BR112012027578B1

BR112012027578B1 - Sistema de injeção de combustível e unidade de controle eletrônico

Info

Publication number: BR112012027578B1
Application number: BR112012027578-0A
Authority: BR
Inventors: Marco Casalone; Marco Tonetti
Original assignee: C.R.F. Società Consortile Per Azioni
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2021-06-01
Also published as: WO2011135442A8; EP2383454A9; CN102884298A; EP2383454A1; BR112012027578A2; WO2011135442A1; CN102884298B; US20130074806A1; EP2564048B1; EP2564048A1; KR20130042491A

Abstract

modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível em um motor de combustão interna. é descrito um sistema de injeção de combustível para um motor de combustão interna, o qual compreende pelo menos um eletro-injetor de combustível (1) e uma unidade eletrônica de controle (11), configurada para alimentar o eletro-injetor de combustível (1) em uma fase de injeção de combustível em um cilindro do motor, com pelo menos um primeiro comando elétrico (s1) que faz com que uma primeira injeção (p) seja realizada, e um segundo comando elétrico (s2) que faz com que uma segunda injeção de combustível (m) temporalmente subsequente à primeira injeção de combustível (p) seja executada, com os primeiro e segundo comandos elétricos (s1, s2) estando separados no tempo por um tempo de permanência elétrica (dt), de tal forma que a segunda injeção de combustível (m) começa sem nenhuma descontinuidade no tempo em relação à primeira injeção de combustível (p). a unidade de controle 4 eletrônico (11) é ainda configurada para fazer com que as primeira e segunda injeções de g combustível (p, m) sejam realizadas em condições de funcionamento do motor caraterizadas por atrasos reduzidos de ignição de combustível, em que a combustão de combustível é predominantemente difusiva e o calor liberado durante a queima de combustível é sensível às leis reguladoras sobre injeção de combustível.

Description

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a um ou mais modelos de ajuste da taxa de injeção de combustível (IRS - Injection Rate Shaping) em um motor de combustão interna, em particular do tipo provido com um sistema de injeção de combustível de tubo comum (common rail).

ESTADO DA ARTE

[0002] Como é sabido, em sistemas de injeção de combustível de tubo comum de última geração, os eletro-injetores são controlados eletronicamente por uma unidade de controle eletrônico apropriadamente programada para fornecer comandos elétricos aos eletro-injetores, tal como para prover estratégias de injeção de combustível especificamente destinadas a alcançar determinados objetivos em termos de consumo de combustível ou de níveis de emissão de substâncias poluentes.

[0003] Por exemplo, o documento de patente EP 1.035.314 B1, em nome do Requerente, descreve um sistema de injeção de combustível de tubo comum (common rail) em que a unidade de controle eletrônico é programada para fazer com que o sistema de injeção de combustível execute, em um e no mesmo cilindro do motor, e em um e no mesmo ciclo do motor, múltiplas injeções de combustível temporalmente consecutivas, compreendendo: - uma injeção de combustível principal, se necessário dividida em duas sub-injeções de combustível principais, no final da compressão no ponto morto superior; - duas injeções de combustível antes da injeção de combustível principal, com uma suficientemente longe da injeção de combustível principal, para dar origem a uma combustão distinta daquela da injeção de combustível principal, e uma suficientemente próxima da injeção de combustível principal, para dar origem a uma combustão em continuidade com aquela da injeção de combustível principal; e - duas injeções de combustível subsequentes à injeção de combustível principal, uma suficientemente longe daquela da injeção de combustível principal, para dar origem a uma combustão distinta daquela da injeção de combustível principal, se necessário dividida em duas ou mais sub-injeções de combustível, e uma suficientemente próxima da injeção de combustível principal, para dar origem a uma combustão em continuidade com aquela da injeção de combustível principal.

[0004] A patente FR 2.761.113 B1 divulga, em vez disso, um sistema de injeção de combustível de tubo comum (common rail), em que a unidade de controle eletrônico é programada para fazer com que o sistema de injeção de combustível opere em dois modos de operação diferentes, onde em ambos uma injeção de combustível principal e uma injeção de combustível piloto precedente são realizadas em um e no mesmo cilindro do motor, e em um e no mesmo ciclo do motor. No primeiro modo de operação, no entanto, a injeção de combustível piloto é realizada suficientemente longe da injeção de combustível principal, para que fique hidraulicamente separada da injeção principal por um tempo de permanência, enquanto que no segundo modo de operação a injeção de combustível piloto é feita suficientemente próxima da injeção de combustível principal, sobrepondo-a parcialmente. Além disso, o sistema de injeção de combustível de tubo comum é forçado a operar no primeiro modo de operação quando o motor é obrigado a operar com cargas e / ou velocidades médias a baixas, e no segundo modo de operação quando o motor é requisitado a operar com cargas e / ou velocidades elevadas.

[0005] As patentes EP 1.657.422 A1 e EP 1.795.738 A1, em nome do Requerente, revelam, em vez disso, um sistema de injeção de combustível de tubo comum (common rail), em que a unidade de controle eletrônico é programada para fazer com que um modo de injeção de combustível particular, geralmente referido como "modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível", seja executado. Em particular, a unidade de controle eletrônico é programada para prover um eletro-injetor com pelo menos um primeiro comando elétrico, tendo uma duração de tempo pré-ajustada, para fazer com que uma injeção de combustível piloto seja realizada, e com um subsequente comando elétrico, tendo uma duração que depende das condições de operação do motor, para fazer com que uma injeção de combustível principal seja executada, onde os dois comandos elétricos estão separados no tempo por um tempo de permanência elétrica, de tal forma que a injeção de combustível principal é iniciada sem nenhuma descontinuidade no tempo em relação à injeção de combustível piloto, dando origem a um assim chamado perfil "two-hump" (“de duas corcovas”, ou com dois patamares) da taxa de fluxo de combustível instantânea.

[0006] A fim de que sejam satisfeitas as restrições relativas à injeção de combustível principal inicial, sem nenhuma descontinuidade no tempo em relação à injeção de combustível piloto, nos documentos de patente acima mencionados vários modelos de taxas de injeção de combustível são propostos, e em um deles, tal como na patente FR 2.761.113 B1, a injeção de combustível piloto está tão próxima da injeção de combustível principal que elas se sobrepõem, enquanto que em outro modelo a injeção de combustível principal começa exatamente quando a injeção de combustível piloto termina.

OBJETIVO E SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0007] O Requerente realizou uma campanha de profundidade experimental que visou quantificar, por um lado, os benefícios em termos de redução do consumo de combustível e dos níveis de emissão de substâncias poluentes, decorrentes da aplicação de estratégias para modelos de taxa de injeção de combustível em que a injeção de combustível principal é iniciada sem nenhuma descontinuidade no tempo em relação à injeção de combustível piloto, e visou identificar, por outro lado, os modos específicos de utilização de modelos da taxa de injeção de combustível que maximizariam os dito benefícios.

[0008] Em primeiro lugar, a campanha experimental evidenciou que, em geral, os benefícios em termos de redução do consumo de combustível e de níveis de emissão de substâncias poluentes são menos apreciáveis quanto maior for o grau de sobreposição entre a injeção de combustível piloto e a injeção de combustível principal, e portanto quando uma injeção de combustível principal começa exatamente quando a injeção de combustível piloto termina produz benefícios mais significativos do que uma injeção de combustível piloto que se sobrepõe parcialmente à injeção de combustível principal.

[0009] Em segundo lugar, a campanha experimental identificou modos específicos de utilização de modelos da taxa de injeção de combustível, nos quais a injeção de combustível principal começa exatamente quando a injeção de combustível piloto termina, aumentando os benefícios intrínsecos em termos de redução do consumo de combustível e de níveis de emissão de substâncias poluentes neste tipo de modelo de taxa de injeção de combustível.

[0010] Esta campanha experimental tornou-se necessária na medida em que os resultados que o Requerente precisava obter não podiam ser conseguidos através de simulações por computador, uma vez que os modelos matemáticos de injeção de combustível e de combustão disponíveis hoje em dia não garantem o grau necessário de confiabilidade e precisão. De fato, até agora não tem sido possível modelar numericamente por computador os fenômenos de combustão e de pulverização de combustível, porque a razão entre o tamanho mínimo de uma micro-gota de combustível (diâmetro = iam) e o tamanho de uma câmara de combustão (diâmetro = 100 mm) é muito pequena e exigiria um número anormal de células de computação (1012). Em particular, a fim de modelar numericamente esses fenômenos seria necessário introduzir sub-modelos, cujo uso inevitavelmente introduziria erros de cálculo que seriam mais significativos quanto mais gotas de combustível fossem atomizadas, ou seja, quanto maior a pressão de injeção de combustível. Em termos numéricos, para obter resultados que fossem fiéis à realidade, seria necessário formular um modelo numérico dos fenômenos acima referidos utilizando um número da ordem de 1.000.000 de micro-gotas de combustível, mas os modelos matemáticos atualmente disponíveis não permitem ultrapassar um número da ordem de 1.000 micro-gotas de combustível.

[0011] Por conseguinte, o objetivo da presente invenção consiste em prover modos de utilização específicos de modelos de ajuste da taxa de injeção de combustível, em que a injeção de combustível principal começa exatamente quando a injeção de combustível piloto termina, o que irá permitir benefícios intrínsecos em termos de redução do consumo de combustível e de níveis de emissão de substâncias poluentes neste tipo de modelo de taxa de injeção de combustível aumentado.

[0012] O objetivo acima é conseguido pela presente invenção, a qual se refere a um sistema de injeção de combustível de tubo comum (common rail) para um motor de combustão interna, tal como definido nas reivindicações anexas. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS - A figura 1 mostra esquematicamente um eletro-injetor de combustível para um sistema de injeção de combustível de tubo comum; e - As figuras 2 a 7 mostram gráficos de magnitudes relativas a motores.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FORMAS DE INCORPORAÇÃO PREFERIDAS DA INVENÇÃO

[0013] A presente invenção será agora descrita em detalhes com referência às figuras em anexo, para permitir que uma pessoa qualificada na arte possa reproduzi-la e utilizá-la. Várias modificações das formas de incorporação descritas serão imediatamente evidentes para a pessoa qualificada na arte, e os princípios gerais descritos podem ser aplicados a outras formas de incorporação e aplicações sem por isso fugir do escopo de proteção da presente invenção, tal como definido nas reivindicações anexas. Por conseguinte, a presente invenção não deve ser considerada limitada às formas de incorporação descritas e ilustradas, mas deve ser concedido o mais vasto escopo de proteção de acordo com os princípios e caraterísticas aqui descritos e reivindicados.

[0014] A figura 1 mostra um eletro-injetor de combustível, referenciado como um todo pelo numeral 1, para um sistema de injeção de combustível de alta pressão 2, representado esquematicamente por uma linha tracejada, em particular do tipo Common Rail (tubo comum), para um motor de combustão interna (não mostrado), em particular um motor diesel.

[0015] O eletro-injetor de combustível 1 compreende um corpo de injetor oco 3 que se estende ao longo de um eixo longitudinal e possui uma entrada de combustível lateral 4 concebida para ficar conectada, por meio de um conduto de fornecimento de combustível de alta pressão, ao tubo comum (common rail), que por sua vez está conectado a uma bomba de alta pressão (não representada) do sistema de injeção de combustível 2. O corpo de injetor 3 termina com um nebulizador de combustível 5, que compreende basicamente um bico de injeção de combustível 6, o qual se comunica com a entrada de combustível 4 através de um conduto, representado por uma linha tracejada, tendo uma ponta cônica dotada de orifícios de injeção de combustível, e uma agulha obturadora 7, que pode deslizar axialmente no interior do nebulizador de combustível 5 ao longo de cursos de abertura e fechamento, tendo uma ponta cônica concebida para acoplar-se à extremidade cônica do bico de injeção de combustível 6, para abrir e fechar os orifícios de tal bico de injeção de combustível 6 sob a ação de uma haste de controle 8 que pode deslizar axialmente na parte inferior do corpo de injetor 3. Em uma forma de incorporação diferente, a agulha obturadora 7 é feita de uma única peça integrada com a haste de controle 8, a qual por conseguinte abre e fecha diretamente os orifícios do bico de injeção de combustível 6.

[0016] Uma servo-válvula de medição de combustível 9 concebida para controlar o movimento da haste de controle 8 fica alojada na parte superior do corpo de injetor 3. A servo-válvula de medição de combustível 9 compreende um atuador elétrico 10 controlado por uma unidade de controle eletrônico 11, programada para prover o atuador elétrico 10, durante cada fase de injeção de combustível e seu ciclo de combustão de combustível correspondente em um cilindro do motor, com um ou mais comandos elétricos que fazem com que as respectivas injeções de combustível sejam realizadas. Na presente descrição e nas reivindicações, o termo "comando elétrico"pretende indicar um sinal de corrente elétrica com uma determinada duração e evolução de tempo.

[0017] A servo-válvula de medição de combustível 9 compreende ainda uma câmara de controle 12, que se comunica permanentemente com a entrada de combustível 4, através de uma passagem de entrada 13, e com uma descarga de combustível (não mostrada), através de uma passagem de saída de combustível 14, que é aberta e fechada por um obturador 15 que coopera com um assento de válvula correspondente, onde a passagem de saída 14 fica disposta de modo a encher ou esvaziar a câmara de controle 12 e, assim, fazer com que a haste de controle 8 execute cursos de abertura ou fechamento axiais em resposta a uma redução ou aumento da pressão de combustível na câmara de controle 12, causando dessa forma a abertura ou fechamento do nebulizador de combustível 5 e por conseguinte da injeção de combustível no respectivo cilindro do motor.

[0018] A servo-válvula de medição de combustível 9 pode ser tanto do tipo com um solenóide atuador elétrico 10 como do tipo com um atuador piezoelétrico 10, e pode ser tanto do tipo com a chamada arquitetura hidráulica "desequilibrada", na qual o elemento obturador 15 fica sujeito, quando fechado, a ações contrárias da pressão de combustível, por um lado, e a meios de tensionamento, geralmente sob a forma de uma mola, por outro lado, como do tipo com a chamada arquitetura hidráulica "equilibrada", na qual o elemento obturador 15 fica sujeito, quando fechado, apenas à ação dos meios de tensionamento, uma vez que a tensão axial exercida pelo combustível no atuador é substancialmente igual a zero.

[0019] Por exemplo, na patente EP 1.106.816 B1, em nome do Requerente, uma servo- válvula de medição de combustível é revelada, tendo um solenóide atuador elétrico e arquitetura hidráulica desequilibrada, onde o assento da válvula é um assento cônico em que uma porção calibrada da passagem de saída de combustível da câmara de controle tem saída para fora, enquanto que o elemento de obturação é uma esfera controlada por uma haste que pode deslizar em uma manga, sob a ação do atuador elétrico.

[0020] Também, nas patentes EP 1.795.738 A1 e EP 1.621.764 de B1, ambas em nome do Requerente, uma servo-válvula de medição de combustível é revelada, tendo um solenóide atuador elétrico e arquitetura hidráulica equilibrada, em que o elemento de obturação é uma manga que pode deslizar axialmente de maneira estanque (sem vazamento) em uma haste axialmente fixada onde a passagem de saída fica disposta, enquanto que o assento da válvula é um ressalto anelar definido por uma área radial entre a haste e um flange. A área radial é feita por uma única peça integrada com a haste, e a haste estende-se a partir da área radial de modo cantilever (em balanço). A área radial está alojada no corpo de injetor e é mantida em contato axial, de uma maneira estanque, contra um degrau do corpo de injetor, por meio de uma porca de anel rosqueada em uma rosca interna.

[0021] Uma servo-válvula de medição do combustível com um solenóide atuador e arquitetura hidráulica equilibrado diferente daquela ilustrada nos dois documentos de patente anteriores é revelada, por exemplo, nas patentes WO 2009/092507 A1 e WO 2009/092484 A1.

[0022] Nas patentes EP 1.612.398 B1, em nome do Requerente, e WO 2008/138800 A1, uma servo-válvula de medição de combustível com atuador piezoelétrico e arquitetura hidráulica desequilibrada é revelada, onde o elemento de obturação é uma haste que pode deslizar axialmente de uma maneira estanque (sem vazamento) em uma manga axialmente fixada, enquanto que o assento da válvula é um ressalto anelar da manga.

[0023] Mais uma vez com referência à figura 1, de acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, a unidade de controle eletrônico 11 é programada para controlar a servo- válvula de medição de combustível 9 de modo a implementar uma estratégia de modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível, de tal modo que o eletro-injetor de combustível 1 execute, em um cilindro do motor e em um ciclo do motor, uma fase de injeção de combustível compreendendo pelo menos uma primeira injeção de combustível, a seguir designada como "injeção de combustível piloto", e uma injeção de combustível subsequente, a seguir designada como "injeção de combustível principal", que começa sem nenhuma descontinuidade no tempo em relação à injeção de combustível piloto, e exatamente quando esta última termina.

[0024] Por conseguinte, para maior conveniência descritiva, na descrição a seguir o termo "modelo de ajuste da taxa de injeção" será usado para indicar uma fase de injeção de combustível específica compreendendo uma injeção de combustível piloto e uma injeção de combustível principal subsequente, que começa sem nenhuma descontinuidade no tempo em relação à injeção de combustível piloto, substancialmente quando esta termina, de tal forma a excluir o caso da sobreposição parcial e, do ponto de vista do motor, de qualquer sobreposição significativa das injeções de combustível piloto e principal, criando assim o perfil two-hump (“de duas corcovas”) de injeção de combustível ilustrado na figura 2.

[0025] Além disso, o advérbio "substancialmente", utilizado para definir quando a injeção de combustível principal começa em relação à injeção de combustível piloto, é aqui usado de modo a incluir tanto o caso ideal, mostrado na figura 2, em que o tempo de permanência hidráulica entre a injeção de combustível piloto e a injeção de combustível principal é igual a zero, de modo a que a injeção de combustível principal começa exatamente quando a injeção de combustível piloto termina, como todos os casos reais, nos quais, em virtude da presença de fatores de inevitáveis, tais como o envelhecimento e desgaste de todos os componentes envolvidos, seja internos ou externos ao eletro-injetor, as condições fluidodinâmicas nas quais o eletro-injetor de combustível opera quando ocorre o comando elétrico da injeção de combustível principal, etc., o tempo de permanência hidráulica entre a injeção de combustível piloto e a injeção de combustível principal não é exatamente igual a zero, de modo que há uma sobreposição extremamente pequena entre a injeção de combustível principal e a injeção de combustível piloto. Isto, em qualquer caso, a partir do ponto de vista do motor, não altera significativamente o perfil two-hump da taxa de fluxo de combustível instantânea durante as injeções de combustível piloto e principal, conforme mostrado na figura 2, em que a injeção de combustível piloto, embora contígua, em qualquer caso está claramente identificada e distinguida em relação à injeção de combustível principal. Um desses casos reais é mostrado, a título de exemplo, na figura 3, onde o tempo de permanência elétrica entre os comandos elétricos para as injeções de combustível piloto e principal é de 30 cs.

[0026] A fim de obter o referido modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível, em cada fase de injeção de combustível em um cilindro do motor, a unidade de controle eletrônico 11 é programada para gerar pelo menos um primeiro comando elétrico S1, com uma predeterminada duração de tempo, para ativar o atuador elétrico 10 e assim acionar o obturador 15, fazendo com que a haste de controle 8 execute um primeiro curso de abertura, seguido por um primeiro curso de fechamento correspondente, para a realização da injeção de combustível piloto, e um segundo comando elétrico S2, com uma duração de tempo que é uma função das condições de operação do motor, para ativar o atuador elétrico 10 e portanto acionar o obturador 15, fazendo com que a haste de controle 8 execute um segundo curso de abertura, seguido por um segundo curso de fechamento correspondente, para realizar a injeção de combustível principal. Os dois comandos elétricos S1 e S2 estão separados no tempo por um tempo de permanência elétrica, designado por DT (dwell time), de tal forma que a injeção de combustível principal começa exatamente quando a injeção piloto termina, ou seja, do ponto de vista hidráulico, de modo a que as injeções de combustível piloto e principal fiquem separadas por um tempo de permanência hidráulica igual a zero. Em termos de movimento da haste de controle 8 e da agulha obturadora 7, um tempo de permanência hidráulica igual a zero corresponde à condição de movimento na qual a haste de controle 8 e a agulha obturadora 7 iniciam o curso de abertura, em resposta ao segundo comando elétrico S2, exatamente quando elas atingem o fim do curso de fechamento, realizado em resposta ao primeiro comando elétrico S1, dando assim origem a um perfil de movimento da haste de controle 8 e da agulha obturadora 7 que não tem nenhuma descontinuidade no tempo.

[0027] A figura 2 mostra, na parte de cima, um gráfico que ilustra com uma linha tracejada as evoluções temporais dos comandos elétricos, designados por S1 e S2, respectivamente para a injeção de combustível piloto e para a injeção de combustível principal, fornecidos pela unidade de controle eletrônico 10; com uma linha sólida, é ilustrada a evolução no tempo do deslocamento, designado por D, da haste de controle 8, e portanto da agulha obturadora 7, em resposta aos comandos elétricos S1 e S2, em relação à ordenada "zero", na qual o nebulizador de combustível 5 está fechado. Além disso, na parte de baixo, a figura 2 mostra um gráfico que representa a evolução no tempo da taxa de fluxo de combustível instantânea, designada por Qi, injetada em um cilindro do motor durante as injeções de combustível piloto e principal, identificadas respectivamente pelas letras P e M, decorrentes do deslocamento D da haste de controle 8 e da abertura / fechamento da agulha 7.

[0028] Como pode ser observado no gráfico da parte de baixo da figura 2, as injeções de combustível piloto e principal são temporalmente contíguas, ou, a partir de um ponto de vista diferente, estão separadas por um tempo de permanência hidráulica substancialmente igual a zero, o que permite que um perfil two-hump de taxa de fluxo de combustível instantânea Qi seja obtido, proporcionando certos benefícios em termos de redução do consumo de combustível e de emissão de substâncias poluentes, como será discutido mais detalhadamente a seguir.

[0029] Como pode ser observado no gráfico da parte de cima da figura 2, o primeiro comando elétrico S1 para a injeção de combustível piloto é gerado e depois fornecido para o eletro-injetor de combustível 1, começando a partir de um instante de tempo designado por Ti e tendo uma evolução no tempo que compreende uma subida que começa em um valor mínimo, geralmente igual a zero, até um valor máximo, com a finalidade de energizar o atuador elétrico 10; um primeiro patamar estendendo-se até um valor máximo, tendo uma duração de tempo muito curta, com a finalidade de manter a energização do atuador elétrico 10; uma primeira queda a partir do valor máximo até um valor intermediário, entre o valor mínimo e o valor máximo; um segundo patamar no valor intermediário, tendo mais uma vez a finalidade de manter a energização do atuador elétrico 10; e finalmente, uma segunda queda estendendo-se para a frente, caindo do valor intermediário para o valor mínimo, a qual termina no instante designado, na figura 2, por T2. Se necessário, a segunda queda pode ter uma duração de tempo igual a zero e, portanto, na prática, não está presente, dando assim origem a um primeiro comando elétrico S1 compreendendo apenas uma subida do valor mínimo para o valor máximo, um patamar mantido no valor máximo, e uma queda para a frente, caindo do valor máximo para o valor mínimo.

[0030] O segundo comando elétrico S2 é gerado, e depois fornecido para o eletro- injetor de combustível 1, começando a partir de um instante de tempo designado por T3, de tal modo que a haste de controle 8 começa o curso de abertura correspondente não antes de ter atingido o fim do curso de fechamento executado em resposta ao primeiro comando elétrico S1, dando assim origem a uma injeção de combustível principal que se inicia sem nenhuma descontinuidade no tempo em relação à injeção de combustível piloto. Em particular, a fim de obter exatamente o perfil “de duas corcovas” (two-hump) Qi da taxa de fluxo de combustível instantânea mostrada no gráfico da parte de baixo da figura 2, o instante de tempo T3 é tal que a haste de controle 8 começa o curso de abertura em resposta ao segundo comando elétrico S1 exatamente quando ela atinge o fim do curso de fechamento, realizado em resposta ao primeiro comando elétrico S1. Um deslocamento sem nenhuma descontinuidade no tempo, idêntico ao da haste de controle 8, também é executado pela agulha obturadora 7 na qual a haste de controle 8 atua, determinando assim o fechamento dos orifícios de injeção do bico de injeção de combustível do nebulizador de combustível 5 para um tempo substancialmente igual a zero, que corresponde a um tempo de permanência hidráulica entre a injeção de combustível piloto e a injeção de combustível principal que também é substancialmente igual a zero.

[0031] O intervalo de tempo T3 - T2 define, em vez disso, o acima mencionado tempo de permanência elétrica DT entre os dois comandos elétricos S1 e S2.

[0032] O segundo comando elétrico S2 tem um tempo de desenvolvimento muito semelhante ao do primeiro comando elétrico S1, com a única diferença de que o segundo patamar está sempre presente e tem um tempo de duração muito mais longo do que o do patamar correspondente, quando presente, do primeiro comando elétrico S1, e pode variar como uma função das condições de operação do motor. O segundo comando elétrico S2 termina no instante de tempo indicado na figura 2 por T4.

[0033] A quantidade de combustível VP injetado durante a injeção de combustível piloto é substancialmente independente da pressão do combustível, e é proporcional ao volume da câmara de combustão do cilindro. Em particular, em aplicações em motores para veículos de passageiros, a quantidade de combustível injetada durante a injeção de combustível piloto está na região de 1 a 3 mm3, ao passo que em aplicações em motores para veículos industriais motorizados o referido valor aumenta até 5 a 7 mm3.

[0034] A quantidade de combustível VM injetado durante a injeção de combustível principal depende, em vez disso, não somente do deslocamento do cilindro de motor individual, mas também do ponto de operação do motor definido pela velocidade e carga do motor, e aumenta a partir de um valor mínimo de 4 a 5 mm3, em vazio, até um valor máximo maior que 55 mm3 (para um deslocamento do cilindro individual de cerca de 330 cc), ou maior que 70 mm3 (para um deslocamento do cilindro individual de aproximadamente 500 cc), que assume no torque máximo, ou seja, entre 1.900 e 2.300 rpm.

[0035] Uma vez que a quantidade de combustível a ser injetado durante a injeção de combustível principal é mais elevada do que a quantidade de combustível a ser injetado durante a injeção de combustível piloto, durante a injeção de combustível principal a haste de controle 8 executa um curso de abertura maior do que o que ele executa durante a injeção de combustível piloto. Em outras palavras, durante as injeções de combustível piloto e principal o movimento da haste de controle 8 ocorre em assim chamadas condições "balísticas", com a diferença que durante a injeção de combustível principal a haste de controle 8 atinge a máxima elevação possível, de modo que a taxa de fluxo de combustível instantânea através do nebulizador combustível atinge o valor máximo possível (conforme o gráfico da figura 2), de modo a, também, favorecer a robustez e capacidade de repetição da injeção principal.

[0036] Novamente com referência à figura 1, de acordo com um outro aspecto da presente invenção, a unidade de controle eletrônico 11 é além disso programada para executar o modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível da forma acima descrita, ou seja, de modo a que o tempo de permanência hidráulica entre a injeção de combustível piloto e a injeção de combustível principal seja igual a zero apenas nas condições de operação do motor caraterizadas por atrasos reduzidos da ignição de combustível, em que a combustão do combustível é predominantemente difusiva e o calor liberado durante a combustão do combustível é sensível às leis reguladoras sobre injeção de combustível.

[0037] Em maiores detalhes, a unidade de controle eletrônico 11 é programada para os modelos de ajuste da taxa de injeção de combustível nos pontos de operação do motor compreendidos em uma área do plano de operação do motor localizada aproximadamente no centro da área subtendida pela curva de potência do motor.

[0038] A figura 4 mostra um plano de operação do motor, em que o eixo das abcissas representa a velocidade do motor (RPM) e o eixo das ordenadas representa a carga do motor, expressa como a pressão efetiva média (MEP - Mean Effective Pressure), a qual, como é sabido, é a relação entre o trabalho útil por ciclo do motor e volume de deslocamento. Além disso, a figura 3 mostra a curva de potência do motor, a qual, como se sabe, é uma curva que indica a potência máxima fornecida pelo motor como uma função da velocidade do motor, tendo a área do plano de operação do motor que está localizada aproximadamente no centro da área subtendida pela curva de potência do motor, na qual a taxa de injeção de combustível é ajustada conforme acima descrito.

[0039] Como pode ser apreciado na figura 4, a área em que o acima descrito modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível é particularmente vantajoso é caraterizada por uma velocidade do motor compreendida entre cerca de 1.500 e 3.000 rpm, e uma pressão efetiva média compreendida entre cerca de 4 e 14 bar (4,08 a 14,28 kg/cm2).

[0040] As figuras 5 e 6 mostram gráficos que representam as médias das reduções dos níveis de emissão de substâncias poluentes e, respectivamente, do consumo de combustível obtido em um ciclo de homologação implementando o modelo de ajuste de taxa de injeção de combustível descrito acima, na área de operação do motor mostrada na figura 4.

[0041] Em particular, os gráficos das figuras 5 e 6 representam, nos eixos das abcissas, a pressão de injeção de combustível, expressa em bar, e nos eixos das ordenadas, o virabrequim do motor, expresso em graus, em que uma predeterminada fração da massa do combustível injetado na câmara de combustão foi queimada, sendo geralmente 50% (50% da Fração de Massa Queimada - Mass Fraction Burned - MFB50%). Esta última é uma quantidade que indica a fase angular da posição da combustão de combustível em um ciclo do motor e pode, por exemplo, ser calculada como o centróide matemático da curva da taxa de libertação de calor (HRR - Heat Release Rate) no ciclo do motor.

[0042] Além disso, as figuras 5 e 6 mostram diversas curvas de nível de caraterizadas por vários valores diferenciais calculados em relação ao caso em que o modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível descrito acima não foi implementado; na figura 5, que se refere à redução média dos níveis de emissão de substâncias poluentes, os ditos valores diferenciais representam o assim chamado "número de filtro de fumaça"(FSN - Filter-Smoke Number), que, como se sabe, é uma quantidade indicativa da fumaça do motor, que por sua vez é indicativa da quantidade de fuligem. Os testes foram todos realizados no mesmo nível de emissão de óxidos de nitrogênio (NOx) gerados durante a combustão do combustível. Na figura 6, que se refere à redução média do consumo de combustível, os ditos valores diferenciais representam o assim chamado "consumo específico de combustível"(BSFC - Brake Specific Fuel Consumption), que, como é sabido, é uma quantidade indicativa da eficiência do combustível, e é definido como a relação entre o consumo de combustível e a potência produzida, sendo portanto, também, interpretado como o consumo de combustível por potência específica.

[0043] Além disso, as figuras 5 e 6 mostram ambos os pontos correspondentes aos níveis mais baixos de emissão de substâncias poluentes obtidas no mesmo consumo de combustível, e os pontos correspondentes ao consumo de combustível mais baixo obtido nos mesmos níveis de emissão de substâncias poluentes.

[0044] A partir de uma análise das figuras 5 e 6, pode ser observada, em termos qualitativos, qual é a redução no consumo de combustível para os mesmos níveis de emissão de substâncias poluentes, ou então a redução dos níveis de emissão de substâncias poluentes para o mesmo consumo de combustível que o modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível permite atingir, onde o tempo de permanência hidráulica entre a injeção de combustível piloto e a injeção de combustível principal é igual a zero, executado na área de operação do motor mostrada na figura 4, dependendo dos requisitos decorrentes das aplicações do motor. Em termos quantitativos, em vez disso, a campanha experimental realizada pelo Requerente tornou possível quantificar, em uma quantidade de aproximadamente 2%, a redução média do consumo de combustível no ciclo de homologação conhecido como "Novo Ciclo de Condução Europeu" (NEDC - New European Driving Cycle), usado por todos os fabricantes de automóveis para calcular o consumo de combustível, satisfazendo os níveis de emissão tanto de acordo com a norma Euro 5 como de acordo com a futura norma Euro 6, para a mesma fumaça e ruído de combustão (CN - Combustion Noise), com valores máximos de redução que alcançam até 5 a 6%, e para quantificar em uma quantidade de aproximadamente 20% a redução média de fumaça no ciclo de homologação, tanto de acordo com a norma Euro 5 como de acordo com a norma Euro 6, para o mesmo consumo de combustível e ruído de combustão, com valores máximos de redução que atingem 30%. Em particular, o benefício de 2% foi obtido predominantemente no ciclo de condução extra-urbano (EUDC - Extra-Urban Driving Cycle) do NEDC.

[0045] Além disso, a figura 7 mostra, finalmente, um gráfico comparativo dos consumos de combustível específicos, expressos em g / CVH, em vários pontos de operação do motor, definidos pela velocidade do motor e pela pressão efetiva média, obtidos com uma estratégia de injeção de combustível que satisfaz os limites estabelecidos pela norma Euro 5, identificados na figura 6 pela sigla EU5, em que a injeção de combustível principal é precedida por uma ou duas (segundo o ponto de operação do motor) injeções de combustível piloto dispostas suficientemente longe da injeção de combustível principal, para dar origem a combustões distintas daquela da injeção de combustível principal, e com uma taxa de injeção de combustível de acordo com a presente invenção, identificada na figura 7 pela sigla IRS.

[0046] A campanha experimental realizada pelo Requerente, além disso, evidenciou que para pressões efetivas médias variando entre 8 e 14 bar (8,16 e 14,28 kg/cm2, correspondendo a atrasos de ignição reduzidos) foi registada uma redução do ruído de combustão, o que permite, considerando a redução do consumo de combustível e da emissão de substâncias poluentes, aumentar tanto o avanço da injeção de combustível, que como é sabido provoca uma redução do consumo de combustível, como a pressão de injeção de combustível, que como se sabe provoca uma redução da quantidade total de NOx e de fuligem produzidos. Além disso, para a mesma quantidade total de NOx e de fuligem produzidos, agindo sobre a recirculação dos gases de escape (EGR - Exhaust Gas Recirculation) é possível variar, de acordo com os requisitos, a porção de NOx produzida, a qual, como é sabido, na maioria dos veículos a motor Diesel não é atualmente tratada pelos sistemas de pós-tratamento dos gases de escape, sendo em vez disso controlada apenas atuando-se sobre a combustão do combustível; em relação à porção da fuligem produzida, como se sabe, ela é tratada apenas com um filtro de material particulado Diesel disposto no escape. Em particular, um aumento na quantidade de recirculação dos gases de escape conduz a uma redução na quantidade de NOx produzido e a um aumento da quantidade de fuligem produzida, enquanto que uma redução na quantidade de recirculação dos gases de escape provoca um aumento na quantidade de NOx produzido e uma redução da quantidade de fuligem produzida.

[0047] A campanha experimental realizada pelo Requerente, além disso, evidenciou que para pressões efetivas médias entre 4 e 8 bar (4,08 a 8,16 kg/cm2, correspondendo a atrasos de ignição mais longos) foi verificado, em vez disso, um aumento do ruído de combustão e uma diminuição da quantidade de fuligem produzida pela combustão do combustível, na mesma proporção que seria obteria no caso em que a injeção de combustível principal não é precedida pela injeção de combustível piloto. Consequentemente, em tais condições de operação do motor, para reduzir o atraso de ignição torna-se necessário prever, também, uma injeção piloto adicional antes das injeções de combustível piloto e principal, disposta suficientemente longe da injeção de combustível piloto subsequente, para dar origem a uma combustão de combustível distinta. A provisão dessa injeção de combustível piloto adicional novamente permite a melhoria do equilíbrio entre a quantidade de NOx e de fuligem gerados pela combustão do combustível, para o mesmo ruído de combustão, mais uma vez graças a um aumento do avanço e da pressão da injeção de combustível. Em termos quantitativos, a provisão desta injeção de combustível piloto adicional permite um modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível em que o tempo de permanência hidráulica entre a injeção de combustível do piloto e a injeção de combustível principal é igual a zero, para alcançar um comportamento de NVH (Noise, Vibration & Harshness - ruído, vibração e falta de suavidade) semelhante ao de uma estratégia de injeção de combustível em que a injeção de combustível principal é precedida por duas injeções de combustível piloto dispostas suficientemente longe da injeção de combustível principal, para dar origem a combustões de combustível distintas daquela da injeção de combustível principal, mantendo a vantagem da redução do consumo de combustível. No que diz respeito ao comportamento de NVH, é sabido que ele é uma avaliação amplamente utilizada no setor automotivo para medir o conforto de um veículo a motor, e é resultado da combinação de três parâmetros: nível de ruído dentro do veículo a motor durante a viagem; vibrações percebidas pelo motorista; e falta de suavidade do veículo à medida que ele avança, durante transições bruscas de movimento (como por exemplo buracos ou depressões na rodovia).

[0048] Finalmente, a campanha experimental realizada pelo Requerente pôs em evidência que o modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível no qual o tempo de permanência hidráulica entre a injeção de combustível piloto e a injeção de combustível principal é igual a zero provou ser muito vantajoso, não possuindo nem mesmo uma leve desvantagem, quando o motor está frio ou está se aquecendo, por conta dos atrasos de ignição mais longos, em comparação com uma estratégia de injeção de combustível em que o modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível não é aplicado e a injeção de combustível principal é precedida por duas injeções de combustível piloto, dispostas suficientemente longe a injeção de combustível principal para dar origem a combustões de combustível distintas daquela da injeção de combustível principal. Isto levou o Requerente a observar que o modelo de ajuste da taxa de injeção de combustível no qual o tempo de permanência hidráulica entre a injeção de combustível piloto e a injeção de combustível principal é igual a zero prova ser vantajoso somente para temperaturas de refrigeração do motor superiores a 40 - 45 °C, de preferência compreendidas entre 65 °C e 80 °C.

[0049] É evidente que o sistema de injeção de combustível acima descrito pode ser submetido a outras modificações e melhoramentos, sem por isso fugir do escopo da invenção definido pelas reivindicações anexas.

[0050] Por exemplo, o sistema de injeção de combustível poderia ter uma arquitetura diferente daquela de tubo comum (Common Rail) descrita anteriormente, em particular, do tipo descrito nas patentes EP 1.612.401 B1, EP 1.612.405 B1 e EP 1.612.406 B1 em nome do Requerente, onde o volume de acumulação de combustível pressurizado, em vez de ser definido por um único tubo comum concentrado, é dividido em volumes de acumulação distintos e distribuídos, ou então ser do tipo usado antes da comercialização do sistema de tubo comum, no qual os injetores de combustível eram supridos diretamente por uma bomba de combustível de alta pressão, operada de maneira a fazer a distribuição do combustível sob pressão em sincronia com a atuação dos injetores de combustível, tal distribuição sendo, desse modo, descontínua no tempo, em fase com o motor e ciclicamente constante.

[0051] Além disso, para as injeções de combustível piloto e principal com tempo de permanência hidráulico igual a zero, e eventualmente para as injeções de combustível piloto adicionais mencionadas acima, é possível combinar uma ou mais das injeções de combustível descritas na já mencionada patente EP 1.035.314 B1 depositada em nome do Requerente da presente invenção, com relação à execução de múltiplas injeções de combustível.

[0052] Além disso, tudo o que foi dito previamente com referência a uma injeção de combustível piloto e a uma injeção de combustível principal que se inicia sem nenhuma descontinuidade com respeito à injeção de combustível piloto, não deve ser considerado limitado a este único par de injeções de combustível, mas é válido, e portanto aplicável, para qualquer par de injeções de combustível temporalmente consecutivas providas por um sistema de injeção de combustível.

[0053] Finalmente, tudo o que foi dito anteriormente com referência a um ou mais modelos de ajuste da taxa de injeção de combustível em que a injeção de combustível principal começa sem nenhuma descontinuidade no tempo em relação à injeção de combustível piloto, substancialmente quando esta última termina, também é válido, e portanto pode ser aplicado, para modelos de ajuste de taxa de injeção de combustível em que a injeção de combustível piloto se sobrepõe à injeção de combustível principal, embora com benefícios progressivamente menos notáveis à medida que o grau de sobreposição aumenta.

Claims

1. Sistema de injeção de combustível (2) para um motor de combustão interna, que compreende pelo menos um eletro-injetor de combustível (1) e uma unidade de controle eletrônico (11) configurada para prover o eletro-injetor de combustível (1), em uma fase de injeção de combustível de um cilindro do motor, com pelo menos um primeiro comando elétrico (S1) para faz com que uma injeção de combustível piloto (P) seja realizada, e com um segundo comando elétrico (S2) para fazer com que uma injeção de combustível principal (M) seja realizada temporalmente após a injeção de combustível piloto (P), com os primeiro e segundo comandos elétricos (S1, S2) sendo separados no tempo por um tempo de permanência elétrica (DT), de tal forma que a injeção de combustível principal (M) começa sem qualquer descontinuidade no tempo em relação à injeção de combustível piloto, (P), quando esta última termina; caraterizado por a injeção de combustível principal (M) iniciar sem qualquer descontinuidade de tempo com respeito à injeção de combustível piloto (P) quando o motor de combustão interna está aquecido e em pontos de operação do motor definidos por uma velocidade do motor está compreendida entre 1.500 e 3.000 rpm e uma pressão efetiva média compreendida entre 4 e 14 bar (4,08 e 14,28 kg/cm2); considerando que a injeção de combustível piloto (P) e uma injeção piloto adicional de combustível são dispostas distantes da injeção de combustível principal (M) de modo a dar origem a combustão do combustível distinta daquela da injeção de combustível principal (M) quando o motor de combustão interna está frio ou aquecendo.

2. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com a reivindicação1, caracterizado por a unidade de controle eletrônico (11) estar ainda configurada para fazer com que as injeções de combustível piloto e principal (P, M) sejam realizadas quando a temperatura de refrigeração do motor for maior do que 40 a 45 °C, de preferência compreendida entre 65 °C e 80 °C.

3. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a unidade de controle eletrônico (11) estar ainda configurada para prover o eletro-injetor de combustível (1) com um terceiro comando elétrico para fazer com que uma terceira injeção de combustível seja realizada antes das injeções de combustível piloto e principal (P, M), e espaçada da injeção de combustível piloto por um tempo de permanência diferente de zero.

4. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a quantidade de combustível injetado durante a injeção de combustível piloto ser diferente da quantidade de combustível injetado durante a injeção de combustível principal.

5. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a quantidade de combustível injetado durante a injeção de combustível piloto ser menor do que a quantidade de combustível injetado durante a injeção de combustível principal.

6. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o eletro-injetor de combustível (1) compreender: um nebulizador de combustível (5) que inclui um bico de injeção de combustível (6) e uma agulha obturadora (7) móvel ao longo de cursos de abertura e fechamento, para a abertura e fechamento do nebulizador de combustível (5); e uma servo- válvula de medição de combustível (9) operável para controlar o nebulizador de combustível (5), onde a servo-válvula de medição de combustível (9) é acionada pelo primeiro comando elétrico (S1), para fazer com que a agulha obturadora (7) do nebulizador de combustível (5) efetue um primeiro deslocamento de abertura, seguido por um primeiro deslocamento de fechamento, que termina quando a agulha obturadora (7) fecha o bico de injeção de combustível (6), de modo a resultar em um primeiro grau de abertura do bico de injeção de combustível (6), e pelo segundo comando elétrico (S2), para fazer com que a agulha obturadora (7) do nebulizador de combustível (5) efetue um segundo deslocamento de abertura, seguido por um segundo deslocamento de fechamento, de modo a resultar em um segundo grau de abertura do bico de injeção de combustível (6); e em que o segundo deslocamento de abertura da agulha obturadora (7) inicia-se no final do primeiro deslocamento de fechamento, de modo a resultar em um perfil de movimento sem nenhuma descontinuidade de tempo entre o primeiro e o deslocamento de fechamento e o segundo deslocamento de abertura.

7. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o primeiro grau de abertura do bico de injeção de combustível ser diferente do segundo grau de abertura.

8. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o primeiro grau de abertura do bico de injeção de combustível ser menor do que o segundo grau de abertura.

9. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por cada um dos primeiro e segundo comandos elétricos (S1, S2) ser uma corrente elétrica que se altera no tempo, de modo a definir um perfil que compreende uma subida que começa em um valor mínimo, até um valor máximo, um primeiro patamar mantendo-se no valor máximo, e uma primeira queda a partir do valor máximo até um valor intermediário, entre o valor mínimo e o valor máximo; e um segundo patamar no valor intermediário, tendo uma segunda queda do valor intermediário para o valor mínimo.

10. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por cada um dos primeiro e segundo comandos elétricos (S1, S2) ser uma corrente elétrica que se altera no tempo, de modo a definir um perfil que compreende uma subida a partir de um valor mínimo até um valor máximo, um patamar no valor máximo, e uma queda do valor máximo para o valor mínimo.

11. Sistema de injeção de combustível (2), de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por o sistema de injeção de combustível ser do tipo de tubo comum (common rail).

12. Unidade de controle eletrônico (11) caracterizada por ser configurada para controlar a operação de um sistema de injeção de combustível (2) conforme descrito em qualquer uma das reivindicações anteriores.