BR102020026379A2

BR102020026379A2 - Dispositivo para aquecimento de combustível

Info

Publication number: BR102020026379A2
Application number: BR102020026379-0A
Authority: BR
Inventors: Fernando Lepsch; Marcello Francisco Brunocilla
Original assignee: Robert Bosch Limitada
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-07-05

Abstract

DISPOSITIVO PARA AQUECIMENTO DE COMBUSTÍVEL. Dispositivo para aquecimento de combustível injetado em motores de combustão interna que garante que o combustível aquecido que flui pela saída da câmara de aquecimento é o combustível que está na zona de maior temperatura.

Description

DISPOSITIVO PARA AQUECIMENTO DE COMBUSTÍVEL

[0001] A presente invenção refere-se a um dispositivo para aquecimento de combustível aplicável em sistemas de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motores de combustão que permite a redução da quantidade de combustível injetado em motores que podem ser propelidos tanto com gasolina pura quanto com etanol ou qualquer mistura bicombustível através do controle preciso da quantidade de calor fornecida ao combustível.

ESTADO DA TÉCNICA

[0002] Nos últimos anos, problemas com a quantidade de poluentes emitidos (HC, CO, CO2 e particulados, entre outros) principalmente pelos motores dos carros, têm sido um grande problema para as grandes cidades. Dessa forma, novas tecnologias têm sido desenvolvidas para auxiliar na redução de poluentes emitidos pelos motores de combustão interna.

[0003] A fim de mitigar a emissão de gases de efeito estufa dos automóveis e reduzir a dependência de combustíveis fósseis, várias alternativas para a substituição do motor de combustão interna estão disponíveis. No entanto, a melhor solução para esse dilema deve levar em conta as características geográficas e socioeconômicas do país, sua matriz energética, sua legislação de emissões e o impacto ambiental das emissões de carbono do combustível durante todo o seu ciclo de vida.

[0004] O Brasil tem uma forte reputação por sua frota de veículos bicombustíveis, longa experiência no uso de etanol combustível e sua rede de distribuição. Isso o diferencia de outros mercados globais e justifica uma abordagem única para a redução de emissões de aldeídos, por exemplo.

[0005] No entanto, observa-se algumas limitações no uso de motores bicombustíveis (popularmente conhecidos como motores “flex”). Para atender à demanda de utilização de dois combustíveis em um único tanque, o dimensionamento de um motor flex tende a ser intermediário, uma vez que o dimensionamento de motores monocombustíveis é diferente, dependendo do combustível etanol ou gasolina. Isso se dá porque a grande maioria dos motores bicombustíveis costuma apresentar uma única razão de compressão geométrica, que representa a proporção entre o volume aspirado somado ao volume da câmara de combustão em relação ao volume da câmara de combustão.

[0006] Em seu curso, o pistão atinge um ponto mais alto e outro mais baixo em seu deslocamento, chamados respectivamente de ponto morto superior (PMS) e ponto morto inferior (PMI).

[0007] Usualmente, o funcionamento do motor de um veículo de passeio possui quatro tempos:

• Admissão
• Compressão
• Combustão
• Escape

[0008] O efeito da taxa de compressão evidencia-se no segundo tempo - as válvulas de admissão se fecham após a injeção da mistura ar/combustível e esta é comprimida para que o processo de combustão tenha início. Dessa forma, obtém-se a razão de compressão geométrica do motor: a razão entre o volume da câmara de combustão do pistão em seu ponto morto inferior PMI (maior volume) e seu ponto morto superior PMS (menor volume).

[0009] Motores a gasolina costumam usar razões de compressão menores (normalmente entre 8:1 e 12:1), enquanto os motores movidos a etanol funcionam melhor com razões mais altas (12:1 ou até 14:1).

[0010] No entanto, antes do combustível chegar à câmara de combustão, ele percorre um caminho a partir do tanque do veículo. Esse combustível é movimentado por uma bomba de combustível e flui por dentro de dutos que transportam o combustível - primeiramente, uma mangueira e, posteriormente, um duto mais rígido e ramificado chamado galeria. As ramificações levam o combustível a ser injetado aos respectivos cilindros e é na saída dessas ramificações aonde estão posicionados os injetores de combustível.

[0011] Além disso, o impingimento de combustível na superfície do pistão ou nas paredes dos dutos de admissão podem contribuir para o aumento de partículas emitidas. Além disso, a condensação de combustível em zonas frias do motor pode resultar em combustões incompletas gerando hidrocarbonetos e monóxido de carbono (HC e CO).

[0012] Quando se fala em motores que empregam o ciclo Otto (motores tradicionalmente utilizados nos automóveis), tanto os que utilizam Port Fuel Injection (PFI) como os que funcionam com injeção direta (DI - do inglês, Direct Injection) emitem particulados acima dos limites permitidos. Dessa forma, a utilização de um filtro de partícula para motores à gasolina (cuja sigla é GPF, pois vem do inglês Gasoline Particulate Filter) tem sido recomendada para atender às novas legislações de emissões de partículas que entraram em vigor.

[0013] No entanto, mesmo com a utilização do GPF, os motores ainda podem gerar particulados acima dos limites determinados pelos órgãos oficiais de saúde, uma vez que as emissões de poluentes dependem, também, do comportamento dos motoristas quanto à forma como dirigem e da manutenção adequada dos veículos.

[0014] Isto posto, uma das técnicas mais eficazes de se obter uma queima mais correta do combustível é entregá-lo à câmara de combustão previamente aquecido.

[0015] No entanto, a forma construtiva dos aquecedores que utilizam câmara de aquecimento onde o combustível adentra à região interna da câmara de aquecimento através abertura de entrada de combustível posicionada em sua região inferior, passando integralmente pelo elemento aquecedor - efetuando a troca térmica - e sai aquecido pela abertura de saída de combustível posicionada em uma região superior apesar de proporcionar um aquecimento homogêneo do combustível, gera uma zona de maior temperatura de combustível, onde o combustível ali presente está em sua máxima temperatura.

[0016] Todavia, como essa zona de maior temperatura está posicionada a uma distância da abertura de saída da câmara de combustão, o combustível, bem como os fluidos em geral, costumam seguir por trajetórias mais curtas. Dessa forma, o combustível que atingiu a zona de maior temperatura fica represado, uma vez que o fluxo de combustível aquecido (porém não está em sua temperatura máxima) segue pela rota mais curta para chegar à abertura de saída forma uma barreira é quem, de fato, é entregue ao injetor de combustível.

[0017] Com isso, entende-se como o principal problema técnico a ser superado é garantir que o combustível aquecido que flui pela saída da câmara de aquecimento é o combustível que está na zona de maior temperatura.

[0018] Nesse sentido, já são conhecidas algumas soluções, tais como as descritas nos documentos de patente PI1005341-7, BR102019025374-6 e BR202016019239-6. No entanto, nenhum dos documentos de patente acima mencionados revela uma técnica que garante que o combustível aquecido que flui pela saída da câmara de aquecimento é o combustível que está na zona de maior temperatura.

[0019] Dessa forma, a presente invenção se propõe a solucionar os problemas do estado da técnica de uma forma muito mais eficiente, visando uma melhor atomização do combustível.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0020] A presente invenção tem como objetivo prover um dispositivo para aquecimento de combustível injetado em motores de combustão interna que garante que o combustível aquecido que flui pela saída da câmara de aquecimento é o combustível que está na zona de maior temperatura proporciona uma grande precisão na quantidade de potência fornecida ao aquecedor, garantindo que o combustível de maior temperatura seja injetado, levando a uma acurácia na temperatura de pré-aquecimento do combustível e, consequentemente, uma grande precisão na redução de gases poluentes.

[0021] Adicionalmente, apresente invenção tem como objetivo prover um método para aquecimento de combustível injetado em motores de combustão interna que garante que o combustível aquecido que flui pela saída da câmara de aquecimento é o combustível que está na zona de maior temperatura proporciona uma grande precisão na quantidade de potência fornecida ao aquecedor, garantindo que o combustível de maior temperatura seja injetado, levando a uma acurácia na temperatura de pré-aquecimento do combustível e, consequentemente, uma grande precisão na redução de gases poluentes.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0022] Visando solucionar o problema técnico apresentado e superar os inconvenientes do estado da técnica, a presente invenção tem como objetivo prover um dispositivo para aquecimento de combustível dotado de

• pelo menos uma região de interface;
• pelo menos uma abertura de entrada de combustível;
• pelo menos uma abertura de saída de combustível;
• pelo menos uma porção de saída de combustível;
• pelo menos uma câmara de aquecimento dotada de uma região interna, delimitada por uma primeira porção de parede interna cooperante com a abertura de saída de combustível e uma segunda porção de parede interna opostamente posicionada em relação à primeira porção de parede interna, cooperantes com a região de interface que se projetam a partir da região de interface e uma parede extrema;
• pelo menos um elemento aquecedor dotado de pelo menos uma haste associada à região de interface, que se projeta a partir da região de interface, fluidamente associado à câmara de aquecimento;

sendo que o dito dispositivo compreende pelo menos um direcionador de fluxo 5 associado à haste, o dito direcionador de fluxo dotado de uma primeira extremidade de direcionador de fluxo que coopera com a primeira porção de parede interna e uma segunda extremidade de direcionador de fluxo, o dito direcionador de fluxo se projeta a partir da primeira porção de parede interna em direção à segunda porção de parede interna de modo a garantir um distanciamento entre a segunda extremidade de direcionador de fluxo e a segunda porção de parede interna.

[0023] Adicionalmente, com o objetivo de solucionar o problema técnico apresentado e superar os inconvenientes do estado da técnica, a presente invenção tem como objetivo prover um método de aquecimento de combustível executado pelo dispositivo de aquecimento objeto da presente invenção, de modo que o combustível entra na câmara de aquecimento pela abertura de entrada de combustível, passa pelo elemento aquecedor e sai da câmara de aquecimento pela abertura de saída de combustível, de modo que o combustível passa por um distanciamento entre a segunda extremidade de direcionador de fluxo e a segunda porção de parede interna após passar pelo elemento aquecedor e antes de chegar à abertura de saída de combustível.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0024] Figura 1 - Esquema de uma concretização do dispositivo de aquecimento de combustível do estado da técnica, onde a região de interface está posicionada para baixo.

[0025] Figura 2 - Esquema de uma concretização do dispositivo de aquecimento de combustível do estado da técnica, onde a região de interface está posicionada para cima.

[0026] Figura 3 - Esquema de uma concretização do dispositivo de aquecimento de combustível objeto da presente invenção.

[0027] Figura 4 - Detalhamento do objeto da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

[0028] O sistema de aquecimento de combustível e gerenciamento do aquecimento é responsável por aquecer o combustível que será injetado no motor até uma temperatura pré-determinada. O aquecimento do combustível tem como objetivo melhorar a atomização do spray do combustível injetado, reduzindo seu tamanho de gotas, o que significa melhor preparação da mistura ar-combustível, levando a uma mistura mais homogênea, o que acarretará na diminuição da quantidade de combustível injetada e diminuindo, assim, a quantidade de gases e particulados emitidos.

[0029] O funcionamento do sistema de aquecimento se dá desde a partida do motor. O gerenciamento do sistema tem como objetivo manter a temperatura do combustível injetado sempre na temperatura alvo. Para isso o sistema determina a quantidade de energia que deve ser fornecida ao combustível, baseado na temperatura de entrada do combustível na galeria, na vazão de combustível e no tipo de combustível.

[0030] Quando o sistema de gerenciamento de temperatura do combustível consegue, com exatidão, entregar o combustível com a maior temperatura, de fato, o valor de temperatura medido ou calculado do combustível que sai da câmara de aquecimento é aquele para o qual a quantidade de energia foi disponibilizada e fornecida, evitando desperdício de energia. Além disso, a atomização do combustível se torna maior, melhorando a queima durante a combustão.

[0031] As figuras 1 e 3 mostram, nas diversas configurações de montagem do dispositivo aquecedor, que zona de maior temperatura Z está posicionada a uma distância da abertura de saída de combustível 22 da câmara de combustão 3, destacando que o combustível, bem como os fluidos em geral, costuma seguir por trajetórias mais curtas. O combustível que atingiu a zona de maior temperatura fica represado, uma vez que o fluxo de combustível aquecido (porém não está em sua temperatura máxima) segue pela rota mais curta para chegar à abertura de saída forma uma barreira é quem, de fato, é entregue ao injetor de combustível.

[0032] Sendo assim, como pode ser visto a partir da figura 3, a presente invenção revela um dispositivo para aquecimento de combustível aplicável em sistemas de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motores de combustão interna aplicável a um veículo, tal como um carro.

[0033] Mais detalhadamente, a presente invenção descreve um dispositivo para aquecimento de combustível dotado de

• pelo menos uma região de interface 10;
• pelo menos uma abertura de entrada de combustível 21;
• pelo menos uma abertura de saída de combustível 22;
• pelo menos uma porção de saída de combustível 22;
• pelo menos uma câmara de aquecimento 3 dotada de uma região interna 31, delimitada por uma primeira porção de parede interna 311 cooperante com a abertura de saída de combustível 22 e uma segunda porção de parede interna 312 opostamente posicionada em relação à primeira porção de parede interna 311, cooperantes com a região de interface 10 que se projetam a partir da região de interface 10 e uma parede extrema 313;
• pelo menos um elemento aquecedor 4 dotado de pelo menos uma haste 41 associada à região de interface, que se projeta a partir da região de interface 10, fluidamente associado à câmara de aquecimento 3;

de modo que o dito dispositivo compreende pelo menos um direcionador de fluxo 5 associado à haste 41, o dito direcionador de fluxo 5 dotado de uma primeira extremidade de direcionador de fluxo 51 que coopera com a primeira porção de parede interna 311 e uma segunda extremidade de direcionador de fluxo 52, o dito direcionador de fluxo se projeta a partir da primeira porção de parede interna 311 em direção à segunda porção de parede interna 312 de modo a garantir um distanciamento 6 entre a segunda extremidade de direcionador de fluxo 52 e a segunda porção de parede interna 312.

[0034] Entende-se como direcionador de fluxo uma barreira, desviador ou obstáculo que inibe o combustível de seguir o caminho mais curto, obrigando-o a passar pelo distanciamento 6, que compreende uma abertura ou janela, fazendo com que ele chegue à zona de maior temperatura Z.

[0035] Em uma concretização preferencial, o direcionador de fluxo 5 compreende pelo menos um elemento montado na haste 41 do elemento aquecedor 4 por interferência ou qualquer outra forma, podendo também ser um elemento construído em peça única com a haste 41. Alternativamente, o direcionador de fluxo 5 pode compreender pelo menos uma porção lateral 53 que se projeta a partir da segunda extremidade de direcionador de fluxo 52.

[0036] Entende-se por região de interface a região do dispositivo aquecedor onde é montado o conector elétrico 11 (externamente) e o elemento aquecedor 4 (internamente).

[0037] Em uma configuração não obrigatória, a presente invenção descreve um dispositivo para aquecimento de combustível dotado de um termo elemento posicionado na zona de maior temperatura Z.

[0038] Essa configuração preferencial acima descrita se faz nova e inventiva, pois garante que o combustível que sai da câmara de aquecimento 3 é aquele com a maior temperatura para a qual a quantidade de energia foi disponibilizada e fornecida, evitando desperdício de energia e melhorando a atomização do combustível.

[0039] A presente invenção viabiliza, principalmente, o uso do dispositivo para aquecimento de combustível, onde a abertura de saída de combustível 22 está posicionada adjacentemente à região de interface 10.

[0040] Construtivamente, a presente invenção propicia que a zona de maior temperatura Z de combustível injetado esteja sempre próxima ao ponto mais extremo de saída de combustível da câmara de combustão e entrada no dispositivo injetor de combustível 7, uma vez que a abertura de saída de combustível 22 está posicionada acima da abertura de entrada 21 em relação a um plano vertical.

[0041] Sendo assim, conforme as concretizações acima descritas, a configuração do dispositivo aquecedor proporciona um aquecimento homogêneo do combustível, uma vez que o combustível adentra à região interna 31 da câmara de aquecimento 3 através abertura de entrada de combustível 21 posicionada em sua região inferior, é obrigado a passar integralmente pelo elemento aquecedor 4 - efetuando a troca térmica - e sai aquecido pela abertura de saída de combustível 22 posicionada em uma região superior.

[0042] Adicionalmente, o dispositivo para aquecimento de combustível compreende uma configuração preferencial onde a porção de saída de combustível 22 está associada a pelo menos um dispositivo injetor de combustível 7. No entanto, essa característica não é limitante.

[0043] A determinação da quantidade de energia necessária para o combustível atingir um valor de temperatura alvo do combustível no instante atual, de acordo com a temperatura de combustível no instante atual deve ser efetuada por um dispositivo ou unidade de controle de processamento de parâmetros do veículo, que é responsável preferencial pela inteligência do motor como um todo. Essa unidade de controle pode compreender tanto a ECU (Eletronic Control Unit -responsável por gerenciar eletronicamente todo o funcionamento do motor) já presente no veículo, como ainda pode compreender uma unidade exclusiva e dedicada apenas ao sistema aquecimento de combustível.

[0044] Adicionalmente, a presente invenção também descreve um método de aquecimento de combustível executado pelo dispositivo de aquecimento objeto da presente invenção, de modo que o combustível entra na câmara de aquecimento 3 pela abertura de entrada de combustível 21, passa pelo elemento aquecedor 4 e sai da câmara de aquecimento pela abertura de saída de combustível 22, de modo que o combustível passa por um distanciamento 6 entre a segunda extremidade de direcionador de fluxo 52 e a segunda porção de parede interna 312 após passar pelo elemento aquecedor 4 e antes de chegar à abertura de saída de combustível 22. O presente método também garante que o combustível que sai da câmara de aquecimento 3 é aquele com a maior temperatura para a qual a quantidade de energia foi disponibilizada e fornecida, evitando desperdício de energia e melhorando a atomização do combustível.

[0045] Dessa forma, cumpre-se notar que, conforme descritivo acima, a presente invenção atinge o objetivo de prover um dispositivo para aquecimento de combustível injetado em motores de combustão interna que garante que o combustível aquecido que flui pela saída da câmara de aquecimento é o combustível que está na zona de maior temperatura proporciona uma grande precisão na quantidade de potência fornecida ao aquecedor, garantindo que o combustível de maior temperatura seja injetado, levando a uma acurácia na temperatura de pré-aquecimento do combustível e, consequentemente, uma grande precisão na redução de gases poluentes.

Claims

Dispositivo para aquecimento de combustível dotado de
- • pelo menos uma região de interface (10);
- • pelo menos uma abertura de entrada de combustível (21);
- • pelo menos uma abertura de saída de combustível (22);
- • pelo menos uma câmara de aquecimento (3) dotada de uma região interna (31), delimitada por uma primeira porção de parede interna (311) cooperante com a abertura de saída de combustível (22) e uma segunda porção de parede interna (312) opostamente posicionada em relação à primeira porção de parede interna (311), cooperantes com a região de interface (10) que se projetam a partir da região de interface (10) e uma parede extrema (313);
- • pelo menos um elemento aquecedor (4) dotado de pelo menos uma haste (41) associada à região de interface, que se projeta a partir da região de interface (10), fluidamente associado à câmara de aquecimento (3);
caracterizado por compreender pelo menos um direcionador de fluxo (5) associado à haste (41), o dito direcionador de fluxo (5) dotado de uma primeira extremidade de direcionador de fluxo (51) que coopera com a primeira porção de parede interna (311) e uma segunda extremidade de direcionador de fluxo (52), o dito direcionador de fluxo se projeta a partir da primeira porção de parede interna (311) em direção à segunda porção de parede interna (312) de modo a garantir um distanciamento (6) entre a segunda extremidade de direcionador de fluxo (52) e a segunda porção de parede interna (312).
Dispositivo para aquecimento de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do direcionador de fluxo (5) compreender pelo menos um elemento montado na haste (41).
Dispositivo para aquecimento de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da porção de saída de combustível (22) estar associada a pelo menos um dispositivo para injeção de combustível (7).
Dispositivo para aquecimento de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do direcionador de fluxo (5) compreender pelo menos uma porção lateral (53) que se projeta a partir da segunda extremidade de direcionador de fluxo (52).
Dispositivo para aquecimento de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato pelo fato de que a abertura de saída de combustível (22) está posicionada adjacentemente à região de interface (10).
Dispositivo para aquecimento de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato pelo fato de que a abertura de saída de combustível (22) está posicionada acima da abertura de entrada (21) em relação a um plano vertical.
Método de aquecimento de combustível executado por um dispositivo de aquecimento como definido nac reivindicação 1, de modo que o combustível entra na câmara de aquecimento (3) pela abertura de entrada de combustível (21), passa pelo elemento aquecedor (4) e sai da câmara de aquecimento pela abertura de saída de combustível (22), caracterizado pelo fato de que o combustível passa por um distanciamento (6) entre a segunda extremidade de direcionador de fluxo (52) e a segunda porção de parede interna (312) após passar pelo elemento aquecedor (4) e antes de chegar à abertura de saída de combustível (22).