BR202020013548U2

BR202020013548U2 - Disposição construtiva aplicada em difusor de ar para motores de combustão

Info

Publication number: BR202020013548U2
Application number: BR202020013548-7U
Authority: BR
Inventors: Jan Adonis Marchiorato
Original assignee: Nelymeire De Paula - Me
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-01-11
Also published as: BR202020013548U8; US20220003150A1; CN111946504A; EP3933179A1

Abstract

disposição construtiva aplicada em difusor de ar para motores de combustão. a presente patente de modelo de utilidade pertence ao campo dos acessórios e equipamentos destinados ao mercado automotivo e/ou de outros equipamentos que necessitem de motor a combustão, e mais precisamente refere-se a um dispositivo metálico que conduz o ar turbilhonado, para um vortex, lei física de fibonacci e também, regula as moléculas energicamente, resultando numa maior pressão e num menor fluxo de entrada de ar no motor; a presente solução é extremamente importante para o mercado dos motores, pois com ela é possível melhorar a queima do combustível, reduzir os gases poluentes eliminados pelo escapamento do veículo/máquina, reduzir o consumo de combustível, aumentar a vida útil do motor (resfriamento), regular as moléculas do ar, aumentar a potência do motor pelo ar positivo e também fazer uma barreira fixa do ar diminuindo o refluxo.

Description

DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA EM DIFUSOR DE AR PARA MOTORES DE COMBUSTÃO

CAMPO TECNICO DA INVENÇÃO

[1] A presente patente de modelo de utilidade pertence ao campo dos acessórios e equipamentos destinados ao mercado automotivo e/ou de outros equipamentos que necessitem de motor a combustão, e mais precisamente refere-se a um dispositivo metálico que conduz o ar turbilhonado, para um vortex, lei física de Fibonacci e também, regula as moléculas energicamente, resultando numa maior pressão e num menor fluxo de entrada de ar no motor.

[2] A presente solução é extremamente importante para o mercado dos motores, pois com ela é possível melhorar a queima do combustível, reduzir os gases poluentes eliminados pelo escapamento do veículo/máquina, reduzir o consumo de combustível, aumentar a vida útil do motor (resfriamento), regular as moléculas do ar, aumentar a potência do motor pelo ar positivo e também fazer uma barreira fixa do ar diminuindo o refluxo.

[3] Tem-se, portanto, no pedido de patente em questão, um dispositivo que fora especialmente projetado e desenvolvido com perfeição e eficiência, no intuito de oferecer praticidade e economia aos seus usuários e, ainda trazer grandes vantagens para o meio ambiente, tendo em vista a redução na emissão de gases lançados pelos escapamentos veiculares e/ou das máquinas.

[4] É ainda, objetivo do presente pedido, apresentar um acessório que preencha todos os requisitos de robustez, segurança e praticidade utilitária, oferecendo assim ao público consumidor, uma opção adicional no mercado de congêneres, que em relação ao que se apresenta no mercado atual, oferece inúmeras possibilidades e benefícios a seus usuários, tornando-se um modelo de grande aceitação no mercado setorial.

HISTÓRICO DA INVENÇAO

[5] O coração dos automóveis é o seu motor. Desde o primeiro veículo autopropelido, ou seja, capaz de se mover sozinho por meio de potência gerada por componentes fixos à sua estrutura, o motor para a propulsão a combustão interna vem sendo aprimorado. Muitas das soluções que acreditamos serem modernas, surpreendentemente são quase tão antigas quanto o próprio motor.

[6] Os motores atuais de aplicação automobilística estão em desenvolvimento há mais de 100 anos. A grande maioria das inovações tecnológicas, estudos termodinâmicos e aperfeiçoamento da eficiência global dos motores de combustão interna ocorreram ao longo da história do transporte viário motorizado.

[7] No ano de 1854, o primeiro projeto de um motor de combustão interna foi patenteado na Itália pelos engenheiros Eugenio Bersanti e Felice Matteucci. O projeto consistia na utilização de energia de expansão de gases liberada pela combustão de uma mistura explosiva de ar e hidrogênio para movimentar um pistão e transformar esse movimento linear em um movimento rotativo, com o uso de uma árvore de manivela. Este motor nunca foi produzido em quantidade. Em 1860, o belga Jean Joseph Etienne Lenoir utilizou o conceito de Barsanti e Matteucci para criar um motor dois tempos que utilizava gás explosivo, com o uso de uma vela de ignição para iniciar a queima.

[8] Em 1863, Lenoir criou uma carruagem motorizada de três rodas chamada Hippomobile, equipada com o motor por ele projetado, de 2.543 cm3 de cilindradas, que queimava petróleo e fez uma viagem-teste de Paris até a cidade de Joinville Le Pont. Ao longo da vida, Lenoir vendeu aproximadamente 350 Hippomobiles. Em 1870, Siegfried Samuel Marcus, alemão, instalou um motor de combustão em um carro-transportador, com o diferencial de que este seria o primeiro uso de derivados de petróleo como combustível, batizado de Marcus I, para o transporte de pequenas mercadorias. Após alguns anos trabalhando em técnicas de sistemas de ignição de baixa tensão e um sistema de carburação por passagens rotativas, o que lhe rendeu uma patente no estudo do magneto em 1883, Marcus apresentou seu segundo projeto em 1888, o Marcus II.

[9] Durante os anos em que Marcus trabalhava no projeto do Marcus II, outro alemão, Nikolaus Otto desenvolvia seu conceito do ciclo Otto, com os quatro tempos de funcionamento do motor (admissão, compressão, explosão e descarga). Otto criaria o primeiro motor de combustão interna eficiente que queimava combustível dentro do cilindro, em uma câmara de combustão propriamente dita, em 1876, juntamente com Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach. Antes disso, Otto já havia empregado o conceito de Lenoir em outros motores.

[10] O conceito do motor de quatro tempos criado por Otto seria o padrão para a maioria dos desenvolvimentos que viriam a seguir. Karl Benz, que em 1879 criara um motor dois-tempos baseado no ciclo de Otto, utilizou novamente este conceito e criou seu próprio motor de quatro tempos, que foi empregado no famoso Benz Motorwagen de 1885, o primeiro automóvel produzido comercialmente com motor de ciclo Otto, lançado ao público oficialmente em 1886.

[11] O crédito da criação do motor a combustão é atribuído ao engenheiro, físico e inventor alemão Nikolaus August Otto. Sua invenção, datada do ano de 1866, revolucionou a indústria, que na época utilizava largamente o motor a vapor. Ele desenvolveu o princípio de funcionamento conhecido como Ciclo Otto, que consiste em transformações termodinâmicas que podem ser observadas nos automóveis até os dias de hoje.

[12] O Ciclo Otto possui quatro partes. Na primeira, a Admissão, a chamada câmara de combustão, onde o processo ocorre, se expande, causando a entrada de combustível e ar. Em seguida, ocorre a Compressão da câmara. No terceiro passo, a Explosão, libera-se uma faísca em seu interior, gerando uma ignição que expande novamente a câmara de combustão. Por fim, no Escape, os gases formados na combustão são expelidos e as válvulas para entrada de ar e combustível são abertas, reiniciando o processo.

[13] Todo esse processo combinado a um sistema de transmissão define o que se chama de motor a combustão interna. No entanto, essa máquina tão importante e engenhosa já sofreu diversas modificações desde a sua criação, levando a vários tipos existentes atualmente.

[14] Foram muitas as variações e modificações feitas no motor à combustão interna, trazendo vantagens e desvantagens em relação ao modelo original. Algumas dessas mudanças, muito conhecidas atualmente, podem ser vistas a seguir:

[15] Motor Diesel ou a gasóleo: um dos modelos de motores mais conhecidos além do original é o motor Diesel, inventado pelo engenheiro Rudolf Diesel em 1893. Essa máquina possui um funcionamento semelhante ao ciclo Otto, mas se difere principalmente pelo método de ignição. Nesse processo, o ar atmosférico admitido não se mistura com o combustível inicialmente. Ele é comprimido até um estado de temperatura elevada o suficiente para queimar o combustível. Só após esse passo, o combustível é introduzido na câmara de combustão, sofrendo uma combustão espontânea. Assim, ao invés de uma faísca iniciar a combustão, a própria compressão do ar atmosférico o faz.

[16] O motor a Diesel apresenta algumas diferenças de desempenho ao criado por Otto. Não causa quase nenhum desperdício de combustível, apresentando uma melhor eficiência energética e tem maior vida útil. Ele também é um tipo de motor que tende a ter um torque mais elevado, ou seja, é mais forte. No entanto, só funciona com combustíveis mais pesados e ,por isso, não se aplica a algumas configurações de motores e gera mais poluentes do que a gasolina, por exemplo. Além disso, apresenta uma aceleração menor.

[17] Ciclo de Brayton: o motor com o princípio de funcionamento do ciclo de Brayton foi inventado pelo engenheiro americano George Brayton. Originalmente, sua patente levou o nome de "Ready Motor". O ciclo de Brayton foi usado como base para o desenvolvimento das turbinas a gás, que apresentam um funcionamento bem diferente dos 2 modelos de motores já citados.

[18] De início deve-se citar que as etapas do processo ocorrem ao mesmo tempo e continuamente, mas em locais distintos. Existem 3 células nesse tipo de motor, que são o compressor, a câmara de combustão e a turbina. O funcionamento começa com a compressão do ar, que é enviado à câmara de combustão. Em seguida, esse ar sofre aquecimento por meio da queima do combustível. Com isso, ocorre uma expansão e o ar é conduzido à turbina, colidindo com suas palhetas, gerando movimento e sendo expelido.

[19] As turbinas a gás têm grandes aplicações na atualidade. Um grande exemplo são as aeronaves, que utilizam largamente essa tecnologia. Ela tem maiores custos envolvidos, mas proporciona grandes potências e velocidades.

[20] Existem vários outros tipos de motores de combustão interna com suas estruturas e ciclos teóricos associados, como o pulsojato, Ericsson e Stirling. Eles também podem ser categorizados segundo diferentes critérios, como a forma como se realiza a combustão, a separação das fases, o seu encadeamento, se ele é alternativo ou rotativo, entre outros.

[21] Atualmente, os motores a combustão interna são largamente utilizados ainda com o Ciclo de Otto, de mais de 150 anos atrás. No setor de transportes, desde automóveis até a aeronáutica, essa tecnologia domina o mercado. Também em diversos setores da indústria, ela se mostra insubstituível.

[22] No futuro, é possível que ela seja substituída por novas tecnologias como motores elétricos, por exemplo. No entanto, observando as inúmeras utilizações dos motores endotérmicos, não se pode negar que eles foram uma das invenções mais impactantes na sociedade a partir do século XVIII.

ESTADO DA TECNICA

[23] O desenvolvimento da tecnologia de motores está focado na melhoria da eficiência térmica do motor e na qualidade da combustão. Aproximadamente 22% da energia da gasolina se transformam em energia mecanica e 27% para o diesel. Os motores possuem ciclos térmicos diferentes e operam a taxas de compressão diferentes, o que contribui para esta diferença.

[24] Recentemente têm surgido motores a gasolina com injeção direta que procuram aumentar a taxa de compressão e empobrecer a mistura ar + combustível, visando melhorar a eficiência e o consumo.

[25] Para que esta fórmula seja bem sucedida, é preciso otimizar a capacidade de entrada na cânara de combustão. Isto é conseguido aumentando-se a pressão na entrada, com compressores ou turbinas, modificando o caminho do ar no cabeçote do motorou criando condições para que mais ar chegue aos cilindros, de preferência com temperaturas menores. Este conceito é bem conhecido pelos preparadores de motores para corridas, mas não chega aos motores comerciais, pois o foco não é ter desempenho máximo.

[26] A utilização dos compressores ou turbinas para o admitido no motor melhorou muito o desempenho. Esta tecnologia, antes restrita aos veiculos de motor a diesel e aos mais caros a gasolina, está se tornando cada vez mais presente em função do aumento de escala de produção e otimização do projeto. Turbinas cada vez menores conseguem evitar problemas como o atraso em relação ao acelerador por causa da inércia do sistema. Se por um lado aumentou a pressão, esse sistema tende a aumentar a temperatura do ar em função do processo de compressão. Mesmo com a presença de resfriadores intermediário, os "intercoolers", parte do ganho de desempenho se perde por causa da maior temperatura de admissão do ar.

[27] Nas pistas de corrida é frequente que os mecânicos façam modificações no trajeto dos gases, alterando a geometria do cabeçote do motor. Existem categorias que impedem essa modificação para tornar o evento mais competitivo. Essa alternativa é descartada para os veiculos que já estão rodando, uma vez que o custo dessa solução seria proibitivo. De qualquer forma, uma entrada de ar com melhor pressão e menor temperatura contribuem para o desempenho global do motor.

[28] Este efeito de turbilhonamento do ar gera melhoria de desempenho na maioria dos motores que rodam no Brasil. Este efeito é pouco menor para os motores com injeção direta de combustivel, que já trabalham com uma mistura pobre em combustivel. Neste tipo de motor, a quantidade de combustivel injetada diretamente no cilindro é menor, o que pode gerar falhas de combustão. Para isso, já existe um projeto que direciona o fluxo de ar de forma otimizada para dentro do cilindro, garantindo a combustão. Por injetar menos combustivel, esse tipo de motor tende a ser mais econômico que os de mistura indireta com o ar no cabeçote. Mesmo assim, é possivel perceber ganho de desempenho do motor.

[29] Na área de combustão, o turbilhonamento da mistura ar + combustivel tem permitido a utilização de combustiveis de baixo poder calorifico, que não podiam ser utilizados em queimadores convencionais. Essa melhor mistura facilita a reação, que se torna homogênea e estável. Essa tecnologia é bastante encontrada em queima de biomassa em leito fluidizado e de gases pobres provenientes de processos de aproveitamento de residuos.

[30] Recentemente, um gaseificador de Residuos Sólidos Urbanos - RSU, instalado no municipio de Mafra e, com capacidade de processas 100 toneladas por dia de RSU, conseguiu estabilizar a queima do gás produzido somente quando passou a utilizar uma câmara de combustão torcional, dispensando a necessidade de chama piloto. Assim, o principio de melhoria da combustão com o aumento do turbilhonamento ou mistura do ar com o combustivel tende a melhorar as reações de combustão, reduzindo a geração de monóxido de carbono e alguns outros gases legislados.

[31] Sung et al. (2017) explicaram o efeito do turbilhonamento do ar em queimadores de carvão pulverizados. Apesar de ser uma tecnologia em uso há bastante tempo, este estudo permitiu testar diversos ângulos para o dispositivo gerador de turbilhonamento e outros parâmetros de projeto, para medir o desempenho.

[32] Wang et al. (2019 A) simularam o efeito do turbilhonamento na entrada do cilindro de um motor diesel, e compararam com os resultados obtidos experimentalmente em um motor monocilindrico. Utilizaram um bico injetor com 5 jatos contrapondo o de jato simples, e concluiram que em altas cargas o desempenho do motor é melhor. Neste trabalho o turbilhonamento foi gerado pelo ângulo dos jatos de combustivel do bico injetor.

[33] Ba ri, Johansen e Alhers (2015) propuseram um gerador de vórtice na admissão de ar de um motor alimentado com biodiesel. Comparando váriosindicadores técnicos utilizando diesel e biodiesel, com ou sem gerador de vórtice, chegaram à conclusão de que há uma melhor mistura ar/combustível que gera uma queima limpa, dado que o biodiesel tem problema de queima no motor.

[34] Wang et al. (2019 Β) simularam o efeito de uma chicana geradora de vórtice na admissão de ar de um motor diesel e concluíram que existe melhoria até o ângulo de 48°, com aumento de 5,79% na potência do motor e melhoria no consumo.

[35] Apesar de algumas aplicações em queimadores de biomassa utilizarem o princípio do turbilhonamento do ar para melhorar a eficiência da queima já existirem há tempo, só recentemente este tema tem sido estudado para o desenvolvimento dos motores.

[36] Em pesquisas realizadas em alguns bancos de dados especializados, foram encontrados documentos que visam melhorar a operação do motor a combustão, tal como, o documento de n. ° PI 0703120-3-"DIFUSOR MÚLTIPLO PARA UM MOTOR A COMBUSTÃO DE PISTÃO ALTERNATIVO E UM MOTOR A COMBUSTÃO DE PISTÃO ALTERNATIVO", a presente invenção refere-se a um difusor múltiplo (1) para um motor a combustão de pistão alternativo, em particular a um motor diesel de dois tempos grande, em que o difusor múltiplo (1) inclui um alojamento do difusor (4) divergindo desde uma entrada do difusor (2) até uma saída do difusor (3) ao longo de um eixo longitudinal (L), com uma inserção de difusor (5, 51, 52, 53) disposta no interior do alojamento do difusor (4). A entrada do difusor (2) é conectável a uma saída (6) de um turbo-alimentador de gás de exaustão (7) e a saída do difusor (3) é conectável a um resfriador de ar de carregamento (8) do motor a combustão de pistão alternativo, de forma que no estado operacional do motor a combustão de pistão alternativo pode ser introduzido ar puro (9), desde o turbo-alimentador de gás de exaustão (7) via o difusor múltiplo (1), dentro do resfriador de ar de carregamento (8). De acordo com a invenção o difusor múltiplo (1) é feito assimetricamente em relação ao eixo longitudinal (L). A invenção refere-se, ainda mais, a um motor a combustão de pistão alternativo, em particular a um motor diesel de dois tempos grande, com um difusor múltiplo (1) de acordo com a invenção.

[37] Apesar do documento acima pertencer ao mesmo segmento mercadológico, o mesmo não traz nenhuma similaridade com a presente solução, tendo em vista que os mesmo não faz uso de um sistema por ventoinhas, consequentemente não trazer benefício no que diz respeito a economia de combustível e também redução de poluentes no meio ambiente.

BREVE DESCRITIVO DA INVENÇAO

[38] Assim sendo, após analisar o estado da técnica e visando apresentar melhorias nos meios dos motores, o inventor, que possui notório conhecimento setorial, criou e desenvolveu um difusor de ar que quanto instalado na linha de admissão do ar, gera um turbilhonamento que melhora a mistura entre o ar e o combustível, reduz a temperatura do ar, e gera uma pressão positiva sobre a TBI, minimizando o refluxo de gases. Esta combinação de fatores aumenta a quantidade de oxigenação na câmara de combustão, permite um empobrecimento da mistura ar e combustível que reduz consideravelmente o consumo de combustível, melhora a potência do motor e o consumo, e também reduz a emissão de monóxido de carbono, aumentando a vida útil do motor.

[39] O princípio de utilizar uma mistura entre o ar e o combustível mais pobre tem sido adotado com o desenvolvimento da injeção eletrônica, estando presente nos motores de injeção direta de combustível.

[40] Com a presente solução será notável o ganho de potência que poderá chegar até 25% e também diminuir o acumulo de resíduos que aumenta a vida útil do motor, velas e válvulas, além de ter comprovadamente a redução da poluição em até 90%.

[41] Testes realizados em bancada de motor, dinamômetro e nas ruas apontas uma economia de combustível entre 10 a 30%, dependendo da marca, e consequentemente ganho de potência.

[42] Além do melhor aproveitamento da energia do combustível, verificou-se uma redução significativa das emissões atmosféricas, principalmente de monóxido de carbono, devido à melhor queima de combustível. Como o motor fica mais econômico, a quantidade de emissão por quilômetro rodado também diminui, contribuindo para a melhora da qualidade do ar atmosférico.

[43] A solução conta com ventoinhas internas que melhoram o fluxo de ar. Essas ventoinhas são acionadas pelo próprio fluxo de ar e contribuem para manter a pressão positiva sobre a TBI ou carburador.

[44] Por fim, é importante destacar que a solução ora em comento é completamente versátil, pois poderá ser utilizado em quaisquer veiculos leves ou pesados, independente de sua marca, sendo ele a gasolina, etanol, diesel ou GNV.

[45] Este acessório não leva em conta apenas as qualidades mecanicas e funcionais, mas também a forma, a disposição e a localização estratégica de suas partes e componentes que, corretamente posicionadas, trouxeram um aumento de eficiência sem acarretar ônus algum aos seus usuários.

[46] É de se compreender que o difusor em questão é extremamente simples em sua construtividade, sendo, portanto, de fácil exequibilidade industrial, porém, são obtidos excelentes resultados práticos e funcionais, oferecendo uma construtividade inovadora.

DESCRIÇÂO DAS FIGURAS

[47] No intuito de ilustrar e esclarecer as caracteristicas do presente invento segundo uma forma básica e preferida de realização elaborada pelo requerente, faz-se referência aos desenhos ilustrativos anexos, que integram e subsidiam o presente relatório descritivo, e nos quais vê-se:
A Figura 1 ilustra uma vista da parte traseira do difusor;
A Figura 2 exibe uma vista em interna da parte frontal do difusor, onde é possivel visualizar as aletas;
A Figura 3 revela outra vista da parte traseira do difusor;
A Figura 4 traz uma imagem onde podemos verificar uma das telas protetoras;
A Figura 5 ilustra uma vista da ventoinha menor;
A Figura 6 ilustra uma vista da ventoinha maior e de seu suporte;
A Figura 7 exibe uma vista em foco da ventoinha maior;
A Figura 8 mostra uma imagem dos rolamentos da ventoinha maior;
A Figura 9 revela a suporte da ventoinha maior, e
A Figura 10 traz uma imagem em perspectiva do difusor completo.

DESCRIÇÂO DETALHADA DA INVENÇAO

[48] Como podemos conferir através dos desenhos relacionados acima, o presente dispositivo é composto por uma parte frontal com difusor aletado (1) para distribuição de ar com calibração de acordo com o motor, uma parte traseira (3) para captação do ar do filtro do veículo ou do intercooler, ambas as partes se encaixam através de um sistema simples de encaixe (2).

[49] Na parte interna do dispositivo temos duas telas protetoras (4) de inox, uma que será alocada no difusor e outra que será instalada na parte de trás do dispositivo, além disso, o equipamento dispõe de duas hélices (5 e 6) potencializadoras imantadas, sendo a menor (5) e a maior (6), a hélice maior (6) possui em sua parte central rolamentos (7) e um suporte (8).

[50] Para motores turbo ou a diesel é dispensado a utilização das hélices (5 e 6), tendo em vista que a captação de ar já são provenientes do próprio veículo.

[51] É certo que quando o presente invento for colocado em prática, poderão ser introduzidas modificações no que se refere a certos detalhes de construção e forma, sem que isso implique afastar-se dos princípios fundamentais que estão claramente substanciados no quadro reivindicatório, ficando assim entendido que a terminologia empregada não teve a finalidade de limitação.

[52] Tratou-se, portanto, no presente relatório descritivo de uma concepção completamente inovadora que apresenta, conforme se pode evidenciar pelas análises realizadas e figuras mostradas, características técnicas construtivas e funcionais inéditas.

[53] Pelas vantagens que oferece, e ainda, por revestir-se de características verdadeiramente inovadoras que preenchem todos os requisitos de novidade e originalidade no gênero, a presente "DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA EM DIFUSOR DE AR PARA MOTORES DE COMBUSTÃO", reúne condições necessárias para merecer a patente de modelo de utilidade.

Claims

"DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA EM DIFUSOR DE AR PARA MOTORES DE COMBUSTÃO", ser composta por uma parte frontal com difusor aletado (1), uma parte traseira (3), ambas as partes se encaixam através de um sistema simples de encaixe (2), o qual é caracterizada por a sua parte interna ser composta por duas telas protetoras (4), uma que será alocada no difusor e outra que será instalada na parte de trás do dispositivo; o equipamento dispor de duas hélices (5 e 6) potencializadoras, sendo a menor (5) e a maior (6), a hélice maior (6) possui em sua parte central rolamentos (7) e um suporte (8).
"DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA EM DIFUSOR DE AR PARA MOTORES DE COMBUSTÃO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por opcionalmente não conter as duas hélices (5 e 6).