ES2234774T3 - Sistema de aranque en frio de motores diesel de inyeccion directa rapidos. - Google Patents

Abstract

Basadas en la utilización de resistencias eléctricas para llevar a cabo un calentamiento del aire necesario para el proceso de combustión del propio motor, en el arranque de éste, consisten en estructurar cada una de dichas resistencias (7) en forma de cinta continua, de reducido espesor y considerable anchura, con una trayectoria acusadamente serpenteante, de manera que la resistencia (7) se distribuye uniformemente en un orificio (3) para paso de aire establecido en el soporte (1) de la misma y presenta sus caras mayores situadas en imaginarios planos paralelos al eje de dicho orificio (3), de manera que la resistencia eléctrica ofrece al paso del aire su borde frontal (20), con una pérdida de carga mínima, prácticamente despreciable, a la vez que ofrece una amplia superficie de contacto con el aire, para una mejor transferencia de calor. La resistencia (7) se fija al soporte (1) en escotaduras arqueadas (4) definidas en zonas diametralmente opuestas de éste último, que se abren hacia elorificio (3) de paso de aire, con interposición de respectivos aislantes cerámicos (8), conexionándose a masa por uno de sus extremos (10) y por su otro extremo (17) al cable de alimentación eléctrica (18).

Description

Sistema de arranque en frío de motores diesel de inyección directa rápidos.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a una serie de mejoras introducidas en el sistema de arranque en frío de motores diesel, con las que se consigue una optimización de dicho arranque en el ámbito de las cilindradas unitarias del orden de 200 a 650 centímetros cúbicos.

Es objeto de la invención del desarrollo de un sistema para el calentamiento uniforme del flujo de aire de admisión en motores diesel de inyección directa de pequeña cilindrada unitaria a través de una resistencia eléctrica, en forma de cinta continua y óptimamente distribuida en la sección de paso de dicho fluido, para conseguir el arranque de tales motores a temperaturas inferiores a -10ºC y sin mermar las prestaciones del motor en condiciones de funcionamiento de máxima potencia como consecuencia de una elevada pérdida de carga en el elemento calentador.

Antecedentes de la invención

Los motores diesel de inyección directa rápidos empleados en automoción y con cilindradas unitarias del orden de 200 a 650 centímetros cúbicos, se están utilizando masivamente en sustitución de los motores de cámara dividida o de inyección indirecta, principalmente debido al menor consumo específico de los motores de inyección directa.

Además, con presiones de sobrealimentación relativamente altas y debido a la nueva concepción de los sistemas de inyección de combustible a presión constante, es posible obtener potencias específicas del orden de 60 kw/l, lo que convierte a ese tipo de motores diesel en muy competitivos frente a los motores de gasolina.

Sin embargo, uno de los problemas principales de los motores diesel, está asociado con el arranque en frío, sobre todo en climas severos donde las temperaturas ambientales suelen llegar a niveles muy bajos, de manera que para salvar dicho inconveniente o problema, los motores diesel de inyección directa rápidos utilizan bujías de incandescencia (resistencias eléctricas) ubicadas, a través de la culata, en el interior de la cámara de combustión del motor, para provocar el autoencendido del combustible que impacta en la superficie de dicha bujía que a su vez inicia el proceso de combustión del motor. Sin embargo, aunque tal solución está aceptada prácticamente de manera universal, plantea a su vez una serie de inconvenientes, problemas y dificultades debido a tres conceptos fundamentales, que pueden resumirse en lo siguiente:

1º.- Fiabilidad reducida, al ser un elemento sometido a cargas térmicas y mecánicas elevadas.

2º.- Dificultad de ubicación, al utilizarse de forma generalizada el concepto de cuatro válvulas por cilindro en motores diesel de nueva generación, de manera que esta solución deja un escaso margen de maniobra para la localización de las bujías de precalentamiento, teniendo en cuenta que la ubicación debe asegurar su interacción con el chorro de combustible, permitir una accesibilidad desde el exterior y garantizar un diseño termomecánico adecuado de la culata, problema que puede agravarse con la demanda de las mayores potencias específicas y la reducción simultanea de los niveles de emisión.

3º.-Influencia sobre el proceso de combustión, ya que una vez realizada su función en el arranque en frío, la bujía de precalentamiento es un obstáculo situado en el interior de la cámara de combustión que dificulta el proceso de mezcla del aire con el gasoil, perturbando el campo de velocidades del aire e inevitablemente empeorando las prestaciones del motor, como por ejemplo un mal proceso de combustión. Además, en los motores diesel del tipo descrito se reduce el tamaño de la cámara y se trabaja con altas presiones de inyección, lo que obliga al incremento del número de toberas del inyector, para asegurar una buena atomización del combustible, lo que a su vez conlleva una mejora en el proceso de mezcla y por tanto de la combustión. Sin embargo, la presencia de la bujía de precalentamiento en el interior de la cámara produce una inevitable interacción con los chorros de inyección, que finalmente impone un límite a todas las mejoras introducidas en el proceso, como consecuencia de un proceso de combustión incompleto.

Para solucionar los inconvenientes del arranque en frío de los motores diesel se puede emplear el concepto del calentamiento del aire de transmisión mediante una fuente de calor que puede ser a través de una llama o una resistencia eléctrica como se describe en la Patente americana 4,512,322. Sin embargo, estas soluciones, tal como han sido concebidas, sólo pueden ser aplicables al caso de motores con cilindradas unitarias superiores a los 800 centímetros cúbicos, por ser éstos motores más adiabáticos y por tanto tener menores pérdidas caloríficas. Los motores con cilindradas unitarias menores, requieren de sistemas más optimizados tanto desde el punto de vista de transferencia de energía calorífica como de pérdidas de carga. Por ello, en estos motores es imprescindible conseguir un calentamiento del aire de admisión uniforme en toda la sección de paso del fluido, aspecto éste impensable con la solución propuesta en la mencionada patente, ya que debido a la disposición del elemento calefactor, sólo se conseguiría el calentamiento en una porción de aire muy pequeña concentrada en la zona central, teniendo a su alrededor una cantidad importante de aire aún a temperatura muy baja, lo que significa una eficiencia térmica muy baja como para conseguir temperaturas de aire adecuadas para el arranque en frío de motores de automoción. Por otro lado, el inconveniente directo asociado a un calentador distribuido en toda la sección de paso del fluido se refiere a la pérdida de presión producida, que en los motores pequeños constituye un aspecto crítico de cara a sus prestaciones a regímenes elevados. Esto exige un diseño hidrodinámico del calentador que se aleja mucho del propuesto en la Patente americana 4,685,437, solución concebida con el fin de conseguir temperaturas de aire más uniformes que con la solución antes comentada (Patente americana 4,512,322) pero con valores de pérdida de carga inadmisibles en motores pequeños en condiciones operativas distintas al arranque en frío.

En la Patente de Invención española 9900616 se prevé un sistema de arranque en frío de motor diesel basado también en realizar un precalentamiento de toda la carga del aire de admisión, efectuándose ese precalentamiento del aire antes de alcanzar éste la cámara de combustión de los cilindros del motor. La resistencia o resistencias eléctricas se disponen antes del colector de admisión y/o con anterioridad a las válvulas de admisión del motor, de manera que cuando las pérdidas de energía calorífica a través de las paredes del colector sean bajas, bien porque el correspondiente colector de admisión es de un material con baja conductividad térmica o por otras razones, generalmente se dispone una única resistencia eléctrica (7) para el precalentamiento, que se sitúa en la entrada de dicho colector, mientras que si las pérdidas a través de las paredes son altas, por ejemplo porque el colector es de un material con alta conductividad térmica, se disponen una serie de resistencias eléctricas inmediatamente antes de la entrada de cada uno de los cilindros del motor.

El documento US 6 152 117 A describe un sistema de arranque en frío de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Descripción de la invención

La presente invención proporciona un sistema de arranque en frío de motores diésel de inyección directa rápidos de acuerdo con la reivindicación 1.

La especial disposición y configuración de la resistencia eléctrica, hace que ésta ofrezca su perfil al paso del aire, con lo que la superficie de obturación de dicha resistencia es mínima y consecuentemente mínima también la resistencia al paso del aire, lo que supone una notable disminución en la pérdida de carga. Paralelamente se consigue una mayor superficie de contacto con el aire, dado que para una misma sección en la resistencia la superficie exterior es considerablemente mayor en el caso de una lámina de reducido espesor que en el caso de las clásicas resistencias de sección circular, lo que supone una mayor transferencia de calor.

La forma de los alojamientos para la resistencia garantiza la fiabilidad del calentador, puesto que se asegura su correcta fijación y se evita que la resistencia sufra modificaciones en su geometría original producidas por las dilataciones térmicas. Estas dilataciones térmicas de la resistencia son absorbidas por los canales de alojamiento arqueados existentes en los soportes aislantes, que a su vez aíslan la resistencia eléctrica del cuerpo del calentador.

El empleo de una resistencia eléctrica en forma de cinta proporciona la ventaja de que el calentador tiene una mayor robustez de cara a las vibraciones mecánicas a las que se puede ver sometido, las cuales pueden llegar a ser muy intensas en función de las condiciones de funcionamiento de los motores, con lo cual se asegura además una completa protección de los cilindros del motor, que podrían verse dañados en caso de desprendimiento de la resistencia o parte de ella en una situación de avería.

Las resistencias eléctricas en forma de cinta tienen mejores cualidades mecánicas, lo que posibilita conseguir un sistema con relativamente baja inercia térmica debido a la geometría y la masa total de las mismas, lo cual ofrece a su vez un mejor control de su estado térmico aún en condiciones no estacionarias de flujo, como por ejemplo ocurre con el flujo de aire admitido en los motores de combustión interna alternativos.

La disposición acusadamente serpenteante de la resistencia o elemento calefactor determina un reparto uniforme del calor en la sección de entrada del aire, con lo que se consigue un calentamiento uniforme del mismo.

Por lo demás la resistencia puede alojarse en un cuerpo externo al colector de admisión, concretamente en el soporte citado, o bien puede alojarse en la propia junta de admisión, concretamente en el caso de tener que ubicar un calentador antes de cada pipa de admisión, pudiendo igualmente las resistencias estar alojadas en el propio colector de admisión, bien en la entrada, cuando exista un solo calentador, y/o en la salida cuando exista un calentador para cada cilindro.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra un despiece en perspectiva de una resistencia calefactora, con sus accesorios, en el caso de que dicha resistencia se monta sobre un soporte adecuado a la misma.

La figura 2.- Muestra una representación esquemática de una junta entre la culata y los colectores de admisión y de escape con un ejemplo de realización práctica en el que las respectivas resistencias se montan en los orificios de la junta correspondientes al colector de admisión.

La figura 3.- Muestra, finalmente, dos representaciones similares a la de la figura anterior, pero de acuerdo con una realización práctica en la que las resistencias calefactoras se montan en el propio colector de admisión, según dos tipos distintos de colectores.

Realización preferente de la invención

En el ejemplo de realización práctica de la figura 1, en el que el sistema se monta como cuerpo externo al colector de admisión, en el mismo participa un soporte (1) dotado de orificios (2) para su montaje sobre el motor y provisto de un amplio orificio (3) para paso del aire, estableciéndose en zonas diametralmente opuestas de dicho orificio (3) y sobre el propio soporte (1), sendos grupos de escotaduras (4), de configuración aproximadamente semicircular, sensiblemente peraltada, en cuyo seno se establece un tetón (5) determinante con la propia embocadura (4) de un canal de trayectoria arqueada para acoplamiento de la inflexión correspondiente (6) de una resistencia eléctrica (7) de configuración laminar, en forma de cinta continua de trayectoria acusadamente serpenteante, resistencia laminar que queda encajada en los citados canales definidos por las escotaduras (4) y los tetones (5), con interposición de aislantes cerámicos (8) que impiden el contacto entre la resistencia (7) y el material metálico constitutivo del soporte (1).

Con las ranuras (4) anteriormente citadas colaboran dos ranuras especiales, una ranura extrema y ciega (9) para uno de los extremos (10) de la resistencia (7), a través del que se efectúa el contacto a masa, de manera que esta ranura (9) carece de aislante cerámico y hacia la misma se abre un orificio roscado (11) para implantación de un prisionero (12) que asegura un buen contacto a masa, pudiendo no obstante dicho prisionero (12) ser sustituido por un remache o por cualquier otro medio de fijación adecuado. Una segunda ranura especial (13) se abre al exterior (14) del soporte (1) y cuenta con una expansión intermedia (15) para ubicación de un aislante cerámico específico (16), de manera que en el seno de dicho aislante cerámico o en su proximidad se establece la conexión entre la otra extremidad (17) de la resistencia (7) y el cable de alimentación eléctrica (18), debidamente enfundado, rematado en una patilla plana (19) que se fija por soldadura al citado extremo (17) de la resistencia.

De acuerdo con esta estructuración el montaje de la resistencia (7), tras su conexionado al cable de alimentación (18), se lleva a cabo por simple enchufamiento lateral sobre el soporte (1), previo acoplamiento, bien a las acanaladuras (4) del soporte (1) o a las inflexiones (6) de la resistencia (7), de los aislantes cerámicos (8), quedando el conjunto definitivamente fijado y conexionado a masa al apretar el prisionero (12), de manera que los diversos planos definidos en los correspondientes tramos de la resistencia (13) adoptan una disposición perfectamente paralela a la dirección del aire a través del orificio (3) y, en consecuencia, no ofrecen más resistencia a dicha corriente de aire que la definida por sus bordes frontales (20), de muy reducido espesor, con lo que la pérdida de carga es mínima, prácticamente despreciable, a la vez que la trayectoria de dicha resistencia (7) se reparte de forma considerablemente uniforme en el seno del orificio (3), lo que determina a su vez que el calentamiento del aire sea también uniforme.

Como alternativa al establecimiento de la resistencia calefactora (7) o de cada resistencia calefactora, sobre un cuerpo externo al colector de admisión, se ha previsto la realización práctica mostrada en la figura 2 en la que las resistencias (7) quedan alojadas en la propia junta de admisión (21), de especial interés en el caso de tener que ubicar un calentador antes de cada pipa de admisión, figura en la que los orificios de admisión (3') aparecen alternados con los orificios de escape (22).

Las resistencias o elementos calentadores (7) pueden estar también ubicados en el propio colector de admisión (23), tal como muestra la figura 3, bien existiendo un único calentador, situado en la entrada (24) y/o existiendo un dispositivo calentador por cada cilindro, tal como se ha representado en dicha figura, en la que las realizaciones A y B corresponden a dos tipos distintos de colectores.

Claims (2)

1. Sistema de arranque en frío de motores diesel de inyección directa rápidos especialmente concebido para motores de automoción, que comprende resistencias eléctricas, y más específicamente elementos calentadores en forma de una cinta de forma serpenteante con espacios uniformes entre las curvas serpenteantes, en el que durante su uso las caras de la cinta están paralelas al eje del conducto de admisión para entrada de aire al motor de forma que los bordes de dicha cinta están perpendiculares a la dirección del flujo de aire, caracterizado porque la resistencia (7) se monta sobre un soporte (1) dotado de medios de fijación al conducto de admisión del motor, grupos de escotaduras (4) de configuración semicircular peraltada provistas en zonas diametralmente opuestas de su orificio (3) para paso del aire de dicho soporte (1), con un tetón interior (5) determinante de una acanaladura arqueada en la que se acopla la inflexión (6) correspondiente de la resistencia (7) con interposición de un aislante cerámico (8).

2. Sistema de arranque en frío de motores diesel de inyección directa rápidos según reivindicación 1ª, caracterizado porque en uno de los grupos de escotaduras (4) del soporte (1) se establecen dos escotaduras especiales y extremas, una escotadura (9), ciega, que aloja en su interior a la extremidad correspondiente (10) de la resistencia (7) y que, en ausencia de aislante cerámico, establece la conexión a masa de dicha resistencia con la colaboración de un tornillo prisionero (12), un remache o similar, y otra (13), abierta al exterior (14), con una expansión intermedia (15) en la que se establece un aislante cerámico (16) que protege la conexión, mediante soldadura, del otro extremo (17) de la resistencia al extremo (19) del cable (18) de alimentación eléctrica de la misma.