BR102021014450A2

BR102021014450A2 - Bomba de combustível para um sistema de injeção direta

Info

Publication number: BR102021014450A2
Application number: BR102021014450-5A
Authority: BR
Inventors: Armando SPIZZIRRI; Michele Petrone; Stefano Petrecchia
Original assignee: Marelli Europe S.P.A.
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2022-06-07
Also published as: DE202021103840U1; FR3112817B3; CN215804909U; IT202000017767A1; FR3112817A3; JP3234332U

Abstract

É descrita uma bomba de combustível (1) para um sistema de injeção direta, compreendendo um corpo principal (2); uma câmara de bombeamento (4) definida no corpo principal (12); um pistão (5) montado de maneira deslizante no interior da câmara de bombeamento (4), de modo a variar ciclicamente o volume da câmara de bombeamento (4); um assento de contenção (6) definido no corpo principal (2) sob a câmara de bombeamento (4); uma bucha guia (7) alojada no assento de contenção (6) e provida com um orifício central (8), onde o pistão (5) fica disposto de maneira deslizante; e uma junta de vedação (9) interposta entre o pistão (5) e o orifício central (8) da bucha guia (7). Uma folga mecânica existente entre o orifício central (8) da bucha guia (7) e o pistão (5) é menor que 12 microns.

Description

BOMBA DE COMBUSTÍVEL PARA UM SISTEMA DE INJEÇÃO DIRETA

REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDOS DE PATENTE RELACIONADOS

[001] Este pedido de patente reivindica a prioridade do pedido de patente italiano n° 102020000017767 depositado em 22 de julho de 2020, cujo inteiro conteúdo é aqui incorporado como referência.

CAMPO TÉCNICO

[002] A presente invenção se refere a uma bomba de combustível para um sistema de injeção direta; preferencialmente, o sistema de injeção direta é utilizado em um motor de combustão interna de ignição comandada e, portanto, movido a gasolina ou combustíveis semelhantes.

ESTADO DA ARTE ANTERIOR

[003] Um sistema de injeção direta compreende uma pluralidade de injetores, um conduto comum ("common rail") que fornece combustível pressurizado para os injetores, uma bomba de combustível de alta pressão provida com um dispositivo de controle de fluxo, a qual fornece combustível para o conduto comum por meio de um duto de alimentação de alta pressão, e uma unidade de controle que controla o dispositivo de controle de fluxo para manter a pressão de combustível dentro do conduto comum em um valor desejado, a qual é geralmente variável ao longo do tempo, dependendo das condições de operação do motor.

[004] A bomba de combustível de alta pressão descrita no pedido de patente EP 2236809A1 compreende uma câmara de bombeamento dentro da qual um pistão desliza em movimento alternante (ou recíproco), um duto de entrada, regulado por uma válvula de sucção, para alimentar o combustível a baixa pressão na câmara de bombeamento, e um duto de distribuição, regulado por uma válvula de distribuição, para fornecer combustível a alta pressão a partir da câmara de bombeamento para o conduto comum.

[005] Para guiar o deslizamento alternante do pistão, é provida uma bucha guia que fica disposta abaixo da câmara de bombeamento dentro da qual o pistão desliza. O orifício central da bucha guia (no qual o pistão fica colocado) e o pistão devem ser usinados com alta precisão, para minimizar a folga mecânica (ou seja, a distância) existente entre o orifício central da bucha guia e o pistão (com o propósito de limitar o vazamento de combustível ao longo do pistão), porém sem eliminar completamente essa folga mecânica (que é obviamente necessária para permitir o deslizamento do pistão no interior da bucha guia). Nas bombas de combustível de alta pressão atualmente no mercado, a folga mecânica (isto é, a distância) entre o orifício central da bucha guia e o pistão é menor que 12 microns, estando geralmente entre 7 e 10 microns; de fato, essa faixa de valores permite uma limitação significativa de vazamento de combustível ao longo do pistão, sem prejudicar a funcionalidade do mesmo pistão (ou seja, o deslizamento do pistão dentro da bucha guia).

[006] Recentemente, os fabricantes de automóveis começaram a projetar novos motores de combustão interna movidos a combustível de petróleo que operam em pressões de injeção de combustível superiores a 400 ou 500 bar (407,89 a 509,86 kgf/cm2, até 800 a 1000 bar, 815,77 a 1019,72 kgf/cm2), e consequentemente são necessárias bombas de combustível de alta pressão capazes de bombear combustível nessas pressões.

[007] Algumas simulações demonstraram que a estrutura descrita no pedido de patente EP 2236809A1 permite, obviamente com algumas adaptações, um aumento da pressão nominal de combustível até 800 a 1000 bar (815,77 a 1019,72 kgf/cm2); no entanto, as mesmas simulações também demonstraram que, quando a pressão nominal do combustível é muito aumentada, podem ocorrer situações de engripamento prematuras do pistão dentro da bucha guia.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[008] O objetivo da presente invenção é prover uma bomba de combustível para um sistema de injeção direta, com tal bomba de combustível sendo capaz de bombear combustível a alta pressão enquanto, ao mesmo tempo, fica livre de problemas de confiabilidade.

[009] De acordo com a presente invenção, uma bomba de combustível é provida para um sistema de injeção direta conforme reivindicado nas reivindicações anexas.

[010] As reivindicações descrevem formas de incorporação preferidas da presente invenção que formam uma parte integrante da presente descrição.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[011] A presente invenção será agora descrita com referência aos desenhos anexos, os quais ilustram algumas formas de incorporação não limitativas, onde:

- A figura 1 é uma vista em corte longitudinal de uma bomba de combustível feita de acordo com a presente invenção;
- A figura 2 é uma vista em escala ampliada de um detalhe da figura 1 que ilustra parcialmente uma bucha guia e um pistão da bomba de combustível;
- A figura 3 é uma outra vista em corte longitudinal da bomba de combustível da figura 1;
- A figura 4 é uma vista em perspectiva do pistão da bomba de combustível da figura 1; e
- A figura 5 é uma vista em escala ampliada do detalhe mostrado na figura 2 de acordo com uma forma de incorporação alternativa.

FORMAS DE INCORPORAÇÃO PREFERIDAS DA INVENÇÃO

[012] Na figura 1, o numeral de referência 1 denota globalmente uma bomba de combustível de alta pressão para um sistema de injeção direta de combustível do tipo com conduto comum em um motor de combustão interna; de preferência, o sistema de injeção direta é usado em um motor de combustão interna de ignição comandada, sendo portanto movido a gasolina ou combustíveis semelhantes.

[013] A bomba de alta pressão 1 compreende um corpo principal 2 tendo um eixo longitudinal 3 que define dentro dele uma câmara de bombeamento 4 de formato cilíndrico. Um pistão 5 está montado de maneira deslizante dentro da câmara de bombeamento 4, movendo-se em movimento alternante ao longo do eixo longitudinal 3 e provocando uma variação cíclica do volume da câmara de bombeamento 4. Uma porção inferior do pistão 5 está acoplada, em um lado, a uma mola (não ilustrada), que tende a empurrar o pistão 5 para uma posição de volume máximo da câmara de bombeamento 4, enquanto que em outro lado está acoplada a um carne (não ilustrado), que é colocado em rotação por um eixo de acionamento do motor de combustão interna para mover ciclicamente o pistão 5 para cima, comprimindo a mola.

[014] Um duto de entrada (não mostrado) se origina a partir de uma parede lateral da câmara de bombeamento 4, o qual é regulado por uma válvula de sucção (não mostrada) disposta na câmara de bombeamento 4. Um duto de distribuição (não mostrado) se origina a partir de uma parede lateral da câmara de bombeamento 4 a partir do lado oposto ao duto de entrada, sendo regulado por uma válvula de distribuição unilateral (não mostrada) disposta na câmara de bombeamento 4, e permitindo a saída de um fluxo de combustível somente a partir da câmara de bombeamento 4.

[015] No corpo principal 2 e abaixo da câmara de bombeamento 4 é provido um assento de contenção 6 de formato cilíndrico, tendo um diâmetro maior do que o diâmetro da câmara de bombeamento 4 e alojando uma bucha guia 7 do pistão 5; a bucha guia 7 possui essencialmente a função de guiar o deslizamento axial recíproco do pistão 5. A bucha guia 7 é feita de um material de dureza adequada tendo um acabamento de superfície que facilita o deslizamento axial do pistão 5.

[016] A bucha guia 7 apresenta formato tubular e possui um orifício passante central 8 no interior do qual o pistão 5 fica alojado de maneira deslizante; o orifício central 8 da bucha guia 7 (no qual o pistão 5 fica colocado) e o pistão 5 são usinados com alta precisão, para minimizar a folga mecânica (ou seja, a distância) existente entre o orifício central 8 da bucha guia 7 e o pistão 5 (com o propósito de limitar tanto quanto possível o vazamento de combustível ao longo do pistão 5) sem, no entanto, eliminar completamente essa folga mecânica (que é obviamente necessária para permitir o deslizamento do pistão 5 dentro da bucha guia 7).

[017] A folga mecânica (isto é, a distância) existente entre o orifício central 8 da bucha guia 7 e o pistão 5 é menor do que 12 microns, estando geralmente entre 7 e 10 microns; de fato, essa faixa de valores permite uma limitação do vazamento de combustível ao longo do pistão 5, sem prejudicar a funcionalidade do dito pistão 5 (isto é, o deslizamento livre do pistão 5 dentro da bucha guia 7).

[018] Para melhorar o deslizamento do pistão 5 no orifício central 8 da bucha guia 7, o pistão 5 é revestido externamente com uma camada externa anti-fricção (isto é, baixo atrito); de preferência, é usado um revestimento anti-fricção do tipo DLC (''Diamond Like Carbon", ou "Carbono Semelhante a Diamante") à base de carbono. Alternativamente, o revestimento anti-fricção pode ser aplicado apenas ao orifício central 8 da bucha guia 7, ou o revestimento anti-fricção pode ser aplicado ao pistão 5 e também ao orifício central 8 da bucha guia 7.

[019] Como melhor ilustrado na figura 2, entre o pistão 5 e o orifício central 8 da bucha guia 7 fica interposta uma junta de vedação 9, a qual possui a função de limitar ainda mais o vazamento de combustível ao longo do pistão 5. A junta de vedação 9 apresenta uma certa elasticidade para poder se deformar elasticamente (em particular para comprimir-se radialmente contra a superfície interna do orifício central 8 da bucha guia 7). A junta de vedação 9 é preferivelmente feita de um material com baixo coeficiente de atrito; por exemplo, a junta de vedação 9 pode ser feita de um material à base de PTFE (politetrafluoro-etileno, também conhecido comercialmente como Teflon®), possivelmente preenchido com vidro ou grafite.

[020] De acordo com uma forma de incorporação preferida ilustrada nos desenhos anexos, o pistão 5 possui uma ranhura anelar 10 (melhor ilustrada na figura 3) que aloja a junta de vedação 9; isto é, a ranhura anelar 10 constitui um assento no qual a junta de vedação 9 fica alojada para evitar que a junta de vedação 9 sofra deslocamentos axiais em relação ao pistão 5.

[021] Obviamente, a ranhura anelar 10 está posicionada no pistão 5 em uma dimensão axial de modo a que a ranhura anelar 10 (e portanto a junta de vedação 9 que está alojada na ranhura anelar 10) fique sempre dentro do orifício central 8 da bucha guia 7 durante o curso do pistão 5.

[022] De acordo com uma forma de incorporação preferencial ilustrada nas figuras anexas, o pistão 5 compreende ainda (pelo menos) uma outra ranhura anelar 11 que fica disposta a uma certa distância axial da ranhura anelar 10 que aloja a junta de vedação 9, sendo livre (isto é, não acoplada a outros elementos) e ficando posicionada no pistão 5 a uma altura axial que permite que a ranhura anelar 11 fique sempre dentro do orifício central 8 da bucha guia 7, durante o curso do pistão 5. Uma primeira função da ranhura anelar 11 é coletar dentro dela uma certa quantidade de combustível que vaza ao longo do pistão 5, com o propósito de criar uma "vedação hidráulica" que é capaz de limitar o vazamento de combustível; em outras palavras, um anel de combustível pressurizado é formado na ranhura anelar 11, criando uma "vedação hidráulica" que limita o vazamento de combustível. Uma função adicional (mas não menos importante) da ranhura anelar 11 é estabilizar o alinhamento do pistão 5 no orifício central 8 da bucha guia 7, uma vez que ajuda a recuperar (deslocar) qualquer descentralização do pistão 5.

[023] Na forma de incorporação ilustrada nos desenhos anexos, a ranhura anelar 10 (com a junta de vedação 9) está disposta entre a câmara de bombeamento 4 e a ranhura anelar 11; isto é, a ranhura anelar 11 está disposta mais distante da câmara de bombeamento 4 do que a ranhura anelar 10 (e assim em relação à junta de vedação 9). Nesta forma de incorporação, o vazamento de combustível ao longo do pistão 5 encontra primeiramente a ranhura anelar 10 (com a junta de vedação 9) e em seguida a ranhura anelar 11.

[024] De acordo com uma forma de incorporação diferente, não ilustrada, a ranhura anelar 11 fica disposta entre a câmara de bombeamento 4 e a ranhura anelar 10 (com a junta de vedação 9); isto é, a ranhura anelar 10 (com a junta de vedação 9) fica disposta mais distante da câmara de bombeamento 4 do que a ranhura anelar 11. Nessa forma de incorporação, o combustível que flui ao longo do pistão 5 encontra primeiramente a ranhura anelar 11 e em seguida a ranhura anelar 10 (com a junta de vedação 9).

[025] Na forma de incorporação ilustrada nas figuras 1 a 4, a junta de vedação 9 apresenta um formato anelar fechado sobre si mesmo, isto é, sem nenhuma interrupção; em outras palavras, a junta de vedação 9 é um anel contínuo sem interrupção e, portanto, sem começo nem fim. Esta forma de incorporação permite que uma melhor vedação hidráulica seja alcançada pela junta de vedação 9, mas também torna a montagem da junta de vedação 9 na ranhura anelar 10 muito mais complexa, uma vez que para que a deformação elástica da junta de vedação 9 deslize ao longo do pistão 5 até atingir a ranhura anelar 10, é necessária a aplicação de uma grande força (o que também pode danificar a junta de vedação 9 e / ou arranhar a superfície externa do pistão 5).

[026] Na forma de incorporação alternativa ilustrada na figura 5, a junta de vedação 9 apresenta um formato anelar aberto (isto é, não é fechado sobre si mesmo) devido a uma interrupção de continuidade 12; consequentemente, a junta de vedação 9 possui um começo e um fim separados um do outro (a partir da interrupção 12), porém voltados um para o outro.

[027] De preferência, mas não necessariamente, a interrupção 12 forma um ângulo agudo com o eixo longitudinal 3 do pistão 5, ou seja, ela é inclinada e não paralela ao eixo longitudinal 3 do pistão 5 (na forma de incorporação ilustrada na figura 5, a interrupção 12 forma um ângulo de 45° com o eixo longitudinal 3 do pistão 5); a inclinação da interrupção 12 em relação ao eixo longitudinal 3 do pistão 5 (isto é, em relação à direção de impulsionamento da pressão do combustível) faz com que a pressão do combustível tenda a fechar a junta de vedação 9, ou seja, tenda a pressionar uma contra a outra as duas extremidades voltadas uma para a outra da junta de vedação 9. Esta forma de incorporação provê uma menor vedação hidráulica da junta de vedação 9, mas também torna a montagem da junta de vedação 9 na ranhura anelar 10 muito mais simples, já que para que a deformação elástica da junta de vedação 9 deslize ao longo do pistão 5 até atingir a ranhura anelar 10, é necessária a aplicação de uma força relativamente modesta.

[028] De acordo com uma forma de incorporação alternativa não ilustrada, o pistão 5 pode compreender duas ou três juntas de vedação 9 dispostas em série a uma certa distância umas das outras, alojadas em respectivas ranhuras 10.

[029] De acordo com uma outra forma de incorporação não ilustrada, o pistão 5 pode compreender duas ou três ranhuras anelares 11 dispostas a uma certa distância umas das outras; normalmente, pelo menos uma ranhura anelar 11 fica disposta a montante da ranhura anelar 10 (isto é, a montante da junta de vedação 9), e pelo menos uma ranhura anelar 11 fica disposta a jusante da ranhura anelar 10 (ou seja, a jusante da junta de vedação 9).

[030] As formas de incorporação aqui descritas podem ser combinadas entre si sem fugirem do escopo de proteção da presente invenção.

[031] A bomba de combustível 1 descrita acima apresenta inúmeras vantagens.

[032] Em primeiro lugar, a bomba de combustível 1 descrita acima é capaz de bombear combustível a uma pressão nominal de até 900 a 1000 bar (917,74 a 1019,72 kgf/cm2) sem nenhum problema de confiabilidade (ou seja, sem exibir situações de engripamento prematuras do pistão 5).

[033] Este resultado é obtido combinando-se o uso de uma folga mecânica muito pequena (menor que 12 microns) entre o orifício central 8 da bucha guia 7 e o pistão 5 (de modo a limitar tanto quanto possível o vazamento de combustível ao longo do pistão 5) com a presença da junta de vedação 9; a ação sinérgica dessas duas soluções permite que o vazamento de combustível ao longo do pistão 5 seja quase completamente eliminado, eliminando assim um consequente superaquecimento do pistão 5 que poderia causar uma degradação térmica do revestimento anti-fricção do pistão 5.

[034] Em outras palavras, ao ser aumentada a pressão nominal de combustível, o vazamento de combustível ao longo do pistão 5 não representa tanto um problema de eficiência energética (uma vez que o vazamento de combustível constitui uma "perda de potência"), sendo mais significativamente um problema de superaquecimento do pistão 5 (que não danifica o pistão de aço 5, mas pode danificar o revestimento anti-fricção do pistão 5), pois o combustível vazado entre o orifício 8 da bucha guia 7 e o pistão 5 fica muito quente, chegando a atingir temperaturas críticas para o revestimento anti-fricção do pistão 5.

[035] Além disso, a bomba de combustível 1 acima descrita é de implementação simples e barata, uma vez que as modificações em relação a uma bomba de combustível semelhante e já conhecida são limitadas, consistindo na adição da junta de vedação 9. LISTA DE NÚMEROS DE REFERÊNCIA DAS FIGURAS
1 - bomba de combustível
2 - corpo principal
3 - eixo longitudinal
4 - câmara de bombeamento
5 - pistão
6 - assento de contenção
7 - bucha guia
8 - orifício central
9 - junta de vedação
10 - ranhura anelar
11 - ranhura anelar
12 - interrupção

Claims

OMBA DE COMBUSTÍVEL (1) PARA UM SISTEMA DE INJEÇÃO DIRETA, compreendendo:
um corpo principal (2);
uma câmara de bombeamento (4) definida no corpo principal (12);
um pistão (5) montado de maneira deslizante no interior da câmara de bombeamento (4), de modo a variar ciclicamente o volume da câmara de bombeamento (4);
um assento de contenção (6) definido no corpo principal (2) sob a câmara de bombeamento (4); e
uma bucha guia (7) alojada no assento de contenção (6), provida com um orifício central (8) onde o pistão (5) fica disposto de maneira deslizante;
em que uma folga mecânica existente entre o orifício central (8) da bucha guia (7) e o pistão (5) é menor do que 12 microns;
com a bomba de combustível (4) sendo caracterizada por compreender uma junta de vedação (9) interposta entre o pistão (5) e o orifício central (8) da bucha guia (7).
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a junta de vedação (9) ser montada no pistão (5).
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizada por o pistão (5) apresentar uma primeira ranhura anelar (10) que aloja a junta de vedação (9).
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizada por o pistão (5) possuir uma segunda ranhura anelar (11) que fica disposta a uma determinada distância axial da junta de vedação (9), sendo livre, isto é, não estando acoplada a outros elementos.
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada por a junta de vedação (9) ficar disposta entre a câmara de bombeamento (4) e a segunda ranhura anelar (11).
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada por a segunda ranhura anelar (11) ficar disposta entre a câmara de bombeamento (4) e a junta de vedação (9).
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada por a junta de vedação (9) apresentar um formato anelar fechado, ou seja, a junta de vedação (9) é um anel contínuo sem interrupções.
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada por a junta de vedação (9) apresentar um formato anelar aberto devido a uma interrupção (12) na sua continuidade, tendo portanto um começo e um fim separados um do outro e voltados um para o outro.
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com a reivindicação 8, caracterizada por a interrupção (12) formar um ângulo agudo com o eixo longitudinal (3) do pistão (5).
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada por a junta de vedação (9) ser feita de um material à base de PTFE.
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada por o pistão (5) e/ou o orifício central (8) da bucha guia (7) serem revestidos com um revestimento anti-fricção.
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com a reivindicação 11, caracterizada por o revestimento anti-fricção ser um revestimento do tipo DLC à base de carbono.
BOMBA DE COMBUSTÍVEL (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada por a folga mecânica existente entre o orifício central (8) da bucha guia (7) e o pistão (5) variar de 7 a 10 microns.