BR102014031677A2 - sistema de admissão de um motor a combustão interna - Google Patents

Abstract

sistema de admissão de um motor a combustão interna.a invenção refere-se, de uma maneira geral, a um sistema de admissão para um motor a combustão interna e, mais particularmente, a invenção está relacionada a um sistema de admissão que permite um maior resfriamento do ar de admissão. de acordo com uma realização da invenção, o sistema de admissão compreende um coletor (20) associado à admissão de um motor a combustão interna (10), sendo que o dito coletor compreende: uma abertura (27) para receber os gases de admissão comprimidos a partir de um compressor (42); e pelo menos uma entrada (21) e uma saída (22) para circulação de um fluido de refrigeração no dito coletor; e uma linha de refrigeração (23, 24) associada ao dito coletor, sendo que dita linha de refrigeração compreende pelo menos um primeiro trocador de calor (25) associado fluidicamente à dita entrada e à dita saída, sendo que a dita linha de refrigeração compreende adicionalmente um segundo trocador de calor (50) baseado na tecnologia peltier.

Description

“SISTEMA DE ADMISSÃO DE UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA” Campo da Invenção [001] A invenção refere-se, de uma maneira geral, a um sistema de admissão para um motor a combustão interna e, mais particutarmente, a invenção está relacionada a um sistema de admissão que permite um resfriamento mais eficiente do ar de admissão. O resfriamento mais eficiente é feito através inclusão de células Peltíer no resfríador de ar comumente existente nos sistemas de admissão do ar.

Antecedentes da Invenção [002] Motores a combustão interna, tais como os motores que empregam os conhecidos ciclos Oito ou Diesel, são ampla e comumente utilizados em veículos destinados à mobilidade tanto de pessoas como de bens, tais como veículos de passeio, de transporte e de cargas, incluindo caminhões e locomotivas. Em síntese, tais motores utilizam um combustível contendo alto teor de hidrocarbonetos, como combustíveis fósseis e/ou oriundos de fontes renováveis, para transformar a energia térmica da queima do combustível em energia cinética.

[003] A construção de um motor a combustão interna é bastante conhecida e consiste, basicamente, de um pistão que se move no interior de um cilindro que está associado a um virabrequim. No lado superior do pistão, é prevista uma câmara de combustão que compreende, dentre outros elementos como velas e/ou bicos injetares, peto menos uma válvula de admissão e uma válvula de exaustão.

[004] Os componentes e funcionamento de um motor a combustão interna tanto do cicio Otto como do cicio Diesel são de conhecimento comum aos técnicos no assunto, motivo pelo qual são desnecessárias maiores explicações no presente relatório descritivo.

[005] Existe hoje uma preocupação crescente com a diminuição das emissões de gases produzidos pelos motores a combustão interna, que são responsáveis por grande parte da liberação de CO2 na atmosfera, A mudança climática é um dos desafios ambientais mais relevantes da atualidade, com consequências graves. Este problema vem sendo causado pela intensificação do efeito estufa, que, por sua vez, está relacionado com o aumento da concentração na atmosfera de gases geradores de efeito estufa (GEE), dentre eles o dióxido de carbono.

[006] Nos últimos anos, a fim de minimizar a emissão de gases nocivos ao ambiente, como o monóxido de carbono (CO), gases hidrocarbonetos (HC), óxidos de nitrogênio (NOx), bem como de materiais particulados e/ou outros GEEs, uma série de tecnologias foi incorporada aos motores a combustão interna, A redução de emissões de gases está relacionada, dentre outros fatores, ao aumento do rendimento térmico do motor e, consequentemente, à redução do consumo específico de combustível.

[007] Nesse sentido, tecnologias como a injeção eletrônica, o catalisador, filtros de materiais particulados são, hoje em dia, bastante difundidas e empregadas quase que obrigatoriamente em todos os motores a combustão interna. Outras tecnologias mais recentes, como a injeção direta de combustível, 0 common-rail para motores que utilizam o cicio Diesel, e a utilização em maior escala de tecnologias há muito conhecidas, como compressores mecânicos ou turbocompressores, também estão sendo associadas a fim de aumentar a eficiência energética e atender a normas de emissões cada vez mais rígidas.

[008] Quando empregados compressores mecânicos ou turbocompressores, existe o problema intrínseco do aumento da temperatura do ar de admissão, uma vez que o aumento da pressão do ar destinado à combustão significa, igualmente, um aumento na temperatura, segundo a relação já conhecida; em que Po é a pressão inicial do fluido antes da compressão, P1 é a pressão do fíuido após a compressão, Vo é o volume inicial do fluido antes da compressão, V1 é o volume final do fluido após a compressão, To é a temperatura do fluido antes da compressão e TI é a temperatura do fluido após a compressão.

[009] A fim de contornar este inconveniente relacionado ao aumento da temperatura do ar após a compressão, é conhecida a utilização de radiadores para resfriar o ar antes da entrada na câmara de combustão, comumente denominados de intercooler.

[010] No entanto, como mencionado acima, os motores a combustão interna estão desenvolvendo uma potência específica cada vez mais alta e, como consequência, os compressores mecânicos e turbocompressores estão trabalhando a pressões cada vez maiores. É necessário, igualmente, prover um meio de refrigeração mais eficiente para o ar que é utilizado para a combustão, de forma a melhorar o rendimento térmico do motor a combustão.

[011] A invenção visa contornar estes inconvenientes encontrados no estado da técnica, dentre outros.

Descrição da Invenção [012] Portanto, é um primeiro objetivo da invenção prover um sistema de admissão de um motor a combustão interna que proporcione uma redução maior da temperatura do ar de admissão, em comparação aos sistemas conhecidos que empregam um compressor mecânico ou um turbocompressor associado a um intercooler.

[013] A fim de atender o objetivo acima, dentre outros, a invenção refere-se a um sistema de admissão de um motor a combustão interna, que compreende; - um coletor associado à admissão de um motor a combustão interna, sendo que o dito coletor compreende; uma abertura para receber os gases de admissão comprimidos a partir de um compressor; e pelo menos uma entrada e uma saída para circulação de um fluido de refrigeração no dito coletor; e - uma linha de refrigeração associada ao dito coletor, sendo que dita linha de refrigeração compreende pelo menos um primeiro trocador de calor associado fiuídicamente â dita entrada e è dita saída; - em que a dita linha de refrigeração compreende adicionalmente um segundo trocador de calor.

[014] De acordo com realizações adicionais e/ou alternativas da invenção, as seguintes características, sós ou em combinações tecnicamente possíveis, também podem estar presentes: - dito compressor é um compressor mecânico; - dito compressor é um turbocompressor acionado pelos gases de combustão de um motor a combustão interna; - dito primeiro trocador de calor é um radiador; - dito segundo trocador de calor é um trocador de calor Peltier.

Breve Descrição dos Desenhos [015] A invenção será agora descrita com relação às suas realizações particulares, fazendo-se referência à figura anexa. Tal figura é esquemática, e suas dimensões e/ou proporções podem não corresponder à realidade, uma vez que visa apenas a ilustrar uma realização da invenção de forma didática. Certos elementos já conhecidos foram omitidos para maior clareza de entendimento, sendo que: A figura 1 é uma vista superior esquemática de um motor a combustão interna associado ao sistema de admissão de ar da invenção.

Descrição de Realizações da Invenção [016] A invenção é agora descrita com relação às suas realizações particulares. Realizações específicas são descritas em detalhes, com o entendimento que devem ser consideradas uma exemplificação de seus princípios, e não se destinam a limitar a invenção ao que está apenas descrito no presente relatório. Deve-se reconhecer que os diferentes ensinamentos das realizações discutidas a seguir podem ser empregados separadamente ou em qualquer combinação adequada para produzir os mesmos efeitos técnicos.

[017] A figura 1 é uma representação esquemática de um motor a combustão interna (10) que está associado, de um lado, a um coletor de admissão (20) e a um coletor de escape (30). O motor aqui representado apresenta um fluxo cruzado, ou seja, em que a admissão e o escape estão dispostos em lados opostos do cabeçote ao longo de sua seção longitudinal, mas naturalmente a invenção também se aplica, sem qualquer prejuízo, a um motor que tenha a admissão e o escape localizados no mesmo lado do cabeçote.

[018] Naturalmente, o motor está representado de forma esquemática na figura 1, e inúmeros de seus outros componentes foram omitidos porque não são relevantes para o entendimento da invenção.

[019] A invenção se destina, de forma particular, a motores a combustão interna que utilizam algum meio de compressão dos gases de admissão, ou seja, o ar ambiente, seja através de um compressor acionado mecanicamente, seja através de um turbocompressor, acionado pelos gases resultantes da combustão, [020] Na figura 1, está representado um turbocompressor (40) acionado pelos gases de combustão do motor que são coletados pelo coletor de escape (30), enviados à turbina (41) e, então, ao sistema de escapamento (não representado) do veículo, conforme representado pela flecha (A). Do outro lado, o compressor (42) faz a admissão do ar ambiente, comprime os gases que são, então, conduzidos ao coletor de admissão (20) e encaminhados à câmara de combustão, conforme representado pela flecha (B). Naturalmente, o ar de admissão é misturado com um combustível para realizar a combustão, assim como o sistema de admissão do veículo geralmente compreende uma válvula borboleta (21) para regular a quantidade de ar que é admitida.

[021] O sistema da invenção compreende iguaimente um meio de refrigeração dos gases de admissão que foram previamente comprimidos, de forma a diminuir a temperatura do ar e, dessa forma, permitir que um maior volume de ar seja introduzido na câmara de combustão, [022] De forma particular, o meio de refrigeração é um intercooler ar/água, em que a troca de calor do ar de admissão é realizada no próprio coletor (20) e, nesse sentido, o coletor compreende uma entrada (21) e uma saída (22) de um fluido destinado a realizar a troca de calor, fluido este que geralmente é água. No interior do próprio coletor é previsto um trocador de calor para a refrigeração do ar de admissão.

[023] Um primeiro trocador de calor (25) é previsto para resfriar o fluido do intercooler e, nesse sentido, a entrada (21) e a saída (22) de água estão associadas fluidicamente ao primeiro trocador de calor (23) através de condutos adequados (23, 24). Em funcionamento, a água refrigerada pelo trocador de calor (25) é conduzida à entrada (21) do coletor, onde ocorre a troca de calor com o ar de admissão, resfriando o mesmo. A água aquecida resultante, corre pela saída (22) em direção ao primeiro trocador de calor (25) onde é realizado a troca de calor com o ambiente para o resfriamento da mesma. A circulação de água pode ser realizada tanto por convecção como ser forçada através de uma bomba (26), por exemplo.

[024] Um sistema de admissão utilizando-se um intercooler ãgua/ar tal como descrito acima é, em si, conhecido, e não são necessários maiores detalhamentos no presente relatório descritivo.

[025] A invenção propõe que seja introduzido um segundo trocador de calor (50) para um maior resfriamento do fluido do intercooler, de forma a aumentar a troca de calor que ocorre no coletor (20) e, consequentemente, reduzir ainda mais a temperatura do ar de admissão, tomando a combustão ainda mais eficiente. De forma particular, de acordo com uma realização da invenção, o segundo trocador de calor (50) é um trocador de calor Peltier.

[026] O efeito Peltier, é a produção de um gradiente de temperatura na junção de dois materiais condutores ou semicondutores diferentes quando submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado, criando um lado quente e um lado frio pela transferência de calor. O efeito Peltier, ou efeito termoelétrico, é também conhecido e possui inúmeras aplicações.

[027] De acordo com a invenção, o lado frio de uma célula Peltier é prevista para estar em contado com a água (ou outro fluido) utilizado no intercooler e, conforme representado na figura 1, a célula Peltier está posicionada no conduto (23) do fluido antes da entrada (21) para o coletor de admissão.

[028] Naturalmente, uma célula Peltier necessita de uma corrente elétrica para permitir a troca de calor e, nesse sentido, a célula Peltier pode estar conectada a um sistema elétrico do veículo ou da aplicação do motor a combustão interna. Adícionaimente, a célula Peltier empregada como segundo trocador de calor conforme esta realização da invenção pode igualmente estar associada ao sistema de gerenciamento eletrônico do motor a combustão, para que seja ligada ou desligada conforme a necessidade de maior ou menor resfriamento do fluido utilizado para a troca de calor no intercooler.

[029] Apesar de a invenção ter sido descrita com relação às suas realizações particulares, os técnicos no assunto poderão realizar alterações ou combinações não contempladas acima sem, no entanto, se desviar dos ensinamentos aqui descritos, além de expandir para outras aplicações não apreciadas no presente relatório descritivo. Portanto, as reivindicações anexas devem ser interpretadas como cobrindo todos e quaisquer equivalentes que se enquadram dentro dos princípios da invenção.

Claims (5)

1. SISTEMA DE ADMISSÃO DE UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA, que compreende: - um coletor (20) associado à admissão de um motor a combustão interna (10), sendo que o dito coletor compreende: uma abertura (27) para receber os gases de admissão comprimidos a partir de um compressor (42); e pelo menos uma entrada (21) e uma saída (22) para circulação de um fluido de refrigeração no dito coletor; e - uma linha de refrigeração (23, 24) associada ao dito coletor, sendo que dita linha de refrigeração compreende pelo menos um primeiro trocador de calor (25) associado fluidicamente à dita entrada e à dita saída; - caracterizado pelo fato de que a dita linha de refrigeração compreende adicionalmente um segundo trocador de calor (50).

2. SISTEMA DE ADMISSÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pefo fato de que dito compressor é um compressor mecânico.

3. SISTEMA DE ADMISSÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito compressor é um turbocompressor acionado pelos gases de combustão de um motor a combustão interna.

4. SISTEMA DE ADMISSÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito primeiro trocador de calor é um radiador.

5. SISTEMA DE ADMISSÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito segundo trocador de calor é um trocador de calor Peltier.