BR102021026019A2 - Dispositivo injetor de combustível - Google Patents

Abstract

Dispositivo injetor de combustível aplicável a sistemas de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motores de combustão que permite a otimização da quantidade de combustível injetado sob alta pressão 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.

Description

DISPOSITIVO INJETOR DE COMBUSTÍVEL

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo injetor de combustível aplicável a sistemas de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motores de combustão que permite a otimização da quantidade de combustível injetado sob alta pressão 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

[002] Nos últimos anos, problemas com a quantidades de poluentes emitidos (HC, CO, CO2 e particulados, entre outros) principalmente pelos motores dos carros, tem 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.

[003] 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 0 impacto ambiental das emissões de carbono do combustível durante todo 0 seu ciclo de vida.

[004] 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 0 diferencia de outros mercados globais e justifica uma abordagem única para a redução de emissões de aldeídos, por exemplo.

[005] 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 intermediária, 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 costumam 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).

[006] 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).

[007] Usualmente, o funcionamento do motor de um veículo de passeio possui quatro tempos:
• Admissão
• Compressão
• Combustão
• Escape

[008] 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).

[009] 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 combusta�vel.

[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 (Dl - 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] Como é sabido, os motores que empregam injeção direta (motores Dl) a alta pressão (de 200 BAR a 750 BAR, por exemplo) são mais propensos a reduzirem ainda mais as emissões de gases poluentes, uma vez que, quanto mais alta a pressão, maior a redução. No entanto, a operação sob pressões tão elevadas traz uma série de inconvenientes, tais como a redução drástica da durabilidade dos componentes internos do sistema de injeção, bem como um possível aumento do consumo de combustível para poder elevar a pressão de trabalho do sistema aos patamares desejados.

[0015] Sendo assim, a solução mais trivial seria o desenvolvimento de peças e componentes do sistema de injeção de combustível extremamente robustos para suportarem pressões acima de 500 BAR, o que levaria a um aumento dos custos de desenvolvimento e fabricação de empresas fornecedoras de sistemas de injeção e das montadoras de veículos.

[0016] No caso dos veículos que utilizam motores flex, o sistema de controle de injeção de combustível nos motores Dl utiliza, normalmente, apenas um mapa de pressão, independentemente de se tratar de motor a gasolina ou flex (E100 e/ou gasolina). Além disso, como as características do etanol expõem o sistema de injeção a uma criticidade maior quanto ao desgaste prematuro dos componentes de alta pressão (injetor e bomba) gerados pelo uso do etanol em relação à gasolina, os sistema de injeção são configurados para limitar a pressão de trabalho a, no máximo, 200 BAR, independentemente do tipo de combustível. Assim, ocorre uma perda de desempenho do sistema quando o motor está funcionando com gasolina, uma vez que o limite de trabalho dos componentes de alta pressão poderiam chegar a 350 BAR.

[0017] Dessa forma, para superar o problema técnico de injetar combustível a altas pressões e preservar a durabilidade dos seus componentes internos (sem aumentar a sua complexidade) pelo uso do etanol e aumentar o desempenho quando o propulsor estiver sendo movido a gasolina, extraindo do sistema de injeção de combustível o máximo benefício e performance, proporcionando uma redução significativa da quantidade de emissões, sem elevar o consumo de combustível, tornando-o mais eficiente em regime de funcionamento do motor, é feita a injeção direta de combustível aquecido.

[0018] Uma das técnicas mais eficazes de se obter uma queima mais correta do combustível é entregá-lo à câmara de combustão previamente aquecido. Para isso, o combustível é aquecido até uma temperatura previamente determinada (temperatura alvo). No entanto, para se ter um controle preciso da potência de aquecimento do combustível

[0019] Nesse sentido, já são conhecidas algumas técnicas e soluções, tal como a descrita no documento de patente WO2017/221039 que descreve um sistema no qual é realizado o controle da quantidade de combustível injetada no motor e aumento da pressão de combustível baseado em um modelamento do aquecimento de combustível em relação ao modelo não aquecido. Ou seja, utiliza uma lógica complexa, que combina dois métodos de controle de injeção.

[0020] Além disso, o documento de patente BR102019027843 revela um sistema que emprega um sensor de temperatura mecanicamente associado subsequentemente ao dispositivo aquecedor de combustível em relação ao fluxo de combustível, sem mencionar onde está posicionado, com exatidão, o sensor de temperatura.

[0021] No entanto, nenhum dos documentos mencionados anteriormente prevê uma técnica para posicionamento preciso de sensores de temperatura que medem a temperatura do combustível injetado com a máxima acurácia, permitindo-se controlar a temperatura do combustível a ser injetado, de modo a conseguir alcançar satisfatoriamente uma redução de poluentes.

[0022] Dessa forma, a presente invenção se propõe a solucionar os problemas do estado da técnica de uma forma muito mais eficiente, visando uma leitura da temperatura de forma extremamente precisa e real.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0023] A presente invenção tem como objetivo prover um dispositivo injetor de combustível em motores de combustão interna a partir de uma mistura de um fluxo de ar e combustível aplicável a um veículo, de forma a viabilizar o controle preciso da temperatura de aquecimento do combustível injetado e o consequente uso de um sistema de injeção direta Dl que trabalha com pressões (normalmente) em torno de 200 BAR quando operado apenas com etanol e pressões em torno de 350 BAR (ou superior) quando funciona apenas a gasolina, melhorando a performance do motor, mantendo a durabilidade dos componentes internos do sistema de injeção, bem como preservando o consumo de combustível, através da injeção direta de combustível.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0024] Visando solucionar o problema técnico apresentado e superar os inconvenientes do estado da técnica, a presente invenção tem como objetivo prover um dispositivo
• uma região de entrada de combustível que compreende pelo menos um corpo de entrada dotado de uma porção externa de corpo de entrada que inclui uma parede externa de corpo de entrada dotada de uma face externa de parede externa de corpo de entrada, uma porção interna de corpo de entrada que inclui uma parede interna de corpo de entrada dotada de uma face interna de parede interna de corpo de entrada e que inclui pelo menos uma extremidade de entrada;
• uma região intermediária associada à região de entrada e que compreende pelo menos um corpo intermediário dotado de uma porção externa de corpo intermediário que inclui uma parede externa de corpo intermediário dotada de uma face externa de parede externa de corpo intermediário, uma porção interna de corpo intermediário que inclui uma parede interna de corpo intermediário dotada de uma face interna de parede interna de corpo intermediário;
• uma região de saída de combustível associada à região de intermediária e que compreende pelo menos um corpo de saída dotado de uma porção externa de corpo de saída que inclui uma parede externa de corpo de saída dotada de uma face externa de parede externa de corpo de saída, uma porção interna de corpo de saída que inclui uma parede interna de corpo de saída dotada de uma face interna de parede interna de corpo de saída;
• pelo menos um elemento regulador de vazão de combustível associado à porção interna de corpo intermediário e à porção interna de corpo de saída;
• pelo menos um elemento limitador de curso associado e cooperante com o corpo de saída e que coopera com o elemento regulador de vazão de combustível, de modo a compreender um corpo de elemento limitador de curso dotado de uma porção externa de corpo de elemento limitador de curso que inclui uma parede externa de corpo de elemento limitador de curso dotada de uma face externa de parede externa de corpo de elemento limitador de curso, uma porção interna de corpo de elemento limitador de curso que inclui uma parede interna de corpo de elemento limitador de curso dotada de uma face interna de parede interna de corpo de elemento limitador de curso;
• pelo menos um elemento de conexão elétrica; de modo a compreender pelo menos um sensor dotado de uma primeira extremidade de sensor e uma segunda extremidade de sensor, de modo que a primeira extremidade de sensor está associada ao elemento de conexão elétrica e a segunda extremidade de sensor está associada à região de entrada de combustível. DESCRIÇÃO RESUMIDA DAS FIGURAS

[0025] Figura 1 - Esquema de uma concretização preferencial do dispositivo objeto da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

[0026] Motores que empregam injeção direta (motores Dl) a alta pressão (de 500 BAR a 750 BAR, por exemplo) são mais propensos a reduzirem ainda mais as emissões de gases poluentes, pois a alta pressão proporciona maior eficácia na pulverização do combustível, fazendo com que esse tipo de sistema consiga uma redução das emissões. No entanto, como as características do etanol expõem o sistema de injeção a uma criticidade maior quanto ao desgaste prematuro dos componentes de alta pressão (injetor e bomba) gerados pelo uso do etanol em relação à gasolina, os sistemas de injeção são configurados para limitar a pressão de trabalho a, no máximo, 200 BAR, independentemente do tipo de combustível. Assim, ocorre uma perda de desempenho do sistema quando o motor funciona com gasolina apenas, uma vez que o limite de trabalho dos componentes de alta pressão poderiam chegar a 350 BAR.

[0027] Nesse sentido, a presente invenção viabiliza o uso de sistema de injeção direta Dl que trabalha com pressões em torno de 200 BAR para obter performances mais elevadas ao trabalhar com 350 BAR quando movido apenas a gasolina, mantendo a durabilidade dos componentes internos do sistema de injeção, bem como preservando o consumo de combustível, através da injeção direta de combustível aquecido.

[0028] O funcionamento do se dá desde a partida do motor, porém o seu foco é quando o motor estiver em regime de funcionamento. O gerenciamento do sistema tem como objetivo manter a pressão do combustível injetado sempre otimizada. Para isso o sistema determina qual o mapa de pressão deve ser utilizado, conforme parâmetros do motor.

[0029] Sendo assim, como pode ser visto na figura 1, a presente invenção revela um dispositivo injetor de combustível dotado de
• uma região de entrada de combustível 1 que compreende pelo menos um corpo de entrada 11 dotado de uma porção externa de corpo de entrada que inclui uma parede externa de corpo de entrada dotada de uma face externa de parede externa de corpo de entrada 111, uma porção interna de corpo de entrada que inclui uma parede interna de corpo de entrada dotada de uma face interna de parede interna de corpo de entrada 112 e que inclui pelo menos uma extremidade de entrada 113;
• uma região intermediária 2 associada à região de entrada e que compreende pelo menos um corpo intermediário 21 dotado de uma porção externa de corpo intermediário que inclui uma parede externa de corpo intermediário dotada de uma face externa de parede externa de corpo intermediário 211, uma porção interna de corpo intermediário que inclui uma parede interna de corpo intermediário dotada de uma face interna de parede interna de corpo intermediário 212;
• uma região de saída de combustível 3 associada à região de saída e que compreende pelo menos um corpo de saída 31 dotado de uma porção externa de corpo de saída que inclui uma parede externa de corpo de saída dotada de uma face externa de parede externa de corpo de saída 311, uma porção interna de corpo de saída que inclui uma parede interna de corpo de saída dotada de uma face interna de parede interna de corpo de saída 312;
• pelo menos um elemento regulador de vazão de combustível 4 associado à porção interna de corpo intermediário e à porção interna de corpo de saída;
• pelo menos um elemento limitador de curso 5 associado e cooperante com o corpo de saída 31 e que coopera com o elemento regulador de vazão de combustível 4, de modo a compreender um corpo de elemento limitador de curso 51 dotado de uma porção externa de corpo de elemento limitador de curso que inclui uma parede externa de corpo de elemento limitador de curso dotada de uma face externa de parede externa de corpo de elemento limitador de curso 511, uma porção interna de corpo de elemento limitador de curso que inclui uma parede interna de corpo de elemento limitador de curso dotada de uma face interna de parede interna de corpo de elemento limitador de curso 512;
• pelo menos um elemento de conexão elétrica 6; de modo a compreender pelo menos um sensor 7 dotado de uma primeira extremidade de sensor 71 e uma segunda extremidade de sensor 71, de modo que a primeira extremidade de sensor 71 está associada ao elemento de conexão elétrica 6 e a segunda extremidade de sensor 72 está associada à região de entrada de combustível 1. Entende-se como sensor 7 um sensor de temperatura.

[0030] Em uma primeira concretização, a presente invenção descreve um dispositivo injetor de combustível, de modo que o sensor 7 está posicionado associado à face externa de parede externa de corpo intermediário 211.

[0031] Em uma concretização preferencial, a presente invenção descreve um dispositivo injetor de combustível, de forma que o sensor está posicionado associado à face externa de parede externa de corpo de entrada 111.

[0032] Essa concretização é capaz de coletar dados de temperatura em uma porção mais próxima à entrada de combustível no dispositivo injetor.

[0033] Em mais uma concretização, a presente invenção descreve um dispositivo injetor de combustível, de modo a compreender uma primeira abertura 81 que se propaga a partir da face externa de parede externa de corpo de entrada 111 em direção e até face interna de parede interna de corpo de entrada 112.

[0034] Em outra concretização, a presente invenção descreve um dispositivo injetor de combustível, onde o sensor 7 está posicionado associado à face externa de parede externa de corpo de entrada 111, se propaga a partir da face externa de parede externa de corpo de entrada 111 em direção e até face interna de parede interna de corpo de entrada 112 e está associado à face interna de parede interna de corpo de entrada 112.

[0035] Em mais uma concretização, a presente invenção descreve um dispositivo injetor de combustível, de modo a compreender uma segunda abertura 82 que se propaga a partir da face externa de parede externa de corpo intermediário 211 em direção e até face interna de parede interna de corpo intermediário 212.

[0036] Além disso, de forma mais particular, a presente invenção descreve um dispositivo injetor de combustível, onde a primeira abertura 81 e a segunda abertura 82 cooperam entre si. Tal cooperação proporciona o alinhamento entre as aberturas, de modo a viabilizar que o sensor de temperatura 7 entre em contato diretamente com o combustível que flui pela porção interna de corpo de entrada, fazendo a leitura direta do valor de temperatura que entra no dispositivo injetor, sendo necessária a aplicação de um fator de correção relacionado à perda de carga térmica do dispositivo injetor.

[0037] Cumpre ressaltar que o posicionamento do sensor de temperatura 7 mais próximo à entrada de combustível, bem como o mais próximo do contato físico com o combustível que flui pelo dispositivo injetor, mais precisa é a leitura, simplificando fatores de correção relacionados à perdas de carga térmica para a determinação da potência a ser disponibilizada para aquecer o combustível.

[0038] A determinação da potência de acordo com a temperatura e vazão do combustível no instante atual e de acordo com os dados do motor 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 de aquecimento de combustível.

[0039] Dessa forma, cumpre-se notar que, conforme descritivo acima, a presente invenção atinge o objetivo um dispositivo injetor de combustível em motores de combustão interna a partir de uma mistura de um fluxo de ar e combustível aplicável a um veículo, de forma a viabilizar o controle preciso da temperatura de aquecimento do combustível injetado e o consequente uso de um sistema de injeção direta Dl que trabalha com pressões (normalmente) em torno de 200 BAR quando operado apenas com etanol e pressões em torno de 350 BAR (ou superior) quando funciona apenas a gasolina, melhorando a performance do motor, mantendo a durabilidade dos componentes internos do sistema de injeção, bem como preservando o consumo de combustível, através da injeção direta de combustível.

[0040] Assim sendo, a presente invenção também cumpre o papel de viabilizar o aumento da potência extraída do motor associada com menor consumo de combustível e consequente redução de gases poluentes por parte dos motores.

Claims (8)

1. Dispositivo injetor de combustível dotado de
   • uma região de entrada de combustível (1) que compreende pelo menos um corpo de entrada (11) dotado de uma porção externa de corpo de entrada que inclui uma parede externa de corpo de entrada dotada de uma face externa de parede externa de corpo de entrada (111), uma porção interna de corpo de entrada que inclui uma parede interna de corpo de entrada dotada de uma face interna de parede interna de corpo de entrada (112) e que inclui pelo menos uma extremidade de entrada (113);
   • uma região intermediária (2) associada à região de entrada e que compreende pelo menos um corpo intermediário (21) dotado de uma porção externa de corpo intermediário que inclui uma parede externa de corpo intermediário dotada de uma face externa de parede externa de corpo intermediário (211), uma porção interna de corpo intermediário que inclui uma parede interna de corpo intermediário dotada de uma face interna de parede interna de corpo intermediário (212);
   • uma região de saída de combustível (3) associada à região de intermediária e que compreende pelo menos um corpo de saída (31) dotado de uma porção externa de corpo de saída que inclui uma parede externa de corpo de saída dotada de uma face externa de parede externa de corpo de saída (311), uma porção interna de corpo de saída que inclui uma parede interna de corpo de saída dotada de uma face interna de parede interna de corpo de saída (312);
   • pelo menos um elemento regulador de vazão de combustível (4) associado à porção interna de corpo intermediário e à porção interna de corpo de saída;
   • pelo menos um elemento limitador de curso (5) associado e cooperante com o corpo de saída (31) e que coopera com o elemento regulador de vazão de combustível (4), de modo a compreender um corpo de elemento limitador de curso (51) dotado de uma porção externa de corpo de elemento limitador de curso que inclui uma parede externa de corpo de elemento limitador de curso dotada de uma face externa de parede externa de corpo de elemento limitador de curso (511), uma porção interna de corpo de elemento limitador de curso que inclui uma parede interna de corpo de elemento limitador de curso dotada de uma face interna de parede interna de corpo de elemento limitador de curso (512);
   • pelo menos um elemento de conexão elétrica (6); caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um sensor (7) dotado de uma primeira extremidade de sensor (71) e uma segunda extremidade de sensor (71), de modo que a primeira extremidade de sensor (71) está associada ao elemento de conexão elétrica (6) e a segunda extremidade de sensor (72) está associada à região de entrada de combustível (1).
2. Dispositivo injetor de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sensor (7) estar posicionado associado à face externa de parede externa de corpo intermediário (211).
3. Dispositivo injetor de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sensor estar posicionado associado à face externa de parede externa de corpo de entrada (111).
4. Dispositivo injetor de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender uma primeira abertura (81) que se propaga a partir da face externa de parede externa de corpo de entrada (111) em direção e até face interna de parede interna de corpo de entrada (112).
5. Dispositivo injetor de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor (7) está posicionado associado à face externa de parede externa de corpo de entrada (111), se propaga a partir da face externa de parede externa de corpo de entrada (111) em direção e até face interna de parede interna de corpo de entrada (112) e está associado à face interna de parede interna de corpo de entrada (112).
6. Dispositivo injetor de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender uma segunda abertura (82) que se propaga a partir da face externa de parede externa de corpo intermediário (211) em direção e até face interna de parede interna de corpo intermediário (512)
7. Dispositivo injetor de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira abertura (81) e a segunda abertura (82) cooperam entre si.
8. Dispositivo injetor de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sensor (7) compreender um sensor de temperatura.

Images