BR112017027471B1

BR112017027471B1 - Montagem de filtro de combustível e método para a operação de uma montagem de filtro de combustível

Info

Publication number: BR112017027471B1
Application number: BR112017027471-0A
Authority: BR
Inventors: Justin R. Pribanic; David Chapman
Original assignee: Parker-Hannifin Corporation
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2022-05-17
Also published as: CN107750306B; BR112017027439B1; WO2016205819A1; EP3311020A1; CN108474332A; EP3311021B1; BR112017027471A2; CN108474332B; US20160367921A1; WO2016205797A1; WO2016205794A1; CN107750306A; EP3311020B1; BR112017027439A2; US10323640B2; EP3311021A4; US20160369794A1; EP3311020A4; US20160369797A1; US10286345B2

Abstract

CONTROLE DE MOTOR CC SEM ESCOVAS E MÉTODOS PARA OPERAÇÃO DE UMA BOMBA DE COMBUSTÍVEL. Trata-se de uma montagem de filtro de combustível que incorpora um motor BLDC e circuito de controle configurado para operar em uma primeira velocidade de rotação mediante a inicialização e comutar para uma segunda velocidade de rotação quando as variáveis medidas indicam que a montagem de filtro está preenchida com combustível. A primeira velocidade de rotação é iniciado como um padrão quando a potência é aplicada ao circuito de controle. Se a montagem de filtro tiver sido reparada, a mesma precisa ser preparada antes de retomar a operação normal. A primeira velocidade de rotação é significativamente maior do que a segunda velocidade de rotação para reduzir a quantidade de tempo necessário para preparar a montagem de filtro. O circuito de controle é disposto para monitorar uma variável que corresponde ao torque necessário para acionar a bomba. Quando a bomba é preenchida com ar antes da preparação, é exigido torque menor para acionar a bomba, o qual corresponde à tomada de corrente e consumo de potência menor no motor BLDC.

Description

ANTECEDENTES

[001] A revelação refere-se a montagens de filtro de combustível e, em particular, a montagens de filtro de combustível que incluem uma bomba acionada por motor para mover o combustível através da montagem de filtro.

[002] As montagens de filtro de combustível são configuradas para condicionar o combustível antes da entrega a sistemas que consomem o combustível, como motores de combustão interna. As montagens de filtro de combustível definem um alojamento que encaminha o combustível através de um ou mais meios filtrantes configurados para remover particulados e separar água do combustível. A montagem de filtro pode incluir uma bomba acionada por motor que move o combustível através da montagem. O motor para o acionamento da bomba pode ser um motor com escovas ou sem escovas. Os motores sem escovas são mencionados como motores BLDC e exigem um circuito de acionamento para gerar o campo magnético de rotação que aciona o motor. A potência consumida por um motor BLDC será proporcional ao torque necessário para girar a bomba a qual o motor está conectado.

[003] O meio de filtro em uma montagem de filtro precisa ser periodicamente substituído para manter a remoção de particulados e água. O meio de filtro pode estar contido dentro de um alojamento descartável, que pode ser mencionado como um cartucho de filtro ou pode ser suportado em um elemento de filtro que é colocado em um alojamento reutilizável que pode ser aberto para essa finalidade. Quando o meio de filtro é substituído, e o alojamento de montagem de filtro é fechada, um grande volume de ar permanece no alojamento e precisa ser deslocado pelo combustível antes de retomar a operação de sistema normal. O processo de deslocar o combustível com ar é chamado de “preparação” da montagem de filtro. Diversas bombas manuais foram propostas para essa finalidade. Foi proposto também o fornecimento de uma bomba separada que gira em uma primeira direção para esvaziar o alojamento de filtro e opera em uma direção reversa para preparar o alojamento de filtro após um evento de manutenção. Essas abordagens da técnica anterior complicam a montagem de filtro por exigir componentes adicionais, conexões e hardware.

[004] Existe uma necessidade na técnica por uma montagem de filtro de combustível de autopreparação que não exige componentes adicionais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[005] A montagem de filtro de combustível revelada incorpora um motor BLDC e circuito de controle configurado para operar em uma primeira velocidade de rotação mediante a inicialização e comutar para uma segunda velocidade de rotação quando as variáveis medidas indicam que a montagem de filtro está preenchida com combustível. A primeira velocidade de rotação é iniciada como um padrão quando a potência é aplicada ao circuito de controle. Se a montagem de filtro tiver sido reparada, a mesma precisa ser preparada antes de retomar a operação normal. A primeira velocidade de rotação é significativamente maior do que a segunda velocidade de rotação para reduzir a quantidade de tempo necessário para preparar a montagem de filtro. O circuito de controle é disposto para monitorar uma variável que corresponde ao torque necessário para acionar a bomba. Quando a bomba é preenchida com ar antes da preparação, é exigido torque menor para acionar a bomba, o qual corresponde à tomada de corrente e consumo de potência menor no motor BLDC. As variáveis como tomada de corrente e consumo de potência podem ser monitoradas no circuito de controle e um valor limiar pode ser usado para comutar a partir da velocidade de preparação para a segunda velocidade operacional menor. As variáveis como pressão de fluido na saída da montagem de filtro também podem ser empregadas para essa finalidade. Em uma alternativa simplificada, a velocidade de preparação pode ser definida para um tempo predeterminado, com sangria de combustível em excesso por meio de um regulador mecânico quando a montagem de filtro está cheia de combustível.

[006] Quando o valor de variável limiar é alcançado, o circuito de controle comuta a partir da alta velocidade de rotação de preparação para a velocidade operacional de estado estacionário menor. De acordo com os aspectos da revelação, o circuito de controle pode ser configurado para manter a velocidade de rotação de estado estacionário mesmo se a variável medida diminuir abaixo do valor de variável limiar.

[007] Em uma modalidade, um circuito de controle de motor é programado para operar uma bomba de filtro de combustível em uma primeira velocidade de rotação de preparação no momento da alimentação que é maior do que uma velocidade operacional de estado estacionário.

[008] Em uma modalidade, um circuito de controle de motor é programado para operar uma bomba de filtro de combustível em uma velocidade de rotação padrão que é maior do que uma velocidade de rotação de estado estacionário da bomba.

[009] Em uma modalidade, um circuito de controle de motor é programado para comutar o acionamento de uma bomba de filtro de combustível em uma primeira velocidade de rotação de preparação para uma segunda velocidade de rotação de estado estacionário quando a corrente consumida por um motor que aciona a bomba excede um limiar predeterminado.

[010] Em uma modalidade, um circuito de controle de motor é programado para comutar o acionamento de uma bomba de filtro de combustível em uma primeira velocidade de rotação de preparação para uma segunda velocidade de rotação de estado estacionário quando a potência consumida por um motor que aciona a bomba excede um limiar predeterminado.

[011] As modalidades alternativas do controle de motor CC sem escovas revelado podem incorporar um ou mais dentre os recursos apresentados na descrição detalhada a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[012] A Figura 1 é uma vista em corte através de uma montagem de filtro de acordo com os aspectos da revelação;

[013] A Figura 2 ilustra variáveis relevantes para a montagem de filtro revelada e métodos durante a inicialização do sistema após um evento de manutenção com a montagem e alojamento de filtro esvaziados de combustível;

[014] A Figura 3 ilustra variáveis relevantes para a montagem de filtro revelada e métodos durante a inicialização do sistema quando a montagem e alojamento de filtro estão cheios de combustível;

[015] A Figura 4 ilustra variáveis relevantes para a montagem de filtro revelada e métodos durante a inicialização do sistema após um evento de manutenção com a montagem e alojamento de filtro esvaziados de combustível; e

[016] A Figura 5 é um diagrama de blocos operacional simplificado que ilustra aspectos do método revelado.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[017] A Figura 1 é uma vista em corte através de uma montagem de filtro 10 que incorpora um motor CC sem escovas (motor BLDC) 12 e bomba integrada 14 de acordo com os aspectos da revelação. Uma placa de controle 16 é disposta no lado do alojamento de bomba 18 em um compartimento 20 definido parcialmente pelo alojamento 18 e parcialmente por uma tampa 22 presa ao alojamento. Em conjunto, o alojamento 18 e a tampa 22 fornecem um invólucro vedado para a placa de controle 16 e circuito de controle eletrônico 17 que acionam o motor BLDC 12. O circuito de controle para um motor BLDC é em geral conhecido pelos versados na técnica e tipicamente inclui um microcontrolador programável e componentes necessários para gerar o campo magnético de rotação que aciona o motor BLDC 12. A potência entregue para o motor BLDC pode ser controlada com o uso de modulação da largura de pulso (PWM) para variar o ciclo de trabalho da potência transmitida para o motor 12. A potência é transmitida a partir da placa de controle 16 para o motor BLDC 12 através de prisioneiros condutores 24 (um dos três é mostrado) que passam através da parede do alojamento 18. O motor BLDC 12 e a bomba 14 são dispostos na saída de combustível limpo 26 da montagem de filtro 10 e puxam combustível através de condutos de entrega de combustível a partir de um reservatório de combustível (não mostrado), através do cartucho de filtro 30 e entregam o combustível para montagens de mecanismo motor a jusante como bombas de combustível de alta pressão e sistemas de injeção de combustível (não mostrados) através da saída 26.

[018] Na modalidade revelada, a bomba 14 acoplada ao motor BLDC 12 é uma bomba do tipo gerotor que irá bombear ar ou líquido. Outras configurações de bomba podem ser compatíveis com os métodos e montagens de filtro revelados. A bomba 14 é conectada em comunicação fluida com uma saída 32 do alojamento 34 que circunda um elemento de filtro 36, colocando o alojamento de filtro e o elemento de filtro no lado de sucção da bomba 14. Alternativamente, a bomba 14 pode ser conectada para empurrar o fluido através do alojamento de filtro e meio de filtro. Uma bomba do tipo gerotor é um exemplo de uma bomba de “deslocamento positivo”, em que o volume de fluido bombeado é igual para cada rotação da bomba, independentemente da pressão.

[019] A montagem de filtro 10 é do tipo em que o componente de filtro substituível carrega seu próprio alojamento 34 e é tipicamente mencionado como um cartucho de filtro 30. As configurações de montagem de filtro alternativas empregam um alojamento permanente que pode ser aberto para remover e substituir um elemento de filtro. Em qualquer forma de montagem de filtro, a substituição de um cartucho de filtro gasto ou elemento de filtro resulta em uma grande bolsa de ar na montagem de filtro. O ar precisa ser deslocado pelo combustível para repreencher a montagem de filtro 10 antes de o sistema de entrega de combustível poder ser retornada para a manutenção. O processo de preenchimento de uma montagem de filtro com combustível após um evento de manutenção ou perda de combustível na montagem é chamado de “preparação” da montagem.

[020] Na montagem de filtro 10, a placa de controle 16 inclui o conjunto de circuitos de controle 17 configurado para operar o motor BLDC 12 para acionar a bomba 14 para manter um fluxo constante de combustível pressurizado para montagens de mecanismo motor a jusante (não mostradas). O conjunto de circuitos de controle 17 inclui um microcontrolador que executa firmware que implanta os métodos revelados para a operação de uma montagem de filtro. A montagem de filtro 10 inclui um regulador mecânico 27 para regular a pressão de combustível que sai da montagem de filtro, o qual simplifica o software de controle de motor e montagem de filtro. Em uma modalidade revelada, o circuito de controle de motor 17 é definido para acionar o motor BLDC 12 em uma velocidade de rotação fixa, em que o motor BLDC 12 e a bomba 14 são configurados para fornecer combustível suficiente para atender a demanda máxima a partir do mecanismo motor ao qual a montagem de filtro 10 está conectada. Na modalidade revelada, durante os períodos de demanda de não pico para combustível, o combustível em excesso é sangrado pelo regulador mecânico 27 e retornado para a entrada 28 da montagem de filtro 10 em que o mesmo é recirculado através do meio de filtro 36 para a saída 32 do alojamento de filtro 34. Na montagem de filtro 10 revelada, a velocidade de rotação fixa do motor durante a operação normal é de aproximadamente 3.600 rpm, com o motor consumindo entre 50 e 60 watts de potência. Na montagem de filtro 10 revelada, o motor BLDC 12 toma aproximadamente 8 amps de corrente durante a operação de estado estacionário e gera pressão de saída de aproximadamente 5 bar (72 psi).

[021] Conforme mostrado no diagrama de blocos da Figura 5, quando a montagem de filtro de combustível 10 é alimentada após um evento de manutenção, a maior parte da montagem de filtro é preenchida com ar, e nessa condição, o arrasto na bomba 14 acoplada ao motor BLDC 12 é baixo em comparação com quando a bomba 14 é preenchida com combustível. O ar precisa ser deslocado com o combustível para o mecanismo motor retomar a operação. Na modalidade revelada, o circuito de controle é programado para acionar o motor BLDC em 6.500 rpm enquanto que a montagem de filtro está sendo preparada com o combustível. A execução do motor BLDC e bomba em uma velocidade de rotação maior reduz o tempo necessário para preparar a montagem de filtro com o combustível. O motor BLDC consome entre 19 e 21 watts de potência para acionar o motor BLDC em 6.500 rpm mediante o bombeamento de ar fora da montagem de filtro. O motor BLDC toma aproximadamente 2 amps mediante o bombeamento de ar em 6.500 rpm durante a preparação.

[022] A Figura 2 ilustra medições tomadas a partir da modalidade revelada de uma montagem de filtro mediante a preparação da montagem de filtro. O teste foi iniciado com um novo cartucho de filtro seco e a tubulação do sistema foi esvaziada de combustível. A partir da ativação, levou-se 49 segundos para preencher a montagem de filtro com combustível, o qual incluiu o levantamento do combustível no equivalente de 0,3 metro (8 pés) verticalmente. À medida que a montagem de filtro 10 é preenchida com combustível, a pressão na saída 26 se acumula e o motor BLDC 12 começa a tomar mais corrente. O teste comprovou que quando a preparação é essencialmente concluída, a corrente tomada pelo motor BLDC 12 excede 5 amps. O circuito de controle 17 revelado é programado para monitorar a tomada de corrente do motor BLDC 10 e quando a corrente excede 5 amps, então, o circuito de controle 17 reduz a velocidade de rotação do motor para 3.600 rpm, a qual é mantida durante a operação do mecanismo motor ao qual a montagem de filtro revelada está conectada.

[023] A Figura 3 ilustra uma sequência de partida em que a montagem de filtro 10 já está preenchida com combustível, como em uma inicialização normal na ausência de um evento de manutenção. Leva-se menos do que 2 segundos para a pressão do sistema aumentar e o motor BLDC 12 começar a consumir mais do que 5 amps, disparando a comutação para a velocidade de operação de 3.600 rpm. A Figura 3 ilustra a operação de montagem de filtro revelada durante um início normal do equipamento.

[024] A Figura 4 ilustra uma sequência de inicialização com a montagem de filtro configurada para elevar o combustível no equivalente de 3,05 metros (10 pés) verticalmente, começando com um novo cartucho de filtro seco e a montagem de filtro esvaziada de combustível. A montagem de filtro 52 revelada levou 5 segundos para completar a preparação e fazer com que o motor BLDC 12 excedesse 5 amps de corrente tomada, disparando a comutação para a velocidade de operação menor de 3.600 rpm. O vácuo de entrada máximo observado durante esse teste foi de 0,26 bar (3,7 psi) (7,6 polegadas de Hg).

[025] Depois que a montagem de filtro 10 revelada tiver sido desligada e, então, novamente ligada, o circuito de controle 17 irá automaticamente predeterminar uma velocidade do motor de 6.500 rpm. 6.500 rpm excedem a velocidade de operação normal da bomba em mais de 40%, e pode se aproximar da velocidade de rotação de operação máxima do hardware. A alta velocidade de rotação inicial do motor BLDC 12 é selecionada para maximizar as capacidades de preparação da montagem de filtro revelada. Uma vez que a corrente tomada pelo motor BLDC 12 alcança 5 A, o circuito de controle 17 comuta para a velocidade de operação normal de 3.600 rpm, e contanto que a potência seja mantida para a montagem de filtro, a velocidade do motor será mantida em 3.600 rpm, mesmo que a corrente tomada pelo motor BLDC 12 diminua abaixo do limiar de 5 A. Quando a potência tiver sido desligada, o circuito de controle 17 irá predeterminar a velocidade para 6.500 rpm, mas irá quase imediatamente diminuir para 3.600 rpm se o combustível já estiver presente no sistema, conforme mostrado na Figura 2.

[026] O monitoramento da corrente tomada pelo motor BLDC serve como um indicador para o monitoramento de potência consumida pelo motor BLDC. Um método de controle alternativo pode monitorar a potência consumida pelo motor BLDC e comutar a partir da primeira velocidade de rotação (maior) para a segunda velocidade operacional (menor) mediante a detecção de potência consumida pelo motor BLDC 12 que excede um limiar de potência que indica que a montagem de filtro de combustível 10 concluiu a preparação e está preenchida com combustível. Na modalidade revelada, quando a potência consumida pelo motor BLDC 12 excede aproximadamente 40 watts, a montagem de filtro 10 é preenchida com combustível e o motor BLDC 12 pode ser, então, acionado na segunda velocidade de rotação, que corresponde à operação de estado estacionário da montagem de filtro.

[027] Em um método de controle alternativo adicional, um sensor de pressão (não mostrado) pode ser disposto na saída 26 da montagem de filtro 10 e usado para monitorar quando a montagem tiver concluído a preparação. Outras entradas de controle podem ser empregadas para disparar o deslocamento a partir de uma alta velocidade de rotação de preparação para uma velocidade de rotação de estado estacionário menor. Também é possível programar o circuito de controle para inicializar em uma velocidade de preparação alta durante um intervalo de tempo predeterminado, com o combustível em excesso retornado para a entrada de montagem de filtro quando a montagem de filtro está preenchida com combustível.

Claims

1. Montagem de filtro de combustível CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: um alojamento de filtro que circunda um elemento de filtro e configurado para direcionar combustível através do meio de filtro suportado pelo elemento de filtro, sendo que o dito alojamento de filtro define uma entrada para combustível a ser filtrado e uma saída através da qual combustível filtrado é entregue; um motor BLDC conectado a uma bomba disposta para bombear combustível a partir da entrada, através do alojamento de filtro e meio de filtro até a saída; um circuito de controle conectado para acionar o motor BLDC em uma pluralidade de velocidades de rotação, o dito circuito de controle configurado para acionar o motor BLDC em uma primeira velocidade de rotação predeterminada no momento da inicialização e comutar para uma segunda velocidade de rotação predeterminada quando a corrente tomada pelo motor BLDC excede uma corrente limiar, em que a dita primeira velocidade de rotação predeterminada é maior do que a dita segunda velocidade de rotação predeterminada.

2. Montagem de filtro de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o dito circuito de controle continua a acionar o motor BLDC na segunda velocidade de rotação mesmo se a corrente tomada pelo motor BLDC diminuir abaixo da corrente limiar.

3. Montagem de filtro de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita primeira velocidade de rotação é pelo menos 30% maior do que a dita segunda velocidade de rotação.

4. Montagem de filtro de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita primeira velocidade de rotação é pelo menos 40% maior do que a dita segunda velocidade de rotação.

5. Montagem de filtro de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a corrente tomada pelo dito motor BLDC no momento da inicialização abaixo da corrente limiar corresponde a um alojamento de filtro preenchido com ar e uma corrente tomada pelo dito motor BLDC acima da dita corrente limiar corresponde a um alojamento de filtro preenchido com combustível.

6. Montagem de filtro de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita bomba é conectada à dita saída e extrai combustível através do dito alojamento e do meio de filtro.

7. Método para a operação de uma montagem de filtro de combustível CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma bomba de combustível acionada por um motor BLDC e disposta para bombear combustível através do meio de filtro suportado em um alojamento que tem uma entrada e uma saída; e um circuito de controle conectado para acionar o motor BLDC em uma pluralidade de velocidades de rotação, sendo que o dito método compreende as etapas de: quando a montagem de filtro de combustível é alimentada, acionar o motor BLDC em uma primeira velocidade de rotação, monitorar a potência consumida pelo motor BLDC, e quando a potência consumida pelo motor BLDC excede uma potência limiar, acionar o motor BLDC em uma segunda velocidade de rotação pelo menos 20% menor do que a dita primeira velocidade de rotação e manter a dita segunda velocidade de rotação mesmo se a potência consumida pelo dito motor BLDC diminuir abaixo da dita potência limiar.

8. Método para a operação de uma montagem de filtro de combustível, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita segunda velocidade de rotação é pelo menos 40% menor do que a dita primeira velocidade de rotação.