ES2331836T5

ES2331836T5 - Módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción con control electrónico de la temperatura incorporado

Info

Publication number: ES2331836T5
Application number: ES03758110.5T
Authority: ES
Inventors: Herminio Navalon Carretero
Original assignee: Nagares SA
Current assignee: Nagares SA
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: AU2003274128A1; EP1681457B1; ES2331836T3; ATE439514T1; US20070039596A1; EP1681457A1; WO2005033499A1; EP1681457B2; DE60328833D1

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

DESCRIPCION

Modulo calentador de los gases de admision de un motor de automocion con control electronico de la temperature incorporado

Objeto de la invencion

La presente invencion se refiere a un modulo calentador de aplicacion para calentamiento de los gases que se introducen por el conducto de admision de un motor de combustion interna con control electronico de la temperature 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 modulo calentador y gestiona la distribucion de energfa electrica en el elemento calentador.

Es objeto de la invencion que el modulo calentador pueda ser montado en un colector de admision preferentemente de plastico sin deterioro del mismo por exceso de temperatura, y optimizando las prestaciones del motor, lo que se consigue a traves de la medida de alguna de las temperaturas representativas del modulo calentador y de la insercion de la electronica de control entre la fuente de alimentacion y el elemento calentador, de tal modo que se impida la conexion fortuita o intencionada de dicho elemento calentador a la batena.

Antecedentes de la invencion

Actualmente para calentar el aire de admision de motores Diesel de grandes cilindradas, como los empleados en vetnculos industriales y comerciales, se utilizan calentadores como los descritos en las patentes de invencion US 4 512 322, US 4 685 437, US 5 988 146, WO 00/34643. Estos calentadores constan de un bastidor metalico tal como aluminio, sobre el que se monta una resistencia en forma de cinta aislada de el a traves de unos aislantes ceramicos, no disponiendo de ningun elemento que permita determinar su temperatura e implementar ninguna funcion de seguridad que permita montar dicho modulo calentador sobre un colector de plastico sin riesgo de deterioro del mismo por exceso de temperatura. El documento US-A-2002/0000221 desvela un modulo para calentar gases de admision de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.

Todos los precedentes citados antes podnan utilizarse directamente para realizar las siguientes funciones sin que esten optimizados para ninguna de ellas:

• Ayuda al arranque en fno

• Ayuda a la regeneracion del filtro de partfculas

• Ayuda para la reduccion de emisiones contaminantes

Sin embargo ninguno de ellos permite efectuar el montaje del modulo calentador en el colector de admision de plastico, optimizando las prestaciones del motor y asegurando que en ninguna circunstancia se produzca un deterioro de dicho colector por exceso de temperatura.

Para la optimizacion de las prestaciones del motor es necesario que el modulo calentador cumpla los siguientes requisitos:

• MfNIMA PERDIDA DE CARGA

• TIEMPOS DE RESPUESTA CORTOS

• CAPACIDAD PARA DISIPAR POTENCIAS ELEVADAS

Como veremos, cuanto mejor se cumplan estas condiciones de diseno, mejor es la temperatura de trabajo de la resistencia, y por lo tanto mayores son las perdidas de calor a traves del bastidor de dicha resistencia hacia su entorno y mas diffcil es asegurar que no se produzca un deterioro del colector por exceso de temperatura en un caso de funcionamiento “degradado”.

Esto es asf por lo siguiente. La potencia disipada en la resistencia es:

P=V2/R

siendo V constante e igual a la tension de la batena, por lo que si deseamos poder suministrar potencias elevadas necesitamos una resistencia de valor ohmico bajo.

Sabemos tambien que la resistencia de una cinta plana de longitud L y seccion transversal S de un material de resistividad p es:

R = p . L / S.

Dado que el valor de R queda determinado por la potencia que se desea disipar en la resistencia y p se fijara una vez seleccionado el material de dicha resistencia, los unicos parametros que se pueden modificar para cumplir los requisitos de diseno son la longitud L de la cinta y su seccion transversal S. Por otro lado, es bien conocido que a menor superficie de intercambio mayor debera ser la temperatura de dicha superficie para transferir la misma cantidad de calor al flujo de aire. Ask

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

A) Cintas de corta longitud L, deberan tener S baja y por lo tanto poca superficie de intercambio, lo que impondra temperaturas de trabajo elevadas y perdida de carga mmima. A su vez, el tiempo de respuesta toN sera bajo (toN = K . L2. AT . BAT2) (se calienta en menos tiempo).

B) Para el mismo valor ohmico, escogiendo una cinta de longitud L grande y seccion transversal S grande, la temperatura de trabajo podra ser menor dado que la superficie de intercambio sera mayor, y por lo tanto el valor de perdida de carga sera elevado. Ademas, toN sera elevado.

En resumen, las resistencias disenadas de acuerdo con las directrices marcadas en el apartado A) nos conducen a lo siguiente:

1) minima perdida 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 modulo calentador en el colector de plastico. Se recuerda que cuanto mayor sea la temperatura de la resistencia, mayor sera la potencia de perdidas y mayor sera la temperatura del bastidor. Ademas, los disenos que siguen las directrices del apartado B) para las mismas potencias disipadas nos conducen a:

1) mayores perdidas de carga

2) mayores tiempos de respuesta

3) temperaturas de la resistencia inferiores.

Esto significa que los modulos calentadores disenados con estas directrices, que son los precedentes de patentes antes citadas, podnan ser montados en colectores de plastico pero a costa de un detrimento de las prestaciones del motor tales como:

1) Perdida de potencia (las perdidas de carga en la admision suponen menor caudal de aire a la entrada de los cilindros y perdida de potencia)

2) Mayores tiempos de arranque (mayor tiempo de precalentamiento)

3) Mayores emisiones contaminantes debido a que los tiempos de respuesta grandes impiden estrategias de calentamiento de los gases de admision 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 para garantizar su optima 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 avena, para ver si el modulo calentador esta roto o no, el operario podna alimentarlo directamente desde la batena y medir la corriente. En este caso sucede que con cuanto mas rigor se cumplan los requisitos de minima perdida de carga, potencia disipada elevada y tiempos de respuesta cortos, el bastidor llegara a la temperatura maxima de trabajo del plastico en menor tiempo y por lo tanto el colector empezara 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 batena, lo que podna llegar a provocar el incendio del vefnculo. Insertando un circuito de control entre la batena y el elemento calentador, que corte automaticamente el suministro de energfa en caso de que la temperatura del bastidor supere la de funcionamiento seguro, se garantiza que en caso de funcionamiento degradado el modulo calentador no produce deterioros en otras piezas del motor.

Descripcion de la invencion

El modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, que incorpora temperatura electronica, de acuerdo con la presente invencion, resuelve satisfactoriamente la problematica expuesta en cada uno de los puntos anteriormente descritos, constituyendose por dos partes fundamentales: un elemento calentador (resistencia en forma de cinta continua), y un circuito de control de potencia que mide una temperatura representativa del modulo calentador y gestiona la distribucion de electricidad en el elemento calentador, partes que estan ubicadas o integradas en un mismo bastidor metalico, preferentemente de aluminio.

Dentro del modulo calentador, el elemento calentador se monta aislado del bastidor mediante el uso de aislantes ceramicos sobre los que se apoya y expande libremente para absorber sus dilataciones evitando que se deforme. Este elemento calentador se conecta electricamente por uno de sus extremos al bastidor, mediante lo que se conecta a tierra, y por el otro se conecta a traves de un conductor al circuito de control de potencia, por donde toma la alimentacion de la batena. Cabe decir que cuando se habla de elemento calentador se hace referencia a un elemento calentador modular en el cual la resistencia electrica, en forma de cinta continua, puede ser una sola o varias resistencias. Que el elemento calentador se construya con una sola o con varias resistencias determinara la potencia maxima que se desee disipar en cada aplicacion determinada (cilindrada unitaria del motor, numero de cilindros, etc.), y la potencia que es capaz de gestionar cada uno de los conmutadores de potencia de tal manera que cada conmutador controle una sola resistencia.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

El circuito de control de potencia adherido (ubicado) sobre el propio bastidor consta de los siguientes componentes mmimos: conmutadores de potencia (tantos como resistencias tenga el elemento calentador, y cada uno controla una resistencia), logica de control, sensor / sensores de temperatura y conector de control a traves del que se establece comunicacion con la Unidad de Control Electronico (ECU) del motor. Por razones de transmision termica, todos estos componentes se montan sobre un substrato, preferentemente ceramico, adherido con material adhesivo o pegamento termoconductor sobre el bastidor. Este circuito permite hacer un control preferentemente modulado de la potencia disipada en el elemento calentador. La cantidad de potencia disipada y suministrada al flujo de aire de admision la determina en cada instante la ECU, y si en algun momento la temperatura del bastidor supera la temperatura maxima del plastico del colector de admision, con el que esta en contacto, entonces automaticamente se deja de suministrar potencia al elemento calentador.

Si bien, como se ha citado anteriormente, el presente modulo calentador, con circuito de potencia incorporado, esta disenado para ser montado en un colector de plastico, no se descarta su incorporacion en colectores de otros materiales convencionales, y principalmente aquellos compuestos o conformados a partir de materiales de temperatura de trabajo baja.

El conocimiento de la temperatura del bastidor del modulo calentador es requisito imprescindible para implementar una funcion de proteccion que impida que la temperatura de los puntos del modulo que estan en contacto con el colector de admision de plastico sea mayor a la cual el plastico empieza a deformarse. Para conocer dicha temperatura hay dos caminos posibles, uno por procedimientos indirectos y otro, el mejor, midiendola directamente, disponiendo un sensor de temperatura en contacto directo, o a traves de impedancias termicas bajas y conocidas, con el soporte del modulo calentador.

Los procedimientos indirectos dependeran principalmente de la ubicacion exacta del sensor o sensores de temperatura, siendo estos los siguientes:

1) Medida de la temperatura del colector de admision en puntos proximos a los de contacto con el modulo calentador. Este procedimiento es susceptible de optimizarse debido a que la conductividad termica del plastico es muy baja, y una minima tolerancia en el posicionamiento del sensor se traducira en diferencias de temperatura muy grandes. Asimismo, el montaje debe hacerse conectando el sensor al circuito de control con cables que pueden incorporarse en su respectivo conector, lo que aumentara su coste.

2) Medida de la temperatura del elemento calentador (de la resistencia). Debido a las altas temperaturas a las que puede llegar el elemento calentador (1000 °C), solo hay dos maneras de hacer la medida: una disenando el elemento calentador de modo que pueda utilizarse como termopar (tal y como propone la solicitud de patente PCT/ES02/00369 del mismo solicitante), en la que se muestra una resistencia con termopar integrado o un termopar soldado sobre el elemento calentador. Sin embargo, esta es una solucion cara.

3) Medida del incremento de la temperatura del caudal de aire aguas abajo del modulo calentador. La medida de la temperatura del caudal dependera de la posicion del sensor, y mas si este esta muy proximo al modulo calentador. Por ser esto un obstaculo en el paso del aire, esto produce turbulencias locales que hacen que la medida no sea del todo exacta. Si la medida se hace mas lejos del modulo calentador, entonces el montaje se puede encarecer porque puede incorporar un conector, disponer de un alojamiento espedfico en el colector, etc.

El montaje preferente es el que permite incluir el sensor de temperatura en el circuito de control, y este en el bastidor, con lo que se consigue hacer una medida directa de la temperatura de dicho bastidor. De este montaje, ademas de la ubicacion del sensor, hay que resaltar que impide la conexion directa del elemento calentador a la batena, lo que permitira montarlo con seguridad en el colector de plastico, dado que solo se podra alimentar el elemento calentador a traves del circuito de control y esto impondra que el sensor de temperatura este ubicado en el punto de medida y de operacion.

Mediante esta solucion de montaje se obtienen una serie de propiedades claramente ventajosas del modulo calentador que se describen a continuacion:

- Facilita la funcion de medida de la temperatura del bastidor del modulo calentador y su proteccion frente a sobrecalentamientos, a un coste mmimo, debido a que se trata de un unico modulo que integra todos los elementos de medida y accionamiento.

- El modulo proporciona una medida de la temperatura robusta debido a que no hay cables, ni conexiones.

- En la fabricacion, la posicion del sensor de temperatura sobre el propio bastidor determina que la temperatura de proteccion tenga una baja dispersion.

- Debido a su caracter compacto, la robustez mecanica es muy alta y el modulo soporta bien las vibraciones tfpicas de un motor de combustion interna.

Descripcion de los dibujos

Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caractensticas de la invencion, de acuerdo con una realizacion preferente de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripcion un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista frontal del modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, en la que se muestran sus elementos constitutivos.

Figura 2.- Muestra una representacion del elemento calentador consistente en una o mas resistencias de tipo cinta.

Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva del circuito de control en el que se observan los conmutadores de potencia, la logica de control y el sensor de temperature integrado.

Figura 4.- Muestra un diagrama esquematico en el que se aprecian las conexiones del modulo calentador con la unidad electronica de control y con la batena.

Figura 5.- Muestra el modulo calentador incorporado en un colector, en el que se ha representado el sensor de temperatura embutido en la pared del colector de plastico.

Figura 6.- Muestra el modulo calentador incorporado en el colector, en el que se ha representado el sensor de temperatura de tipo termopar formando parte del elemento calentador.

Figura 7.- Muestra el modulo calentador incorporado en un colector, en el que se ha representado el sensor de temperatura aguas abajo del modulo calentador.

Figura 8.- Muestra el modulo calentador incorporado en un colector, en el que se ha representado el sensor de temperatura integrado en el circuito de control.

Realizacion preferente de la invencion

El modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, que constituye el objeto de la presente invencion, es del tipo de los empleados para el calentamiento de los gases que circulan por el conducto (13) de admision por medio de un elemento (1) calentador alimentado por una batena y que recibe su alimentacion de un circuito (4) de control de potencia comandado por una unidad (12) de control electronico del motor (ECU).

A partir de esta configuracion basica, el modulo calentador destaca fundamentalmente porque incorpora un bastidor (2) metalico, preferiblemente de aluminio, en el que se ubica adherido el circuito (4) de control de potencia y en el que se monta el elemento (1) calentador, formando ambos un mismo modulo en orden a permitir el control electronico de la temperatura de los gases de admision.

El circuito (4) de control de potencia se encuentra montado preferentemente sobre un substrato (10) ceramico adherido con un producto termoconductor al bastidor (2) e incorpora fundamentalmente una logica (8) de control a la que se encuentra conectado un sensor (3) de temperatura, y al menos un conmutador (6) de potencia, que controla el elemento (1) calentador consistente en una o mas resistencias, preferiblemente un conmutador (6) de potencia por cada resistencia.

Del circuito (4) de control de potencia parte una conexion (9) de alimentacion que se dirige al terminal positivo de la batena, una union electrica, cable o terminal (5) soldado integrado en el modulo, imposible de manipular o alimentar desde el exterior, que conecta el circuito con el elemento (11) calentador, el cual se encuentra a la vez conectado a la toma de tierra del bastidor (2) por su otro extremo, y un conector (7) de control que envfa las senales de temperatura captadas por el sensor (3) de temperatura hacia la unidad de control electronico del motor, que responde enviando senales al circuito (4) de control para regulacion de la potencia aplicada sobre el elemento (1) calentador.

Los elementos (1) calentadores consisten en resistencias tipo cinta que se encuentran montadas sobre aislantes (1) ceramicos, en los que se apoyan y expanden las resistencias en orden a absorber dilataciones evitando sus deformaciones, consistiendo el aislante (11) ceramico en un elemento independiente para cada resistencia, o conformando una unica pieza monobloque que abarca todas las resistencias.

El modulo calentador de gases de admision es aplicable fundamentalmente para colectores (14) de admision compuestos de materiales de baja temperatura de trabajo, especialmente colectores de plastico.

Se contempla una realizacion preferente en la que el sensor (3) de temperatura se encuentre integrado en el circuito (4) de control para efectuar un control preciso de la temperatura, tal y como se representa en la figura 8.

En otras realizaciones alternativas, se contemplan otras soluciones de montaje del sensor (3) de temperatura. El sensor (3) de temperatura puede incorporarse embutido en la pared del colector (14) de plastico, tal y como se observa en la figura 5, puede estar integrado en el propio elemento (1) calentador, como se representa en la figura 6, o puede disponerse aguas abajo del elemento (1) calentador, tal y como se aprecia en la figura 7.

Para la conexion del sensor (3) de temperatura al circuito (4) de control, representado en las figuras 5, 6 y 7, se empleara un cable (15), con la insercion opcional de un conector (16) adicional.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

REIVINDICACIONES

1. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado del tipo de los que son empleados para calentamiento de los gases que circulan por el conducto (13) de admision por medio de un elemento (1) calentador conectado a una batena (9) de la que recibe alimentacion a traves de un circuito (4) de control de potencia comandado por una unidad (12) de control electronico (ECU) del motor, en el que el modulo incorpora un bastidor (2) en el que:

- se adhiere el circuito (4) de control de potencia, y

- se instala el elemento (1) calentador, consistente en al menos una resistencia calentadora,

formando ambos un mismo modulo en orden de permitir el control electronico de la temperatura de los gases de admision; y

en el que el circuito (4) de control se inserta entre la batena (9) y el elemento (1) calentador, y caracterizado porque el circuito (4) de control esta dispuesto para cortar automaticamente el suministro de potencia desde la batena (9) al elemento (1) calentador si la temperatura del bastidor (2) supera una temperatura de operacion segura.
2. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el circuito (4) de control de potencia incorpora fundamentalmente una logica (8) de control a la que se encuentra conectado un sensor (3) de temperatura, y al menos un conmutador (6) de potencia que controla el elemento (1) calentador.
3. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el circuito (4) de control de potencia se encuentra montado sobre un substrato (1) ceramico adherido con un producto termoconductor al propio bastidor (2).
4. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun la reivindicacion 2, caracterizado porque el circuito (4) de control de potencia dispone de un conmutador (6) de potencia para cada una de las resistencias calentadoras que configuran el elemento (1) calentador.
5. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque del circuito (4) de control de potencia parte una conexion (9) de alimentacion que se dirige al terminal positivo de la batena, un conductor (5) electrico que lo conecta con el elemento (1) calentador, el cual se encuentra conectado a su vez a la toma de tierra del bastidor (2) metalico por su otro extremo, y un conector (7) de control que envfa las senales de temperatura captadas por el sensor (3) de temperatura hacia la unidad de control electronico del motor, que responde enviando senales al circuito (4) de control para regulacion de la potencia aplicada sobre el elemento (1) calentador a traves de la logica (8) de control y de los conmutadores (6) de potencia.
6. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun las reivindicaciones 1, 2 y 5, caracterizado porque el sensor (3) de temperatura esta termicamente unido al bastidor (2), dado que esta integrado en el propio circuito (4) de control de potencia para efectuar el control de temperatura.
7. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun las reivindicaciones 1, 2 y 5, caracterizado porque el sensor (3) de temperatura esta embutido en la pared del colector (14) de admision para efectuar el control de temperatura.
8. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun las reivindicaciones 1, 2 y 5, caracterizado porque el sensor (3) de temperatura esta integrado en el elemento (1) calentador para efectuar el control de temperatura.
9. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun las reivindicaciones 1, 2 y 5, caracterizado porque el sensor (3) de temperatura se ubica aguas abajo del elemento (1) calentador.
10. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun las reivindicaciones 1, 2, 4 y 5, caracterizado porque el elemento (1) calentador consiste en al menos una resistencia de tipo cinta, con aislantes (11) ceramicos en los que se apoya y expande la resistencia (1) en orden a absorber dilataciones y evitar deformaciones.
11. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun la reivindicacion 10, caracterizado porque hay aislantes (11) ceramicos independientes para cada resistencia.
12. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperature incorporado, segun la reivindicacion 10, caracterizado porque los aislantes (11) ceramicos conforman una unica pieza monobloque que abarca todas las resistencias.
13. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la 5 temperatura incorporado, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque esta montado en colectores compuestos

de materiales de baja temperatura de trabajo.
14. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun la reivindicacion 13, caracterizado porque esta montado en un colector de admision de plastico.

10 15. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la

temperatura incorporado, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el bastidor (2) es metalico, preferentemente de aluminio.
16. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun las reivindicaciones 7, 8 y 9, caracterizado porque la conexion del sensor (3) de

15 temperatura al circuito (4) de control se realiza mediante cables (15).
17. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la temperatura incorporado, segun la reivindicacion 16, caracterizado porque entre el cable (15) y el sensor de temperatura se dispone un conector (16) adicional.
18. Modulo calentador de los gases de admision de un motor de combustion interna, con control electronico de la 20 temperatura incorporado, segun la reivindicacion 5, caracterizado porque el conductor (5) electrico se encuentra

integrado y hermeticamente sellado en el interior del modulo para evitar su manipulacion y posible alimentacion del elemento (1) calentador desde el exterior.