MODULO CALENTADOR DE LOS GASES DE ADMISION DE UN MOTOR DE AUTOMOCION CON CONTROL ELECTRONICO DE LA TEMPERATURA INCORPORADO.
Empleado para calentamiento de los gases que circulan por un colector de admisión (13),
de material preferiblemente plástico, por medio de un elemento calentador (1), incorpora un bastidor metálico (2) en el que se ubica adherido el circuito de control de potencia (4) y en el que se monta el elemento calentador (1) formando ambos un mismo módulo en orden a permitir el control electrónico de la temperatura de los gases de admisión en el colector de admisión evitando superar la temperatura máxima del plástico del colector de admisión. El circuito de control de potencia (4) incorpora fundamentalmente una lógica de control (8) a la que se encuentra conectada un sensor de temperatura (3), y al menos un conmutador de potencia (6) que controla el elemento calentador (1), encontrándose el sensor de temperatura (3) preferentemente integrado en el circuito de control de potencia (4)
Tipo: Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: W0300511ES.
Solicitante: NAGARES, S.A..
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: CUENCA.
Inventor/es: NAVALON CARRETERO,HERMINIO.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 12 de Agosto de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- F02M31/13 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F02 MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES CALIENTES O DE PRODUCTOS DE COMBUSTION. › F02M ALIMENTACION EN GENERAL DE LOS MOTORES DE COMBUSTION CON MEZCLAS COMBUSTIBLES O CONSTITUYENTES DE LAS MISMAS. › F02M 31/00 Aparatos para el tratamiento térmico del aire comburente, del combustible o de la mezcla aire-combustible (carburadores con medios de calentamiento, de refrigeración o de aislamiento térmico para el aire comburente, combustible o mezcla aire-combustible F02M 15/00; aparatos para deslicuar combustibles no líquidos por calentamiento F02M 21/06; aparatos con medios de calentamiento para combustibles no gaseosos con un punto de fusión bajo F02M 21/10; aparatos que se caracterizan por la adición de aire secundario caliente a la mezcla aire combustible F02M 23/14; aparatos de inyección de combustible caracterizados por tener medios de calentamiento, enfriamiento o de aislamiento térmico F02M 53/00). › Calentamiento del aire.
- F02M35/10A
Clasificación PCT:
- F02M31/13 F02M 31/00 […] › Calentamiento del aire.
Clasificación antigua:
- F02M31/13 F02M 31/00 […] › Calentamiento del aire.
Fragmento de la descripción:
Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado.
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un módulo calentador de aplicación para calentamiento de los gases que se introducen por el conducto de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado que consta de dos partes fundamentales: elemento calentador (resistencia en forma de cinta continua), y circuito de control de potencia que mide una temperatura representativa del módulo calentador y gestiona la disipación de energía eléctrica en el elemento calentador.
Es objeto de la invención que el módulo calentador pueda ser montado en un colector de admisión preferentemente de plástico sin deterioro del mismo por exceso de temperatura, y optimizando las prestaciones del motor, lo que se consigue a través de la medida de alguna de las temperaturas representativas del módulo calentador y de la interposición de la electrónica de control entre la fuente de alimentación y el elemento calentador, de tal modo que se impida la conexión fortuita o intencionada de dicho elemento calentador a la batería.
Antecedentes de la invención
Actualmente para calentar el aire de admisión de motores Diesel de grandes cilindradas, como los empleados en vehículos industriales, se utilizan calentadores como los descritos en las patentes de invención US 4 512 322, US 4 685 437, US 5 988 146, WO 00/34643. Estos calentadores constan de un bastidor metálico tal como aluminio, sobre el que se monta una resistencia en forma de cinta aislada de él a través de unos aislantes cerámicos, no disponiendo de ningún elemento que permita conocer su temperatura e implementar ninguna función de seguridad que nos permita montar dicho módulo calentador sobre un colector de plástico sin riesgo de deterioro del mismo por exceso de temperatura.
Todos los precedentes citados podrían utilizarse directamente para realizar las siguientes funciones sin que estén optimizados para ninguna de ellas:
- Ayuda al arranque en frío
- Ayuda a la regeneración del filtro de partículas
- Ayuda para la reducción de emisiones contaminantes
Sin embargo ninguno de ellos permite efectuar el montaje del módulo calentador en el colector de admisión de plástico, optimizando las prestaciones del motor y asegurando que en ninguna circunstancia se produzca un deterioro de dicho colector por exceso de temperatura.
Para la optimización de las prestaciones del motor es necesario que el módulo calentador cumpla los siguientes requisitos:
- MÍNIMA PÉRDIDA DE CARGA
- TIEMPOS DE RESPUESTA CORTOS
- CAPACIDAD PARA DISIPAR POTENCIAS ELEVADAS
Como veremos, cuanto mejor se cumplan estas condiciones de diseño mayor es la temperatura de trabajo de la resistencia y por lo tanto mayores son las pérdidas de calor a través del bastidor de dicha resistencia hacia su entorno y más difícil es asegurar que no se produzca un deterioro del colector por exceso de temperatura en un caso de funcionamiento "degradado".
Esto es así por lo siguiente. La potencia disipada en la resistencia es:
Siendo V constante e igual a la tensión de la batería, por lo que si deseamos poder suministrar potencias elevadas necesitamos una resistencia de valor óhmico bajo.
Sabemos también que la resistencia de una cinta plana de longitud L y sección S de un material de resistividad ? es:
Dado que el valor de R queda determinado por la potencia que se desea disipar en la resistencia y ? se fijará una vez seleccionado el material de dicha resistencia, los únicos parámetros que se pueden modificar para cumplir los requisitos de diseño son la longitud L de la cinta y su sección S. Por otro lado, es bien conocido que a menor superficie de intercambio mayor deberá ser la temperatura de dicha superficie para transferir la misma cantidad de calor al flujo de aire. Así:
- A) Cintas de L baja, deberán tener S baja y por lo tanto poca superficie de intercambio, lo que impondrá temperaturas de trabajo elevadas y pérdida de carga mínima, a su vez el tiempo de respuesta tON será bajo (tON = K L2 ?T BAT2) (se calienta en menos tiempo).
- B) Para el mismo valor óhmico, escogiendo una cinta de longitud L grande y sección S grande, la temperatura de trabajo podrá ser menor dado que la superficie de intercambio será mayor, y por lo tanto el valor de pérdida de carga será elevado. Además tON será elevado.
En resumen, resistencias diseñadas de acuerdo con las directrices marcadas en el apartado A) nos conducen a lo siguiente:
- 1) mínima pérdida de carga
- 2) potencia disipada elevada
- 3) tiempos de respuesta cortos
- 4) temperatura de trabajo relativamente elevada, lo que supone un inconveniente (imposibilidad) de cara al montaje del módulo calentador en el colector de plástico. Se recuerda que cuanto mayor sea la temperatura de la resistencia, mayor será la potencia de pérdidas y mayor será la temperatura del bastidor.
Y diseños que sigan las directrices del apartado B) para las mismas potencias disipadas nos conducen a:
- 1) mayores pérdidas de carga
- 2) mayores tiempos de respuesta
- 3) temperaturas de la resistencia inferiores.
Esto significa que los módulos calentadores diseñados con estas directrices, que son los precedentes de patentes citados podrían ser montados en colectores de plástico pero a costa de un detrimento de las prestaciones del motor tales como:
- 1) Pérdida de potencia (pérdidas de carga en la admisión suponen menor caudal de aire a la entrada de los cilindros y menor potencia)
- 2) Mayores tiempos de arranque (mayor tiempo de precalentamiento)
- 3) Mayores emisiones contaminantes dado los tiempos de respuesta grandes impiden estrategias de calentamiento de los gases de admisión sofisticadas que sigan las aceleraciones y deceleraciones bruscas del motor.
Todos estos precedentes de patentes citados carecen de funciones de seguridad basadas en el control y la medida de temperatura de alguna de sus partes que garantice su óptima funcionalidad en las condiciones mencionadas, y en otras que llamaremos de funcionamiento degradado como por ejemplo, en aquellas que se dan en los talleres de reparaciones, en los que ante una posible avería, para ver si el módulo calentador esta roto o no, el operario podría alimentarlo directamente desde la batería y medir la corriente. En este caso sucede que cuanto con más rigor se cumplan los requisitos de mínima pérdida de carga, potencia disipada elevada y tiempos de respuesta cortos, el bastidor llegará a la temperatura máxima de trabajo del plástico en menor tiempo y por lo tanto el colector empezará a deformarse antes de que el operario termine el ensayo. Algo parecido cabe decir del caso en el que se produzca un fallo de control, por ejemplo derivado de un accidente y el calentador quede conectado directamente a la batería, lo que podría llegar a provocar el incendio del vehículo. Interponiendo un circuito de control entre la batería y el elemento calentador, que corte automáticamente el suministro de energía en caso de que la temperatura del bastidor supere la de funcionamiento seguro, garantizamos que en caso de funcionamiento degradado el módulo calentador no produce deterioros en otras piezas del motor.
Descripción de la invención
El módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado que presenta esta invención resuelve satisfactoriamente la problemática expuesta en cada uno de los puntos anteriormente descritos, constituyéndose por dos partes fundamentales: elemento calentador (resistencia en forma de cinta continua), y circuito...
Reivindicaciones:
1. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado del tipo de los que son empleados para calentamiento de los gases que circulan por el conducto de admisión (13) por medio de un elemento calentador (1) conectado a una batería (9) de la que recibe alimentación a través de un circuito de control de potencia (4) comandado por una unidad de control electrónico del motor (ECU) (12), caracterizado porque incorpora un bastidor (2) en el que se ubica adherido el circuito de control de potencia (4) y en el que se monta el elemento calentador (1) consistente en al menos una resistencia calentadora formando ambos un mismo módulo en orden de permitir el control electrónico de la temperatura de los gases de admisión.
2. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicación 1 caracterizado porque el circuito de control de potencia (4) incorpora fundamentalmente una lógica de control (8) a la que se encuentra conectada un sensor de temperatura (3), y al menos un conmutador de potencia (6) que controla el elemento calentador (1).
3. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el circuito de control de potencia (4) se encuentra montado sobre un substrato cerámico (1) adherido con un producto termoconductor al propio bastidor (2).
4. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicación 2 caracterizado porque el circuito de control de potencia (4) dispone de un conmutador de potencia (6) para cada una de las resistencias calentadoras que configuran el elemento calentador (1).
5. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicaciones anteriores caracterizado porque del circuito de control de potencia (4) parte una conexión de alimentación (9) que se dirige al positivo de la batería, un conductor eléctrico (5) que lo conecta con el elemento calentador (1), el cual se encuentra conectado a la masa del bastidor metálico (2) por su otro extremo, y un conector de control (7) que envía las señales de temperatura captadas por el sensor de temperatura (3) hacia la unidad de control electrónico del motor que responde enviando señales al circuito de control (4) para regulación de la potencia aplicada sobre el elemento calentador (1) a través de la lógica de control (8) y de los conmutadores de potencia (6).
6. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicaciones 1, 2 y 5 caracterizado porque el sensor de temperatura (3) está térmicamente unido al bastidor (2) dado que está integrado en el propio circuito de control de potencia (4) para efectuar el control de temperatura.
7. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicaciones 1, 2 y 5 caracterizado porque el sensor de temperatura (3) está embutido en la pared del colector de admisión (14) para efectuar el control de temperatura.
8. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicaciones 1, 2 y 5 caracterizado porque el sensor de temperatura (3) está integrado en el elemento calentador (1) para efectuar el control de temperatura.
9. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicaciones 1, 2 y 5 caracterizado porque el sensor de temperatura (3) se ubica aguas abajo del elemento calentador (1).
10. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicaciones 1, 2, 4 y 5 caracterizado porque el elemento calentador (1) consiste en al menos una resistencia de tipo cinta con aislantes cerámicos (11) en los que se apoya y expande la resistencia (1) en orden de absorber dilataciones evitando deformaciones.
11. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicación 10 caracterizado porque los aislantes cerámicos (11) son independientes para cada resistencia.
12. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicación 10 caracterizado porque los aislantes cerámicos (11) conforman una única pieza monobloque que abarca todas las resistencias.
13. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicación 1 caracterizado porque está montado en colectores compuestos de materiales de baja temperatura de trabajo.
14. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicación 13 caracterizado porque está montado en un colector de admisión de plástico.
15. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicación 1 caracterizado porque el bastidor (2) es metálico, preferentemente de aluminio.
16. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicaciones 7, 8 y 9 caracterizado porque la conexión del sensor de temperatura (3) al circuito de control (4) se realiza mediante cables (15).
17. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicación 16 caracterizado porque entre el cable (15) y el sensor de temperatura se dispone un conector adicional (16).
18. Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado según reivindicación 5 caracterizado porque el conductor eléctrico (5) se encuentra integrado y hermetizado en el interior del módulo para evitar su manipulación y posible alimentación del elemento calentador (1) desde el exterior.
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