BR102019027485A2 - glow plug or heater for internal combustion engines - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a uma vela de incandescência ou aquecimento (1) para motores de combustão interna. A vela de incandescência ou aquecimento (1) compreende uma base (2) e uma lança (3), sendo que pelo menos uma conexão elétrica (4) está associada à base (2) e sendo que, em um interior da lança (3) da vela de incandescência ou aquecimento (1), está alojado um conjunto de aquecimento (5). O conjunto de aquecimento (5) compreende uma placa de suporte (6) e pelo menos um elemento de controle e aquecimento (7), sendo que o pelo menos um elemento de controle e aquecimento (7) é um transistor de potência. A base (2) da vela de incandescência ou aquecimento (1) aloja, em seu interior, uma eletrônica de potência e faz a conexão com a ECU por meio de conectores.

The present invention relates to a glow plug or heater (1) for internal combustion engines. The glow plug or heating (1) comprises a base (2) and a lance (3), at least one electrical connection (4) being associated with the base (2) and being that, in an interior of the lance (3 ) of the glow plug or heater (1), a heater assembly (5) is housed. The heating assembly (5) comprises a support plate (6) and at least one control and heating element (7), the at least one control and heating element (7) being a power transistor. The base (2) of the glow plug or heating (1) houses, inside, a power electronics and makes the connection with the ECU through connectors.

Description

VELA DE INCANDESCÊNCIA OU AQUECIMENTO PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNAGLOW PLUG OR HEATING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES CAMPO TÉCNICOTECHNICAL FIELD

[0001] A presente invenção refere-se a uma vela de incandescência ou aquecimento, que pode ser utilizada na linha de combustível de baixa ou de alta pressão, em motores de combustão interna.[0001] The present invention relates to a glow plug or heating, which can be used in the fuel line of low or high pressure, in internal combustion engines.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICADESCRIPTION OF TECHNICAL STATUS

[0002] Motores de combustão interna são máquinas térmicas, comumente associadas a automóveis, que convertem a energia térmica resultante da combustão de um combustível em energia mecânica. Motores de ciclo Otto, por exemplo, geralmente funcionam à base de gasolina e necessitam da ação de uma faísca para dar origem à combustão, a qual é gerada por um dispositivo chamado vela de ignição. Em veículos atuais com motores de ciclo Otto, ocorre frequentemente o emprego de combustíveis alternativos, como etanol, individualmente ou em mistura com gasolina, que necessitam de um sistema de aquecimento antes da injeção na câmara de combustível para auxiliar a partida em baixas temperaturas ou para melhorar a queima e por consequência emissões de poluentes. Esse aquecimento do combustível na galeria ou na linha de distribuição de combustível é realizado por velas de aquecimento semelhantes às velas de incandescência, também chamados de aquecedores de combustível.[0002] Internal combustion engines are thermal machines, commonly associated with automobiles, that convert the thermal energy resulting from the combustion of a fuel into mechanical energy. Otto cycle engines, for example, generally run on gasoline and require the action of a spark to give rise to combustion, which is generated by a device called a spark plug. In current vehicles with Otto cycle engines, alternative fuels such as ethanol are often used, individually or mixed with gasoline, which require a heating system before injection into the fuel chamber to help start at low temperatures or to improve burning and consequently pollutant emissions. This heating of the fuel in the gallery or in the fuel distribution line is accomplished by glow plugs similar to glow plugs, also called fuel heaters.

[0003] Por outro lado, motores a diesel são de autoignição, ou seja, não é necessária uma faísca para dar início à combustão. Neste caso, o próprio aumento da temperatura provocado pela compressão do ar dentro dos cilindros é responsável pela combustão do diesel. Em clima frio, no entanto, os motores a diesel podem apresentar dificuldades para dar partida, pois a massa do bloco de cilindros e a cabeça do cilindro absorvem parte do calor resultante da compressão do ar, o que previne a ignição do combustível. Para auxiliar no aumento de temperatura necessário para a combustão do diesel, são fornecidos dispositivos de aquecimento chamados velas de incandescência.[0003] On the other hand, diesel engines are self-igniting, that is, a spark is not required to start combustion. In this case, the increase in temperature caused by the compression of the air inside the cylinders is responsible for the combustion of diesel. In cold weather, however, diesel engines can be difficult to start, as the mass of the cylinder block and cylinder head absorb part of the heat resulting from air compression, which prevents the fuel from igniting. To aid in the temperature increase necessary for diesel combustion, heating devices called glow plugs are provided.

[0004] Velas de incandescência tradicionais são elementos metálicos em forma de lápis com um elemento de aquecimento em uma de suas extremidades. N o caso de motores de ciclo Otto, as velas de aquecimento têm o aquecimento distribuído ao longo de todo o corpo de aquecimento. Normalmente, este elemento de aquecimento é simplesmente uma bobina que, devido à sua resistência elétrica, é aquecida ao ser atravessada por uma corrente elétrica. Este calor gerado no elemento de aquecimento é transferido para o combustível e auxilia a combustão do mesmo.[0004] Traditional glow plugs are pencil-shaped metallic elements with a heating element at one of their ends. In the case of Otto cycle engines, the glow plugs have the heat distributed over the entire heating body. Typically, this heating element is simply a coil that, due to its electrical resistance, is heated by being passed through by an electrical current. This heat generated in the heating element is transferred to the fuel and aids fuel combustion.

[0005] Os motores de combustão modernos, que apresentam sistemas de injeção eletrônica, utilizam um dispositivo chamado Electronic Control Unit (ECU) para controlar uma série de atuadores do motor e garantir um desempenho ótimo do mesmo. Dentre outras funções, a ECU controla a abertura e o fechamento das válvulas injetoras do motor para determinar a quantidade de combustível a ser injetado, com base em uma pluralidade de informações proveniente de sensores. A ECU geralmente trabalha com sinais de baixa potência. Outro elemento presente em motores que necessitam do aquecimento de combustível é a Heating Control Unit (HCU), a qual funciona como um elemento de controle para as altas correntes drenadas pelos aquecedores. A HCU está eletricamente conectada a uma bateria, à ECU e às velas de incandescência e/ou aquecimento. Ao receber o sinal de baixa potência da ECU, mediante alimentação de corrente elétrica proveniente da bateria, a HCU transmite a tensão de bateria para as velas e causa o seu aquecimento, elevando assim a temperatura do combustível. Portanto, convencionalmente, o elemento de controle (HCU) e os elementos de aquecimento são elementos distintos.[0005] Modern combustion engines, which feature electronic injection systems, use a device called Electronic Control Unit (ECU) to control a series of engine actuators and ensure optimal performance. Among other functions, the ECU controls the opening and closing of the engine injection valves to determine the amount of fuel to be injected, based on a plurality of information coming from sensors. The ECU usually works with low power signals. Another element present in engines that need fuel heating is the Heating Control Unit (HCU), which works as a control element for the high currents drained by the heaters. The HCU is electrically connected to a battery, the ECU and the glow and/or heat plugs. Upon receiving the low power signal from the ECU, by supplying electrical current from the battery, the HCU transmits the battery voltage to the spark plugs and causes them to heat up, thus raising the fuel temperature. Therefore, conventionally, the control element (HCU) and the heating elements are separate elements.

[0006] Da patente BR 102015004195-0, é conhecido um sistema de aquecimento para a partida a frio de um veículo dotado de uma galeria para alimentação de combustível a um ou mais injetores de combustível. O sistema compreende pelo menos uma bateria com um polo positivo e um negativo, uma ECU, um relé e um aquecedor.[0006] From patent BR 102015004195-0, a heating system for the cold start of a vehicle equipped with a gallery for fuel supply to one or more fuel injectors is known. The system comprises at least a battery with a positive and a negative pole, an ECU, a relay and a heater.

[0007] Algumas desvantagens do sistema convencional de controle e aquecimento podem ser observadas. Primeiramente, nota-se um custo relativamente alto devido ao grande número de componentes envolvidos no sistema. Além disso, a eficiência energética do sistema não é otimizada, uma vez que a HCU naturalmente aquece durante sua operação, devido à sua resistência interna, e este calor não é aproveitado.[0007] Some disadvantages of the conventional control and heating system can be observed. First, there is a relatively high cost due to the large number of components involved in the system. Furthermore, the energy efficiency of the system is not optimized, as the HCU naturally heats up during its operation, due to its internal resistance, and this heat is not used.

OBJETIVOS DA INVENCÃOOBJECTIVES OF THE INVENTION

[0008] A presente invenção tem como objetivo fornecer uma vela de incandescência ou aquecimento que permita uma redução do número total de componentes do sistema de aquecimento de combustível. Outro objetivo é a elevação da eficiência energética total do sistema, utilizando as próprias perdas na função principal do sistema.[0008] The present invention aims to provide a glow plug or heating that allows a reduction in the total number of components of the fuel heating system. Another objective is to increase the total energy efficiency of the system, using the losses themselves in the main function of the system.

[0009] Uma maior facilidade de instalação do sistema de aquecimento no veículo constitui um objetivo secundário da presente invenção.[0009] A greater ease of installation of the heating system in the vehicle is a secondary objective of the present invention.

BREVE DESCRICÃO DA INVENCÃOBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0010] A presente invenção consiste em uma vela de incandescência ou aquecimento de combustível para motores de combustão interna. Ela compreende uma base e uma lança, sendo que pelo menos uma conexão elétrica está associada à base e, em um interior da lança da vela de incandescência ou aquecimento, está alojado um conjunto de aquecimento. O conjunto de aquecimento compreende uma placa de suporte e pelo menos um elemento de controle e aquecimento, sendo que o pelo menos um elemento de controle e aquecimento é um semicondutor ou transistor de potência. A base da vela de incandescência ou aquecimento aloja, em seu interior, a eletrônica de potência, que em conjunto com o transistor de potência forma o estágio de potência.[0010] The present invention consists of a glow plug or fuel heater for internal combustion engines. It comprises a base and a lance, at least one electrical connection being associated with the base and, in an interior of the glow plug or heating lance, a heater assembly is housed. The heating assembly comprises a support plate and at least one control and heating element, the at least one control and heating element being a semiconductor or power transistor. The base of the glow plug or heating plug houses, in its interior, the power electronics, which together with the power transistor form the power stage.

[0011] A eletrônica de potência consiste em um conjunto de outros semicondutores e elementos passivos, como resistores e capacitores, responsáveis por chavear a tensão da bateria para o transistor de potência, assim como medir a corrente chaveada por ele.[0011] The power electronics consists of a set of other semiconductors and passive elements, such as resistors and capacitors, responsible for switching the battery voltage to the power transistor, as well as measuring the current switched by it.

[0012] Em uma concretização da invenção, a placa de suporte da vela de incandescência ou aquecimento é uma lâmina de cerâmica.[0012] In one embodiment of the invention, the glow plug support plate or heating is a ceramic blade.

[0013] Preferencialmente, ao ser alimentado com um sinal proveniente de uma ECU e com corrente elétrica proveniente de uma bateria ou alternador, a eletrônica de potência atua no transistor de potência, que ao conduzir corrente faz com que o calor gerado seja dissipado no combustível.[0013] Preferably, when fed with a signal from an ECU and with electrical current from a battery or alternator, the power electronics acts on the power transistor, which when conducting current causes the heat generated to be dissipated in the fuel .

[0014] Em uma concretização particular da invenção, uma parte da lança da vela de incandescência ou aquecimento está em contato com um combustível do motor de combustão interna. Este combustível pode ser diesel ou uma mistura de GNV e diesel, além de etanol, uma mistura de gasolina e etanol ou gasolina pura.[0014] In a particular embodiment of the invention, a part of the glow plug or heating lance is in contact with a fuel from the internal combustion engine. This fuel can be diesel or a mixture of CNG and diesel, in addition to ethanol, a mixture of gasoline and ethanol, or pure gasoline.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0015] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução preferível representado no desenho.[0015] The present invention will be described in more detail below, based on a preferred embodiment shown in the drawing.

[0016] A Figura 1 mostra um corte longitudinal da vela de incandescência ou aquecimento da presente invenção.[0016] Figure 1 shows a longitudinal section of the glow plug or heater of the present invention.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOSDETAILED DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0017] Conforme pode ser visto na Figura 1, que mostra um corte longitudinal da vela de incandescência ou aquecimento 1, que é um elemento metálico ou cerâmico de formato substancialmente cilíndrico composto basicamente por duas partes, uma base 2 e uma lança 3. A base 2 possui pelo menos uma conexão elétrica 4 que recebe sinais provenientes de uma ECU (não representada) e corrente elétrica proveniente de uma bateria (não representada). A lança 3 da vela de incandescência ou aquecimento 1, por sua vez, aloja em seu interior um conjunto de aquecimento 5, o qual é composto por uma placa de suporte 6 e pelo menos um elemento de controle e aquecimento 7. O interior da base 2 da vela de incandescência ou aquecimento 1 aloja a eletrônica de potência (não representada), com exceção do elemento de controle e aquecimento, que está localizado na lança 3. A eletrônica de potência é composta por semicondutores e elementos passivos, como resistores e capacitores, montados na continuidade do suporte. Em uma modalidade preferida da invenção, a placa de suporte 6 é uma lâmina de cerâmica. Pelo menos um elemento de controle e aquecimento 7 está associado à placa de suporte 6 por meio de solda ou processo produtivo.[0017] As can be seen in Figure 1, which shows a longitudinal section of the glow plug or heating plug 1, which is a metal or ceramic element of substantially cylindrical shape basically composed of two parts, a base 2 and a spear 3. A base 2 has at least one electrical connection 4 that receives signals from an ECU (not shown) and electrical current from a battery (not shown). The lance 3 of the glow plug or heating plug 1, in turn, houses within it a heating assembly 5, which is composed of a support plate 6 and at least one control and heating element 7. The interior of the base 2 of glow plug or heater 1 houses the power electronics (not shown), with the exception of the control and heating element, which is located on boom 3. The power electronics are composed of semiconductors and passive elements such as resistors and capacitors , mounted on the support continuity. In a preferred embodiment of the invention, the support plate 6 is a ceramic blade. At least one control and heating element 7 is associated with the support plate 6 by means of welding or production process.

[0018] O pelo menos um elemento de controle e aquecimento 7 é um transistor de potência, de preferência do tipo MOSFET, com elevada resistência interna que, quando atravessado por uma corrente elétrica proveniente da bateria, aquece. N o entanto, o aquecimento do transistor de potência só ocorre mediante a incidência de um sinal correspondente proveniente da ECU. A ECU emite este sinal ao determinar, por meio de uma pluralidade de sensores, uma necessidade de elevação de temperatura do combustível. Portanto, o transistor de potência funciona simultaneamente como elemento de controle e elemento de aquecimento. Em uma modalidade preferida da invenção, a modulação do sinal proveniente da ECU é do tipo modulação por largura de pulso (MLP). A modulação por largura de pulso, também conhecida do inglês por PWM, consiste em controlar o chaveamento da tensão de bateria, com frequência constante, variando o tempo em que a tensão está disponível para a carga. Quanto maior o tempo, maior a potência controlada e, portanto, maior a corrente na carga.[0018] The at least one control and heating element 7 is a power transistor, preferably of the MOSFET type, with high internal resistance that, when crossed by an electric current from the battery, heats up. However, heating up of the power transistor only takes place upon the incidence of a corresponding signal from the ECU. The ECU issues this signal when determining, through a plurality of sensors, a need for fuel temperature rise. Therefore, the power transistor functions simultaneously as a control element and a heating element. In a preferred embodiment of the invention, the modulation of the signal coming from the ECU is of the pulse width modulation (MLP) type. Pulse width modulation, also known in English as PWM, consists of controlling the battery voltage switching, with a constant frequency, varying the time the voltage is available to the load. The longer the time, the greater the controlled power and, therefore, the greater the current in the load.

[0019] Uma vez que uma parte da lança 3 da vela de incandescência ou aquecimento 1 encontra-se em contato com um combustível, antes de ser injetado dentro do motor de combustão interna, o calor gerado pelo elemento de controle e aquecimento 7 é transferido para o combustível, aquecendo-o e auxiliando na sua combustão. Em uma modalidade da invenção, o combustível é diesel, uma mistura de diesel e GNV, etanol, uma mistura de etanol e gasolina em qualquer proporção adequada ou gasolina pura.[0019] Since a part of the lance 3 of the glow plug or heating 1 is in contact with a fuel, before being injected into the internal combustion engine, the heat generated by the control and heating element 7 is transferred for the fuel, heating it and aiding in its combustion. In one embodiment of the invention, the fuel is diesel, a mixture of diesel and CNG, ethanol, a mixture of ethanol and gasoline in any suitable proportion, or pure gasoline.

[0020] O transistor de potência deve ser projetado de modo que a sua resistência interna seja alta e possua boa capacidade de dissipação de calor, de modo que o calor gerado aqueça o combustível até a temperatura necessária. Ele deve também apresentar uma alta capacidade de corrente. Preferencialmente, o transistor de potência é um transistor de silício sem encapsulamento, ou com encapsulamento próprio para aumentar a capacidade de transferência de calor.[0020] The power transistor must be designed so that its internal resistance is high and has good heat dissipation capacity, so that the heat generated heats the fuel to the required temperature. It must also have a high current capacity. Preferably, the power transistor is a silicon transistor without a package, or with its own package to increase the heat transfer capacity.

Claims (6)

Vela de incandescência ou aquecimento (1) para motores de combustão interna, sendo que a vela de incandescência ou aquecimento (1) compreende uma base (2) e uma lança (3), sendo que pelo menos uma conexão elétrica (4) está associada à base (2) e sendo que, em um interior da lança (3) da vela de incandescência ou aquecimento (1), está alojado um conjunto de aquecimento (5), sendo que o conjunto de aquecimento (5) compreende uma placa de suporte (6) e pelo menos um elemento de controle e aquecimento (7), sendo que a base (2) da vela de incandescência ou aquecimento (1) aloja, em seu interior, uma eletrônica de potência, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um elemento de controle e aquecimento (7) é um transistor de potência.Glow or heater plug (1) for internal combustion engines, the glow or heater plug (1) comprising a base (2) and a lance (3), with at least one electrical connection (4) being associated to the base (2) and, in an interior of the lance (3) of the glow plug or heating (1), a heating set (5) is housed, the heating set (5) comprising a plate of support (6) and at least one control and heating element (7), the base (2) of the glow plug or heating (1) housing, inside, a power electronics, characterized by the fact that the at least one control and heating element (7) is a power transistor. Vela de incandescência ou aquecimento (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a eletrônica de potência compreende semicondutores e elementos passivos, micro controlados ou não, que em conjunto com o transistor de potência são responsáveis por gerar calor.Glow plug or heating (1), according to claim 1, characterized in that the power electronics comprises semiconductors and passive elements, micro-controlled or not, which together with the power transistor are responsible for generating heat. Vela de incandescência ou aquecimento (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a placa de suporte (6) é uma lâmina de cerâmica.Glow plug or heating (1), according to claim 1, characterized in that the support plate (6) is a ceramic sheet. Vela de incandescência ou aquecimento (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que, ao ser alimentado com um sinal proveniente de uma ECU e com corrente elétrica proveniente de uma bateria, o pelo menos um elemento de controle e aquecimento (7) aquece.Glow plug or heating (1), according to claim 1, characterized in that, when supplied with a signal from an ECU and with electrical current from a battery, the at least one control and heating element (7) warms up. Vela de incandescência ou aquecimento (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma parte da lança (3) da vela de incandescência ou aquecimento (1) está em contato com um combustível do motor de combustão interna.Glow plug or heater (1), according to claim 1, characterized in that a part of the lance (3) of the glow plug or heater (1) is in contact with a fuel from the internal combustion engine. Vela de incandescência ou aquecimento (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o combustível compreende diesel, uma mistura de diesel e GNV, etanol, uma mistura de etanol e gasolina em qualquer proporção adequada ou gasolina pura.Glow plug or heater (1) according to claim 5, characterized in that the fuel comprises diesel, a mixture of diesel and CNG, ethanol, a mixture of ethanol and gasoline in any suitable proportion or pure gasoline.

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