ES2311964T3 - Modulo calentador de los gases de admision de un motor de automocion con porteccion de sobrecalentamiento y/o regulacion en bucle cerrado. - Google Patents
Modulo calentador de los gases de admision de un motor de automocion con porteccion de sobrecalentamiento y/o regulacion en bucle cerrado. Download PDFInfo
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Abstract
Incorpora al menos un interruptor térmico (5) en serie con la reistencia calentadora (4) del módulo situado en el bastidor (1) d dichas resistencias (4) que corta la corriente a la resistencia(4) cuando se produce un fallo del circuito de control de potenca del calentador. El interruptor térmico (5) se puede encontrar ntre la resistencia calentadora (4) y la masa del soporte (6), oentre la resistencia calentadora (4) y la alimentación (3) del mdulo. El módulo permite hacer un control en bucle cerrado tomand como variable de control la temperatura de alguna de las resistncias (4) cuya resistividad puede variar con la temperatura. Asímismo, el circuito de control electrónico también puede estar inegrado en el bastidor del calentador (1), lo que permitiría hace un control en bucle cerrado de la potencia disipada teniendo coo variable de control la temperatura del bastidor (1)
Description
Módulo calentador de los gases de admisión de un
motor de automoción con protección de sobrecalentamiento y/o
regulación en bucle cerrado.
La presente invención se refiere a un módulo
calentador de los gases de admisión de un motor térmico de
automoción.
Es objeto de la invención que el módulo
calentador disponga de medios de protección que eviten su
sobrecalentamiento, así como que los medios de calentamiento
incorporen un control y permitan la regulación en bucle cerrado de
la temperatura del calentador.
En la patente PCT/ES03/00511 se expone la
problemática asociada al diseño de un calentador de los gases de
admisión para motores térmicos de automoción, en la que un
calentador de este tipo puede ser utilizado para las siguientes
funciones de:
- \sqbullet
- Ayuda al arranque en frío
- \sqbullet
- Ayuda a la regeneración del filtro de partículas
- \sqbullet
- Ayuda para la reducción de emisiones contaminantes
\vskip1.000000\baselineskip
Cumpliendo con los siguientes requisitos:
- \sqbullet
- Mínima pérdida de carga
- \sqbullet
- Tiempos de respuesta cortos
- \sqbullet
- Capacidad para disipar potencias elevadas
\vskip1.000000\baselineskip
En ese documento se explica como estos
requisitos de diseño obligan a diseñar calentadores cuyas
resistencias de disipación trabajen necesariamente a temperaturas
muy elevadas y para que tal calentador pueda ser utilizado sin
riesgos de sobrecalentamiento es necesario incorporar sensores para
la medida de la temperatura de su soporte, el cual puede estar en
contacto con materiales plásticos cuya temperatura máxima de trabajo
no deberá superar, y que para los plásticos comúnmente hoy más
utilizados en la industria es del orden de 150ºC. Con este módulo
calentador con control electrónico de la temperatura incorporado, se
puede gestionar eficazmente la potencia disipada en función de dicha
medida y se elimina el riesgo de deformación o incendio de las
piezas plásticas en contacto con el calentador.
Sin embargo un análisis de modos de fallos de
este módulo calentador revela los siguientes riesgos:
- 1.
- En caso de cortocircuito del conmutador de potencia situado en el circuito de control, la resistencia queda permanentemente conectada a la batería y si el módulo calentador está montado sobre un colector de plástico, nada impedirá que la temperatura siga subiendo y que dicho colector se deforme por sobrecalentamiento o se incendie provocando a su vez un incendio del motor.
- 2.
- El control realizado tal y como se describe en la patente mencionada PCT/ES03/00511, es efectivo debido a que se basa en la medida de temperatura del soporte y limita la potencia disipada en las resistencias de calentamiento con el fin de que dicha temperatura permanezca por debajo de un valor de seguridad dado, sin embargo dicho control tiene el riesgo asociado, de que el soporte se caliente, por efecto de la disipación de potencia en los conmutadores de potencia y que por lo tanto la gestión de la potencia suministrada al flujo de aire sea errónea.
Respecto a la medida de temperatura de la
resistencia, en la patente de invención PCT/ES02/00369 se describe
un "sistema de control de la temperatura del aire de admisión en
motores Diesel de combustión interna" que reivindica un
calentador cuyas resistencias se fabrican soldando dos cintas de
aleaciones metálicas diferentes, de tal modo que permiten la
disipación de potencia y a la vez, por ser la unión de dos metales
distintos, que su función de termopar nos permita conocer la
temperatura de la resistencia. Sin embargo, un calentador fabricado
con este tipo de resistencias no reduce el riesgo ya mencionado de
mal funcionamiento del circuito de control y sobrecalentamiento, con
el consiguiente riesgo de incendio.
El módulo calentador objeto de esta invención
propone eliminar los riesgos anteriormente descritos aumentando la
seguridad y la fiabilidad de este tipo de módulos en su
implementación en motores incorporando en las resistencias de
calentamiento del módulo un interruptor térmico en serie y montando
resistencias de coeficiente térmico positivo.
Para eliminar el riesgo de sobrecalentamiento
por cortocircuito de los conmutadores de potencia del módulo
calentador o avería de la electrónica de control, bien relacionada
con la medida de temperatura, con la señal de control, etc., se ha
previsto que el módulo incorpore un interruptor térmico en serie con
la resistencia de calentamiento, bien sea en la unión de ésta a masa
o en la unión de la resistencia a la alimentación, que corta la
corriente a la resistencia cuando se produce esta situación de mal
funcionamiento del circuito de control o lo que es lo mismo, cuando
la temperatura del interruptor térmico, que es la del soporte del
módulo calentador en el que está integrado y al que está
térmicamente unido, es superior a la de actuación del fusible.
Por otro lado para eliminar el riesgo de que el
soporte se sobrecaliente, ya no porque la disipación de potencia en
las resistencias sea excesiva, sino porque se disipe un exceso de
potencia en el conmutador de potencia mismo (funcionamiento
degradado del conmutador de potencia), y que la gestión de la
potencia suministrada al flujo de aire sea errónea dado que el
control cree que el sobrecalentamiento se debe a que hay un exceso
de potencia disipada en las resistencias que no puede ser evacuada
por el flujo de aire, se implementa un sistema de medida de
temperatura de dichas resistencias.
Para medir esta temperatura, concretamente lo
que se propone es fabricar las resistencias de un material cuyo
coeficiente térmico no sea constante o construirlas uniendo dos
segmentos, uno cuya resistencia no varíe con la temperatura y otro
que si, de tal modo que midiendo el valor óhmico de cada resistencia
se puede conocer su temperatura.
Utilizar resistencias de coeficiente térmico
positivo PTC nos permite, por un lado conocer la temperatura de las
resistencias (midiendo su valor óhmico), y por otro una limitación
automática de la potencia disipada, (al subir la temperatura de la
resistencia, su valor óhmico sube y la disipación de potencia
disminuye).
El ajuste en serie de unos interruptores
térmicos con la resistencias, asegura que si se produce algún fallo
del circuito de control (por ejemplo cortocircuito de los
conmutadores de potencia) y las resistencias quedan permanentemente
conectadas a la batería y sin flujo de aire (motor parado), el
soporte no alcance en sus puntos más calientes temperaturas
superiores a las de trabajo de un plástico que pueda estar en
contacto con él (caso de montar el calentador en un colector de
plástico).
El interruptor térmico se encuentra en el
soporte de las resistencias y está térmicamente unido a él de modo
que su temperatura sea la del soporte. El interruptor actúa cortando
el paso de corriente a las resistencias cuando su temperatura supera
un valor preestablecido.
Hay disponibles en el mercado diferentes tipos
de interruptores térmicos que se pueden clasificar en dos grupos,
los reversibles, entre ellos los PTCs y los interruptores
bimetálicos; y los no reversibles, por ejemplo los fusibles
térmicos. Los interruptores de ambos tipo son dispositivos que no
disipan potencia y por lo tanto un aumento de su temperatura se debe
exclusivamente a un aumento de la temperatura ambiente, en
contraposición a los fusibles estándar, que son elementos que
disipan potencia.
Desde el estricto punto de vista de la
seguridad, un calentador que incluya estas dos innovaciones,
interruptores térmicos en serie con las resistencias y resistencias
tipo PTC, no requiere que el circuito de control esté montado sobre
el mismo soporte que las resistencias, aunque a falta de una medida
directa de la temperatura de dicho soporte, el control de la misma
recaerá sobre el interruptor térmico.
En este caso el sistema podría consistir en un
calentador con una o más resistencias, en función de los
requerimientos del motor y un módulo de control electrónico unido
eléctricamente al calentador con un cableado a través del que se
alimentan las resistencias desde la caja de control. Este montaje
sería el apropiado para aquellos casos en que por falta de espacio o
alguna otra restricción física de implantación en el motor no se
pudiese optar por un calentador con la electrónica incorporada.
Cabe mencionar y subrayar que aún añadiendo las
dos mejoras que estamos describiendo, las ventajas de un módulo con
control incorporado son múltiples, entre ellas:
- \sqbullet
- Al disponer de la medida de la temperatura del soporte se puede controlar la potencia disipada antes de que el interruptor térmico actúe, a diferencia de la solución de incorporar únicamente un fusible térmico que consiste en un dispositivo de funcionamiento irreversible que deja la pieza inutilizable y obliga a que el vehículo pase por el taller.
- \sqbullet
- El coste de un módulo que incluye las resistencias calefactoras y el módulo de control es inferior al de un sistema que incorpora los componentes separados: calentador, circuito de control y cableado. Más aún si recordamos que en el cableado habrán de utilizarse conectores de potencia estancos.
- \sqbullet
- El coste de montaje en motor es superior para un sistema de tres componentes (calentador, cableado, módulo de control).
En resumen, lo que se propone es construir
calentadores, bien con la electrónica de control integrada en el
mismo soporte o no, pero incorporando un interruptor térmico en
serie con cada una de las resistencias de calentamiento, pudiendo
éste estar interpuesto entre la resistencia y su unión a masa o
entre la resistencia y su unión al cable de alimentación. Además, si
las resistencias de calentamiento tienen un comportamiento tipo PTC,
podremos hacer un control en bucle cerrado teniendo como variable de
control la temperatura de las resistencias mismas.
Para que las resistencias tengan este
comportamiento tipo PTC, o bien están construidas con un único
segmento de hilo o cinta cuyo material sea tipo PTC, o bien se
construyen uniendo dos o más segmentos de hilo o cinta, tal que
alguno de ellos sea un material tipo PTC.
Se contemplan varias posibles realizaciones del
calentador, en cada una de las cuales el interruptor térmico está
soldado en serie en uno de los extremos de la resistencia y embutido
en el soporte metálico de dichas resistencias, las cuales están
eléctricamente aisladas de dicho soporte a través de aislantes
cerámicos, los que a su vez sirven de unión térmica entre la
resistencia y el soporte, contemplándose que las resistencias puedan
consistir en:
- a)
- un único segmento resistivo en forma de hilo o cinta, de una aleación metálica cuya resistividad no varía con la temperatura,
- b)
- un único segmento resistivo en forma de hilo o cinta, de una aleación metálica cuya resistividad varía con la temperatura,
- c)
- dos segmentos resistivos en forma de hilo o cinta soldados, uno de ellos de una aleación metálica cuya resistividad no varía con la temperatura y el otro de una aleación metálica cuya resistividad varíe con la temperatura.
Las resistencias incluidas en el calentador no
tienen que ser necesariamente del mismo tipo, por ejemplo, en un
calentador de 4 resistencias podría incorporar:
- -
- una primera resistencia de aleación cuya resistencia no varíe con la temperatura,
- -
- una segunda resistencia de aleación cuya resistencia varíe con la temperatura,
- -
- una tercera resistencia construida con dos segmentos soldados, uno hecho de una aleación metálica que no varía y de otro hecho de una aleación metálica con una resistividad que si varía con la temperatura;
- -
- y una cuarta resistencia igual a alguna de las tres anteriores,
habiéndose previsto un interruptor
térmico soldado en serie con cada una de las resistencias y embutido
en el soporte metálico de dichas
resistencias.
\vskip1.000000\baselineskip
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, 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:
Figura 1.- Muestra una vista en alzado del
módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción
en la que se observa el interruptor térmico situado entre la
resistencia y su unión a masa.
Figura 2.- Muestra una vista en alzado del
módulo calentador de los gases de admisión de un motor de automoción
en la que se observa el interruptor térmico situado entre la
resistencia y su unión a la alimentación.
Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva de
una resistencia que cuenta con un interruptor térmico en uno de sus
extremos constituido por una cinta que puede ser de coeficiente
térmico positivo o constante.
Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de
una resistencia que cuenta con un interruptor térmico en uno de sus
extremos que está constituido por una cinta de coeficiente térmico
constante combinada con un hilo de coeficiente térmico positivo.
Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva de
una resistencia formada por una cinta de coeficiente térmico
constante constituido por un interruptor térmico en uno de sus
extremos combinada con una cinta de coeficiente térmico
positivo.
Figura 6.- Muestra una agrupación de
resistencias de distintos tipos en cada una de las cuales se
encuentra un interruptor térmico.
El módulo calentador de gases de admisión de un
motor de automoción que constituye el objeto de esta invención es
del tipo de los que incorpora un bastidor (1) y un circuito de
control de potencia que dispone de al menos un conmutador de
potencia (2) que controla la alimentación (3) a al menos una
resistencia calentadora (4) montada sobre un soporte cerámico (6)
que calienta los gases de admisión del motor, y consta de un sistema
de protección de sobrecalentamiento y/o regulación en bucle cerrado
basado en la medición de la temperatura del bastidor (1) y/o de la
temperatura de la resistencia (4).
A partir de esta configuración básica el módulo
calentador destaca fundamentalmente porque incorpora al menos un
interruptor térmico (5) en serie con la resistencia calentadora (4)
situado en el bastidor (1) de dichas resistencias calentadoras (4)
que corta la corriente a la resistencia (4) cuando se produce un
cortocircuito en el conmutador de potencia, encontrándose dicho
interruptor térmico (5) entre la resistencia calentadora (4) y la
conexión a masa del bastidor (1), tal y como se representa en la
figura 1 o entre la resistencia calentadora (4) y la alimentación
(3), tal y como se representa en la figura 2.
Las resistencias calentadoras (4) pueden estar
constituidas por un único segmento resistivo en forma de hilo o de
cinta de una aleación cuya resistividad varíe o no con la
temperatura, tal y como se observa en la figura 3.
Preferentemente se empleará una resistencia
calentadora (4) con coeficiente térmico positivo PTC es decir una
cuya resistividad varíe positivamente con la temperatura, lo que
permitirá efectuar un control en bucle cerrado tomando como variable
de control la temperatura de las resistencias calentadoras (4).
Asimismo las resistencias calentadoras (4)
pueden estar formadas por dos segmentos resistivos en forma de hilo
o cinta soldados, uno de los cuales consiste en una aleación
metálica cuya resistividad no varía con la temperatura y el otro de
una aleación cuya resistividad varía con la temperatura, tal y como
se representan en las figuras 3 y 4.
El calentador puede incorporar combinaciones de
resistencias calentadoras (4) de distinto tipo, ya sean resistencias
(4) cuya resistividad varíe con la temperatura con otras que no
varían con la temperatura, cada una de las cuales puede estar
formada por uno o varios segmentos.
Como consecuencia de que las resistencias
calentadoras (4) incorporan una protección térmica mediante los
interruptores térmicos (5) dispuestos en serie, se contempla la
posibilidad de que el calentador incorpore el circuito de control de
potencia (2) separado del bastidor (1) al cual queda unido mediante
un cable.
Claims (6)
1. Módulo calentador de gases de admisión de un
motor de automoción con protección de sobrecalentamiento y/o
regulación en bucle cerrado, del tipo de los que incorporan un
bastidor (1) y un circuito de control de potencia que dispone de al
menos un conmutador de potencia (2) que controla la alimentación (3)
a al menos una resistencia calentadora (4) montada eléctricamente
aislada de él a través de unos soportes cerámicos (6) que calienta
los gases de admisión del motor, y que se basa en la medición de la
temperatura del bastidor (1) y/o de la temperatura de la resistencia
calentadora (4), caracterizado porque incorpora al menos un
interruptor térmico (5) en serie con la resistencia calentadora (4)
situado en el bastidor (1) de dicha resistencia calentadora (4) que
corta la corriente a la resistencia calentadora (4) cuando se
produce un calentamiento excesivo que el circuito de control no es
capaz de limitar.
2. Módulo calentador de gases de admisión de un
motor de automoción con protección de sobrecalentamiento y/o
regulación en bucle cerrado según la reivindicación 1
caracterizado porque el interruptor térmico (5) se encuentra
situado entre la resistencia calentadora (4) y la conexión a masa
del bastidor (1).
3. Módulo calentador de gases de admisión de un
motor de automoción con protección de sobrecalentamiento y/o
regulación en bucle cerrado según la reivindicación 1
caracterizado porque el interruptor térmico (5) se encuentra
situado entre la resistencia calentadora (4) y la alimentación
(3).
4. Módulo calentador de gases de admisión de un
motor de automoción con protección de sobrecalentamiento y/o
regulación en bucle cerrado según la reivindicación 1
caracterizado porque las resistencias calentadoras (4) están
constituidas por un segmento resistivo de una aleación cuya
resistividad varía con la temperatura.
5. Módulo calentador de gases de admisión de un
motor de automoción con protección de sobrecalentamiento y/o
regulación en bucle cerrado según la reivindicación 1
caracterizado porque las resistencias calentadoras (4) están
formadas por dos segmentos resistivos soldados, uno de los cuales
consiste en una aleación metálica cuya resistividad no varía con la
temperatura y el otro de una aleación cuya resistividad varía con la
temperatura.
6. Módulo calentador de gases de admisión de un
motor de automoción con protección de sobrecalentamiento y/o
regulación en bucle cerrado según las reivindicaciones 1, 4 y 5
caracterizado porque incorpora combinaciones de resistencias
calentadoras (4) cuya resistividad varíe con la temperatura con
otras que no varían con la temperatura y formadas por al menos un
segmento.
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