ITPR20090014A1

ITPR20090014A1 - RESISTIVE FILAMENT FOR CANDLES OF INTERNAL COMBUSTION MOTORS AND HEATERS FOR EXHAUST SYSTEMS AND CANDLE OR HEATER INCLUDING THE FILAMENT

Info

Publication number: ITPR20090014A1
Application number: IT000014A
Authority: IT
Inventors: Cristiano Bondani; Luca Sala
Original assignee: Etecno 1 S R L
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-18

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

TITOLO: FILAMENTO RESISTIVO PER CANDELETTE DI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA E RISCALDATORI PER SISTEMI DI SCARICO E CANDELETTA 0 RISCALDATORE COMPRENDENTE DETTO FILAMENTO TITLE: RESISTIVE FILAMENT FOR PLUGS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND HEATERS FOR EXHAUST SYSTEMS AND SPARK PLUG 0 HEATER INCLUDING THIS FILAMENT

CAMPO DI APPLICAZIONE DELL'INVENZIONE FIELD OF APPLICATION OF THE INVENTION

Il presente trovato riguarda un filamento, ovvero una resistenza realizzata con un filo di leghe particolari capaci di far aumentare il valore di tale resistenza con l'aumentare della temperatura. Detti filamenti sono particolarmente utilizzati all'interno delle candelette per motori a combustione interna. The present invention relates to a filament, that is a resistance made with a wire of particular alloys capable of increasing the value of this resistance as the temperature increases. Said filaments are particularly used inside glow plugs for internal combustion engines.

Tuttavia ulteriore campo di applicazione è per riscaldatori utilizzati in sistemi di scarico , nella combustione ulteriore di gas combusti. However, a further field of application is for heaters used in exhaust systems, in the further combustion of flue gases.

STATO DELL'ARTE STATE OF THE ART

La progettazione di candelette di preriscaldamento per motori diesel deve tenere conto di vari fattori ormai oggi giorno indispensabili per i nuovi modelli: The design of glow plugs for diesel engines must take into account various factors which are nowadays indispensable for the new models:

- la temperatura di preriscaldamento, nell'intorno di 850°C, necessaria per l'avviamento del motore deve essere misurata in una porzione di candeletta che varia tra la punta e 8-10 millimetri in direzione del corpo, e deve essere raggiunta in tempi rapidi (mediamente inferiori a 7 secondi a 11V); - the preheating temperature, around 850 ° C, necessary for starting the engine must be measured in a portion of the glow plug that varies between the tip and 8-10 millimeters in the direction of the body, and must be reached in time rapid (on average less than 7 seconds at 11V);

la candeletta deve restare accesa per periodi prolungati dopo il riscaldamento (dai 60 ai 180 secondi circa), spesso con tensioni operative elevate (tra 13V e 14V); the glow plug must remain lit for prolonged periods after heating (from 60 to 180 seconds approximately), often with high operating voltages (between 13V and 14V);

- nell'arco dell'accensione la temperatura interna della candeletta non deve mai superare le temperature massime operative delle leghe che la costituiscono, i fili delle resistenze sono ovviamente i componenti più soggetti a rottura, per i piccoli diametri e le temperature più elevate. - during ignition, the internal temperature of the glow plug must never exceed the maximum operating temperatures of the alloys that constitute it, the wires of the resistances are obviously the components most subject to breakage, due to the small diameters and the higher temperatures.

Per raggiungere questi tre obiettivi abbiamo oggi la scelta tra due differenti tecnologie, la candeletta monofilamento e la candeletta doppio filamento. To achieve these three objectives we now have the choice between two different technologies, the monofilament glow plug and the double filament glow plug.

A) MONOFI LAMENTO A) MONOFI LAMENTO

Consiste in una sola resistenza elettrica con geometria costante o variabile posta direttamente tra la connessione elettrica e la punta della candeletta che funge da elemento riscaldante, oggi realizzata con materiali in grado di aumentare la loro resistenza elettrica con l'aumentare della temperatura. It consists of a single electrical resistance with constant or variable geometry placed directly between the electrical connection and the tip of the glow plug which acts as a heating element, today made with materials capable of increasing their electrical resistance with increasing temperature.

E' la tecnologia più utilizzata per la costruzione di resistenze elettriche e utilizzata dall'Inizio della storia delle candelette di preriscaldamento fino agli anni novanta. Pur essendo particolarmente semplice realizzare resistenze e candelette lente con questa tecnologia, la sua applicazione in candelette diesel con tempi di accensione rapidi e lunghi periodi di riscaldamento risulta si possibile e performante, ma particolarmente complessa, tanto da richiedere una eccellente conoscenza tecnica e lunghi tempi di progettazione. It is the most used technology for the construction of electric resistances and used from the beginning of the history of glow plugs up to the nineties. Although it is particularly simple to make resistors and slow glow plugs with this technology, its application in diesel glow plugs with quick ignition times and long heating periods is possible and efficient, but particularly complex, so much so as to require excellent technical knowledge and long run times. design.

Punto di forza di questo tipo di tecnologia rispetto ad altre comunemente applicate sta nel bassissimo consumo energetico sul lungo periodo, mentre di contro richiede una corrente di spunto più elevata per i primi secondi. The strength of this type of technology compared to others commonly applied lies in the very low energy consumption in the long term, while on the other hand it requires a higher starting current for the first few seconds.

B) DOPPIO FILAMENTO B) DOUBLE FILAMENT

Questo tipo di tecnologia consiste in due resistenze collegate in serie tra loro, una verso la connessione elettrica denominata "elemento regolatore" e una seconda di seguito, verso la punta della candeletta denominata "elemento riscaldante". This type of technology consists of two resistors connected in series with each other, one towards the electrical connection called the "regulating element" and a second later, towards the tip of the glow plug called the "heating element".

L'arte nota nella progettazione e costruzione consiste nel creare un elemento riscaldante con elevata temperatura operativa e una resistenza costante, mentre l'elemento regolatore è realizzato con una particolare lega capace di aumentare la sua resistività (e quindi la resistenza dell'elemento) con l'aumentare della temperatura. The known art in the design and construction consists in creating a heating element with a high operating temperature and a constant resistance, while the regulating element is made with a particular alloy capable of increasing its resistivity (and therefore the resistance of the element) with increasing the temperature.

L'elemento regolatore una volta riscaldato dal passaggio di corrente limita quindi l'apporto di corrente all'elemento riscaldante, limitandone di fatto il riscaldamento. The regulating element, once heated by the passage of current, therefore limits the supply of current to the heating element, effectively limiting its heating.

Il punto di forza di questa tecnologia sta in un'elevata velocità di riscaldamento unita ad una forte capacità di limitazione della corrente nel momento più critico, tra i 5 e i 15 secondi, grazie al repentino aumento di resistenza dell'elemento regolatore. The strength of this technology lies in a high heating speed combined with a strong current limiting capacity at the most critical moment, between 5 and 15 seconds, thanks to the sudden increase in resistance of the regulating element.

Purtroppo però l'elemento regolatore per essere efficace deve essere portato a temperature molto elevate (intorno ai 1000°C) e vi deve rimanere per tutta la durata dell'accensione della candeletta stessa. L'effetto più evidente è un riscaldamento a temperature tra 1000°C e 1100°C circa di tutto il tubo della candeletta, in particolare della parte posteriore corrispondente alla posizione dell'elemento regolatore, quindi una produzione di calore elevata la dove non è necessario e a un conseguente consumo energetico molto più elevato delle candelette monofilamento per periodi di tempo di minuti. Unfortunately, however, the regulating element to be effective must be brought to very high temperatures (around 1000 ° C) and must remain there for the entire duration of the ignition of the glow plug itself. The most evident effect is a heating to temperatures between 1000 ° C and 1100 ° C approximately of the whole glow plug tube, in particular of the rear part corresponding to the position of the regulating element, therefore a high heat production where it is not necessary. and the resulting much higher energy consumption of monofilament glow plugs for time periods of minutes.

ESPOSIZIONE E VANTAGGI DEL TROVATO EXPOSURE AND ADVANTAGES OF THE FOUND

Scopo del presente trovato è quello di mettere a disposizione della tecnica una candeletta capace di unire i pregi delle candelette monofilamento e delle doppio filamento, particolarmente finalizzata a un basso consumo energetico. The object of the present invention is to provide the technique with a glow plug capable of combining the advantages of monofilament and double filament glow plugs, particularly aimed at low energy consumption.

I vantaggi sono: The advantages are:

concentrare il riscaldamento sulla sua punta, avere un basso assorbimento finale, concentrate the heating on its tip, have a low final absorption,

- velocità di riscaldamento ad 850°C adeguata, temperatura massima e finale di stabilizzazione contenute - adequate heating rate at 850 ° C, low maximum and final stabilization temperatures

basso assorbimento di spunto. low starting absorption.

Detti scopi e vantaggi sono tutti raggiunti dal filamento resistivo per candelette, oggetto del presente trovato, che si caratterizza per quanto previsto nelle sotto riportate rivendicazioni. Said objects and advantages are all achieved by the resistive filament for glow plugs, object of the present invention, which is characterized by what is provided for in the appended claims.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Questa ed altre caratteristiche risulteranno maggiormente evidenziate dalla descrizione seguente di alcune forme di realizzazione illustrate, a puro titolo esemplificativo e non limitativo nelle unite tavole di disegno. This and other characteristics will become more evident from the following description of some embodiments illustrated, purely by way of non-limiting example in the accompanying drawing tables.

Figura 1: Diagramma Tempo - Corrente, di tre filamenti resistivi, di cui un monofilamento, un doppio filamento secondo l'arte nota ed un doppio filamento secondo l'oggetto del trovato, Figure 1: Time - Current diagram of three resistive filaments, of which a monofilament, a double filament according to the prior art and a double filament according to the object of the invention,

Figura 2: Diagramma Tempo - Temperatura di tre filamenti resistivi, di cui un monofilamento, un doppio filamento secondo l'arte nota ed un doppio filamento secondo l'oggetto del trovato, Figure 2: Time - Temperature diagram of three resistive filaments, of which a monofilament, a double filament according to the prior art and a double filament according to the object of the invention,

Figura 3: Una candeletta per motori a combustione interna e/o riscaldatore per sistemi di scarico di gas combusti comprendente un avvolgimento resistivo con due resistenze a spirale secondo l'oggetto del trovato. Figure 3: A glow plug for internal combustion engines and / or heater for exhaust gas systems comprising a resistive winding with two spiral resistors according to the object of the invention.

DESCRIZIONE DEL TROVATO DESCRIPTION OF THE FOUND

L'invenzione consiste in un filamento, per impieghi in candelette per motori a combustione interna o riscaldatore per sistemi di scarico di gas combusti. The invention consists of a filament, for use in glow plugs for internal combustion engines or heaters for flue gas exhaust systems.

Solitamente la candeletta 10 di cui alla figura 3 comprende al suo interno un avvolgimento resistivo; nel caso specifico la candeletta 10 comprende due resistenze a spirale, indicate con i riferimenti 1 e 2, collegate in serie, delle quali la resistenza a spirale 2 sul lato della camera di combustione serve da elemento di riscaldamento, mentre la resistenza a spirale (1) lontana dalla camera di combustione (ovvero dalla parte della connessione elettrica) agisce come elemento di regolazione. Usually the spark plug 10 of Figure 3 comprises a resistive winding inside it; in the specific case, the glow plug 10 comprises two spiral resistances, indicated with references 1 and 2, connected in series, of which the spiral resistor 2 on the side of the combustion chamber serves as a heating element, while the spiral resistor (1 ) away from the combustion chamber (i.e. from the electrical connection side) acts as a regulating element.

La resistenza a spirale 1 - elemento regolatore, è una resistenza a spirale costituita da nichel o lega nichel. The spiral resistor 1 - regulating element, is a spiral resistor consisting of nickel or nickel alloy.

La resistenza a spirale 2 - elemento di riscaldamento, è una resistenza a spirale costituita da una lega cobalto-ferro. Spiral resistor 2 - heating element, is a spiral resistor consisting of a cobalt-iron alloy.

Ne consegue che il filamento resistivo in oggetto comprende un doppio filamento di cui un primo tratto in lega Ferro Cobalto, preposto alla funzione di elemento riscaldante unito in serie ad un secondo filamento regolatore in Nichel o lega di Nichel; il filamento regolatore è posizionato dalla parte della connessione elettrica del filamento stesso. It follows that the resistive filament in question comprises a double filament, of which a first portion in Cobalt Iron alloy, responsible for the function of heating element joined in series to a second regulator filament in Nickel or Nickel alloy; the regulator filament is positioned on the electrical connection side of the filament itself.

Il trovato è particolarmente impiegato in candelette per motori a combustione interna o riscaldatori per sistemi di gas combusti; si descrive nel seguito un esempio di applicazione della candeletta per motori a combustione interna con il filamento in oggetto inserito. The invention is particularly used in glow plugs for internal combustion engines or heaters for flue gas systems; an example of application of the glow plug for internal combustion engines with the filament in question inserted is described below.

Come detto, l'elemento riscaldante in lega Fe-Co è posto in punta mentre l'elemento regolatore in Nichel o lega di Nichel è collegato in serie e posizionato posteriormente verso la connessione elettrica della candeletta stessa. La punta corrisponde alla parte rivolta nella camera di scoppio definita da cilindro e testa del pistone e/o precamera di combustione Entrambi gli elementi (lega Fe-Co e elemento in Nichel o sua lega) aumentano la loro resistenza con l'aumentare della temperatura, ma con velocità differenti, dettate da due fattori quali: As mentioned, the heating element in Fe-Co alloy is placed at the tip while the regulating element in Nickel or Nickel alloy is connected in series and positioned at the rear towards the electrical connection of the glow plug itself. The tip corresponds to the part facing the combustion chamber defined by the cylinder and piston head and / or pre-combustion chamber Both elements (Fe-Co alloy and Nickel or its alloy element) increase their resistance with increasing temperature, but with different speeds, dictated by two factors such as:

1. la geometria, diametri e lunghezze dei fili utilizzati per i due elementi, 1. the geometry, diameters and lengths of the wires used for the two elements,

2. le caratteristiche termo-elettriche delle leghe con cui sono realizzati. 2. the thermo-electrical characteristics of the alloys with which they are made.

Inizialmente la resistenza dell'elemento regolatore posteriore (tratto di filamento in Nichel) svolge una funzione di limitazione della corrente di picco, poi inizia una fase di riscaldamento omogeneo per tutta la sua lunghezza che provoca un aumento della sua resistenza e detto aumento di resistenza è più rapido rispetto a quella dell'elemento riscaldante (lega Fe-Co), che si riscalda solo nella porzione più estrema della punta della candeletta. Initially the resistance of the rear regulator element (part of nickel filament) performs a function of limiting the peak current, then begins a homogeneous heating phase for its entire length which causes an increase in its resistance and said increase in resistance is faster than that of the heating element (Fe-Co alloy), which heats up only in the most extreme portion of the glow plug tip.

Dopo i 600°C la resistenza dell'elemento regolatore (Nichel) rimane pressoché costante, aiutando a contenere la temperatura massima della candeletta. After 600 ° C the resistance of the regulating element (Nickel) remains almost constant, helping to contain the maximum temperature of the glow plug.

Una volta che l'elemento 2 riscaldante (lega Fe-Co) raggiunge i 1100°C ed è ormai riscaldato per gran parte della sua lunghezza, la sua resistenza è talmente elevata da ridurre drasticamente l'assorbimento di corrente, raffreddando l'elemento regolatore (Nichel o sua lega ) e rendendolo di fatto totalmente inerte. Once the heating element 2 (Fe-Co alloy) reaches 1100 ° C and is now heated for most of its length, its resistance is so high that it drastically reduces the current absorption, cooling the regulator element (Nickel or its alloy) and making it totally inert.

A questo punto la candeletta 10, benché a doppio filamento (in serie) si comporta come una candeletta monofilamento. At this point the glow plug 10, although with double filament (in series), behaves like a monofilament glow plug.

In aggiunta la resistenza 1 regolatrice posteriore (elemento in Nichel o sua lega) svolge un compito di autolimitazione della corrente di picco, di fatto diventando incandescente per una frazione di secondo in fase di accensione, per poi raffreddarsi ed iniziare immediatamente il suo ciclo di riscaldamento e aumento della resistenza. In addition, the rear regulating resistor 1 (element in Nickel or its alloy) performs a self-limiting task of the peak current, effectively becoming incandescent for a fraction of a second in the ignition phase, then cooling down and immediately starting its heating cycle. and increased resistance.

DESCRIZIONE OPERATIVA DEL FILAMENTO OPERATIONAL DESCRIPTION OF THE FILAMENT

Sfruttando questo principio e lavorando opportunamente sulla geometria delle resistenze, e sui diametri e le lunghezza dei fili coinvolti, abbiamo ottenuto un'accensione descritta nei punti seguenti: By exploiting this principle and working appropriately on the geometry of the resistors, and on the diameters and lengths of the wires involved, we have obtained an ignition described in the following points:

A) Applicata l'alimentazione l'elemento regolatore (Nichel o sua lega) subisce un istantaneo riscaldamento che limita la corrente di picco, questo riscaldamento dura circa 0.1 secondi, e l'elemento ritorna pressoché alla sua resistenza originale dopo questo brevissimo lasso di tempo e dopo che la corrente di alimentazione si assesta a livelli più bassi, agendo come un vero e proprio limitatore di corrente. Il suddetto effetto sull'assorbimento massimo è illustrato nel diagramma di figura 1 in cui si mettono a confronto tre curve tempo [s] corrente [A]; con 10 è illustrato l'andamento del filamento in oggetto con 11 un doppio filamento dell'arte nota e con 12 un monofilamento dell'arte nota. A) Once the power is applied, the regulating element (Nickel or its alloy) undergoes an instantaneous heating which limits the peak current, this heating lasts about 0.1 seconds, and the element returns almost to its original resistance after this very short period of time and after the supply current settles to lower levels, acting as a real current limiter. The aforementioned effect on the maximum absorption is illustrated in the diagram of figure 1 in which three time [s] current [A] curves are compared; with 10 the trend of the filament in question is illustrated, with 11 a double filament of the known art and with 12 a monofilament of the known art.

B) L'elemento riscaldante (Lega Fe-Co) inizia la sua fase di riscaldamento, inizialmente coinvolgendo solo pochi millimetri di spire partendo dalla punta, quindi la sua resistenza inizia ad aumentare, a sua volta l'elemento regolatore subisce lo stesso processo, in modo più marcato grazie al coinvolgimento di una parte maggiore dell'elemento stesso e dall'aumento maggiore di resistività in questa fascia di temperatura caratteristico del Nichel; siamo a circa tre secondi dall'accensione e l'aumento di resistenza di entrambi gli elementi procede fino a circa 500°C. B) The heating element (Fe-Co alloy) begins its heating phase, initially involving only a few millimeters of turns starting from the tip, then its resistance begins to increase, in turn the regulating element undergoes the same process, more markedly thanks to the involvement of a greater part of the element itself and the greater increase in resistivity in this characteristic temperature range of Nickel; we are about three seconds after ignition and the increase in resistance of both elements proceeds up to about 500 ° C.

C) Quando l'elemento riscaldante (Lega Fe-Co) raggiunge gli 800°C la sua resistenza è notevolmente aumentata rispetto a quella individuata a 500°C, mentre quella dell'elemento regolatore (Nichel o sua lega) è aumentata in misura molto minore, essendo ormai già al massimo valore raggiungibile, rimanendo quindi di fatto quasi costante. Continua tuttavia a ridurre l'afflusso di corrente sull'elemento riscaldante. Siamo a circa 5 secondi dall'accensione. C) When the heating element (Fe-Co alloy) reaches 800 ° C, its resistance is considerably increased compared to that identified at 500 ° C, while that of the regulating element (Nickel or its alloy) is greatly increased lower, being by now already at the maximum achievable value, thus remaining virtually constant. However, it continues to reduce the current flow to the heating element. We are about 5 seconds after switching on.

D) La resistenza dell'elemento riscaldante (Lega Fe-Co) ormai riscaldato oltre i 1000°C per una lunghezza di alcuni centimetri è nettamente superiore a quella dell'elemento regolatore, che visto il bassissimo passaggio di corrente si è oltretutto raffreddato riducendo ancora di più il suo valore resistivo. D) The resistance of the heating element (Fe-Co alloy) by now heated to over 1000 ° C for a length of a few centimeters is significantly higher than that of the regulating element, which given the very low current flow has also cooled down further reducing more its resistive value.

Da questo momento in poi la candeletta si comporta come una candeletta monofilamento e l'elemento regolatore ha una resistenza ininfluente per il basso passaggio di corrente utilizzata dall'elemento riscaldante e non ha più alcuna influenza elettrica sull'operatività del filamento. From this moment on, the glow plug behaves like a monofilament glow plug and the regulator element has an irrelevant resistance due to the low current flow used by the heating element and no longer has any electrical influence on the operation of the filament.

Siamo a circa 15 secondi dall'accensione. We are about 15 seconds after switching on.

Quanto sopra è illustrato nel diagramma di figura 2 in cui si mettono a confronto tre curve tempo [s] temperatura [°C]: con 10 è illustrato l'andamento del filamento in oggetto con 11 un doppio filamento dell'arte nota e con 12 un monofilamento dell'arte nota. The above is illustrated in the diagram of figure 2 in which three time [s] temperature [° C] curves are compared: with 10 the trend of the filament in question is illustrated with 11 a double filament of the prior art and with 12 a monofilament of the prior art.

Con questo trovato si ottiene un doppio filamento con le seguenti caratteristiche: With this invention a double filament with the following characteristics is obtained:

- Basso assorbimento energetico di spunto, - Low starting energy absorption,

- Velocità di riscaldamento sufficientemente elevata, - Limitazione rapida della temperatura massima entro limiti sopportabili dalle leghe coinvolte per accensioni prolungate di alcuni minuti, - Sufficiently high heating rate, - Rapid limitation of the maximum temperature within limits tolerable by the alloys involved for prolonged ignitions of a few minutes,

- Riscaldamento finale nella sola porzione di punta della candeletta a cui viene associato il doppio filamento in oggetto e non di tutto il tubetto come avviene normalmente con le candelette doppio filamento, - Corrente di stabilizzazione finale più bassa di quella ottenuta normalmente con doppi filamenti attuali. - Final heating only in the tip portion of the glow plug to which the double filament in question is associated and not of the entire tube as normally occurs with double filament glow plugs, - Final stabilization current lower than that normally obtained with current double filaments.

Nel testo si è fatto riferimento ad una nichel o lega di nichel; la percentuale di nichel potrà essere anche al 99%. In the text reference was made to a nickel or nickel alloy; the percentage of nickel may even be 99%.

Claims

RIV E N DI CAZI O N I 1. Resistive filament, of the type comprising at least two resistors (1, 2) connected in series, characterized in that to. the spiral resistor (1) arranged on the side of the electrical connection acts as a regulating element, b. the spiral resistor (2) on the side of the combustion chamber acts as a heating element, and characterized in that said spiral resistor (1) is a resistor consisting of nickel or nickel alloy, while said spiral resistor (2) it is made up of a cobalt-iron alloy.

2. A glow plug (10) for internal combustion engines or for heaters for exhaust gas systems characterized in that it comprises a resistive filament consisting of two spiral resistors (1, 2) connected in series; said spiral resistance (2), on the side of the combustion chamber or of the exhaust system, is suitable to act as a heating element and is made up of a cobalt-iron alloy, called spiral resistance (1), far from the combustion chamber combustion or from the exhaust system, i.e. on the side of the electrical connection, is suitable to act as a regulating element and is made up of nickel or nickel alloy.