BR112012025543B1 - sistema de bomba que compreende uma bomba, um injetor e um regulador com uma unidade de cálculo e método em um sistema de bomba - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE BOMBA QUE COMPREENDE UMA BOMBA, UM INJETOR E UM REGULADOR COM UMA UNIDADE DE CÁLCULO. A presente invenção refere-se a um sistema de bomba que compreende uma bomba, um injetor e um regulador com uma unidade de cálculo, cujo regulador é adaptado para controlar a dita bomba através de um sinal de controle para bombear um líquido através de uma mangueira até o dito injetor que abre e fecha em resposta a um sinal de controle de injetor, sendo que o tempo para um ciclo de abertura e fechamento é chamado de ciclo injetor e designado como Ts, e sendo que o período de abertura do injetor é designado como TS. O injetor é dotado de um sensor de pressão adaptado para medir a pressão do líquido no injetor e distribuir para a unidade de cálculo no regulador um sinal de sensor de pressão que representa a amplitude de pressão no injetor, a unidade de cálculo, deste modo, é adaptada para calcular a rigidez da mangueira B como uma função das amplitudes de pressão medidas A no injetor, no ciclo injetor Ts e no período de abertura do injetor (gama), e o regulador é adaptado para determinar,(...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção refere-se a um sistema de bomba, e a um método relacionado a um sistema de bomba, de acordo com os preâmbulos das reivindica-ções independentes. De maneira mais específica, um sistema e um método são in-dicados para identificar automaticamente a rigidez de uma mangueira de pressão. A invenção é descrita abaixo com base nos exemplos relacionados à indústria auto-mobilística, por exemplo, um sistema SCR e um sistema de injeção de combustível, porém, também é geralmente utilizável para outras aplicações relacionadas à regu-lação de pressão.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Os autodenominados sistemas SCR (redução catalítica seletiva) são usados para reduzir os óxidos de nitrogênio (NOx) dos gases de escape de um motor a diesel. Os óxidos de nitrogênio, deste modo, são convertidos, por meio de um ca-talisador, em gás nitrogênio (N2) e água. Um redutor de gás, por exemplo, amônia anidra, amônia ou ureia dissolvida em água, por exemplo, AdBlue, é adicionado a um fluxo de gases de combustão ou gases de escape e é absorvido por um catalisador. O dióxido de carbono é um produto de reação quando a ureia for usada como redutor.
[003] O uso do sistema SCR envolve, por exemplo, a injeção de AdBlue a alta pressão nos gases de combustão por meio de um injetor. Um regulador é usado para regular a pressão em uma mangueira de alta pressão conectada ao injetor. O sistema regulado compreende uma bomba, mangueiras e um injetor com um sensor de pressão. A quantidade de redutor de gás (AdBlue) adicionada depende, entre outras coisas, dos teores medidos de óxidos de nitrogênio, medidos preferencialmente a jusante de onde o injetor se situa. O redutor de gás é adicionado ao abrir e fechar o injetor, sendo que a quantidade de redutor de gás é controlada pelo tempo de aber- tura para o injetor. Um tempo de ciclo típico para o injetor, isto é, o período entre duas aberturas consecutivas do injetor é, de preferência, na ordem de 0,5 a 1,0 segundo.
[004] Os parâmetros de regulação do regulador dependem, entre outras coisas, das características da mangueira de alta pressão, tais como, seu comprimento e diâmetro e a suavidade de seu material, por exemplo, borracha. Os parâmetros de regulação também são afetados pela temperatura.
[005] Deste modo, existem diversas características, que interagem aqui e são cobertas, a partir de uma perspectiva de regulação, pelo conceito de rigidez de mangueira. Uma dificuldade consiste no fato de que a rigidez de mangueira é des-conhecida, por exemplo, no momento da instalação e, portanto, precisa ser deter-minada de alguma forma. Um meio de efetuar isto consiste em calibrar manualmente a rigidez de cada tipo de mangueira que pode ser relevante para a respectiva insta-lação. Entretanto, isto é muito demorado e envolve problemas, por exemplo, se as mangueiras precisarem ser trocadas.
[006] O objetivo da presente invenção consiste em simplificar e aprimorar a determinação de rigidez de mangueira, a fim de apenas levar à manipulação menos dispendiosa, mas, também, proporcionar vantagens relacionadas à troca de man-gueira pelo fato de que nenhuma calibração separada precisa ser efetuada para cada mangueira nova.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[007] Os objetivos acima são atingidos com a invenção definida pelas reivin-dicações independentes.
[008] As modalidades preferidas são definidas pelas reivindicações depen-dentes.
[009] De acordo com a presente invenção, a rigidez de mangueira B é cal-culada e é posteriormente usada para calcular os parâmetros de regulação apropri-ados para o regulador de pressão, por exemplo, pressão. O regulador, então, calcula o sinal de controle para a bomba com base nestes parâmetros de regulação.
[010] A vantagem do dispositivo, de acordo com a presente invenção, con- siste em não ter que calibrar manualmente o regulador em relação à rigidez da mangueira de alta pressão. Isto elimina uma operação de calibração durante a nova produção, troca de mangueiras de alta pressão ou reestruturação de instalações, e na ocasião de substituição da unidade de controle.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[011] A Figura 1 é um diagrama em bloco esquemático que ilustra a presente invenção.
[012] A Figura 2 compreende diversos gráficos que ilustram a presente in-venção.
[013] A Figura 3 é um fluxograma que ilustra o método, de acordo com a presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS DA INVENÇÃO
[014] A invenção é descrita abaixo em detalhes com referência aos desenhos em anexo.
[015] A Figura 1 é um diagrama em bloco esquemático que ilustra um sistema de bomba que compreende uma bomba, um tanque, um injetor com um sensor de pressão e um regulador de pressão com uma unidade de cálculo não mostrada. A bomba é conectada ao injetor por uma mangueira de alta pressão, daqui por diante chamada de "mangueira", para transferir líquido para os injetores.
[016] O líquido excedente retorna para o tanque através de uma mangueira de retorno, e o líquido que será bombeado para fora passa a partir de um tanque até a bomba através de uma mangueira de sucção. Na mangueira de retorno, o líquido volta para o tanque, no qual este se encontra na pressão aproximadamente atmos-férica.
[017] O regulador é adaptado para controlar a bomba através de um sinal de controle para bombear o líquido através da mangueira até o injetor, que abre e fecha em resposta a um sinal de controle de injetor, e o tempo para um ciclo de abertura e fechamento, chamado de ciclo injetor, é designado como Ts e o período de abertura do injetor é designado como y, onde 0< Y < 1 e 0 denota uma situação na qual o in- jetor é fechado por todo o ciclo injetor e 1 denota uma situação na qual o injetor é aberto por todo o ciclo injetor.
[018] O injetor é dotado de um sensor de pressão adaptado para medir a pressão do líquido no injetor e distribuir um sinal de sensor de pressão para a uni-dade de cálculo no regulador, cuja unidade de cálculo é adaptada para determinar, com base no sinal de sensor de pressão, a amplitude de pressão A no injetor.
[019] A unidade de cálculo é adicionalmente adaptada para calcular a rigidez B da mangueira como uma função da amplitude de pressão A medida no injetor, no ciclo injetor Ts e no período de abertura do injetor y, e o regulador é adaptado para determinar, com base em B, o sinal de controle para a bomba.
[020] O sinal de controle, então, regula a pressão do líquido que é bombeado para fora da bomba. Esta regulação pode ocorrer, por exemplo, de tal modo que se a mangueira for atingida, um valor de rigidez B que indica que a mangueira é mais rí-gida, represente uma pressão mais alta do que se a rigidez de mangueira indicar uma mangueira menos rígida. Além disso, uma mangueira mais longa pode requer uma pressão mais alta que uma mangueira mais curta. Os comprimentos de mangueira podem variar muito e, por exemplo, no caso de um sistema SCR podem se encontrar na faixa de 1 a 25 metros. A seta dupla para e a partir do regulador representa a conexão com um sistema superordenado, por exemplo, um sistema SCR, que controla e recebe informações do regulador. O sinal de controle de injetor pode ser gerado pelo regulador de pressão ou pelo sistema superordenado.
[021] De acordo com uma modalidade preferida, a rigidez de mangueira B é calculada pela equação
Figure img0001
Onde 0<y<1
[022] A rigidez de mangueira B depende de um ou mais entre o comprimento e o diâmetro da mangueira e seu material, que pode ser, por exemplo, borracha.
[023] O sistema de bomba, de acordo com a presente invenção, é particu-larmente adequado ao uso em um sistema SCR para um veículo no qual o líquido é, por exemplo, amônia anidra, amônia ou ureia dissolvida em água, por exemplo, Ad- Blue.
[024] O regulador é adaptado para controlar a bomba em relação à pressão no líquido que é bombeado para fora e, em particular, a fim de bombear o líquido a alta pressão, sendo que a pressão do líquido na mangueira é, por exemplo, da ordem de 10 bar, isto é, 1 MPa.
[025] O sistema de bomba, de acordo com a invenção, é, de preferência, constantemente ativado, o que significa que o regulador recebe continuamente os sinais de sensor de pressão do injetor e, portanto, pode adaptar automaticamente, isto é, em tempo real e de maneira contínua, a pressão na mangueira. O sistema, deste modo, atende as alterações na rigidez de mangueira B causadas, por exemplo, por alterações na temperatura do líquido. Os sinais de sensor de pressão são reu-nidos em uma frequência de amostragem que é relacionada ao ciclo injetor. Se o ciclo injetor for da ordem de 1 segundo, a frequência de amostragem precisa ser de pelo menos 10 Hz e, de preferência, da ordem de 100 Hz, para obter a precisão sufi-ciente.
[026] A presente invenção se refere também a um método e a um sistema de bomba, que compreende fazer com que uma bomba bombeie um líquido através de uma mangueira até um injetor que é adaptado para:
[027] abrir e fechar, com um período de abertura designado como Y e um tempo para todo o ciclo de abertura e fechamento que é designado Ts; medir a pressão do líquido no injetor; calcular a rigidez B da mangueira como uma função das amplitudes de pressão medidas A no injetor, no ciclo injetor Ts e no período de abertura do injetor y, e determinar com base em B o sinal de controle para a bomba.
[028] A rigidez de mangueira B é calculada pela equação
Figure img0002
Onde 0<y<1
[029] Quando o sistema estiver em operação, o injetor abre e fecha de um modo controlado. Isto resulta em pulsações de pressão na mangueira de alta pressão que são medidas pelo sensor de pressão no injetor. A Figura 2 é um diagrama es-quemáticoda forma possível de tais pulsações de pressão, para uma mangueira curta (gráfico superior) e uma mangueira longa (gráfico inferior). A parte superior do diagrama representa o sinal de controle no injetor. Como pode ser observado no di-agrama, a pressão cai quando o injetor for aberto e aumenta quando o injetor for fechado. No diagrama, o injetor é aberto por um tempo igualmente longo para ambas as mangueiras, porém, as pulsações de pressão são claramente de amplitudes dife-rentes. Uma mangueira longa resulta em amplitudes menores que uma mangueira curta do mesmo tipo. No exemplo mostrado, Y é aproximadamente 0,25, isto é, o in- jetor é aberto em um quarto do ciclo injetor Ts.
[030] Deste modo, é possível determinar a rigidez da mangueira medindo-se as duas seguintes magnitudes:
[031] A proporção do ciclo de abertura/fechamento Ts para o qual o injetor é aberto, cuja proporção é designada como y e, portanto, entre 0 e 1.
[032] A amplitude A das pulsações de pressão.
[033] A primeira e a segunda magnitudes são conhecidas e se originam do sistema superordenado, a terceira magnitude é calculada na unidade de cálculo com base no sinal de pressão. Isto ocorre com um ligeiro atraso da ordem de um ciclo de abertura/fechamento Ts. A rigidez de mangueira B (que pode ter as mesmas di-mensões que a pressão/tempo), então, pode ser determinada pela equação acima.
[034] A derivação desta equação começa a partir de uma relação física (uma equação diferencial) que descreve a pressão na mangueira de alta pressão. A rela-ção física compreende a rigidez de mangueira B e pode ser usada para descrever a inclinação dos flancos de pressão. Equacionando-se a inclinação medida na Figura 2 com a inclinação resultante da relação física, é possível determinar B de acordo com a expressão acima. Uma derivação completa da equação B aparece no final da des-crição detalhada.
[035] A rigidez de mangueira B, então, é usada para calcular os parâmetros de regulação apropriados no regulador da Figura 1. A rigidez de mangueira normal-menteé constante para uma determinada mangueira, porém, pode variar, por exem-plo, com a temperatura.
[036] Segue-se abaixo uma derivação da equação para a rigidez de mangueira B que é usada pelo sistema de bomba, de acordo com a presente invenção.
[037] Para determinar os parâmetros de regulador ótimos para o regulador de bomba, é necessário conhecer a constante de tempo do sistema T. A constante de tempo T varia com a dosagem y. Os valores T também podem variar ao longo de di-ferentes tipos de mangueira. Portanto, é apropriado determinar t por meio da identi-ficação do sistema enquanto o sistema se encontra em operação. Descreve-se abaixo como um valor adequado de t pode ser calculado durante a operação.
[038] A pressão no sistema é descrita pela equação diferencial
Figure img0003
em que β e V denotam respectivamente a elasticidade e o volume da man-gueira, q(x) o fluxo da bomba como uma função de seu sinal de controle, e
Figure img0004
o escoamento da mangueira de alta pressão (através da mangueira de retorno e da válvula de dosagem).
[039] A linearização da equação 1 ao redor de p = p0 produz
Figure img0005
[040] Supõe-se também que a função de fluxo q(x) pode ser linearizada em torno de x = X0 (onde x0 é o valor do sinal de controle requerido para manter a pressão a p = p0). A função de fluxo linearizada é
Figure img0006
em que q(x0) pode ser calculado pela equação 1 e supondo-se que o equilíbrio prevaleça, isto é, que a pressão seja igual a p0:
Figure img0007
[041] A inserção da equação 4 na equação 3 produz
Figure img0008
[042] Logo, a inserção da equação 5 na equação 2 produz
Figure img0009
que pode ser simplificada como
Figure img0010
[043] Para o regulador, supôs-se previamente que a pressão no sistema se comportasse como a equação diferencial de primeira ordem
Figure img0011
[044] Com as equações 7 e 8, agora é possível identificar a constante de tempo T como
Figure img0012
[045] A expressão para T contém algumas constantes desconhecidas que precisam ser determinadas. Pode-se fazer ao observar o "padrão de dente de serra" superimposto no sinal de pressão quando o sistema dosa, conforme ilustrado na Fi-gura 2.
[046] Supõe-se que: a dosagem seja mantida constante (isto é Y = const) a pressão média do sistema seja p = p0 o fluxo através da bomba seja quase constante durante o ciclo TS (isto é q(x) = const).
[047] Nas suposições acima,
Figure img0013
o que torna possível aproximar q(x) a
Figure img0014
[048] Pode-se expressar a derivada no flanco de pressão descendente do padrão de dente de serra como
Figure img0015
(isto é, equação 1 com gama = 1)
[049] A inserção da equação 10 na equação 11a, então, produz a equação11.
[050] Agora, pode-se aproximar a derivada no flanco de pressão descendente do padrão de dente de serra como
Figure img0016
Que pode ser simplificado como
Figure img0017
[051] Também, aproximar
Figure img0018
da Figura 2 em
Figure img0019
[052] Equacionando-se as equações 12 e 13, pode-se chegar à seguinte re-lação (após ligeira reorganização):
Figure img0020
[053] Para um determinado sistema esta é uma expressão na forma
Figure img0021
em que
Figure img0022
[054] A curva A(Y)é uma parábola com zero pontos Y = 0 e Y = 1, e máxima no ponto (Y, A) = (0,5, 0,25BTS). Usando-se valores instantâneos de A, Y e Ts no sof-tware se torna possível determinar a constante B da equação 15:
Figure img0023
[055] A unidade de medida para B é Pa/s. Uma descrição concebível para B éa "constante de taxa de pressão"ou, mais simplesmente, "constante de mangueira".
[056] Quando B tiver sido determinado, pode-se expressar o fator
Figure img0024
na equação 9 (com o auxílio da equação 16) como
Figure img0025
[057] A inserção na equação 9 produz
Figure img0026
[058] O conhecimento da constante de tempo do sistema T, então, é útil no cálculo dos parâmetros de regulação.
[059] A presente invenção não se limita às modalidades preferidas descritas acima. Diversas alternativas, modificações e equivalentes podem ser usados. As modalidades acima, portanto, não são consideradas limitadoras do escopo de pro-teção da invenção definida pelas reivindicações em anexo.

Claims (10)

1. Sistema de bomba que compreende uma bomba, um injetor e um regulador com uma unidade de cálculo, cujo regulador é adaptado para controlar a dita bomba através de um sinal de controle para bombear um líquido através de uma mangueira para o dito injetor que abre e fecha em resposta a um sinal de controle de injetor, sendo que o tempo para um ciclo de abertura e fechamento é chamado de ciclo injetor e designado como Ts, e sendo que o período de abertura do injetor é designado como Y, CARACTERIZADO pelo fato de que o injetor compreende um sensor de pressão adaptado para medir a pressão do líquido no injetor e distribuir um sinal de sensor de pressão para a unidade de cálculo no regulador, cuja unidade de cálculo é adaptada para determinar, com base no sinal de sensor de pressão, a amplitude de pressão A no injetor e, portanto, calcular a rigidez da mangueira B como uma função das amplitudes de pressão A medidas no injetor, no ciclo injetor Ts e no período de abertura do injetor y, e que o regulador é adaptado para determinar, com base na rigidez de mangueira B, o sinal de controle para a bomba.
2. Sistema de bomba, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a rigidez de mangueira B é calculada pela equação:
Figure img0027
, onde 0< y < 1.
3. Sistema de bomba, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema é adaptado para ser usado por um sistema SCR para um veículo.
4. Sistema de bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema é adaptado para bombear líquido em alta pressão.
5. Sistema de bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema também compreende uma mangueira de retorno, um tanque e uma mangueira de sucção destinada a retornar o líquido para a bomba.
6. Sistema de bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o regulador é adaptado para controlar a dita bomba em relação à pressão no líquido bombeado para fora.
7. Sistema de bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a rigidez de mangueira B depende de um ou mais entre o comprimento e o diâmetro da mangueira e do material da mangueira.
8. Sistema de bomba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o líquido é ureia.
9. Método em um sistema de bomba, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: fazer com que uma bomba bombeie um líquido através de uma mangueira para um injetor que é adaptado para abrir e fechar com um período de abertura de-signado como Y e um tempo para todo o ciclo de abertura e fechamento que é de-signado como Ts; medir a pressão do líquido no injetor; calcular a rigidez B da mangueira como uma função das amplitudes de pres-são A medidas no injetor, no ciclo injetor Ts e no período de abertura do injetor y, e determinar, com base em B, o sinal de controle para a bomba.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que a rigidez de mangueira B é calculada pela equação
Figure img0028
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