Control de gas a alta temperatura para la celda de pruebas de un automóvil

Las pruebas relacionadas con el medioambiente son de particular importancia para el sector automotriz. Sin embargo, las emisiones de los motores de gasolina o diésel solo se pueden caracterizar, regular o controlar si se miden con precisión.

El siguiente estudio de caso describe el uso de tecnología avanzada de válvulas de control de gas por parte de un fabricante de sistemas de pruebas de automóviles. Esta aplicación requería un dispositivo resistente para modular los gases de escape a alta temperatura como parte de una solución de medición de la contrapresión en una celda de pruebas de motores.

Contexto

El equipo de celdas de pruebas se encuentra típicamente en una amplia gama de entornos de investigación, desarrollo y producción de automóviles. Por ejemplo, las celdas de pruebas se utilizan para desarrollar, caracterizar y probar nuevos diseños de motores. El aparato de prueba permite el funcionamiento del motor sobre diversos criterios de rendimiento y ofrece una amplia gama de mediciones, entre las que se incluyen: flujo de refrigerante para estudios de equilibrio térmico, flujo de aceite para asegurar una lubricación adecuada, flujo de combustible y aire de admisión para optimizar la eficiencia de la combustión y flujo de gases de escape para asegurar que el motor y el sistema de convertidor catalítico cumplan con las directrices de aire limpio (véase la Fig. 1).

Figura 1. Las celdas de pruebas automatizadas se utilizan para desarrollar, caracterizar y probar nuevos diseños de motores.

Durante el proceso de desarrollo de nuevos vehículos, específicamente el trabajo relacionado con la combustión, el par del tren de transmisión y los componentes auxiliares, los fabricantes de equipos originales (OEM) utilizan celdas de pruebas para verificar la certificación del 100 por ciento de rendimiento y fiabilidad en toda la gama de insumos de una pieza. Cada componente debe pasar por rigurosos procedimientos de validación para la aceptación del diseño.

Usos de una celda de pruebas

Existe una demanda continua de soluciones de pruebas automotrices de precisión para la investigación, el desarrollo y las pruebas finales, incluyendo el suministro y el control de medios, la automatización y el equipo de medición. Estos pueden ser bancos de pruebas individuales o instalaciones de pruebas completas.

Un banco de pruebas automatizado de motores suele albergar varios sensores o transductores, dispositivos de adquisición de datos y actuadores para controlar el estado del motor. Los sensores miden variables físicas de interés, como:

• Par de torsión del cigüeñal y velocidad angular
• Tasas de consumo de aire y de combustible
• Relación aire-combustible para la mezcla de entrada
• Concentraciones de contaminantes ambientales en los gases de escape
• Diferentes configuraciones de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre y partículas en suspensión
• Temperaturas y presiones de gas en varios lugares del cuerpo del motor
• Condiciones atmosféricas como la temperatura, la presión y la humedad

Aplicación de contrapresión

Los proveedores de equipos de pruebas para automóviles proporcionan sistemas muy complejos para analizar los gases de escape de los vehículos de producción y los prototipos en todas las condiciones climáticas reproducibles. Estos sistemas pueden incluir el dinamómetro de chasis, la medición precisa del combustible, la simulación del flujo de aire, la toma de muestras en saco de combustión de aire y dilución de los gases de escape CVS (muestreo a volumen constante), el control de la temperatura del tanque de combustible y otras capacidades sofisticadas.

La presión es una parte importante de las pruebas de los motores, el control de las emisiones y las pruebas de los componentes de los automóviles. Por eso, dondequiera que se prueben motores, es probable que haya transductores y válvulas que lo midan y controlen todo, desde las presiones de entrada de aire hasta las contrapresiones de escape (véase la Fig. 2).

Figura 2. La contrapresión excesiva de los gases de escape afecta seriamente al funcionamiento del motor.

Una ligera presión en el sistema de escape de un motor es normal. Sin embargo, una contrapresión excesiva en el escape afecta seriamente el funcionamiento del motor. Puede causar un aumento en la presión de la caja de aire con la consiguiente pérdida de eficiencia del ventilador. Esto significa que hay menos aire para la limpieza, lo que causa una combustión deficiente y temperaturas más altas.

Elegir la solución adecuada

La experiencia ha demostrado que la medición de líquidos y gases utilizados en las celdas de pruebas de automóviles exige un rendimiento superior del instrumento. Por ejemplo, un fabricante de equipos de pruebas que construía un aparato de prueba de motores para un fabricante de equipos originales (OEM) buscó una solución para modular los gases de escape de alta temperatura (850 °F) en su sistema. El proceso de medición requería un control preciso de la contrapresión, incluida una válvula de control capaz de modularse para mantener una presión de entrada de 300 psig (la presión de salida era atmosférica). La tasa de flujo requerida, dados P1 y P2, requería un Cv de 21.

Esta aplicación presentaba tres dificultades principales:

1. La temperatura del fluido estaba más allá de las capacidades de una válvula y un empaque normales.
2. La presión de cierre en psig era muy alta.
3. Hacía falta un control de la presión preciso y fiable para que la aplicación tuviera éxito.

El fabricante del equipo de prueba consultó con SW Controls, Inc. (Farmington Hills, Michigan) para que le ayudara a seleccionar una válvula de control apropiada para su aplicación. SW Controls es uno de los representantes de control de procesos y organizaciones distribuidoras más grandes del Medio Oeste y cuenta con un gran inventario de válvulas de control, medidores de flujo, transmisores, controladores y registradores.

Después de considerar tecnologías de válvulas alternativas, se seleccionó la válvula Research Control® (RCV) modelo 9000 de Badger Meter para la celda de pruebas de motores. El modelo 9000 es una válvula ANSI clase 300 con tapa sujeta con pernos y una válvula interna con guía posterior. Está diseñada para modular el control de líquidos y vapores en ambientes donde el tamaño compacto y la capacidad de soportar altas temperaturas y presiones son esenciales (véase la Fig. 3).

Figura 3. La válvula de control Badger Meter RCV modelo 9000 está diseñada para soportar alta temperatura y presión.

La válvula RCV se adaptó bien a las necesidades del usuario final gracias a sus múltiples tamaños de ajuste y a la escala de referencia de los actuadores. El empaque de grafito opcional del dispositivo y la exclusiva tapa extendida fueron otras características importantes, ya que a diferencia del empaque común de Teflón®, el empaque de grafito no se derrite bajo temperaturas extremas.

La válvula empleada en esta aplicación tenía un cuerpo de oblea de dos pulgadas de acero inoxidable 316, estaba configurada con un actuador tamaño 35

que necesita aire para abrir y cierra al fallar con seis resortes, lo que proporcionó un margen de referencia de 6...30 psig. Utilizó una precarga de 12 psi y se instaló en la dirección de flujo para abrir. El dispositivo tenía un Cv de 21 con una característica lineal.

El diafragma preformado del actuador de la válvula y los resortes múltiples aseguran un recorrido extremadamente lineal en comparación con el rendimiento de la señal de entrada. Además, la única junta tórica y el casquillo guía de Nylatron proporcionan una histéresis mínima. Los usuarios pueden ajustar la precarga del resorte para adaptarse a sus requisitos específicos de fuerza de cierre. El actuador también incluye topes de desplazamiento ajustables. Con una construcción de acero con recubrimiento electrostático, este diseño ofrece una protección adicional contra el desgaste y la corrosión.

La válvula de control RCV se acopló a un posicionador electroneumático para posicionar la válvula en base a una señal de control de 4-20 mA. El posicionador proporciona una determinación totalmente automática de los parámetros de control y la adaptación al elemento de control final.

Resultados del proyecto

El fabricante de equipos de prueba trabajó estrechamente con SW Controls para especificar la solución correcta de medición y control de gases para la celda de pruebas de automóviles. El proyecto fue un éxito ya que satisfizo los siguientes criterios clave:

La alta temperatura del proceso llevó a la selección del acero inoxidable 316 como material del cuerpo de la válvula , así como una tapa extendida especializada de 10 pulgadas y un empaque de grafito.

La alta presión de cierre requirió el uso de un margen de referencia de 6... 30 psig con una precarga de 12 psig. La presión de entrada del proceso de 300 psig multiplicada por el gran Cv crea un fuerte empuje hacia arriba, que intenta levantar el tapón del asiento. La compresión de los resortes del actuador con una precarga de 12 psig se opone al empuje ascendente y mantiene la válvula cerrada correctamente en su condición de seguridad.

El uso de un posicionador electroneumático de alta precisión desplaza la válvula de cerrada a totalmente abierta a medida que la señal de control pasa de 4 a 20 mA. El empaque de grafito de la válvula, requerido por la alta temperatura de proceso, añade histéresis; sin embargo, el posicionador soluciona esta condición y proporciona un control suave, aprovechando la capacidad de rango 50:1 de la válvula.

Conclusión

El éxito de esta aplicación puede atribuirse a la amplia oferta de productos de Badger Meter, junto con la capacidad de consulta y la experiencia en la industria automotriz que aportó SW Controls.

Badger Meter aprovecha más de un siglo de experiencia en la medición de flujos y la tecnología avanzada comprobada para optimizar las aplicaciones más exigentes. Ofrece una amplia gama de productos, servicios y soluciones para medir y controlar el agua, el aire, el vapor, el aceite y otros líquidos y gases.

La línea de válvulas de control RCV está en constante desarrollo y evolución para satisfacer las demandas de las aplicaciones en el campo, siempre cambiantes. Con una amplia gama de opciones configurables y compatibles, las válvulas RCV pueden diseñarse para que tengan un gran rendimiento en una amplia variedad de aplicaciones de control de flujo exigentes.

SW Controls mantiene un personal de ingenieros de aplicaciones y ventas dedicados, personal de asistencia interna y técnicos de servicio capacitados en fábrica para ayudar a los clientes con sus requerimientos.

Hasta la fecha, el sistema de prueba automotriz ha estado funcionando con precisión, y la solución de control de gas RCV de Badger Meter está superando las expectativas del usuario final en un entorno de aplicación exigente.