BR102015023180B1 - Sensor capacitivo para identificação de composição de combustível para motores automotivos flex à combustão interna - Google Patents

Abstract

SENSOR CAPACITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE COMPOSIÇÃO DE COMBUSTÍVEL PARA MOTORES AUTOMOTIVOS FLEX À COMBUSTÃO INTERNA. Sensor capacitivo baseado em cilindros concêntricos, destinado à determinação do tipo de combustível (etanol ou gasolina) ou da proporção de sua mistura, capaz de identificar o tipo de fluido (combustível) em seu interior, de modo dinâmico e contínuo. Apresenta um elemento separador, responsável pela fixação em rosca e contra-rosca dos elementos do sensor, e um sensor de temperatura. O combustível flui do interior do cilindro interno por orifícios na parte inicial do sensor que enchem a cavidade entre ele e o cilindro externo até sair pelo outro lado, em uma cavidade formada a partir do final do cilindro externo. Possui um circuito de condicionamento de sinais para adequar os sinais dos dois sensores e entregá-lo a um processador que trata o sinal e transmite-o via protocolo de rede de comunicação de dados automotiva para a central eletrônica de injeção, informando o tipo de combustível ou mistura sendo entregue ao motor.

Description

Campo da Invenção

[1] A presente invenção refere-se a um novo sensor que permite a identificação dos elementos fluidos que compõem uma mistura combustível em motores à combustão de automóveis flex, sendo potencialmente útil na determinação da proporção de cada elemento fluido na mistura final, para tanto, fazendo uso das características dielétricas de cada elemento.

Fundamentos da Invenção e Estado da Técnica

[2] Atualmente, os veículos vendidos no Brasil e em outros lugares do mundo, utilizam motores à combustão com a flexibilidade de combustível, podendo utilizar etanol, gasolina ou uma mistura entre os dois. Para cada caso, a parametrização de mistura de oxigênio para queima do combustível é determinada em função da mistura do combustível. O combustível em combustão gera energia para movimentar o motor, calor, e uma mistura de monóxido e dióxido de carbono, sendo que, o uso do etanol pode reduzir em até 70% a taxa de emissão de gás carbônico na atmosfera.

[3] Normalmente, os automóveis nacionais ou de venda de grande escala possuem apenas um sensor de qualidade do gás emitido após a queima, chamado de sonda lambda. Assim, quando um automóvel é reabastecido, até o novo combustível (ou nova mistura no tanque) chegar ao motor, ser queimado e gerar nova composição de gás, o veiculo já rodou alguns quilômetros fora dos seus parâmetros ótimos de funcionamento.

[4] A possibilidade de utilização de um dispositivo capaz de analisar o combustível na entrada do motor proporciona a possibilidade de parametrização do motor ao tempo correto para a mistura do momento, além de prover uma medição mais confiável do que a mistura resultante do gás emitido da sua combustão.

[5] Um dos métodos de analisar as características dielétricas de um fluido é confiná-lo entre eletrodos, formando um sensor capacitivo, o qual é capaz de qualificar o elemento entre dois eletrodos determinando sua permissividade dielétrica. Em relação aos combustíveis, etanol e gasolina possuem valores de permissividade dielétrica bem distintos, o que possibilita identificar correlações entre este parâmetro e a razão de mistura através do valor da permissividade.

[6] Desde a década de 90, diferentes sensores buscam identificar proporções de misturas de combustíveis, como exemplificado em U.S. Patent 5,196,801, (1993) onde Nogami et al. propuseram um sensor para identificar misturas de metanol e misturas de etanol (Nogami et al., 1993); ou em DE10155371 ou W02003042653, que solicitaram patente de um sensor para identificar a característica dielétrica de diesel para automóveis abastecidos por este combustível (Gerald et al., 2003); ou ainda, quando Vanzuilen et al., relataram através de Fuel sensor US 7,170,303, um sensor para determinação de mistura de etanol e gasolina, com sensores/eletrodos isolados em vidro (Vanzuilen et al., 2005).

[7] No Brasil, há um dispositivo com este objetivo, utilizado para determinar o tipo de combustível, patenteado pela empresa Siemens nos EUA, e também depositado no INPI sob código PI 0301952-7, de 2004, equivalente à patente US 6,927,583 (Aug. 9, 2005). Entretanto, o diferencial inovativo entre este e a que se apresenta está na disposição dos cilindros que formam o sensor e área de contato do combustível com o sensor, resultando em facilidade de montagem aumentando a sensibilidade do sensor em função do combustível

[8] Ainda nos EUA, encontramos a patente US 8,082,773 B2 (Dec. 27, 2011) - Fuel Property Detection Device - também publicada como US20100229638, registrada pela Denso Corporation. Esta patente é muito próxima da anterior, da Siemens, com uma estrutura muito semelhante, apresentando, portanto, as mesmas diferenças perante a apresentada neste pedido (Nakamura et al., 2011).

[9] Uma terceira patente, depositada pela Delphi Technologies em dezembro de 2008 sob o número US 7,800,379 - Fuel Sensor, também publicada como US20090153154, W02009076504A1, descreve um sensor semelhante aos outros 2 acima indicados, com diferenças construtivas, mantendo a mesma essência do capacitor com corpo cilíndrico e eletrodos, mas com um diferencial de instalação na saída do tanque de combustível (HERNANDEZ et al, 2010).

[10] Depositada em novembro de 2009, a patente US 8,274,298 (também publicada como US20110109323), com o título Calibration Structure For Flex Fuel Sensor, descreve um sensor para a calibração em função da mistura de combustível. Trata-se de um equipamento para calibrar outros sensores que sejam baseados em medida de capacitância, sem correlação direta com o sensor proposto (WOODS et al, 2009).

[11] Já a patente US 7,349,790 (Mar. 25, 2008) - Method For Operating a Flex Fuel Conversion System - também registrada como US20080022986, W02008014359A2,W02008014359A3. trata apenas de uma metodologia para controle de veículos bi-combustíveis (flex) de modo genérico, abordando superficialmente o uso de um microcontrolador e um sensor de combustíveis (Sremac; Meaney, 2008).

[12] O sensor proposto analisa a composição do combustível, considerando suas características elétricas e, considera o valor lido para enquadrar o combustível entre os parâmetros possíveis, pré-avaliados em relação aos dois combustíveis puros.

[13] Uma vez obtida a relação do elemento, converte o valor em um sinal digital que pode ser transmitido via rede de comunicação para a central eletrônica que controla a injeção eletrônica.

[14] O principal objetivo deste sensor é, portanto, ser fixado à entrada do motor à combustão interna com combustível Flex e informar via rede de comunicação à central que controla a injeção eletrônica do veículo, qual o tipo de combustível ou mistura está entrando no motor, permitindo que ele ajuste seus parâmetros de funcionamento para melhorar a eficiência na queima do combustível em questão, melhorando o controle da relação estequiométrica ar- combustível, consequentemente o desempenho e o rendimento do motor.

Descrição detalhada da Invenção e das figuras

[15] A figura 1 apresenta duas perspectivas laterais do sensor, onde o sensor capacitivo cilíndrico concêntrico, composto por um cilindro interior (3) maciço com uma entrada de combustível por seu interior por uma extremidade (7) e outro externo (2) de diâmetro maior, com uma saída na outra extremidade (1). Os dois cilindros são fixados por um elemento acoplador de material polimérico isolante, com rosca e contra-rosca (6), facilitando a montagem do sensor e um elemento isolante (4) para fixação do sensor de temperatura (8). Em (1) e (7) são conectadas mangueiras de combustível, vindo do tanque e indo para o motor de combustão.

[16] O cilindro externo (2) utilizado como eletrodo negativo, enquanto o cilindro interno (3) como eletrodo positivo, formando assim o sensor capacitivo, o qual é alimentado por ligações a partir do circuito de condicionamento fixado dentro do alojamento (9).

[17] O cilindro interior apresenta a entrada de combustível pelo seu interior em um dos lados (7), e a saída por orifícios que permitem inundar a cavidade entre os 2 cilindros. Por sua vez, o cilindro exterior tem um orifício de saída (1) na região axial, oposta a entrada. Os orifícios que dão acesso à cavidade interior do sensor são dispostos de forma a minimizar efeitos de turbilhamento do combustível.

[18] A peça intermediária (4) polimérica abriga um sensor de temperatura (termopar tipo J) (8), que permite a calibração das medidas em função da temperatura do combustível.

[19] Um circuito eletrônico (12 e 13) é acoplado exteriormente ao sensor, de modo a coletar o valor de capacitância e de temperatura do combustível, e processá-lo (13) a fim de detectar o tipo de combustível ou a porcentagem de sua mistura de modo dinâmico, permitindo que o motor possa regular a mistura estequiométrica de acordo com o exato tipo de combustível que entra no motor. Este circuito é fixado em um alojamento (9) fixado ao longo da parte externa do sensor capacitivo, como mostrado na figura 2.

[20] O sensor utiliza uma base (5) para dar suporte ao alojamento (9) para o circuito eletrônico microcontrolado de condicionamento e processamento de sinais (13). Portanto, nesta base, fixa-se o alojamento (9) do circuito eletrônico, o qual é alimentado e comunica-se com a unidade central eletrônica (ECU - Engine Control Unit) por rede automotiva (CAN - Controller Area Network) através do conector CAN (10). Possui ainda uma aba para fixação (11).

[21] A figura 3 ilustra o diagrama de blocos do dispositivo proposto, onde o sensor de permissividade dielétrica (capacitivo) (2 e 3) e sensores de temperatura (8) são utilizados para fornecer os parâmetros aos circuitos eletrônicos de condicionamento de sinais (12) que por sua vez preparam os dados para serem tratados digitalmente por um microcontrolador (13) que processa os dados parametrizados e disponibiliza os dados através do protocolo automotivo CAN (10) para que estes dados informem à central de controle de injeção eletrônica (ECU), o tipo do combustível que está fluindo pelo sensor. Lista de referência 1 - Conector de Saída do combustível 2 - Parte exterior do sensor (cilindro externo - eletrodo negativo); 3 - Cilindro interno do sensor: eletrodo positivo; 4 - Acoplamento para sensor de temperatura termopar tipo J; 5 - Base de fixação do circuito eletrônico 6 - Acoplamento Isolante entre cilindros 7 - Conector para mangueira - saída de combustível. 8 - Sensor de temperatura 9 - Alojamento do circuito eletrônico 10 - Conector para rede automotiva CAN 11 - Aba de fixação 12 - Circuito de condicionamento de sinais 13 - Circuito microcontrolador de processamento de sinais Referências Bibliográficas 1. Nogami, Y., H. Nunokawa, and T. Hirota, Capacitance-type fuel sensor for sensing methanol in methanol-mixed fuel. 1993, Google Patents. 2. Gerald, H., et al., Sensor for the determination of the dielectric constant of a fuel. 2003, Google Patents. 3. D. M. Vanzuilen, G. Mouaici, F. X. Bernard, and I. McKenzie, "Fuel sensor," ed: Google Patents, 2005. 4. H. Nakamura, A. Uchida, and D. Shikanai, "Fuel property detection device," ed: Google Patents, 2011. 5. N. Hernandez, J. Carmona, E. Aguinaga, M. S. Sanchez, C. Hernandez, D. J. Moreno, et al., "Fuel sensor," ed: Google Patents, 2010. 6. Woods, R., D. Vanzuilen, and T. Nodine, Calibration structure for flex fuel sensor. 2009, Google Patents. 7. M. J. Sremac, J. D. Meaney, "Method for operating a flex fuel conversion system," ed: Google Patents, 2008. 111

Claims (4)

1. SENSOR CAPACITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE COMPOSIÇÃO DE COMBUSTÍVEL PARA MOTORES AUTOMOTIVOS FLEX À COMBUSTÃO INTERNA, caracterizado por um sensor capacitivo de cilindros concêntricos, separados por uma peça de isolação e fixação que acomoda um sensor de temperatura, com entrada de combustível pelo centro do cilindro interno realizada por um dos lados e saída confinada no extremo do cilindro externo do outro extremo do sensor.

2. SENSOR CAPACITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE COMPOSIÇÃO DE COMBUSTÍVEL PARA MOTORES AUTOMOTIVOS FLEX À COMBUSTÃO INTERNA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar um sistema de fixação dos cilindros do sensor, com fixação em rosca e contra- rosca.

3. SENSOR CAPACITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE COMPOSIÇÃO DE COMBUSTÍVEL PARA MOTORES AUTOMOTIVOS FLEX À COMBUSTÃO INTERNA, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por possuir um sistema eletrônico para análise do sinal do sensor, juntamente com o sinal do sensor de temperatura, capaz de identificar a mistura de combustível que está passando em seu interior.

4. SENSOR CAPACITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE COMPOSIÇÃO DE COMBUSTÍVEL PARA MOTORES AUTOMOTIVOS FLEX À COMBUSTÃO INTERNA, de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado por utilizar o protocolo de comunicação automotiva, para enviar os dados do sensor referente ao tipo de combustível para a central eletrônica de injeção do veículo.

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