro-compressor or electro-compressors (14) heat the air a lot
  • the turbogroup (12) compresses little and heats little
  • the cooling medium or mediums (20) generate condensate
  • the regenerator is located after the turbine of the turbogroup (12) so as not to destroy exergy, etc.
  • the characteristics of the emulation device of the present invention are:
  • Electro-compressor or electro-compressors (14) 20 kW of total power, preferably with 11 kW for low pressure and 9 kW for high pressure.
  • the device also comprises other components with the following characteristics:
  • the purge valve or valves (18) and the mixing valve or valves (26) are linear guillotine regulation valves, preferably DN100, and the mixing valve (26) located at the outlet of the heating medium (24) is a high temperature valve (eg up to 550°C).
  • the non-return valve (16) is DN100.
  • the condensate separator or separators (22) are axial cyclonic, specifically designed with NACA profiles to achieve adequate vorticity while minimizing the load losses; and they are of diameter DN150.
  • the present invention discloses a method for dynamic emulation of supercharging systems of propulsive sources (10), using the emulation device according to the first aspect of the present invention.
  • the supply air pressure can be regulated by controlling the rotation speed of the electro-compressor or electro-compressors (14). Bearing in mind that the supply air also heats up when it is compressed, the control of the speed of rotation of the electro-compressor or electro-compressors (14) also allows the temperature of the supply air to be regulated.
  • the back pressure of the exhaust gases from the propulsive source (10) can be regulated by controlling the turbine of the turbogroup (12).
  • the emulation method comprises sucking air from the environment to use it as supply air of the propulsive source (10); feeding the propulsive source (10) with the supply air; expelling exhaust gases from the propulsive source (10) into the environment; with the particularity that one or more of the following actions can be carried out:
  • a safety means which preferably comprises the purge valve or valves (18).
  • the air enters the inlet duct (2) from ambient conditions and passes to the turbogroup compressor (12).
  • the supply air increases its pressure and temperature.
  • the device has the non-return valve (16) as shown in the figures: In the event of abnormal operation, in which the pressure at the outlet of the turbo group (12) is less than the pressure at the inlet , the non-return valve (16) would open allowing supply air to enter through the bypass pipe and equalizing these pressures.
  • the supply air After passing through the turbogroup compressor (12), the supply air passes through the electro-compressor or electro-compressors (14), increasing its pressure and temperature again in each electro-compressor (14).
  • the passage of the supply air through the turbogroup compressor (12) and through the electro-compressor or electro-compressors (14) is controlled to achieve the desired conditions of the supply air at the inlet of the propulsive source (10).
  • the purge valve or valves (18) regulate the operating conditions of the electro-compressor or electro-compressors (14), avoiding dangerous operating conditions for them or for any component of the installation (understanding by installation as the conjunction of the emulation device and the propulsive source).
  • the emulation device has a bleed valve (18) associated with the turbogroup compressor (12)
  • this bleed valve (18) regulates the operating conditions of the compressor avoiding dangerous operating conditions.
  • the purge valve or valves (18) can be opened, for example, in an emergency.
  • cooling medium (20) in one of the branches of the branch circuit, heating medium (24) in another of the branches and mixing valves (26) in the branches such as the embodiments shown in the figures:
  • the supply air After being compressed in the electro-compressor or electro-compressors (14), the supply air enters the branch circuit.
  • the mixing valves (26) the supply air is divided into different flows that flow through two branches to be heated by the heating medium (24) or to be cooled by the cooling medium (20).
  • the branch circuit has three branches with one of them intended for the passage of air flow without temperature change:
  • the supply air is divided into different flows that flow through the three branches for heating by the heating medium (24), cooling by the cooling medium (20) or for transport without being cooled or heated.
  • the different supply air flows at different temperatures are mixed to achieve the desired temperature. In this way, depending on the opening of the mixing valves (26), the temperature of the supply air can be varied.
  • a condensate separator (22) after the branch circuit such as the embodiments shown in the figures: After the temperature is regulated, the supply air passes to the corresponding condensate separator (22), where the water is removed from the moisture that may have condensed after cooling the mixture.
  • the supply air is introduced into the propulsive source (10).
  • the supply air is used in the generation of propulsion power and exhaust gases, which are at high pressure and high temperature, are generated.
  • the heating medium (24) is a regenerator like the one shown in the figures
  • the exhaust gases pass through the regenerator and lower their temperature by heating the supply air that circulates through the heating medium branch (24). After the regenerator, the exhaust gases from the propulsive source (10) are discharged into the atmosphere.
  • the method of the present invention comprises emulating one or more of the following ranges of temporal gradients:
  • Temporary supply air temperature gradient range from 0.5°C/s to 5°C/s.
  • an absolute supply air temperature range and accuracy of 30-80°C ⁇ 0.5°C is emulated.
  • the emulation device is controlled by a programmable controller in communication with one or more sensors.
  • the programmable controller collects the measurements from the sensor or sensors that, preferably, measure the pressure and temperature at the inlet of the propulsive source (10) and at its exhaust.
  • the programmable controller comprises several control mechanisms, preferably PID controllers, which can act on the actuators of the installation:
  • a control mechanism for the temperature regulation means which regulates the temperature of the supply air in admission, preferably from the positioning of the mixing valve or valves (26).
  • the programmable controller also comprises a safety means control mechanism, preferably a PID controller, which regulates the operating conditions of the electro-compressor or electro-compressors (14) so that these conditions are adequate at all times. , in terms of security.
  • this control mechanism regulates the operating conditions of the electro-compressor or electro-compressors (14) based on the positioning of the corresponding purge valve or valves (18).
  • the emulation device disclosed in this document can simulate booster systems of propulsive sources, both in static conditions and in dynamic operating conditions.
  • the device of the present invention makes it possible to independently control the intake pressure and the exhaust counterpressure of the propulsive source (10), so that it can carry out dynamic emulations.
  • the possibility of simulating the dynamic evolutions of supercharging systems makes the device disclosed herein unique and different from any other prior art supercharging system simulation device.
  • the device of the present invention is based on the combination of various compression means, specifically in a turbogroup (12) and one or several electro-compressors (14), to be able to simulate accelerations and decelerations of turbogroups that are used in sources current powertrains such as reciprocating internal combustion engines or fuel cells.
  • the operation of the emulation device is based on recovering energy from the exhaust gases of the propulsive source (10) at high pressure, to supercharge the propulsive source (10) itself.
  • the fact that the electro-compressor or electro-compressors (14) are electrically activated allows very fast responses (very dynamic).
  • the turbocharger compressor (12) helps to consume less electrical energy in situations where it is capable of providing positive compression ratios.
  • the operation of the emulation device can also be supported by a cooling means (20), a heating means (24), and a thermal regulation means that allows the temperature of the supply air to be regulated independently of the regulation of its pressure.
  • the device of the present invention constitutes a tool for the design of propulsive sources and supercharging systems. Thanks to the device of the present invention, it is possible to carry out emulations using as a base a "simplification" of the real propulsive source, as a model of it, with a single working unit (for example, a single-cylinder engine or a fuel cell). single cell).
  • a single working unit for example, a single-cylinder engine or a fuel cell.
  • the work unit is a cylinder;
  • the unit of work is a cell.
  • a propulsive source with several work units for example, a polycylindrical engine
  • a simple propulsive source is called a propulsive source with a single work unit (for example, a single-cylinder engine).
  • the emulation device is coupled to the cylinder of a single-cylinder engine (development base engine) with specific characteristics (cylinder volume, stroke ratio, diameter, etc.).
  • the engine is subjected to different supercharging scenarios, by means of the emulation device.
  • the response of the engine is analyzed and the possible changes in the cylinder are evaluated to improve engine response.
  • the final engine is designed/manufactured, with the necessary cylinders, based on the optimum cylinder.
  • the emulation device can also be used as a design tool to specify the characteristics of the supercharging system that will best perform with the propulsive source (10).
  • the propulsive source (10) is subjected to tests, with different supercharging scenarios.
  • different components of the emulation device are acted upon by varying their operating parameters: for example, control of the rotation regimes of the electro-compressor or electro-compressors (14), control of the supply air temperature by means of the regulation means of temperature, geometry control of the turbine of the turbogroup (12), etc.
  • the response of the propulsive source (10) is analyzed and the possible changes in the parameters of the components of the emulation device are evaluated, in order to improve the response of the propulsive source (10).
  • the supercharging system (turbomachines) is designed/manufactured, based on the technical solution that best reproduces the measured pressure and temperature relationships, the measured flows (appropriately dimensionless), and that generates and supports the measured gradients.
  • the scale of the turbomachines used must necessarily be Variable in size and power. This scale must be adapted, on the one hand, to the variety of propulsive sources, for example, to the variety of displacements of the engines used in the automotive industry (passenger cars, light transport, heavy transport, rail, etc.).
  • the emulation device must be capable of emulating multiple situations with different operating conditions, both static and dynamic, with the same architecture. Therefore, with the same architecture, it must be possible to vary the scale of the components of the emulator device, such as the turbogroup, the electro-compressor or electro-compressors, the cooling medium, the heating medium, the thermal regulation medium, etc.
  • a proposal for the emulation device coupled to a propulsive source (10) with a single working unit, in this case a single-cylinder engine (proposal that corresponds to a virtual model of the emulation device) is introduced into the software. ), according to a distribution and specific characteristics of the components; characteristics that are obtained, for example, from supplier data and/or empirical data.
  • the simulated response departs from the real response (reference values)
  • some of the characteristics of the emulation device are modified, the same validation process is carried out again (that is, entering the proposal in the software, simulating different scenarios and compare with reality), and so on until the result is optimal, that is, when the result is sufficiently close to reality.
  • the emulation device is manufactured according to said validated proposal.
  • the design of the emulation device of the present invention for its application to other types of propulsive sources, such as, for example, fuel cells, is carried out in a manner analogous to that explained in the previous paragraph.
  • the steps are simply carried out on the corresponding propulsive source, for example, a fuel cell, instead of the combustion engine.
  • the device and method of the present invention allow emulating dynamic conditions (that is, in a transient state) and static operating conditions of supercharged propulsive sources; conditions that are imposed by a user, based, for example, on optimization and design criteria.
  • the user can perform static and dynamic emulations of a supercharged propulsive source, in order to be able to design and develop said propulsive source and/or the supercharging system.
  • This is very useful, for example, in the case of designing and/or improving supercharged racing engines.
  • the engine is mounted on the racing vehicle and long test sessions are carried out on the track.
  • the pilot subjects the engine to multiple boosting scenarios (different accelerations, decelerations, speeds, etc.) in order to obtain, through sensors, the greatest amount of data on the response of the engine and the control system. overfeeding
  • boosting scenarios different accelerations, decelerations, speeds, etc.

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Abstract

La presente invención da a conocer un dispositivo de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas, que comprende un conducto de entrada (2), un conducto de salida (4), un turbogrupo (12), uno o varios electro-compresores (14), un medio enfriador (20), un medio calentador (24), un medio de regulación térmica. La presente invención también da a conocer un procedimiento que comprende una o varias de las siguientes acciones: regular la presión del aire de suministro, mediante el control del régimen de giro del electro-compresor o electro-compresores (14); controlar las condiciones de funcionamiento del electro-compresor o electro-compresores (14), mediante un medio de seguridad; regular la temperatura del aire de suministro, mediante el medio de regulación térmica; regular la contrapresión de los gases de salida de la fuente propulsiva (10), mediante la modificación de la geometría de la turbina del turbogrupo (12).

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo y procedimiento de emulación de sistemas de sobrealimentación SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere de manera general al sector de los sistemas de sobrealimentación, y más concretamente a la emulación de sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas como, por ejemplo, motores de combustión interna alternativos, pilas de combustible, etc.; emulación que se realiza en la fase de diseño de dichos sistemas de sobrealimentación y/o de fuentes propulsivas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la fabricación de motores policilíndricos, es una práctica habitual diseñar inicialmente un motor con un solo cilindro (motor monocilíndrico) que sirve de base para el posterior desarrollo del motor policilíndrico.
Para abaratar costes, en los últimos tiempos se ha extendido la tendencia de diseñar un único cilindro base, y reproducir el cilindro base las veces que sea necesario para obtener distintos motores policilíndricos; es decir, fabricar motores de 3, 4, 6, 12 cilindros con cilindros de un mismo tipo, que son como el cilindro base.
Esta circunstancia también ocurre en la fabricación de otros tipos de fuentes propulsivas, como es el caso, por ejemplo, de pilas de combustible multicelda: se diseña inicialmente una celda base, y luego se implementan varias celdas como la celda base para obtener la pila de combustible multicelda.
Habitualmente, las fuentes propulsivas (como los motores o pilas de combustible) están acopladas a sistemas de sobrealimentación para el aumento de su potencia. En consecuencia, los sistemas de sobrealimentación también son objeto habitual de diseño.
En el diseño de fuentes propulsivas sobrealimentadas es necesario tener en cuenta múltiples condiciones de funcionamiento que puede encontrarse la fuente propulsiva durante su vida útil, tanto las condiciones estáticas como las condiciones dinámicas. De este modo, durante el desarrollo de la fuente propulsiva es común simular diferentes condiciones de funcionamiento, para analizar su respuesta. Esta es una tarea delicada, ya que de su desarrollo depende conseguir una fuente propulsiva que cumpla adecuadamente con las expectativas.
En la técnica anterior se conocen dispositivos y procedimientos relacionados con la mejora del rendimiento de motores.
Por ejemplo, se conocen diversos tipos de dispositivos y procedimientos para medir las pérdidas de bombeo de motores en estado estacionario. Algunos de dichos dispositivos y procedimientos conocidos se divulgan en los documentos US2015211961 A1 (dispositivo para calcular la pérdida de bombeo en un motor de combustión interna), EP1347163A1 (método para estimar el par de bombeo en un motor de combustión interna) y US2009018748A1 (sistema y método para un modelo de estimación del par de bombeo). Estos dispositivos y procedimientos tienen como propósito medir las pérdidas de bombeo, únicamente en estado estacionario (es decir en condiciones estáticas y no dinámicas.
También se conocen dispositivos y procedimientos para la optimización del funcionamiento de motores, tal y como divulga, por ejemplo, el documento WO2019118834A1 (control de fases de leva para gestión térmica), que presenta una forma de optimizar la gestión térmica (reducir perdidas de calor) de motores controlando la apertura de válvulas por medio de un sincronizador de leva.
Asimismo, se conocen otros dispositivos y procedimientos para sobrealimentar motores, tal y como divulgan, por ejemplo, los documentos EP2023117A1 (método para sobrealimentar un motor monocilíndrico), FR2891050A1 (planta de sobrealimentación de aire para banco de pruebas de un solo cilindro de tipo diésel).
También se conocen dispositivos o instalaciones que permiten acondicionar aire para suministrarlo a un motor durante un ensayo, de manera que dicho acondicionamiento simula unas condiciones determinadas del aire en función de una altitud simulada respecto del nivel del mar, tal y como se divulga en los documentos ES2485618A1 (dispositivo de acondicionamiento de atmósfera para el ensayo de motores de combustión) y ES2398095A1 (instalación para simular las condiciones de presión y temperatura del aire aspirado por un motor de combustión interna alternativo).
Sin embargo, ninguno de los documentos anteriormente mencionados permite emular condiciones dinámicas (es decir, en estado transitorio) de fuentes propulsivas sobrealimentadas, antes de haber sido diseñado o seleccionado el sistema de sobrealimentación. En particular, los dispositivos de los documentos ES2485618A1 y ES2398095A1, por ejemplo, no pueden dar una respuesta dinámica adecuada principalmente porque no permiten controlar independientemente la presión de admisión del motor respecto de la contrapresión de escape de dicho motor. Es decir, no permiten emular la sobrealimentación independientemente de la contrapresión de escape del motor. De hecho, estos dispositivos están diseñados para que la presión de admisión y la contrapresión de escape sean iguales. Para poder simular condiciones atmosféricas en función de la altitud es requisito imprescindible que la zona de admisión y la zona de escape del motor se mantengan a la misma presión durante el ensayo; por ello, estos dispositivos comprenden un conducto de comunicación entre la zona de admisión y la zona de escape del motor, lo que provoca que ambas presiones (presión de admisión y contrapresión de escape) se igualen.
Una parte importante de las situaciones que se encuentran las fuentes propulsivas sobrealimentadas durante su vida útil implican condiciones dinámicas de funcionamiento. Por tanto, sigue existiendo en la técnica la necesidad de un dispositivo que permita realizar una emulación dinámica (en estado transitorio) de la respuesta de una fuente propulsiva (por ejemplo, un motor de combustión interna alternativo o una pila de combustible) acoplada a un sistema de sobrealimentación, con el fin de poder diseñar y desarrollar dicha fuente propulsiva y/o un sistema de sobrealimentación asociado a una fuente propulsiva. Más concretamente, sería deseable disponer de un dispositivo que permita realizar una emulación dinámica de las aceleraciones y deceleraciones de los sistemas de sobrealimentación de las fuentes propulsivas sobrealimentadas o turbosobrealimentadas.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Para resolver el problema técnico anterior, la presente invención da a conocer un dispositivo de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación. En concreto, se da a conocer un dispositivo que permite emular de manera dinámica las variaciones de presión y temperatura que experimenta el aire de suministro en una fuente propulsora sobrealimentada, tal como por ejemplo el aire comburente en un motor de combustión interna alternativo (MCIA) turbo-sobrealimentado o el aire que circula por el cátodo en una pila de combustible turbo-sobrealimentada.
Más concretamente, según un primer aspecto de la invención se da a conocer un dispositivo de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas, que comprende:
- un conducto de entrada configurado para conectarse por un extremo a una admisión de una fuente propulsiva, y para aspirar aire del ambiente por otro extremo, denominado extremo de aspiración, para la utilización del aire aspirado del ambiente como aire de suministro de la fuente propulsiva;
- un conducto de salida configurado para conectarse por un extremo a un escape de la fuente propulsiva, y para expulsar gases de salida de la fuente propulsiva al ambiente por otro extremo denominado extremo de descarga;
- un turbogrupo que comprende una turbina de geometría variable en el conducto de salida y un compresor en el conducto de entrada, acoplado a la turbina, de modo que el turbogrupo está configurado para que la turbina satisfaga los gradientes de contrapresión de los gases de salida y recupere parte de la energía disponible en dichos gases para comprimir el aire de suministro mediante el compresor;
- uno o varios electro-compresores en el conducto de entrada, colocados en serie con el compresor del turbogrupo, configurados para comprimir aire de suministro y reproducir de forma controlada gradientes de presión del aire de suministro;
- un medio enfriador en serie con el electro-compresor o electro-compresores, configurado para enfriar aire de suministro;
- un medio calentador, configurado para calentar aire de suministro;
- un medio de regulación térmica del aire de suministro, configurado para regular la mezcla de al menos, un flujo frío de aire de suministro proveniente del medio enfriador y un flujo caliente de aire de suministro proveniente del medio calentador, y así regular la temperatura del aire de suministro de manera independiente a su presión; de manera que se controla el gradiente de temperatura del aire de suministro de forma precisa, venciendo la inercia térmica del medio enfriador y del medio calentador.
Según un segundo aspecto de la presente invención, se da a conocer un procedimiento de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas, usando un dispositivo de emulación según el primer aspecto de la presente invención. El procedimiento de emulación comprende aspirar aire del ambiente para utilizarlo como aire de suministro de la fuente propulsiva; alimentar la fuente propulsiva con el aire de suministro; expulsar al ambiente gases de salida de la fuente propulsiva; con la particularidad de que se realiza una o varias de las siguientes acciones:
- regular la presión del aire de suministro, mediante el control del régimen de giro del electro-compresor o electro-compresores;
- controlar que las condiciones de funcionamiento del electro-compresor o electro- compresores son adecuadas en cada momento, mediante un medio de seguridad;
- regular la temperatura de aire de suministro, mediante el medio de regulación térmica;
- regular la contrapresión de los gases de salida de la fuente propulsiva, mediante la modificación de la geometría de la turbina del turbogrupo.
El dispositivo y procedimiento de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación según la presente invención pueden aplicarse a fuentes propulsivas tales como MCIA monocilíndricos de investigación, MCIA de aspiración natural o atmosféricos de cualquier tipo, pilas de combustible de cualquier tipo, etc. En todos estos casos es de gran interés disponer de este dispositivo y procedimiento de emulación dinámica para poder evaluar experimentalmente de forma rápida y eficaz el acoplamiento de una fuente propulsiva con diferentes sistemas de turbo-sobrealimentación en condiciones dinámicas.
Algunos de los aspectos y ventajas más importantes que pueden obtenerse mediante el dispositivo y procedimiento de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación son los siguientes:
- Permiten controlar la evolución dinámica de la presión y la temperatura del aire de suministro de la fuente propulsiva (por ejemplo, aire comburente en un motor, o aire que circula por el cátodo de una pila de combustible), emulando un estado transitorio de aceleración del sistema de turbo-sobrealimentación.
- Permiten simular el impacto de las variaciones descritas en el punto anterior sobre las prestaciones (y emisiones si es el caso) de la fuente propulsiva (por ejemplo, un MCIA monocilíndrico o policilíndrico, un MCIA de aspiración natural de cualquier tipo, una pila de combustible de cualquier tipo, etc.) durante estados transitorios de carga controlados por el sistema de turbo-sobrealimentación.
- Permiten emular experimentalmente cualquier tecnología de turbo-sobrealimentación de aplicación a fuentes propulsiva (por ejemplo, MCIA o pilas de combustible) para seleccionar la que resulte óptima dependiendo de la fuente propulsiva objeto de estudio.
- Permiten dimensionar experimentalmente el sistema de turbo-sobrealimentación para una fuente propulsiva dada (por ejemplo, MCIA o pilas de combustible) considerando el comportamiento dinámico del conjunto.
- Permiten acelerar la fase de diseño de plantas de potencia sobrealimentadas (por ejemplo, plantas de potencia sobrealimentadas basadas en MCIA o pilas de combustible) para cualquier aplicación industrial y particularmente para aplicaciones asociadas al transporte en las que estos dispositivos funcionan en condiciones fuertemente transitorias.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones, la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Además, la palabra "comprende" incluye el caso "consiste en". Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares aquí indicadas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La presente invención se entenderá mejor con referencia a las siguientes figuras, en las que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se representa lo siguiente:
La figura 1 es una representación esquemática del sistema de emulación dinámica según una realización preferida de la presente invención.
La figura 2 es una representación esquemática del sistema de emulación dinámica según otra realización preferida de la presente invención, con dos medios enfriadores.
La figura 3 es una representación esquemática del sistema de emulación dinámica según otra realización preferida de la presente invención, con dos medios enfriadores, así como tres válvulas de purga asociadas a un compresor de un turbogrupo y dos electro- compresores, respectivamente.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
Según un primer aspecto, la presente invención da a conocer un dispositivo de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas como, por ejemplo, un sistema de sobrealimentación de un motor de combustión interna alternativo, un sistema de sobrealimentación de una pila de combustible, etc.
El dispositivo está destinado a emular rangos de gradientes de presión y temperatura para rangos de caudal de una fuente propulsiva turbo-sobrealimentada.
Por emulación “dinámica” dentro del contexto de la presente invención se entiende como que es capaz de reproducir un amplio rango de gradientes de presión y de temperatura, de forma independiente y precisa, lo cual aporta una diferencia significativa con respecto al estado de la técnica actual. Estos gradientes se corresponden con los que se pueden alcanzar en una fuente propulsiva con cualquier tecnología de turbo-sobrealimentación, incluidos los turbogrupos asistidos eléctricamente.
El dispositivo de emulación dinámica según la realización preferida de la presente invención comprende un conducto de entrada (2), un conducto de salida (4), un turbogrupo (12) y uno o varios compresores, preferentemente de tipo electro-compresor (14), tal y como se explica a continuación:
- El conducto de entrada (2) está configurado para conectarse por un extremo a una admisión de una fuente propulsiva (10), y para aspirar aire del ambiente por otro extremo, denominado extremo de aspiración. El aire aspirado del ambiente se utiliza como aire de suministro de la fuente propulsiva (10).
Tal y como se usa en el presente documento, el término “conducto de entrada” ha de entenderse en sentido amplio y no limitativo, abarcando no solo un único conducto, sino cualquier conjunto de ductos destinados al tránsito de aire de suministro entre el ambiente y la fuente propulsiva (10).
- El conducto de salida (4) está configurado para conectarse por un extremo a un escape de la fuente propulsiva (10), y para expulsar gases de salida de la fuente propulsiva (10) al ambiente por otro extremo denominado extremo de descarga.
Tal y como se usa en el presente documento, el término “conducto de salida” ha de entenderse en sentido amplio y no limitativo, abarcando no solo un único conducto, sino cualquier conjunto de ductos destinados al tránsito de gases de salida entre la fuente propulsiva (10) y el ambiente.
Según una realización preferida, los conductos del dispositivo de emulación son conductos DN50.
- El turbogrupo (12) comprende una turbina de geometría variable y un compresor acoplado a la turbina. La turbina está dispuesta en el conducto de salida (4), y el compresor en el conducto de entrada (2). De este modo, el turbogrupo (12) está configurado para que la turbina satisfaga los gradientes de contrapresión de los gases de salida y recupere parte de la energía disponible en dichos gases de salida para comprimir el aire de suministro mediante el compresor.
Según una realización preferida, el turbogrupo (12) tiene una potencia de 10 kW. Preferentemente, la turbina del turbogrupo (12) es una turbina radial centrípeta.
Según una realización particular, el dispositivo de emulación comprende varios turbogrupos, con el fin, por ejemplo, de emular el funcionamiento de un biturbo.
- Dentro del contexto de la presente invención, por electro-compresor se entiende un compresor movido mecánicamente por motor eléctrico. El electro-compresor o electro- compresores (14) están dispuestos en el conducto de entrada (2); y están colocados en serie con el compresor del turbogrupo (12). El electro-compresor o electro-compresores (14) están configurados para comprimir el aire de suministro y reproducir de forma controlada gradientes de presión del aire de suministro.
En casos en los que la demanda de sobrealimentación no sea muy alta, puede ser suficiente con la existencia de un único electro-compresor (14). Preferentemente, el dispositivo de emulación comprende varios electro-compresores (14), lo que permite cubrir situaciones en las que las necesidades de sobrealimentación sean mayores. Según las realizaciones mostradas en las figuras 1, 2 y 3, el dispositivo de emulación comprende varios electro-compresores (14) en serie entre sí y con el compresor del turbogrupo (12). En este caso, el hecho de que los electro-compresores (14) estén dispuestos en serie entre sí, favorece que el dispositivo de emulación pueda conseguir altos niveles de presión de aire de suministro y reproducir de forma controlada altos gradientes de presión del aire de suministro.
Según una realización preferida, el electro-compresor o electro-compresores (14) son radiales centrífugos. Preferentemente, el electro-compresor o electro-compresores (14) tienen una potencia total de 20 kW, y más preferentemente con 11 kW para baja presión y 9 kW para alta presión.
La presente invención se ha desarrollado teniendo en cuenta la necesidad de que permita realizar emulaciones dinámicas, tal y como se explica a continuación: El dispositivo de la presente invención permite controlar independientemente la presión de admisión y la contrapresión de escape de la fuente propulsiva (10). Más concretamente, la zona de admisión y la zona de escape de la fuente propulsiva (10) no se comunican entre sí, de modo que se garantiza la independencia de la presión de admisión respecto de la contrapresión de escape; circunstancia que puede verse en las figuras 1, 2 y 3. Gracias a dicha independencia, el dispositivo puede llevar a cabo emulaciones dinámicas de sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas.
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación dinámica también comprende un medio enfriador (20). Preferentemente, el medio enfriador (20) está colocado en serie con los electro-compresores (14). El medio enfriador (20) está configurado para enfriar aire de suministro, preferentemente tras haber sido calentado en su compresión. De este modo, gracias al medio enfriador (20) se independiza el parámetro “temperatura del aire de suministro” respecto del parámetro “presión del aire de suministro”.
Según la realización preferida mostrada en la figura 1, el medio enfriador (20) está dispuesto aguas abajo de los dos electro-compresores (14). Según otra realización, el medio enfriador (20) puede estar dispuesto entre los dos electro-compresores (14).
Preferentemente, el medio enfriador (20) es un enfriador tipo intercambiador de calor. El medio enfriador (20) puede usar como fuente de refrigeración un fluido refrigerante adecuado (como agua de una torre de enfriamiento, agua de red a temperatura ambiente, etc.), una máquina de refrigeración basada en ciclo de Rankine inverso, etc. Como fuente de refrigeración también puede emplearse una combinación de diferentes tipos de refrigeración; por ejemplo, según una realización mostrada en la figura 1, la fuente de refrigeración es una combinación de refrigeración con agua de torre de enfriamiento y refrigeración con un ciclo Rankine inverso.
Según una realización preferida, el medio enfriador (20) tiene una potencia de 15 kW.
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación dinámica también comprende un medio calentador (24). El medio calentador (24) está configurado para calentar aire de suministro. De este modo, gracias al medio calentador (24) se independiza el parámetro “temperatura del aire de suministro” respecto del parámetro “presión del aire de suministro”. Tal y como se muestra en las figuras 1, 2 y 3, preferentemente, el medio calentador (24) es un regenerador. El regenerador está configurado para recuperar calor de los gases de salida de la fuente propulsiva (10), que circulan por el conducto de salida (4), y para usar dicho calor en el calentamiento del aire de suministro, que circula por el conducto de entrada (2).
Según una realización preferida, el medio calentador (24) tiene una potencia de 40 kW.
Teniendo en cuenta que el aire de suministro también se calienta al ser comprimido: según una realización particular, puede considerarse que el medio calentador (24) está conformado por el propio compresor del turbogrupo (12) y el propio electro-compresor o electro-compresores (14), de manera que se prescinde de un dispositivo adicional para el calentamiento del aire de suministro. En este caso, para independizar el parámetro “temperatura del aire de suministro” respecto del parámetro “presión del aire de suministro”, se puede implementar un medio específico a tal efecto, como puede ser el medio enfriador (20) mencionado anteriormente.
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación dinámica también comprende un medio de regulación térmica. El medio de regulación térmica está configurado para regular la mezcla de al menos, un flujo frío de aire de suministro proveniente del medio enfriador (20) y un flujo caliente de aire de suministro proveniente del medio calentador (24), lo que permite regular la temperatura del aire de suministro de manera independiente a la regulación de su presión. Gracias al medio de regulación térmica se pueden controlar gradientes de temperatura del aire de suministro de forma precisa, venciendo la inercia térmica del medio enfriador (20) y del medio calentador (24).
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación dinámica comprende el conducto de entrada (2), el conducto de salida (4), el turbogrupo (12), el electro-compresor o electro-compresores (14), el medio enfriador (20), el medio calentador (24), y el medio de regulación térmica.
A continuación, se explican diferentes características del medio de regulación térmica, según una realización preferida:
- El medio de regulación térmica está integrado en un circuito de ramales en paralelo. Preferentemente, el circuito de ramales está situado aguas abajo del electro-compresor o electro-compresores (14); es decir, aguas abajo del electro-compresor (14) en el caso de que haya solo uno, o del electro-compresor (14) que está dispuesto en último lugar (según las realizaciones de las figuras 1, 2 y 3, el segundo de los electro-compresores (14), que está situado más aguas abajo) en el caso de haber varios electro-compresores (14).
- El medio de regulación térmica comprende una o varias válvulas de mezcla (26) dispuestas en uno o varios de los ramales, respectivamente, que regulan el caudal del flujo de aire de suministro por su ramal correspondiente.
Según la realización mostrada en la figura 1 :
El circuito de ramales tiene dos ramales que se originan por una bifurcación del conducto de entrada (2) y que confluyen nuevamente en un punto de confluencia aguas arriba de la fuente propulsiva (10). Preferentemente, el medio calentador (24) se dispone en uno de los ramales y el medio enfriador (20) se dispone en el otro ramal, de modo que están dispuestos en paralelo. El medio de regulación térmica tiene dos válvulas de mezcla (26) dispuestas en sendos ramales (una válvula de mezcla en un ramal y otra válvula de mezcla en otro ramal), que regulan el caudal del flujo caliente de aire de suministro y el caudal del flujo frío de aire de suministro, respectivamente, por el ramal correspondiente. De este modo, se controla la mezcla a presión constante de ambos flujos en el punto de confluencia y, en consecuencia, el gradiente de temperatura del aire de suministro.
Según la realización mostrada en la figura 2:
El circuito de ramales tiene tres ramales. Preferentemente, el medio calentador (24) se dispone en uno de los ramales, un medio enfriador (20) se dispone en otro de los ramales, y el ramal restante discurre sin atravesar ningún medio calentador o medio enfriador, de modo que el flujo de aire de suministro que circula por este ramal restante no cambia de temperatura (denominado flujo neutro de aire de suministro). El medio de regulación térmica tiene tres válvulas de mezcla (26) dispuestas en sendos ramales (una válvula de mezcla por cada uno de los tres ramales), que regulan el caudal del flujo caliente de aire de suministro, el caudal del flujo frío de aire de suministro, y el caudal del flujo neutro de aire de suministro, respectivamente, por el ramal correspondiente. De este modo, se controla la mezcla a presión constante de los flujos y, en consecuencia, el gradiente de temperatura del aire de suministro.
Además de las configuraciones explicadas, el medio de regulación térmica y el circuito de ramales en el que se integra pueden tener otras configuraciones: Por ejemplo, según una realización alternativa, en vez de una válvula de mezcla (26) por cada ramal, el medio de regulación térmica comprende una válvula de mezcla (26) termostática dispuesta en un punto de confluencia de ramales. Según otra realización en la que el circuito de ramales tiene dos ramales, uno de los ramales discurre sin atravesar ningún medio calentador o medio enfriador (por ejemplo, porque el medio enfriador no se dispone en los ramales), de modo que el flujo de aire de suministro que circula por este ramal no cambia de temperatura. Según otra realización, uno o varios de los ramales prescinden de válvula de mezcla (26).
Según una realización preferida, las válvulas de mezcla (26) son válvulas de regulación lineal de guillotina, preferentemente DN100, y más preferentemente tipo modelo GS de Schuber&Saltzer. Preferentemente, la válvula de mezcla (26) del ramal correspondiente al flujo caliente de aire de suministro es una válvula de alta temperatura que, por ejemplo, permite temperaturas de funcionamiento de hasta 550°C.
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación dinámica comprende uno o varios separadores de condensados (22), configurados para retirar el agua condensada de la humedad del aire de suministro. Así se evita que el agua condensada pueda dañar el dispositivo de emulación o la fuente propulsiva (10). Como es conocido, la condensación puede aparecer en diferentes circunstancias como, por ejemplo, tras un enfriamiento, una compresión, una combinación de ambos, por pérdidas de calor, etc. Por ello, el separador o separadores de condensados (22) pueden disponerse en diferentes sitios del dispositivo de emulación según las necesidades como, por ejemplo, tras un electro-compresor (14), tras un medio enfriador (20), etc.
Según una realización mostrada en la figura 1 :
El dispositivo de emulación comprende un separador de condensados (22) en el conducto de entrada (2), aguas abajo del medio enfriador (20) del circuito de ramales; concretamente aguas abajo del circuito de ramales (en el que se integra el medio de regulación térmica) y aguas arriba de la fuente propulsiva (10).
Según las realizaciones de las figuras 2, 3:
Además del separador de condensados (22) mostrado en la figura 1, el dispositivo de emulación comprende otro separador de condensados (22). Este otro separador de condensados (22) está situado entre los dos electro-compresores (14), aguas abajo del medio enfriador (20) que se sitúa también entre los dos electro-compresores (14). Gracias a dicha disposición, este otro separador de condensados (22) evita que el electro-compresor situado en segundo lugar sea dañado por condensados.
Según una realización preferida, el separador o separadores de condensados (22) son ciclónicos axiales. Preferentemente, el separador o separadores de condensados (22) son de diámetro DN150.
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación comprende un medio de seguridad configurado para controlar que las condiciones de funcionamiento del electro- compresor o electro-compresores (14) son adecuadas en cada momento, en términos de seguridad, evitando aquellas condiciones que puedan resultar peligrosas para los electro- compresores (14), la fuente propulsiva (10) u otros componentes del dispositivo de emulación. Preferentemente, el medio de seguridad comprende una o varias válvulas de purga (18) de aire asociadas al electro-compresor o electro-compresores (14), respectivamente (una válvula de purga para cada electro-compresor). Esta válvula o válvulas de purga (18) de aire permiten que la fuente propulsiva (10) pueda funcionar cuando los caudales de aire son tan bajos que se encuentran dentro de la zona de bombeo (desprendimiento) del electro-compresor o electro-compresores (14). Gracias a la válvula o válvulas de purga (18) de aire se independiza el parámetro “caudal del aire de suministro” respecto del parámetro “presión del aire de suministro”.
El caudal del aire de suministro viene determinado por el propio funcionamiento de la fuente propulsiva (10). No obstante, el caudal de aire de suministro también queda afectado indirectamente por el funcionamiento de la válvula o válvulas de purga (18); por lo que, debido a su propia naturaleza, la válvula o válvulas de purga (18) también podrían permitir cierta regulación del caudal de aire de suministro, como función secundaria.
La válvula o válvulas de purga (18) están dispuestas en sendos conductos de purga, que parten del conducto de entrada (2) tras el electro-compresor (14) correspondiente, y que desembocan en el conducto de salida (4). Concretamente, según las realizaciones mostradas en las figuras 1, 2 y 3, la válvula de purga (18) asociada al primero de los electro- compresores (14) (es decir, al electro-compresor que está situado aguas arriba del otro electro-compresor), está dispuesta en un conducto de purga que parte del conducto de entrada (2) entre los dos electro-compresores (14) y que desemboca en el conducto de salida (4); la válvula de purga (18) asociada al segundo de los electro-compresores (14) (es decir, al otro electro-compresor, que está situado aguas abajo del primero de los electro-compresores) está dispuesta en otro conducto de purga, que parte del conducto de entrada (2) tras el segundo de los electro-compresores (14) y que desemboca en el conducto de salida (4).
En el caso de que el dispositivo de emulación tenga un medio enfriador (20) entre los dos electro-compresores (14): Preferentemente y de manera más ventajosa, según se muestra en las figuras 2 y 3, el conducto de purga correspondiente al primero de los electro- compresores (14), parte del conducto de entrada (2), entre el electro-compresor (14) y dicho medio enfriador (20). Según una realización alternativa, este conducto de purga puede partir entre el separador de condensados (22) y el segundo de los electro-compresores (14).
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación comprende una válvula de purga (18) de aire asociada al compresor del turbogrupo (12). Esta válvula de purga (18) está dispuesta en un respectivo conducto de purga, que parte del conducto de entrada (2) tras el compresor del turbogrupo (12), y que desemboca en el conducto de salida (4). Concretamente, según la realización mostrada en la figura 3, este conducto de purga parte del conducto de entrada (2) entre el compresor del turbogrupo (12) y el primero de los electro- compresores (14). De este modo, según esta realización, el dispositivo de emulación comprende tres válvulas de purga (18) de aire; es decir, las dos válvulas de purga (18) asociadas a los electro-compresores (14) (tal y como se ha mencionado anteriormente) y la válvula de purga (18) asociada al compresor del turbogrupo (12).
En el caso de que el medio calentador (24) sea el regenerador explicado anteriormente, los conductos de purga desembocan preferentemente en el conducto de salida (4) aguas abajo del regenerador. Por ejemplo, según la realización mostrada en la figura 3, el dispositivo de emulación comprende tres conductos de purga correspondientes a las tres válvulas de purga (18), respectivamente; desembocando los tres conductos de purga en el conducto de salida (4), aguas abajo del regenerador.
Según una realización preferida, la válvula o válvulas de purga (18) son válvulas de regulación lineal de guillotina, preferentemente DN100, y más preferentemente tipo modelo GS de Schuber&Saltzer.
Opcionalmente, con el fin de desarrollar las funciones de la válvula o válvulas de purga (18), se pueden implementar otras soluciones. Por ejemplo, según una realización particular, los electro-compresores (14) son de diferente tamaño y están dispuestos en paralelo entre sí; de manera que, en este caso, no se necesitan válvulas de purga (18) para controlar que las condiciones de funcionamiento de los electro-compresores (14) sean las adecuadas en cada momento.
Opcionalmente, la regulación del caudal de aire de suministro puede realizarse mediante otros medios de regulación de caudal; por ejemplo, según una realización particular, el caudal de aire de suministro que entra en la fuente propulsiva (10) se regula mediante una válvula reguladora de caudal colocada en la admisión de la fuente propulsiva (10).
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación comprende una válvula antirretorno (16), dispuesta en un conducto de derivación que baipasea el compresor del turbogrupo (12). Según se muestra en las figuras 1, 2 y 3, este conducto de derivación nace aguas arriba del compresor del turbogrupo (12) y desemboca aguas abajo del mismo antes del siguiente electro-compresor (14). Dentro del contexto de la presente invención, ha de entenderse que “entrada de aire por el conducto de derivación” es el tránsito de aire por el conducto de derivación hacia la admisión de la fuente propulsiva (10); y que “retorno de aire por el conducto de derivación” es el tránsito de aire por el conducto de derivación hacia el extremo de aspiración del conducto de entrada (2). La válvula antirretorno (16) está configurada para impedir el retorno de aire de suministro por el conducto de derivación. Asimismo, la válvula antirretorno (16) está configurada para impedir la entrada de aire de suministro por el conducto de derivación cuando la presión de salida del compresor del turbogrupo (12) es mayor o igual que su presión de entrada, y para permitir, en caso contrario, la entrada de aire de suministro por el conducto de derivación para igualar ambas presiones. De este modo, cuando la turbina del turbogrupo (12) no es capaz de recuperar suficiente energía de los gases de salida, por ejemplo, durante procesos de aceleración rápida, la válvula antirretorno (16) ayuda a baipasear el compresor del turbogrupo (12) evitando así perjudicar la respuesta dinámica del dispositivo de emulación. Preferentemente, la válvula antirretorno (16) es una válvula antirretorno DN100.
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación dinámica comprende un medio enfriador (20) adicional, en serie con el electro-compresor o electro-compresores (14). De este modo, según esta realización preferida, el dispositivo de emulación comprende dos medios enfriadores (20), es decir, el medio enfriador mencionado anteriormente y el medio enfriador adicional mencionado ahora.
Según las realizaciones mostradas en las figuras 2 y 3, uno de los medios enfriadores (20) se dispone entre los dos electro-compresores (14); y el otro medio enfriador se dispone aguas abajo del electro-compresor que está situado en segundo lugar (a modo explicativo, se considera que el situado en segundo lugar es el que está situado aguas abajo del situado en primer lugar). Preferentemente este otro medio enfriador se dispone en uno de los ramales del circuito de ramales.
Preferentemente, el medio enfriador (20) adicional es un enfriador tipo intercambiador de calor. El medio enfriador (20) adicional puede usar como fuente de refrigeración un fluido refrigerante adecuado (como agua de una torre de enfriamiento, agua de red a temperatura ambiente, etc.), una máquina de refrigeración basada en ciclo de Rankine inverso, etc. Como fuente de refrigeración también puede emplearse una combinación de diferentes tipos de refrigeración como, por ejemplo, refrigeración con agua de torre de enfriamiento y refrigeración con un ciclo Rankine inverso. Según una realización preferida, el medio enfriador (20) adicional tiene una potencia de 15 kW.
Preferentemente, tal y como se muestra en las figuras 2 y 3, los medios enfriadores (20) usan la misma fuente de refrigeración. Según una realización preferida, el dispositivo de emulación comprende adicionalmente un filtro (28) de aire en el extremo de aspiración del conducto de entrada (2), y un silenciador (30) en el extremo de descarga del conducto de salida (4), para limpiar de impurezas el aire de suministro y reducir el ruido tanto de aspiración como de descarga de los gases de salida de la fuente propulsiva (10).
Según una realización preferida, el dispositivo de emulación comprende:
- Uno o varios sensores para medir parámetros de funcionamiento de la fuente propulsiva (10), por ejemplo, temperatura del aire de suministro en la admisión, presión del aire de suministro en la admisión, presión de gases de salida en el escape.
- Un autómata programable en comunicación con el sensor o sensores, que está configurado para controlar el funcionamiento del dispositivo de emulación en función de unos valores de consigna y de las lecturas del sensor o sensores.
Aunque tal y como se ha descrito en el presente documento, son posibles múltiples realizaciones, la ubicación precisa de los elementos según los diagramas de flujo de aire de suministro y gases de salida mostrada en las figuras, se ha diseñado para conseguir la máxima eficiencia energética posible aprovechando efectos sinérgicos de distintos componentes. Por ejemplo, el electro-compresor o electro-compresores (14) calientan mucho el aire, el turbogrupo (12) comprime poco y calienta poco, el medio o medios enfriadores (20) generan condensados, el regenerador se sitúa tras la turbina del turbogrupo (12) para no destruir exergía, etc.
A modo de ejemplo para el rango de tipología de los motores usado en vehículos de tipo turismo, con potencias de entre 30kW y 150kW, las características del dispositivo de emulación de la presente invención, según una realización preferida son:
- Electro-compresor o electro-compresores (14): 20 kW de potencia total, preferentemente con 11 kW para baja presión y 9 kW para alta presión.
- Turbogrupo (12): 10 kW de potencia.
- Medio calentador (24): 40 kW de potencia.
- Medio o medios enfriadores (20): 15 kW de potencia cada uno.
Según una realización preferida, el dispositivo comprende además otros componentes con las siguientes características:
- La válvula o válvulas de purga (18) y la válvula o válvulas de mezcla (26) son válvulas de regulación lineal de guillotina, preferentemente DN100, y la válvula de mezcla (26) situada en la salida del medio calentador (24) es una válvula de alta temperatura (por ejemplo, de hasta 550°C).
- La válvula antirretorno (16) es DN100.
- El separador o separadores de condensados (22) son ciclónicos axiales, diseñados exprofeso con perfiles NACA para conseguir la vorticidad adecuada minimizando las pérdidas de carga; y son de diámetro DN150.
- Los diámetros de los conductos que conectan los diversos componentes son DN50.
Según un segundo aspecto, la presente invención da a conocer un procedimiento de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas (10), usando el dispositivo de emulación según el primer aspecto de la presente invención.
Mediante este procedimiento, es posible emular dinámicamente variaciones de presión y temperatura que experimenta el aire de suministro en una fuente propulsiva (10) sobrealimentada.
De manera general, según una realización particular de la presente invención:
- La presión del aire de suministro se puede regular mediante el control del régimen de giro del electro-compresor o electro-compresores (14). Teniendo en cuenta que el aire de suministro también se calienta al ser comprimido, el control del régimen de giro del electro- compresor o electro-compresores (14) también permite regular la temperatura del aire de suministro.
- La contrapresión de los gases de salida de la fuente propulsiva (10) se puede regular mediante el control de la turbina del turbogrupo (12).
Según la realización preferida de la presente invención, el procedimiento de emulación comprende aspirar aire del ambiente para utilizarlo como aire de suministro de la fuente propulsiva (10); alimentar la fuente propulsiva (10) con el aire de suministro; expulsar al ambiente gases de salida de la fuente propulsiva (10); con la particularidad de que se puede realizar una o varias de las siguientes acciones:
- regular la presión del aire de suministro, mediante el control del régimen de giro del electro-compresor o electro-compresores (14);
- controlar que las condiciones de funcionamiento del electro-compresor o electro- compresores (14) son adecuadas en cada momento, en términos de seguridad, evitando aquellas condiciones que puedan resultar peligrosas para los electro-compresores (14), la fuente propulsiva (10) u otros componentes del dispositivo de emulación. Este control se realiza mediante un medio de seguridad, que comprende preferentemente la válvula o válvulas de purga (18).
- regular la temperatura de aire de suministro, mediante el medio de regulación térmica;
- regular la contrapresión de los gases de salida de la fuente propulsiva (10), mediante la modificación de la geometría de la turbina del turbogrupo (12).
A continuación, se expone más detalladamente el procedimiento de emulación mediante un dispositivo de emulación de la presente invención:
- En primer lugar, el aire entra en el conducto de entrada (2) desde condiciones ambiente y pasa al compresor del turbogrupo (12). En el compresor del turbogrupo (12), el aire de suministro aumenta su presión y su temperatura. En el caso preferente de que el dispositivo tenga la válvula antirretorno (16) según se muestra en las figuras: En caso de un funcionamiento anómalo, en el que la presión a la salida del turbogrupo (12) fuera menor que la presión a la entrada, la válvula antirretorno (16) se abriría permitiendo la entrada de aire de suministro por el conducto de derivación e igualando estas presiones.
Tras pasar por el compresor del turbogrupo (12), el aire de suministro pasa por el electro- compresor o electro-compresores (14), volviendo a aumentar su presión y temperatura en cada electro-compresor (14). El paso del aire de suministro por el compresor del turbogrupo (12) y por el electro-compresor o electro-compresores (14) se controla para conseguir las condiciones deseadas del aire de suministro en la admisión de la fuente propulsiva (10).
- En el caso de las realizaciones mostradas en las figuras 2 y 3, en las que el dispositivo tiene un medio enfriador (20) entre dos electro-compresores (14) y un separador de condensados (22) tras dicho medio enfriador (20): antes de pasar al segundo de los electro-compresores (14), el aire de suministro pasa por dicho medio enfriador (20) donde se disminuye su temperatura; y pasa por dicho separador de condensados (22), donde se retira el agua de la humedad que se ha condensado tras el enfriamiento en el medio enfriador (20).
En el caso de realizaciones con válvula o válvulas de purga (18) asociadas al electro- compresor o electro-compresores (14), como son las realizaciones mostradas en las figuras: la válvula o válvulas de purga (18) regulan las condiciones de funcionamiento del electro-compresor o electro-compresores (14), evitando condiciones de funcionamiento peligrosas para ellos o para algún componente de la instalación (entendiendo por instalación como la conjunción del dispositivo de emulación y la fuente propulsiva). En el caso de la realización mostrada en la figura 3, en la que el dispositivo de emulación tiene una válvula de purga (18) asociada al compresor del turbogrupo (12), esta válvula de purga (18) regula las condiciones de funcionamiento del compresor evitando condiciones de funcionamiento peligrosas.
La válvula o válvulas de purga (18) se pueden abrir, por ejemplo, en caso de emergencia.
- Según una realización preferida, con circuito de ramales, medio enfriador (20) en uno de los ramales del circuito de ramales, medio calentador (24) en otro de los ramales y válvulas de mezcla (26) en los ramales, como son las realizaciones mostradas en las figuras: Tras ser comprimido en el electro-compresor o electro-compresores (14), el aire de suministro entra en el circuito de ramales. En función de la apertura de las válvulas de mezcla (26), el aire de suministro se divide en distintos flujos que fluyen por sendos ramales para su calentamiento por el medio calentador (24) o para su enfriamiento por el medio enfriador (20). En el caso de la realización mostrada en la figura 2, en la que de que el circuito de ramales tiene tres ramales con uno de ellos destinado al paso de flujo de aire sin cambio de temperatura: En función de la apertura de las válvulas de mezcla (26), el aire de suministro se divide en distintos flujos que fluyen por los tres ramales para su calentamiento por el medio calentador (24), enfriamiento por el medio enfriador (20) o para su transporte sin ser enfriado o calentado.
Tras su paso por los ramales, los diferentes flujos de aire de suministro a diferentes temperaturas se mezclan, para conseguir la temperatura deseada. De este modo, en función de la apertura de las válvulas de mezcla (26), se puede variar la temperatura del aire de suministro.
- Según una realización preferida, con separador de condensados (22) tras el circuito de ramales, como son las realizaciones mostradas en las figuras: Tras ser regulada la temperatura, el aire de suministro pasa al separador de condensados (22) correspondiente, en donde se retira el agua de la humedad que se haya podido condensar tras un enfriamiento de la mezcla.
- A continuación, el aire de suministro se introduce en la fuente propulsiva (10). En la fuente propulsiva (10), el aire de suministro se emplea en la generación de energía de propulsión y se generan gases de salida, que se encuentran a alta presión y a alta temperatura.
- Los gases de salida se expanden en la turbina del turbogrupo (12) que gira acoplada mecánicamente al compresor del turbogrupo (12). En la turbina, los gases se expanden disminuyendo su presión y su temperatura.
- Después, los gases de salida son evacuados al ambiente.
En el caso de que el medio calentador (24) sea un regenerador como el mostrado en las figuras, antes de ser evacuado a la atmósfera, los gases de salida pasan por el regenerador y disminuyen su temperatura calentando el aire de suministro que circula por el ramal del medio calentador (24). Tras el regenerador los gases de salida provenientes de la fuente propulsiva (10) se descargan a la atmósfera.
Según una realización preferida, el procedimiento de la presente invención comprende emular uno o varios de los siguientes rangos de gradientes temporales:
- Rango de gradientes temporales de presión del aire de suministro de 5 bar/s a -5 bar/s.
- Rango de gradientes temporales de contrapresión de los gases de salida en el escape de la fuente propulsiva (también denominado contrapresión de escape) de 5 bar/s a -15 bar/s.
- Rango de gradientes temporales de temperatura del aire de suministro de 0,5°C/s a 5°C/s.
Además, estos gradientes se pueden conseguir dentro de rangos de valores absolutos de presión y temperatura también muy amplios (también independientes entre sí) y con gran precisión:
- Según una realización preferida, se emula un rango de presión absoluta de aire de suministro y precisión de 2, 0-6,0 bar(A) ± 20 mbar.
- Según una realización preferida, se emula un rango de temperatura absoluta de aire de suministro y precisión de 30-80°C ± 0,5°C.
Según una realización preferida, el control del dispositivo de emulación lo realiza un autómata programable en comunicación con uno o varios sensores. El autómata programable recoge las medidas del sensor o sensores que, preferentemente, miden la presión y temperatura en la admisión de la fuente propulsiva (10) y en su escape. Para regular los valores de estas presiones y temperaturas a los valores de consigna requeridos por un usuario, el autómata programable comprende varios mecanismos de control, preferentemente controladores PID, que pueden actuar sobre los actuadores de la instalación:
- Un mecanismo de control del electro-compresor o electro-compresores (14), que regula la presión de admisión a partir del régimen de giro del motor o motores acoplados al electro- compresor o electro-compresores (14), respectivamente.
- Un mecanismo de control de la turbina del turbogrupo (12), que regula la contrapresión de gases de salida a partir de la modificación de la geometría de la turbina.
- Un mecanismo de control del medio de regulación de temperatura, que regula la temperatura del aire de suministro en admisión, preferentemente a partir del posicionamiento de la válvula o válvulas de mezcla (26).
Según una realización preferida, el autómata programable también comprender un mecanismo de control del medio de seguridad, preferentemente un controlador PID, que regula las condiciones de funcionamiento del electro-compresor o electro-compresores (14) para que estas condiciones sean adecuadas en cada momento, en términos de seguridad. Preferentemente, este mecanismo de control regula las condiciones de funcionamiento del electro-compresor o electro-compresores (14) a partir del posicionamiento de la válvula o válvulas de purga (18) correspondientes.
Según lo expuesto anteriormente, el dispositivo de emulación dado a conocer en el presente documento puede simular sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas, tanto en condiciones estáticas como en condiciones dinámicas de funcionamiento. El dispositivo de la presente invención permite controlar de manera independiente la presión de admisión y la contrapresión de escape de la fuente propulsiva (10), por lo que puede llevar a cabo emulaciones dinámicas. La posibilidad de simular las evoluciones dinámicas de los sistemas de sobrealimentación hace que el dispositivo dado a conocer en el presente documento sea singular y diferente de cualquier otro dispositivo de simulación de sistemas de sobrealimentación de la técnica anterior.
El dispositivo de la presente invención se basa en la combinación de varios medios de compresión, concretamente en un turbogrupo (12) y uno o varios electro-compresores (14), para poder simular aceleraciones y desaceleraciones de turbogrupos que se usan en fuentes propulsivas actuales como, por ejemplo, motores de combustión interna alternativos o pilas de combustible. El funcionamiento del dispositivo de emulación se basa en recuperar energía de los gases de salida de la fuente propulsiva (10) a alta presión, para sobrealimentar la propia fuente propulsiva (10). El hecho de que el electro-compresor o electro-compresores (14) sean de accionamiento eléctrico permite respuestas muy rápidas (muy dinámicas). El compresor del turbogrupo (12) ayuda a consumir menos energía eléctrica en situaciones que es capaz de proporcionar relaciones de compresión positivas.
El funcionamiento del dispositivo de emulación también puede apoyarse en un medio enfriador (20), un medio calentador (24), y un medio de regulación térmica que permite regular la temperatura del aire de suministro de manera independiente a la regulación de su presión.
El dispositivo de la presente invención constituye una herramienta para el diseño de fuentes propulsivas y sistemas de sobrealimentación. Gracias al dispositivo de la presente invención, es posible realizar emulaciones usando como base una “simplificación” de la fuente propulsiva real, a modo de maqueta de esta, con una sola unidad de trabajo (por ejemplo, un motor monocilíndrico o una pila de combustible monocelda). A modo explicativo, en el caso de motores de combustión interna alternativos, la unidad de trabajo es un cilindro; análogamente, en el caso de pilas de combustible, la unidad de trabajo es una celda. En el presente documento, se denomina fuente propulsiva múltiple, a una fuente propulsiva con varias unidades de trabajo (por ejemplo, un motor policilíndrico); y se denomina fuente propulsiva simple, a una fuente propulsiva con una única unidad de trabajo (por ejemplo, un motor monocilíndrico).
A modo de ejemplo, a continuación, se expone de manera general el proceso llevado a cabo para el diseño de un motor de combustión interna sobrealimentado mediante el dispositivo de emulación de la presente invención:
- Se acopla el dispositivo de emulación al cilindro de un motor monocilíndrico (motor base de desarrollo) con unas características concretas (volumen de cilindro, relación de carrera, diámetro, etc.).
- Se somete al motor a diferentes escenarios de sobrealimentación, mediante el dispositivo de emulación.
Para ello, se actúa sobre diferentes componentes del dispositivo de emulación variando sus parámetros de funcionamiento: por ejemplo, control de regímenes de giro del electro- compresor o electro-compresores (14), control de temperatura del aire de suministro mediante el medio de regulación de temperatura, control de geometría de la turbina del turbogrupo (12), etc.
- Se obtienen la respuesta del motor.
- Se analiza la respuesta del motor y se evalúan los posibles cambios en el cilindro para mejorar la respuesta del motor.
- En caso de ser necesario, se repiten los pasos anteriores, pero con el cilindro del motor modificado, y así sucesivamente hasta encontrar una solución óptima.
- Finalmente se diseña/fabrica el motor final, con los cilindros necesarios, en base al cilindro óptimo.
El diseño de otros tipos de fuentes propulsivas mediante el dispositivo de emulación de la presente invención como, por ejemplo, diseño de pilas de combustible, se realiza de manera análoga a lo explicado en el párrafo anterior. Simplemente se realizan los pasos sobre la fuente propulsiva correspondiente, por ejemplo, una pila de combustible monocelda, en vez del cilindro del motor monocilíndrico.
El dispositivo de emulación también puede usarse como una herramienta de diseño para especificar las características del sistema de sobrealimentación que mejor vaya a rendir con la fuente propulsiva (10). A continuación, se expone de manera general el proceso llevado a cabo para el diseño de un sistema de sobrealimentación para una fuente propulsiva (10) sin sobrealimentar, mediante el dispositivo de emulación de la presente invención:
- Mediante el dispositivo de emulación, se somete la fuente propulsiva (10) a ensayos, con diferentes escenarios de sobrealimentación. Para ello, se actúa sobre diferentes componentes del dispositivo de emulación variando sus parámetros de funcionamiento: por ejemplo, control de regímenes de giro del electro-compresor o electro-compresores (14), control de temperatura del aire de suministro mediante el medio de regulación de temperatura, control de geometría de la turbina del turbogrupo (12), etc.
- Se analiza la respuesta de la fuente propulsiva (10) y se evalúan los posibles cambios en los parámetros de los componentes del dispositivo de emulación, para mejorar la respuesta de la fuente propulsiva (10).
- En caso de ser necesario, se repiten los pasos anteriores hasta encontrar una solución óptima para el sistema de sobrealimentación.
- Finalmente, con las presiones, caudales, temperaturas y gradientes medidos en los ensayos se diseña/fabrica el sistema de sobrealimentación (turbomáquinas), en base a la solución técnica que mejor reproduce las relaciones de presión y temperatura medidas, los caudales medidos (apropiadamente adimensionalizados), y que genera y soporta los gradientes medidos.
Debido a que el dispositivo de la presente invención permite realizar emulaciones usando como base una “simplificación” de la fuente propulsiva real, a modo de maqueta de la misma, con una sola unidad de trabajo, la escala de las turbomáquinas usadas ha de ser necesariamente variable en cuanto al tamaño y la potencia. Esta escala ha de adaptarse por una parte a la variedad de fuentes propulsivas, por ejemplo, a la variedad de cilindradas de los motores usados en automoción (turismos, transporte ligero, transporte pesado, ferroviario, marino, aviación ligera, etc.), y por otra parte al número de unidades de trabajo de fuentes propulsivas múltiples frente a una fuente propulsiva simple (por ejemplo, cilindros del motor policlíndrico frente al motor monocilíndrico (12/1, 6/1, 4/1, 3/1). La dificultad de desarrollar un dispositivo de emulación lo suficientemente flexible como para reproducir rangos de gradientes de presión y temperatura, y para adaptarse a las exigencias de escala en una única arquitectura, justifica la novedad de la presente invención.
De este modo, para el desarrollo del dispositivo de emulación, hay que tener en cuenta algunas circunstancias importantes. El dispositivo de emulación tiene que ser capaz de emular con una misma arquitectura múltiples situaciones con diferentes condiciones de funcionamiento, tanto estáticas como dinámicas. Por ello, con la misma arquitectura, ha de poder variarse la escala de los componentes del dispositivo emulador, como el turbogrupo, el electro-compresor o electro-compresores, el medio enfriador, el medio calentador, el medio de regulación térmica, etc.
Debido a la complejidad del diseño del propio dispositivo de emulación de la presente invención, para su desarrollo se ha usado un software de simulación de motores de combustión interna alternativos y sistemas de fluidos. Mediante este software ha sido posible calcular con el nivel de precisión requerido las prestaciones de los diferentes componentes del dispositivo de emulación, para dimensionar adecuadamente dichos componentes considerando la influencia de los flujos pulsantes (altamente no estacionarios) generados por la fuente propulsiva sobre las prestaciones del dispositivo de emulación dinámica.
A modo de ejemplo, a continuación, se expone de manera general el proceso llevado a cabo para el diseño del dispositivo de emulación mediante el software, para su aplicación a motores de combustión interna alternativa:
- En primer lugar, se introduce en el software una propuesta del dispositivo de emulación acoplado a una fuente propulsiva (10) con una única unidad de trabajo, en este caso a un motor monocilíndrico (propuesta que corresponde a un modelo virtual del dispositivo de emulación), según una distribución y unas características concretas de los componentes; características que se obtienen, por ejemplo, de datos de proveedores y/o datos empíricos.
- En base a la propuesta introducida, se simulan diferentes escenarios con el software, variando en cada simulación los parámetros de funcionamiento de uno o varios componentes.
- Se compara el resultado de la simulación con valores de referencia correspondientes a sistemas de sobrealimentación reales.
- Si la respuesta simulada se aleja de la respuesta real (valores de referencia), se modifican algunas de las características del dispositivo de emulación, se vuelve a realizar el mismo proceso de validación (es decir, introducir la propuesta en el software, simular diferentes escenarios y comparar con la realidad), y así sucesivamente hasta que el resultado es óptimo, es decir, cuando el resultado es suficientemente cercano a la realidad.
- Una vez que se ha validado la propuesta, se fabrica el dispositivo de emulación según dicha propuesta validada.
El diseño del dispositivo de emulación de la presente invención para su aplicación a otros tipos de fuentes propulsivas como, por ejemplo, pilas de combustible, se realiza de manera análoga a lo explicado en el párrafo anterior. Simplemente se realizan los pasos sobre la fuente propulsiva correspondiente, por ejemplo, una pila de combustible, en vez del motor de combustión.
En base a todo lo expuesto anteriormente, el dispositivo y procedimiento de la presente invención permite emular condiciones dinámicas (es decir, en estado transitorio) y condiciones estáticas de funcionamiento de fuentes propulsivas sobrealimentadas; condiciones que son impuestas por parte de un usuario, en base, por ejemplo, a criterios de optimización y diseño.
El usuario puede realizar emulaciones estáticas y dinámicas de una fuente propulsiva sobrealimentadas, con el fin de poder diseñar y desarrollar dicha fuente propulsiva y/o el sistema de sobrealimentación. Esto es muy útil, por ejemplo, en el caso de diseño y/o mejora de motores de competición sobrealimentados. Habitualmente, para el diseño y/o la mejora de motores de competición, se monta el motor en el vehículo de competición y se realizan largas sesiones de pruebas en pista. En las sesiones de pruebas, el piloto somete al motor a múltiples escenarios de sobrealimentación (diferentes aceleraciones, desaceleraciones, velocidades, etc.) con el fin de obtener, mediante sensores, la mayor cantidad de datos de la respuesta del motor y del sistema de sobrealimentación. Mediante la presente invención se pueden conseguir gran parte de dichos datos sin la necesidad de realizar estas pruebas en pista con el vehículo de competición, lo que permite reducir en gran medida los costes.
Aunque la presente invención se ha descrito en el presente documento haciendo referencia a una realización preferida de la misma, los expertos en la técnica entenderán que pueden aplicarse diversas modificaciones y variaciones a dicha realización descrita sin por ello apartarse del alcance de la presente invención, definido por las siguientes reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas, que comprende:
- un conducto de entrada (2) configurado para conectarse por un extremo a una admisión de una fuente propulsiva (10), y para aspirar aire del ambiente por otro extremo, denominado extremo de aspiración, para la utilización del aire aspirado del ambiente como aire de suministro de la fuente propulsiva (10);
- un conducto de salida (4) configurado para conectarse por un extremo a un escape de la fuente propulsiva (10), y para expulsar gases de salida de la fuente propulsiva (10) al ambiente por otro extremo denominado extremo de descarga;
- un turbogrupo (12) que comprende una turbina de geometría variable en el conducto de salida (4) y un compresor en el conducto de entrada (2), acoplado a la turbina, de modo que el turbogrupo (12) está configurado para que la turbina satisfaga los gradientes de contrapresión de los gases de salida y recupere parte de la energía disponible en dichos gases para comprimir el aire de suministro mediante el compresor;
- uno o varios electro-compresores (14) en el conducto de entrada (2), colocados en serie con el compresor del turbogrupo (12), configurados para comprimir aire de suministro y reproducir de forma controlada gradientes de presión del aire de suministro;
- un medio enfriador (20) en serie con el electro-compresor o electro-compresores (14), configurado para enfriar aire de suministro;
- un medio calentador (24), configurado para calentar aire de suministro;
- un medio de regulación térmica del aire de suministro, configurado para regular la mezcla de al menos, un flujo frío de aire de suministro proveniente del medio enfriador (20) y un flujo caliente de aire de suministro proveniente del medio calentador (24), y así regular la temperatura del aire de suministro de manera independiente a su presión.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que la turbina del turbogrupo (12) es una turbina radial centrípeta.
3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los electro-compresores (14) están colocados en serie entre sí.
4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el electro-compresor o electro-compresores (14) son radiales centrífugos.
5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el medio enfriador (20) es un enfriador tipo intercambiador de calor.
6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el medio calentador (24) es un regenerador, configurado para recuperar calor de los gases de salida de la fuente propulsiva (10), que circulan por el conducto de salida (4), y para usar dicho calor en el calentamiento del aire de suministro, que circula por el conducto de entrada (2).
7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que:
- el medio de regulación térmica está integrado en un circuito de ramales en paralelo, de modo que el medio calentador (24) se dispone en uno de los ramales y el medio enfriador (20) se dispone en otro de los ramales;
- el medio de regulación térmica comprende una o varias válvulas de mezcla (26) dispuestas en uno o varios de los ramales, respectivamente, que regulan el caudal del flujo de aire de suministro por su ramal correspondiente.
8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado por que uno de los ramales del circuito de ramales discurre sin atravesar ningún medio calentador o medio enfriador, de modo que el flujo de aire de suministro que circula por este ramal no cambia de temperatura.
9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que una de las válvulas de mezcla (26) está dispuesta en el ramal del medio calentador (24), y es una válvula de alta temperatura, con temperatura de funcionamiento de hasta 550°C.
10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por que la válvula o válvulas de mezcla (26) son válvulas de regulación lineal de guillotina.
11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que:
- el turbogrupo (12) tiene una potencia de 10 kW;
- el electro-compresor o electro-compresores (14) tienen una potencia total de 20 kW;
- el medio calentador (24) tiene una potencia de 40 kW;
- el medio enfriador (20) tiene una potencia de 15 kW.
12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un medio de seguridad configurado para controlar que las condiciones de funcionamiento del electro-compresor o electro-compresores (14) son adecuadas en cada momento, en términos de seguridad; comprendiendo el medio de seguridad una o varias válvulas de purga (18) de aire asociadas al electro-compresor o electro- compresores (14), respectivamente.
13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado por que comprende una válvula de purga (18) de aire, asociada al compresor del turbogrupo (12).
14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 12 o 13, caracterizado por que la válvula o válvulas de purga (18) son válvulas de regulación lineal de guillotina.
15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende uno o varios separadores de condensados (22), configurados para retirar el agua condensada de la humedad del aire de suministro.
16. Dispositivo según la reivindicación 15, caracterizado por que el separador o separadores de condensados (22) son ciclónicos axiales.
17. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una válvula antirretorno (16) en un conducto de derivación que baipasea el compresor del turbogrupo (12), estando configurada la válvula antirretorno (16) para impedir la entrada de aire de suministro por el conducto de derivación cuando la presión de salida del compresor del turbogrupo (12) es mayor o igual que su presión de entrada, y para permitir, en caso contrario, la entrada de aire de suministro por el conducto de derivación para igualar ambas presiones.
18. Dispositivo según las reivindicaciones 7, 12, 15 y 17, caracterizado por que:
- la válvula antirretorno (16) es una válvula DN100;
- la válvula o válvulas de purga (18) son válvulas DN100;
- la válvula o válvulas de mezcla (26) son válvulas DN100;
- el separador o separador de condensados (22) son de diámetro DN150;
- los diámetros de los conductos del dispositivo son DN50.
19. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un medio enfriador (20) adicional en serie con el electro-compresor o electro- compresores (14).
20. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un filtro (28) de aire en el extremo de aspiración del conducto de entrada (2), y un silenciador (30) en el extremo de descarga del conducto de salida (4).
21. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende:
- sensores para medir parámetros de funcionamiento de la fuente propulsiva (10), como temperatura del aire de suministro en la admisión, presión del aire de suministro en la admisión, presión de gases de salida en el escape;
- un autómata programable en comunicación con los sensores, que está configurado para controlar el funcionamiento del dispositivo en función de unos valores de consigna y de las lecturas de los sensores.
22. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la fuente propulsiva (10) se selecciona del grupo que consiste en un motor de combustión interna alternativo y una pila de combustible.
23. Procedimiento de emulación dinámica de sistemas de sobrealimentación de fuentes propulsivas (10) usando un dispositivo de emulación tal como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22, que comprende aspirar aire del ambiente para utilizarlo como aire de suministro de la fuente propulsiva (10); alimentar la fuente propulsiva (10) con el aire de suministro; expulsar al ambiente gases de salida de la fuente propulsiva (10); con la particularidad de que se realiza una o varias de las siguientes acciones:
- regular la presión del aire de suministro, mediante el control del régimen de giro del electro-compresor o electro-compresores (14);
- controlar que las condiciones de funcionamiento del electro-compresor o electro- compresores (14) son adecuadas en cada momento, mediante un medio de seguridad;
- regular la temperatura de aire de suministro, mediante el medio de regulación térmica;
- regular la contrapresión de los gases de salida de la fuente propulsiva (10), mediante la modificación de la geometría de la turbina del turbogrupo (12).
24. Procedimiento según la reivindicación 23, caracterizado por que comprende emular uno o varios de los siguientes rangos de gradientes temporales:
- rango de gradientes temporales de presión de aire de suministro de 5 bar/s a -5 bar/s;
- rango de gradientes temporales de contrapresión de 5 bar/s a -15 bar/s;
- rango de gradientes temporales de temperatura de aire de suministro de 0,5°C/s a 5°C/s.
25. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 23 o 24, caracterizado por que comprende emular un rango de presión absoluta de aire de suministro y precisión de 2,0
- 6,0 bar(A) ± 20 mbar.
26. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 25, caracterizado por que comprende emular un rango de temperatura absoluta de aire de suministro y precisión de 30-80°C ± 0,5°C.
27. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 26, caracterizado por que el control del dispositivo de emulación lo realiza un autómata programable en base a lecturas de varios sensores, que miden la presión y temperatura en la admisión de la fuente propulsiva (10) y en su escape.
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