BR102012017841A2 - Galeria modular de combustivel aquecida para sistemas de injeção a média e alta pressão - Google Patents

Abstract

GALERIA MODULAR DE COMBUSTÍVEL AQUECIDA PARA SISTEMAS DE INJEÇÃO A MÉDIA E ALTA PRESSÃO. A presente invenção se refere a uma galeria de combustível modular para aplicações a média e alta pressão, que pode ser adaptada a motores mono ou multi cilindros e que permite o aquecimento do combustível dentro da galeria. A dita galeria compreende ao menos um entre um elemento base B1 ou B2 (19; 10, 10<39>, 10"),dito elemento de base B1 ou B2 na forma de um corpo tubular compreendendo respectivas extremidades (17, 17<39>); ao menos um bocal (11) de entrada de combustível; e ao menos uma conexão (12) para os injetores de combustível (6); e ao menos um elemento de aquecimento (15) montado em uma extremidade (17) do elemento de base B1 ou B2.

Description

Galeria modular de combustível aquecida para sistemas de injeção a média e alta

pressão.

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção se refere a uma concepção de galeria de combustível modular para aplicações a média e alta pressão, que pode ser aplicada em motores de combustão interna mono ou multi cilindros e que requerem o aquecimento do combustível no interior da galeria.

ESTADO DA TÉCNICA

Cada vez que se queira realizar uma injeção direta de 10 combustível na câmara de combustão de um motor de combustão interna (MCI), seja um motor a gasolina com ignição comandada (SI) ou a diesel com ignição por compressão (Cl), é necessário gerar um gradiente de pressão no injetor de combustível superior a pressão no interior do cilindro quando este se encontra no Ponto Morto Superior (PMS). Este gradiente de pressão é aplicado no sistema Common Rail (CR) sem retorno de um 15 ou mais injetores de combustível através de uma bomba de pressão médio/alta que abastece com uma pressão entre 6 e 50 MPa1 para aplicações com injeção direta SI, e entre 60 e 200 MPa, para aplicações Cl.

A Figura 1 mostra as partes principais do sistema de preparação da mistura para um moderno motor MCI alimentado com um sistema CR. O combustível é transferido por meio de uma bomba a baixa pressão do tanque (1) através de um filtro específico (2) a uma bomba de alta pressão (3) que apresenta válvulas de controle de fluxo (3a) e uma ou mais saídas de alta pressão (3b), que fornecem o combustível a uma pressão entre 50 e 200 MPa a galeria (4) comum para todos os injetores de combustível (6). Uma Unidade de Controle Eletrônica (ECU) (7), que coleta todas as informações do motor como rotação, temperatura, pressão de combustível (sensor de pressão 5) e os objetivos de desempenho, adaptando os parâmetros de controle motor de forma a otimizar o número e a duração das injeções para atender sejam os objetivos de desempenho ou emissões de poluentes do motor. A galeria de combustível pode, de forma opcional, ser equipada com uma válvula de segurança de pressão normalmente fechada (8), para situação de pressão excessiva (maior 200 MPa).

Normalmente a galeria de combustível (CR) é constituída de um tubo em material metálico compatível com os requisitos de pressão e que atende somente uma configuração de número de cilindros/injetores. O volume interno da galeria (Ltubo x (Π x Dtubo2)/4) é geralmente adaptado para amenizar as oscilações de pressão na 35 galeria para que sejam menores que ±10% da máxima pressão de trabalho possível. Por exemplo, para um motor a gasolina de quatro cilindros Dl este volume será de aproximadamente 35 cm3. Para aplicações SI e Cl, alimentadas seja com gasolina ou com diesel derivado do petróleo, a galeria de combustível não é provida de nenhum tipo de equipamento de aquecimento.

Em anos recentes, com a introdução de misturas de biocombustíveis para motores SI (que combinam gasolina pura e o etanol em várias porcentagens - flex fuel) virou tendência de sucesso como meio prático e eficaz para 5 reduzir a quantidade de CO2 lançados na atmosfera. Recentemente o uso de biocombustíveis de origem vegetal é indicado como solução possível para transformar o motor Cl numa opção ecológica mais correta.

De qualquer forma, se estes motores a injeção direta de combustível são alimentados com biocombustíveis (tipicamente etanol para motores SI e metilester (Fatty Acid Methyl Esters (FAME)) de origem vegetal para motores Cl), as partidas do motor a baixa temperatura são dificultadas.

Para resolver o problema das partidas em baixa temperatura em motores SI alimentados através de injetores baixa pressão (Port fuel injectors (PFI) Praii < 1 MPa) com etanol foi necessário desenvolver um sistema de aquecimento 15 controlado para aumentar a temperatura do combustível dentro da galeria durante a fase de partida (vide por exemplo as referências Pl 0705422-0 e EP 2071159). Uma solução similar foi estudada para aplicações a média e alta pressões que levou a presente inovação de uma particular estrutura modular, que permite soluções para motores mono ou múltiplo cilindros e desta forma garantir a presença de um equipamento de 20 aquecimento do combustível na galeria.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

Desta forma, a presente invenção compreende uma galeria de combustível modular, destinada a ser empregada em motores de combustão interna com injeção direta de combustível e passível de ser adaptada a motores com um ou mais 25 cilindros, através da combinação de elementos base e de acessórios padronizados, sendo que a galeria compreende: ao menos um entre um elemento base B1 ou B2, dito elemento de base B1 ou B2 na forma de um corpo tubular compreendendo respectivas extremidades; ao menos um bocal de entrada de combustível, e ao menos uma conexão para os injetores de combustível; e ao menos um elemento de aquecimento montado em 30 uma extremidade do elemento de base B1 ou B2. Além disto, o elemento de base B1 compreende um corpo tubular centralmente oco e apresentando extremidades terminais opostas uma em relação a outra, sendo que a partir do dito corpo tubular se projetam, com desenvolvimento transversal em relação ao eixo longitudinal do corpo tubular, um bocal para a entrada de combustível, bem como uma conexão para os injetores de 35 combustível, sendo que, preferencialmente, a conexão se projeta em direção oposta em relação ao bocal para a entrada de combustível. Da mesma forma, o elemento de base B2 compreende um corpo tubular centralmente oco e apresentando extremidades terminais opostas uma em relação à outra, sendo que a partir do dito corpo tubular se projetam, com desenvolvimento transversal em relação ao eixo longitudinal do corpo tubular, um bocal para a entrada de combustível, bem como duas conexões para os injetores de combustível, sendo que, preferencialmente, as conexões se projetam em direção oposta em relação ao bocal para a entrada de combustível.

Na presente invenção a estrutura fixa convencional de uma

galeria de combustível é dividida em partes padrões elementares que têm a entrada de combustível e uma, definida como elemento base B1, ou duas, definida como elemento base B2, saídas de combustível para os injetores. Cada elemento pode ser aplicado em separado onde o elemento base B1 é aplicado em um motor monocilindro e o elemento base B2 é aplicado a um motor bicilindro ou em série fixados através de parafusos de conexão para motores multi cilindros. Da mesma forma a montagem de um elemento base B1 junto a um elemento base B2 gera uma galeria de combustível para um motor três cilindros, a montagem de dois elementos B2 gera uma galeria de combustível para um motor quatro cilindros e a montagem de dois elementos B2 e um elemento B1 gera uma galeria de combustível para um motor de cinco cilindros e assim em diante. Cada elemento é constituído de elemento metálico ou sintético que atende os requisitos de pressão do combustível na galeria. A forma preferencial, mas não mandatória da galeria é tubular com um diâmetro interno menor que 20 mm. Cada conexão para a montagem ou cada parte terminal em caso de instalações de um elemento só é feito com material resistente a pressão e isolante do ponto de vista elétrico. Neste material quando usado na parte terminal do elemento é inserido o elemento de aquecimento, quando usado como elemento de conexão são inseridos dois elementos de aquecimento em contato com o combustível dentro da galeria. Desta forma a invenção acrescenta ao volume interno da galeria de combustível um ou mais elementos de aquecimento controlados eletricamente. Os elementos de aquecimento são alimentados através de um conector elétrico no caso de instalação terminal e através de pelo menos um conector elétrico para a instalação como conexão. Os elementos de aquecimento são instalados de forma que o elemento ativo de aquecimento é orientado ao longo ou paralelo ao eixo principal da galeria de combustível como sugerido no documento Pl 0805484-3 ou EP 09174659.4. Quando um elemento é instalado em separado (motores de um ou dois cilindros) estes têm em um lado da galeria de combustível um conector elétrico com um elemento de aquecimento e no outro lado um conector neutro onde pode ser inserido um sensor de pressão. Uma solução alternativa é aplicar um conector elétrico com um elemento de aquecimento em cada lado da galeria e neste caso o eventual sensor de pressão é montado na galeria de combustível.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A presente invenção será melhor entendida através das figuras anexas, fornecidas somente de forma ilustrativa sem por isso limitar o escopo da invenção, nas quais: - A Figura 1 mostra, de forma esquemática e de acordo com o estado da arte, os elementos principais do sistema de preparação da mistura de um moderno motor Dl;

- A Figura 2 é uma vista frontal e parcialmente seccionada ilustrando dois elementos base B2, compondo uma galeria para um motor de quatro cilindros;

- A Figura 3 é uma vista parcialmente seccionada ilustrando uma instalação alternativa da tampa de conexão realizada através da junção em série de duas tampas terminais simétricas;

- A Figura 4 é uma vista em perspectiva e parcialmente seccionada ilustrando a montagem de um elemento base B2 para um MCI de dois cilindros;

- A Figura 5 é uma vista frontal e parcialmente seccionada ilustrando uma instalação alternativa de um elemento base B2 onde é aplicada uma tampa terminal com um elemento de aquecimento a cada extremidade da galeria e um sensor de pressão do combustível;

-A Figura 6 é uma vista em frontal e parcialmente seccionada ilustrando a instalação de um elemento base mono cilindro B1;

- A Figura 7 é uma vista em perspectiva ilustrando, em detalhe, a tampa terminal com o elemento de aquecimento; e

- A Figura 8 é uma vista esquemática relativa ao diagrama elétrico do chicote para o controle dos elementos de aquecimentos e dos injetores de combustível.

DESCRIÇÃO DE UMA CONFIGURAÇÃO PREFERENCIAL

Em conformidade com as figuras anexas e em particular com as Figuras 4, 5 e 6, a invenção adapta a estrutura da galeria de combustível ao

número de cilindros do motor (1, 2, 3, .....) através de uma série de elementos

padronizados, no caso, o elemento base B1 (Figura 6) e o elemento base B2 (Figuras 4 e

5)·

A Figura 2 mostra o princípio de uma montagem completa para um motor de quatro cilindros realizado através da junção de dois elementos tipo B2 (10, 10’). Cada elemento tem uma entrada do combustível (11), que através de uma 30 única conexão é ligado a(s) saída(s) de alta pressão (3b) de uma bomba de alta pressão (3) (vide a figura 1). Cada elemento (10, 10’) tem duas conexões para injetores de combustível (12). Na extremidade aberta (17) do elemento (10) é agrupada a extremidade aberta (17) do elemento (10’) através de uma tampa terminal (13) padrão com isolamento elétrico, que é fixada entre os elementos (10, 10’) através de parafusos 35 (14). Na tampa terminal estão alojados dois elementos de aquecimento orientados ao longo ou paralelo ao eixo principal da galeria, uma que penetra na cavidade do elemento

(10), o outro na cavidade do elemento (10’). Na tampa terminal estão pelo menos um conector elétrico (Figura 2), ou dois (Figura 3), que permite a alimentação elétrica dos elementos de aquecimento (15). A extremidade direita do elemento (10’) termina com um fechamento neutro fechado (16) assim como a parte esquerda do elemento (10) termina com um fechamento onde pode ser inserido um sensor de pressão (17). As entradas de combustível (11) são ligadas, através de uma conexão comum, na bomba de combustível 5 (3); assim, o valor médio da pressão medido na extremidade (17) pelo sensor de pressão (5) é representativo de ambas as cavidades dos elementos (10, 10’).

A Figura 3 mostra uma instalação alternativa das tampas de conexão padrões onde a tampa é formada através de duas tampas terminais (13) padrões agrupadas entre os elementos através de parafusos (14).

A Figura 4 mostra uma configuração com um único

elemento B2 (10) onde pode ser identificada a entrada do combustível (11) e duas saídas dos injetores (12), as quais se projetam transversalmente em relação ao eixo longitudinal do elemento (10) desta galeria. Nesta versão, na extremidade aberta (17) à direita do elemento (10) é fixada uma tampa terminal (13), padrão e isolada eletricamente onde é 15 colocado o elemento de aquecimento (15). A tampa (13) é fixada através de três parafusos (14). Na extremidade neutra (17’) à esquerda do elemento (10) é inserido o sensor de pressão (5).

A Figura 5 mostra uma instalação alternativa de um elemento B2 simples (10”) onde em cada extremidade (17) da galeria é posicionada uma tampa terminal (13) padrão onde são colocados os elementos de aquecimento (15). Nesta versão um eventual sensor de pressão (5) é montado no corpo da galeria, e de forma transversal em relação ao seu eixo longitudinal.

A Figura 6 mostra o princípio de um elemento B1 (19) simples onde pode ser identificada a entrada de combustível (11) e a saída do injetor 25 (12). Nesta versão, a extremidade aberta (17) à direita do elemento B1 é formada por uma tampa terminal (13) padrão e isolada termicamente, onde é colocado o elemento de aquecimento (15). A tampa terminal (13) é fixada através de parafusos (14). Na extremidade neutra (17’) à esquerda do elemento B1 (19) é inserido o sensor de pressão (5).

A Figura 7 mostra os detalhes do elemento de aquecimento

(15). Dito elemento é uma unidade posicionada axialmente na galeria. Esta unidade é dividida em duas partes, a parte ativa para o aquecimento (15a) de comprimento típico entre 35 e 70 mm e o suporte não ativo (15b) com comprimento que permite posicionar centralmente a parte de aquecimento (15a) em relação a uma (versão curta como 35 indicado na Figura 5) ou duas (versão longa como indicado na Figura 4) saídas para os injetores. A parte axial é conectada a uma conexão ou conector através de um elemento (21) que garante a estanqueidade.

Cada elemento de aquecimento (15) é um atuador de ação rápida com uma curva de temperatura típica por volta de 70°C/s (medido em ar a 1 mm da superfície de aquecimento). Cada elemento de aquecimento absorve tipicamente por volta de 400 Wa 10 V de alimentação elétrica e a temperatura máxima do aquecedor é atingida por volta de 6 s. Os valores numéricos indicados acima não são Iimitativos e encontram-se apresentados a título de exemplo.

A Figura 8 mostra as conexões elétricas e o controle dos elementos de aquecimento (15) e dos injetores (6). Os conectores elétricos (23) dos elementos de aquecimento são conectados diretamente a bateria (24) através de um interruptor on/off (25). A ECU (7) controla as funções on/off do interruptor. Através destes 10 meios os elementos de aquecimentos podem ser a qualquer momento controlados em ciclos de comandos de duração variável, de acordo com o software gravado dentro da ECU. Os injetores de combustível (6) também são controlados através do software gravado na ECU (7).

Estando assim ilustradas as diversas formas possíveis de composição dos elementos base B1 e B2 (19, 10), com o escopo de formar uma galeria apta a ser empregada em um motor MCI, qualquer que seja a quantidade de cilindros e/ou injetores, é possível definir as estruturas que caracterizam cada um dos respectivos módulos.

Em particular, tanto o elemento B1 (19) quanto o elemento B2 (10) são definidos por um corpo tubular (29) centralmente oco e apresentando extremidades terminais (17, 17’) ou (17, 17) opostas. A partir do dito corpo tubular (29) se projetam, com desenvolvimento transversal em relação ao eixo longitudinal do corpo tubular, um bocal (11) para a entrada de combustível, bem como uma ou duas conexões

(12) para os injetores de combustível (6), sendo que, preferencialmente, as conexões (12) se projetam em direção oposta em relação ao bocal (11) para a entrada de combustível.

Uma primeira extremidade (17) do elemento B1 e/ou B2 é uma extremidade aberta e prevista para receber um elemento de aquecimento (15). Para tanto, exteriormente ao corpo tubular (29) é formado uma flange onde são previstas abas 30 (27) destinadas a receberem respectivos parafusos (14). Em uma forma de realização (vide a Figura 4), ditos parafusos são destinados a vincular o corpo tubular (29) a uma respectiva tampa terminal (13), na qual é montado o elemento de aquecimento (15). Em uma outra forma de realização, os ditos parafusos (14), são destinados a união de dois corpos tubulares adjacentes (vide a Figura 2) entre os quais é disposta a tampa terminal 35 (13), podendo esta ter um ou dois conectores elétricos (23) (vide Figura 3), com dois elementos de aquecimento (15) que se alojam no interior de cada elemento base, ou corpo tubular.

O corpo tubular que apresenta em sua concepção apenas uma conexão de saída de combustível para o injetor, é chamado de elemento base tipo B1 (19) (vide Figura 6). Assim como em outras configurações, o elemento base B1 é formado por um corpo tubular, apresentando em uma extremidade aberta (17) apropriada para receber a montagem do elemento de aquecimento (15) e tampa terminal (13), 5 fixados através de parafusos (14). A outra extremidade neutra (17’) pode ser do tipo aberta para receber o sensor de pressão, como no caso apresentando na Figura 6.

A extremidade neutra do corpo tubular, em um dos lados, pode ser aberta para receber a montagem do sensor de pressão (5), conforme a extremidade neutra (17’) do elemento base (10) (vide Figura 2). No caso de aplicação de 10 mais de um elemento base B2 ou B1, ou ainda, com a montagem do sensor de pressão ortogonalmente ao eixo de revolução do corpo tubular, a extremidade do corpo tubular pode vir a ser fechada, como o fechamento neutro fechado (16) do elemento base (10).

Claims (10)

1. Galeria de combustível modular destinada a ser empregada em motores de combustão interna com injeção direta de combustível e passível de ser adaptada a motores com um ou mais cilindros, através da combinação de elementos base e de acessórios padronizados, caracterizada pelo fato de que a galeria compreende: - ao menos um entre um elemento base B1 ou B2 (19; 10, 10’, 10”), dito elemento de base B1 ou B2 na forma de um corpo tubular compreendendo respectivas extremidades (17, 17’); ao menos um bocal (11) de entrada de combustível; e ao menos uma conexão (12) para os injetores de combustível (6); e - ao menos um elemento de aquecimento (15) montado em uma extremidade (17) do elemento de base B1 ou B2.

2. Galeria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o elemento de base B1 (19) compreende um corpo tubular (29) centralmente oco e apresentando extremidades terminais (17, 17’) opostas uma em relação a outra, sendo que a partir do dito corpo tubular (29) se projetam, com desenvolvimento transversal em relação ao eixo longitudinal do corpo tubular, um bocal (11) para a entrada de combustível, bem como uma conexão (12) para os injetores de combustível (6), sendo que, preferencialmente, a conexão (12) se projeta em direção oposta em relação ao bocal (11) para a entrada de combustível.

3. Galeria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o elemento de base B2 (10, 10’, 10”) compreende um corpo tubular (29) centralmente oco e apresentando extremidades terminais (17, 17’) opostas uma em relação a outra, sendo que a partir do dito corpo tubular (29) se projetam, com desenvolvimento transversal em relação ao eixo longitudinal do corpo tubular, um bocal (11) para a entrada de combustível, bem como duas conexões (12) para os injetores de combustível (6), sendo que, preferencialmente, as conexões (12) se projetam em direção oposta em relação ao bocal (11) para a entrada de combustível.

4. Galeria, de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que dito corpo tubular (29) compreende um bocal, transversal em relação ao eixo longitudinal da galeria, destinado a acoplar um sensor de pressão (5).

5. Galeria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o acoplamento entre um primeiro elemento de base B1 ou B2 e um segundo elemento de base B1 ou B2 é intermediado por uma tampa terminal (13) compreendendo dois elementos de aquecimento (15), opostos entre eles.

6. Galeria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o acoplamento entre um primeiro elemento de base B1 ou B2 e um segundo elemento de base B1 ou B2 é intermediado por duas tampas terminais (13), adjacentes uma em relação a outra, cada qual compreendendo um elemento de aquecimento (15).

7. Galeria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a tampa terminal (13) compreende um corpo eletricamente isolante e do qual se projeta radialmente ao menos um conector elétrico (23) e do qual se projeta longitudinalmente ao menos um elemento de aquecimento (15), dito elemento de aquecimento (15) sendo composto por uma parte ativa (15a) portada e projetante a partir de uma parte inativa (15b) de suporte, sendo que parte inativa (15b) apresenta um comprimento de modo a posicionar a parte ativa de forma simétrica em relação as saídas dos injetores (12).

8. Galeria, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a dita tampa terminal (13) compreende um conector elétrico (23) e dois elementos de aquecimento, cada um dos quais se projetando em uma direção longitudinal oposta em relação ao corpo de dita tampa terminal (13).

9. Galeria, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a dita tampa terminal (13) compreende dois conectores elétricos (23) adjacentes e dois elementos de aquecimento, cada um dos quais se projetando em uma direção longitudinal oposta em relação ao corpo de dita tampa terminal (13).

10. Galeria de combustível conforme reivindicações 1, 2 e 3, caracterizada pelo fato da(s) entrada(s) de combustível frio, para uma conexão em série de pelo menos dois elementos base, serem todas ligadas através da mesma tubulação comum a saída da bomba de alta pressão permitindo manter a mesma pressão de trabalho comum através de um sensor de pressão (5) instalado em uma das cavidades da galeria de combustível.