BR0107472B1 - motor à combustão interna de injeção direta com válvulas comandadas. - Google Patents

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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MOTOR À COMBUSTÃO INTERNA DE INJEÇÃO DIRETA COM VÁLVULAS CO- MANDADAS".
A presente invenção refere-se a um motor à combustão interna de injeção direta.
Mais particularmente, a invenção refere-se aos motores que compreendem uma árvore de manivelas e pelo menos dois cilindros, em ca- da cilindro se desloca um pistão que é associado a pelo menos duas válvu- las de admissão, cada uma colocada em um conduto de admissão, e com pelo menos uma válvula de escapamento.
Nos motores de injeção direta habitualmente encontrados, a mis- tura ar/combustível é preparada de maneira a favorecer uma baixa do con- sumo do combustível e emissões de CO2. Para isso, é conhecida a realiza- ção das cabeças de pistão perfiladas. Todavia, isto pode ser insuficiente pa- ra os motores de baixas cilindradas, à medida que o percurso médio do combustível injetado nos cilindros é muito pequeno, o que pode induzir a falhas de combustão por falta de evaporação. Então é necessário estabilizar a combustão, misturando a mistura de ar e de combustível.
Para isso, é conhecida a criação dos campos de velocidades dos gases no interior da câmara de combustão, utilização das combinações de pistões corretamente perfilados e dispositivos mecânicos situados a mon- tante das válvulas de admissão. Criam-se assim dois tipos de campos de velocidades turbulentos: um dos campos de velocidades é dito "rotacio- nar,("SWIRL"), isto é, os gases escoam perpendicularmente ao eixo do cilin- dro, enquanto que o outro dos campos de velocidades é dito "axi- al"("TUMBLE") à medida que os gases se deslocam paralelamente ao eixo desse cilindro.
Todavia, esses dispositivos mecânicos aliados à forma da cabe- ça do pistão são onerosos e não permitem obter em todos os regimes motor dos campos de velocidades axiais e rotacionais corretamente adaptados. Além disso, os volumes mortos criados nos condutos de admissão, nos quais estão presentes os dispositivos mecânicos, podem ter efeitos de reflu- xo do gás ou da mistura gás/combustível indesejáveis.
Para prevenir esses inconvenientes, foi proposto, notadamente por DE 198 10 466, que o deslocamento dessas válvulas seja independente da rotação da árvore de manivelas e comandada por uma calculadora, que comanda, cilindro por cilindro, os instantes de abertura e de fechamentos pelo menos dessas duas válvulas de admissão, considerando-se, notada- mente, o regime motor. Mas os meios de comando necessários, segundo DE198 10 466, são complexos e onerosos.
A presente invenção tem por finalidade prevenir esses inconve- nientes por meios, ao mesmo tempo, mais simples e mais precisos, e de um rendimento fluídico superior.
Para isso, de acordo com a invenção, um motor à combustão interna do tipo pré-citado e conhecido por DE 198 10 466 é caracterizado pelo fato de os condutos de admissão serem conformados para provocar um campo de velocidades do ar no interior do cilindro paralelo ao eixo desse cilindro, e pelo fato de a calculadora comandar o movimento pelo menos dessas duas válvulas de admissão para adaptar a forma do campo de velo- cidades do ar ao interior do cilindro no regime motor, e criar um campo de velocidades escolhido dentre os campos de velocidades paralelos ao eixo do cilindro e rotacionais em torno do eixo do cilindro.
Assim, graças a essas disposições, é possível controlar a qual- quer instante o campo de velocidades no interior do cilindro, graças ao co- mando eletrônico das válvulas.
Em modos de realização preferidos da invenção, pode-se even- tualmente ter recorrido, além disso, a uma e/ou à outra das seguintes dispo- sições:
- o motor é um motor de ignição comandada;
- a forma da cabeça do pistão é perfilada para provocar, quando do movimento do pistão, um dos movimentos axial e rotacional do campo de
velocidades do ar;
- a calculadora comanda a velocidade de deslocamento de cada válvula de admissão; - a calculadora controla as válvulas de admissão para provocar um campo de velocidades rotacional, quando do funcionamento com carga reduzida do motor e um campo de velocidades axial, quando do funciona- mento com carga elevada do motor;
- a calculadora controla as válvulas de admissão para obter uma
transição contínua de um dos campos de velocidade axial e rotacional para o outro dos campos de velocidades axial e rotacional; e
- a calculadora controla os instantes de abertura e de fecha- mento de pelo menos uma válvula de escapamento.
Outras características e vantagens da invenção aparecerão du- rante a descrição a seguir de uma de suas formas de realização, dada a tí- tulo de exemplo não limitativo, com relação aos desenhos anexados nos quais:
- a figura 1 representa uma vista esquemática de um cilindro de um motor à combustão interna de injeção direta, munido de duas válvulas de admissão e de duas válvulas de escapamento que são comandadas por uma calculadora;
- as figuras 2a e 2b são gráficos que mostram, respectivamente, os movimentos sincronizados das válvulas de admissão, segundo a técnica anterior;
- as figuras 3a e 3b mostram, respectivamente, o movimento das válvulas de admissão, segundo a presente invenção, para se obter um cam- po do tipo TUMBLE, com condutos de aspiração concebidos de origem para oferecer esse tipo de escoamento;
- as figuras 4a e 4b mostram, respectivamente, o movimento das válvulas de admissão, segundo a presente invenção, para se obter um cam- po do tipo SWIRL; e
- as figuras 5a e 5b mostram o movimento das válvulas de ad- missão, segundo a presente invenção, para passar, de maneira contínua, de um campo do tipo SWIRL para um campo do tipo TUMBLE.
A figura 1 representa esquematicamente um dos cilindros, de um motor à combustão interna de injeção direta. Esse motor é, de preferência, de ignição comandada.
Nesse cilindro 1 se desloca um pistão 2 que possui uma cabeça .3 diante da qual ficam situadas duas válvulas de admissão 4 e 5, assim como duas válvulas de escapamento 6 e 7. Cada uma das válvulas de ad- missão 4 e 5 é instalada em respectivamente um dos condutos de admissão .8 e 9, e as válvulas de escapamento 6, 7 são, respectivamente, instaladas em condutos de escapamento 10, 11.
A fim de injetar combustível no interior do cilindro 1, um injetor (não representado) é posicionado, de maneira conhecida em si, acima da cabeça 3 do pistão 2. Esse combustível se mistura com o ar admitido pelas válvulas de admissão 4 e 5.
As válvulas de admissão 4 e 5 são, por exemplo, válvulas ele- tromagnéticas cuja abertura e cujo fechamento são comandados, de acordo com a presente invenção, por uma calculadora 15 de controle motor. Essa calculadora comanda, por outro lado, o injetor e a ignição. As válvulas 4 e 5 são, por exemplo, do tipo descrito no documento WO 99/06677.
O pistão 2 se desloca alternadamente de modo vertical, segundo o eixo X-X do cilindro 1. Sua cabeça 3 é de forma perfilada para provocar, dentre outros, à medida do possível, segundo suas características, campos de velocidades de formas diferentes no interior do cilindro 1, segundo o re- gime motor e a carga motriz. A cabeça 3 do pistão 2 é, por exemplo, aquela descrita no documento FR 98 10293.
Tipicamente, a fim de misturar a mistura ar/combustível, dois tipos de campo de velocidades são criados. Um primeiro campo é denomi- nado campo de velocidades "axial" ou "TUMBLE", no qual os gases se des- locam paralelamente ao eixo X-X do cilindro 1, e um segundo campo de ve- locidades é denominado "campo rotacional" ou "SWIRL" no qual os gases se deslocam perpendicularmente ao eixo X-X do cilindro 1.
Em particular, o campo de velocidades SWIRL é criado, quando a carga do motor é fraca, e o campo de velocidades TUMBLE é criado, quando a carga do motor é elevada.
De acordo com a presente invenção, as formas das partes cons- titutivas do motor, e notadamente as formas dos condutos de admissão são adaptados para se obter, por construção, um campo de velocidades TUMBLE.
A passagem do campo de velocidades TUMBLE no campo de velocidades SWIRL e inversamente é obtida, segundo a presente invenção, pelo comando eletrônico das válvulas de admissão 4 e 5. Estas não são li- gadas a uma árvore de manivelas do motor, de modo que podem ser co- mandadas independentemente uma da outra e independentemente do ciclo motor.
As figuras 2a e 2b mostram, respectivamente, que o movimento
das válvulas de admissão 4, 5 da técnica anterior está ligado ao ângulo de rotação da árvore de manivelas do motor. As válvulas têm, portanto, um mo- vimento que não pode ser comandado independentemente do ciclo motor, de modo que o movimento das válvulas não permite modificar o campo de velocidades, notadamente a duração de plena abertura Δΐ1 é muito curta e não variável.
Ao contrário, de acordo com a presente invenção, as figuras 3a a 5b mostram que o comando eletrônico das válvulas de admissão 4, 5 torna o movimento dessas válvulas independente daquele da árvore de manivelas e permite modificar ou não modificar, de forma voluntária, o campo de velo- cidades segundo o regime e a carga motriz.
Assim, provocando a abertura e o fechamento das válvulas de admissão 4, 5 sensivelmente ao mesmo tempo, respectivamente nos ins- tantes t1 e t2 conforme está representado nas figuras 3a e 3b, a calculadora 15 permite não modificar o campo do tipo TUMBLE criado pela forma das partes constitutivas do motor.
A calculadora permite, além disso, controlar a duração de aber- tura At3 das válvulas de admissão 4, 5 para se obter um efeito TUMBLE má- ximo.
O comando eletrônico permite, além disso, comandar a veloci-
dade de abertura e a velocidade de fechamento das válvulas de admissão 4,5 para se obter uma modificação mais ou menos rápida do campo de veloci- dades. A velocidade de abertura pode notadamente ser diferente da veloci- dade de fechamento.
Quando a carga do motor se torna reduzida, é necessário esta- bilizar a combustão, criando um campo de velocidade rotacional (SWIRL) elevado.
De acordo com a presente invenção, esse campo SWIRL é obti- do por comando eletrônico das válvulas de admissão 4, 5. Para se obter um efeito SWIRL máximo, a calculadora comanda à abertura em um instante t4 uma 4 das duas válvulas de admissão 4, 5 e mantém fechada a outra válvula de admissão 5, conforme foi esquematizado nas figuras 4a e 4b. A duração de abertura At4 é igualmente controlada.
Além disso, o comando eletrônico dos instantes de abertura e de fechamento de cada uma dessas válvulas de admissão 4, 5 permite passar de um desses campos para o outro dos campos de maneira contínua.
Por exemplo, nas figuras 5a e 5b está representado o comando das válvulas 4, 5 para passar do campo SWIRL para o campo TUMBLE. A abertura da segunda válvula de admissão 5 em um instante t8 é posterior à abertura da primeira válvula de admissão 5 em um instante t8 é posterior à abertura da primeira válvula de admissão 4 em instante t6, enquanto que essas duas válvulas 4, 5 são fechadas quase simultaneamente nos instantes vizinhos Xl e t9. As durações respectivas de abertura At5 e At6 não são, portanto, iguais.
Graças ao comando eletrônico das válvulas 4, 5, é assim possí- vel estabilizar um campo de velocidades altamente turbulento (SWIRL ou TUMBLE), de forma a permitir a combustão de uma mistura ar/gasolina ex- tremamente pobre e assim reduzir o consumo de combustível, sem neces- sitar a presença de dispositivos mecânicos pouco precisos nos condutos de admissão, a montante das válvulas de admissão. Notadamente, os condutos de admissão são de um desenho simplificado que favorece o efeito TUMBLE (condutos de admissão retos) e provocando uma perda de carga mínima do fluxo atravessador.
Por outro lado, as válvulas de escapamento 6 e 7 são igual- mente comandadas eletronicamente. Assim, além dos modos de funciona- mento conhecidos, isto é, a varredura (evacuação dos gases do cilindro) e a EGR interna (recirculação dos gases de escapamento), é possível estabilizar a temperatura da câmara de combustão para favorecer a evaporação do jato de combustível. Para isso, modulam-se as leis de varredura e de EGR inter- na pelo comando dos instantes de abertura e de fechamento das válvulas de escapamento 6 e 7 para fazer recircular uma quantidade de gás de escapa- mento suplementar e necessária para estabilizar a temperatura média na câmara de combustão em um valor apropriado. Isto é particularmente inte- ressante, quando a carga é reduzida, já que a temperatura é, então, natu- ralmente baixa.
Compreende-se o comando eletrônico das válvulas de admissão .4, 5 e de escapamento 6, 7 pode, além disso, ser realizado de maneira inde- pendente para cada cilindro 1 do motor para estabilizar ao máximo a com- bustão. Quando do desenvolvimento do motor, os parâmetros de controle das válvulas que são elaborados para cada cilindro, em função do ponto de funcionamento do motor f(n, q), no qual η é o regime motor e q é a carga, são implantados em memórias cartográficas na calculadora 15 de controle motor.

Claims (5)

1. Motor à combustão interna de injeção direta, compreendendo uma árvore de manivelas e pelo menos dois cilindros (1), em cada cilindro (1) se desloca um pistão (2) que é associado a pelo menos duas válvulas de admissão (4, 5), cada uma instalada em um conduto de admissão (8, 9) e a pelo menos uma válvula de escapamento (6, 7), o deslocamento dessas vál- vulas (4, 5, 6, 7) sendo independente da rotação da árvore de manivelas e comandada por uma calculadora (15) que comanda, cilindro por cilindro, os instantes de abertura e fechamento de pelo menos essas duas válvulas de admissão (4, 5), considerando-se o regime motor, caracterizado pelo fato de os condutos de admissão (8, 9) serem conformados para provocar um cam- po de velocidades do ar no interior do cilindro paralelo ao eixo (X-X) desse cilindro (1), essa calculadora (15) comanda o movimento de pelo menos es- sas duas válvulas de admissão (4, 5), para adaptar a forma do campo de velocidades do ar no interior do cilindro (1) ao regime motor, e criar um campo de velocidades escolhido dentre os campos de velocidades parale- las ao eixo (X-X) do cilindro (1) e rotacionais em torno do eixo (X-X) do cilindro (1).
2. Motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o motor ser um motor de ignição comandada.
3. Motor, de acordo com uma das reivindicações 1 e 2, caracte- rizado pelo fato de a forma da cabeça (3) do pistão (2) ser perfilada para provocar, quando do movimento do pistão (2), um dos movimentos axial e rotacional do campo de velocidades do ar.
4. Motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a calculadora (15) comandar a velocidade de des- locamento de cada válvula de admissão (4, 5).
5. Motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de a calculadora (15) controlar essas válvulas de admissão (4, 5) para provocar um campo de velocidades rotacional, quando do funcionamento de carga reduzida do motor, e um campo de velocidades axial, quando do funcionamento de carga elevada do motor.
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