ITPR20090014A1 - Filamento resistivo per candelette di motori a combustione interna e riscaldatori per sistemi di scarico e candeletta o riscaldatore comprendente detto filamento - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

TITOLO: FILAMENTO RESISTIVO PER CANDELETTE DI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA E RISCALDATORI PER SISTEMI DI SCARICO E CANDELETTA 0 RISCALDATORE COMPRENDENTE DETTO FILAMENTO

CAMPO DI APPLICAZIONE DELL'INVENZIONE

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.

Tuttavia ulteriore campo di applicazione è per riscaldatori utilizzati in sistemi di scarico , nella combustione ulteriore di gas combusti.

STATO DELL'ARTE

La progettazione di candelette di preriscaldamento per motori diesel deve tenere conto di vari fattori ormai oggi giorno indispensabili per i nuovi modelli:

- 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);

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);

- 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.

Per raggiungere questi tre obiettivi abbiamo oggi la scelta tra due differenti tecnologie, la candeletta monofilamento e la candeletta doppio filamento.

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.

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.

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.

B) DOPPIO FILAMENTO

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".

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.

L'elemento regolatore una volta riscaldato dal passaggio di corrente limita quindi l'apporto di corrente all'elemento riscaldante, limitandone di fatto il riscaldamento.

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.

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.

ESPOSIZIONE E VANTAGGI DEL TROVATO

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.

I vantaggi sono:

concentrare il riscaldamento sulla sua punta, avere un basso assorbimento finale,

- velocità di riscaldamento ad 850°C adeguata, temperatura massima e finale di stabilizzazione contenute

basso assorbimento di spunto.

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.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

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.

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,

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,

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.

DESCRIZIONE DEL TROVATO

L'invenzione consiste in un filamento, per impieghi in candelette per motori a combustione interna o riscaldatore per sistemi di scarico di gas combusti.

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.

La resistenza a spirale 1 - elemento regolatore, è una resistenza a spirale costituita da nichel o lega nichel.

La resistenza a spirale 2 - elemento di riscaldamento, è una resistenza a spirale costituita da una lega cobalto-ferro.

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.

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.

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:

1. la geometria, diametri e lunghezze dei fili utilizzati per i due elementi,

2. le caratteristiche termo-elettriche delle leghe con cui sono realizzati.

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.

Dopo i 600°C la resistenza dell'elemento regolatore (Nichel) rimane pressoché costante, aiutando a contenere la temperatura massima della candeletta.

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.

A questo punto la candeletta 10, benché a doppio filamento (in serie) si comporta come una candeletta monofilamento.

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.

DESCRIZIONE OPERATIVA DEL FILAMENTO

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:

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.

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.

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.

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.

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.

Siamo a circa 15 secondi dall'accensione.

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.

Con questo trovato si ottiene un doppio filamento con le seguenti caratteristiche:

- Basso assorbimento energetico di spunto,

- Velocità di riscaldamento sufficientemente elevata, - Limitazione rapida della temperatura massima entro limiti sopportabili dalle leghe coinvolte per accensioni prolungate di alcuni minuti,

- 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.

Nel testo si è fatto riferimento ad una nichel o lega di nichel; la percentuale di nichel potrà essere anche al 99%.

Claims (2)

1. RIV E N DI CAZI O N I 1. Filamento resistivo, del tipo comprendente almeno due resistenze (1, 2) collegate in serie tra loro caratterizzato dal fatto che a. la resistenza a spirale (1) disposta sul lato della connessione elettrica funge da elemento di regolazione, b. la resistenza a spirale (2) sul lato della camera di combustione funge da elemento di riscaldamento, e caratterizzato dal fatto che detta resistenza a spirale (1) è una resistenza costituita da nichel o lega di nichel, mentre detta resistenza a spirale (2) è costituita da una lega cobalto-ferro.
2. 2. Una candeletta (10) per motori a combustione interna o per riscaldatori per sistemi di scarico di gas combusti caratterizzata dal fatto che comprende un filamento resistivo costituito da due resistenze (1, 2) a spirale collegate in serie; detta resistenza a spirale (2), sul lato della camera di combustione o del sistema di scarico, è atta a fungere da elemento di riscaldamento ed è costituita da una lega cobalto-ferro, detta resistenza a spirale (1), lontana dalla camera di combustione o dal sistema di scarico, vale a dire dalla parte della connessione elettrica, è atta ad agire come elemento di regolazione ed è costituita da nichel o lega di nichel.