BRPI0417099B1 - processo para ignição da combustão de combustível na câmara de combustão de um motor, dispositivo e motor associados - Google Patents
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Abstract
"processo para ignição da combustão de combustível na câmara de combustão de um motor, dispositivo e motor associados". a presente invenção refere-se a um processo que é usado para inflamar a combustão de combustível em uma câmara de combustão (5) de um motor (2) por introduzir radiação de microonda no interior da câmara de combustão (5), a dita radiação de microonda sendo produzida em uma fonte de microonda (7) no exterior da câmara de combustão (5). a radiação de microonda introduzida é absorvida pelo combustível distribuído na câmara de combustão (5). a alimentação de energia no combustível, decorrente da absorção, distribui a combustão em um grande volume na câmara de combustão (5), de preferência na inteira câmara de combustão (5) e de uma maneira homogênea, e é essencial e simultaneamente inflamada. a invenção refere-se também a um dispositivo de ignição associado (1) e a um motor associado (2).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA IGNIÇÃO DA COMBUSTÃO DE COMBUSTÍVEL NA CÂMARA DE COMBUSTÃO DE UM MOTOR, DISPOSITIVO E MOTOR ASSOCIADOS".
[001] A presente invenção refere-se a um processo para ignição da combustão de combustível na câmara de combustão de um motor e de um dispositivo de ignição associado e de um motor associado.
[002] Devido ao processo de ignição ter um efeito considerável sobre o rendimento de um motor de combustão interna, e especialmente a potência efetiva de motor dada também determina substancialmente o consumo de combustível e emissão de poluentes, no passado extensivos esforços foram envidados para otimizar o processo de ignição. O dispositivo de ignição atualmente mais comum usa velas de ignição que inflamam a mistura de ar/combustível. Estas velas de ignição podem ter um ou mais eletrodos. Cada um destes eletrodos produz uma centelha de ignição que inflama a mistura de ar/combustível na vizinhança imediata do eletrodo. A combustão se inicia por conseguinte primeiramente em um volume inicial muito pequeno em torno dos eletrodos das velas de ignição. Subsequentemente a combustão se propaga com uma velocidade reconhecidamente limitada.
[003] As patentes DE 195 27 873 A1 e US 5.136.944 descrevem uma vela incandescente que tem um revestimento superficial catalítico da parte incandescente para reduzir o consumo de energia exigido para a ignição. A desvantagem é que por um lado os custos de produção devido aos materiais catalíticos exigidos são aumentados, e por outro o processo de combustão é somente otimizado de forma insignificante. As patentes US 4.774.914 e US 6.595.194 descrevem um dispositivo de ignição que é projetado para gerar uma centelha de ignição especialmente grande.
[004] A patente US 4.113.315 descreve um processo de ignição em duas câmaras, em que a mistura de ar/combustível é inflamada por uma fonte de ignição em uma primeira pequena câmara de ignição e a seguir a mistura de ar/combustível é inflamada pela propagação da chama que ocorre em uma segunda câmara maior, o efetivo cilindro. A patente 4.499.872 apresenta um desenvolvimento deste processo de ignição em duas câmaras noqual uma mistura de água ionizada e combustível é inflamada usando campos magnéticos e hastes de ignição. É comum para o processo de ignição em duas câmaras o fato do elevado custo de construção e assim da produção.
[005] As patentes US 5.673.554 e US 5.689.949 descrevem processos de ignição em que energia de microondas é usada para produzir na câmara de combustão um plasma que inflama a mistura de ar/combustível. A formação do plasma está subordinada em grande parte à adesão a estreitas condições limite com respeito à formação de um modo ressonante, isto conduz a um considerável esforço de construção especialmente com respeito aos pistões do motor que se movimentam para cima e para baixo. Outrossim, o transmissor de microondas limita o trajeto de movimentação do pistão no motor. O correspondente também se aplica à patente US 5.845.480.
[006] A patente 5.983.871 descreve uma combinação de injeção de microonda e energia a laser para produzir o plasma. Desta maneira a complexidade do dispositivo de ignição e do processo de ignição assim como o motor pertinente são adicionalmente aumentadas. O correspondente se aplica à patente US 6.581.581 que descreve uma combinação de ignição por microonda plasma e ionização magnética da mistura de ar/combustível atomizado.
[007] É comum aos processos conhecidos o fato de exigirem estruturas complexas e assim dispendiosas e de alta-manutenção e outrossim terem somente uma vida útil limitada. A eficiência do processo de combustão e por conseguinte do motor por ele acionado é outros- sim limitada. Além disso, a emissão de poluentes não é adequadamente reduzida. Particularmente, uma temperatura de combustão mais baixa é realizada pelo empobrecimento da mistura de ar/combustível que se verificou para fins de redução do consumo de combustível, isto incorre em menor potência. A temperatura de combustão mais baixa além disso resulta em emissão de poluentes aumentada.
[008] Por conseguinte o objetivo da invenção é tornar disponível um processo para a ignição da combustão de combustível na câmara de combustão de um motor e o dispositivo de ignição pertinente e o motor pertinente que superam as desvantagens da técnica previamente existente. Particularmente, a ignição ocorrerá conforme reivindicado na invenção de tal modo que a característica de combustão é otimizada, especialmente consumo reduzido de combustível e emissão reduzida de poluentes a uma potência dada.
[009] O objetivo é realizado pelo processo definido na reivindicação 1 e pelo dispositivo e motor definidos nas reivindicações subordinadas. Dados especiais para a implementação da invenção são definidos nas reivindicações subordinadas.
[0010] A invenção trata especialmente de um processo de ignição de combustão de combustível na câmara de combustão de um motor por injetar no interior da câmara de combustão de radiação de microonda produzida em uma fonte de microonda no exterior da câmara de combustão, a radiação de microonda injetada sendo absorvida pelo combustível distribuído na câmara de combustão, e devido à transmissão de energia para o combustível que ocorre devido à absorção, a combustão sendo uniformemente distribuída de preferência através de um grande volume na câmara de combustão e sendo inflamada essencialmente ao mesmo tempo, de preferência sendo uniformemente distribuída na inteira câmara de combustão e sendo inflamada essencialmente ao mesmo tempo.
[0011] Geralmente, na câmara de combustão existe uma mistura de combustível e uma fonte de oxigênio, por exemplo, uma mistura de ar/combustível. Pela movimentação do pistão no cilindro a mistura de ar/combustível é além disso também comprimida durante o processo de ignição. A injeção de radiação de microonda ocorre de preferência de tal modo que uma distribuição de densidade de energia tão homogênea quanto possível é formada na câmara de combustão. Para esta finalidade, tanto uma janela de microonda pode ter uma área comparativamente grande como uma janela de microonda de pequena área pode ser usada. Na última hipótese, pode ser vantajoso o fornecimento de um meio de difusão no ponto de entrada da radiação de microonda no interior da câmara de combustão geralmente cilíndrica, por exemplo, uma estrutura apropriada plana, pontuda, linear ou em grade que causa a radiação de microondas para o interior da câmara de combustão com uma característica direcional isotrópica. Opcionalmente uma distribuição de densidade de energia definida na câmara de combustão pode ser obtida pela configuração do difusor.
[0012] O comprimento de onda das microondas de preferência está entre 0,1 cm e 45 cm, especialmente entre 1 cm e 15 cm e tipicamente entre 3 cm e 10 cm. Em uma modalidade preferencial da invenção, as microondas são injetadas em forma de pulsos, e para esta finalidade uma pluralidade de pulsos de microonda podem ser usados. A potência dos pulsos de microonda depende da respectiva aplicação e pode estar, por exemplo, entre 1 kW e 70 kW. A duração do pulso pode estar, por exemplo, entre 1 ns e ms, a distância do pulso para vários pulsos de microonda tipicamente sendo de entre 100 ns e 2 ms.
[0013] A energia de microonda fornecia é usada diretamente para a simultânea e uniforme ignição da inteira mistura de ar/combustível. A mudança do volume da câmara de combustão durante o intervalo de pulso pode ser insignificante devido à duração do pulso que é relati- vamente curta com respeito à velocidade de movimento do pistão. A potência dos pulsos de microonda deve ser selecionada bastante alta para energia de ignição suficiente ser injetada no interior da câmara de combustão.
[0014] A energia de microonda fornecida aquece as gotículas de combustível presentes na mistura de ar/combustível até o ponto de ignição e assim inflama a mistura. Em contraste com a técnica anteriormente existente, na presente invenção a produção de um plasma é evitada.
[0015] Em contraste com os sistemas de ignição conhecidos, na presente invenção a ignição ocorre não em único sítio dado na câmara de combustão e por conseguinte não necessita então se propagar de forma comparativamente lenta, porém de preferência a inteira mistura de ar/combustível é inflamada quase simultânea e uniformemente na inteira câmara de combustão.
[0016] No processo de ignição conhecido, o processo de combustão da mistura de ar/combustível procede em duas fases; na primeira, comparativamente lenta, denominada fase laminar à velocidade de chama laminar essencialmente limita a velocidade do processo de combustão do motor e assim o rendimento. Velocidades de chama laminares típicas especialmente de motores de combustão interna modernos com composições de mistura pobre são de cerca de 10 cm/s.A fase laminar é sucedida pela denominada fase de combustão turbulenta. Do ponto de vista de rendimento tão alto quanto possível, a segunda fase de combustão turbulenta deve sempre ser alcançada tão rapidamente quanto possível. Este é também o foco de alguns esforços da técnica anterior, em que como dantes a primeira fase tem de prosseguir para atingir a segunda fase.
[0017] Em contraste, de acordo com a presente invenção a primeira fase de combustão laminar lenta é completamente saltada e a igni- ção conduz diretamente à segunda fase de combustão turbulenta de alta velocidade. A invenção também relata um dispositivo de ignição para executar o processo como reivindicado na invenção. A fonte de alimentação de energia elétrica de preferência é uma fonte de força de alta tensão pulsada que disponibiliza a energia requerida para os pulsos de microonda. A fonte de microonda pode ser, por exemplo, um magnetron, clistron, girotron, tubo de onda em propagação, (TWT) ou similar. Possíveis conexões de microondas têm de ser adaptadas ao comprimento de onda da fonte de microonda com respeito às suas dimensões de maneira a manter as reflexões e perdas de potência tão pequenas quanto possível. Se necessário a linha de microondas também pode ser tornada flexível.
[0018] Em uma modalidade preferencial da invenção, entre a fonte de microonda e a janela de microonda existe um dispositivo de acoplamento, que por um lado transmite as microondas emitidas pela fonte de microonda para a janela de microonda, porém que por outro lado não transmite as microondas refletidas pela câmara de combustão de volta para o interior da fonte de microonda. Particularmente, este dispositivo de acoplamento pode ter uma porta tríplice, especialmente um circulador com uma fonte de microonda conectada com sua primeira porta, uma janela de microonda conectada com a sua segunda porta e um consumidor de microonda passivo conectado com a sua terceira porta. O circulador tem a função de retransmitir a energia de microonda da fonte de microonda para a câmara de combustão e ao mesmo tempo desviar a energia de microonda radiada de volta pela câmara de combustão para o consumidor de microonda passivo que absorve a energia de microonda refletida pela câmara de combustão. Desta maneira, a fonte de microonda é protegida contra a radiação de microonda refletida. O circulador pode conter um descarregador cheio de gás para aperfeiçoar a função de reduzir a energia de microonda que foi radiada de volta.
[0019] A janela de microonda é essencialmente transparente à energia de microonda, em particular alta potência de microondas pode também ser transportada através de, e por outro lado, sela a câmara de combustão do exterior. Uma possível modalidade da janela de microonda consiste em um disco de cerâmica, um disco de vidro de safira ou um disco de outro material apropriado. A janela de microonda pode outrossim, por exemplo, ter estruturas bidimensionais ou tridimensionais, de preferência sobre a superfície, por exemplo, pela aplicação de uma estrutura metálica pela qual uma emissão definida característica de energia de microonda para o interior da câmara de combustão é assegurada.
[0020] A invenção refere-se também a um motor com um dispositivo de ignição que funciona de acordo com o processo de ignição como reivindicado na invenção. Uma versão especial é um motor Otto, motor Wankel, motor SIDI (de injeção direta de ignição por centelha) ou motor a diesel no qual uma mistura de ar/combustível é inflamada na câmara de combustão.
[0021] A presente invenção conduz à combustão ideal da mistura de ar/combustível em um motor como reivindicada na invenção pelo fato de que na inteira câmara de combustão pela simultânea e uniforme ignição e combustão da mistura de ar/combustível uma primeira fase de combustão laminar lenta não é formada, porém a segunda fase de combustão turbulenta de alta velocidade é iniciada diretamente mediante a combustão. Para esta finalidade, através da totalidade da combustão, zonas de ignição e combustão turbulentas de pequeno espaço que se propagam independentemente umas das outras são produzidas quase simultaneamente em um número muito grande. Por conseguinte, a mistura de ar/combustível na câmara inteira de combustão é inflamada quase ao mesmo tempo e a seguir queimada.
[0022] Por utilizar vários pulsos de microonda as gotículas de combustível presentes na mistura de ar/combustível são aquecidas gradualmente até a temperatura de ignição ser atingida. Desta maneira basicamente regiões de temperatura diferentes basicamente inde-sejadas na câmara de combustão são evitadas uma vez que o aumento gradual da temperatura conduz a uma ignição mais uniforme e assim em última análise ignição praticamente simultânea e uniforme da inteira mistura na câmara de combustão. Além disso, basicamente a geração de plasma igualmente indesejada é prevenida pelos repetidos pulsos.
[0023] Demais vantagens, aspectos característicos e detalhes da invenção se evidenciarão das reivindicações subordinadas e da seguinte descrição na qual várias modalidades típicas são detalhadas com referência aos desenhos. A este respeito os aspectos característicos mencionados nas reivindicações e no relatório descritivo podem cada um deles ser crítico para a invenção individualmente por si próprios ou em qualquer combinação.
[0024] A figura 1 mostra esquematicamente a estrutura de um dispositivo de ignição conforme reivindicado na invenção;
[0025] As figuras 2 a 4 indicam o rendimento do motor em função da redução na quantidade de combustível na mistura de ar/combustível (mais pobre); e [0026] A figura 5 mostra o teor de CO do motor em função da mistura mais pobre.
[0027] A figura 1 mostra esquematicamente a estrutura de um dispositivo de ignição como reivindicado na invenção 1 para um motor 2 igualmente mostrado somente de forma esquemática, do qual somente são mostrados o cilindro 3 e o pistão 4 que se movimenta para cima e para baixo no mesmo. O pistão 4 e o cilindro 3 delimitam a câmara de combustão 5 na qual idealmente existe uma mistura de ar/combustível uniformemente distribuída. Na figura 1 o pistão 4 está aproximadamente na posição de ponto morto superior.
[0028] O dispositivo de ignição 1 compreende em primeiro uma fonte de alimentação de alta tensão pulsada 6 com energia que aciona a fonte de microonda 7. Uma primeira peça de linha de microonda de preferência flexível 8 é conectada da maneira de um flange com um primeiro flange de conexão 9 do circulador 10. Sobre o lado oposto ao primeiro flange de conexão 9 o circulador 10 tem um segundo flange de conexão 11 que é conectado da maneira de um flange com uma segunda linha de microonda 12 que é igualmente de preferência flexível e conduz à janela de microonda 13.
[0029] A janela de microonda 13 é fixada sobre a superfície da camisa do cilindro 3 de tal modo que as microondas são radiadas para o interior da câmara de combustão 5 de forma que a distribuição da densidade de energia seja tão uniforme quanto possível. Em uma modalidade preferencial, a janela de microonda 13 consiste em um disco de cerâmica que é inserido no cilindro 3 de tal forma que a câmara de combustão 5 esteja selada para o exterior. A janela de microonda 13 pode ter sobre seu lado voltado para a câmara de combustão 5 estruturas 14 pelas quais uma característica de radiação incidente difusa das microondas para o interior da câmara de combustão 5 seja assegurada.
[0030] A energia de microonda alimentada por intermédio do primeiro flange de conexão 9 é fornecida através do segundo flange de conexão 11 à janela de microonda 13 pelo circulador 10 de acordo com o fluxo de energia representado pela seta 15 essencialmente não-amortecido e seja assim injetado no interior da câmara de combustão 5. As reflexões que ocorrem na câmara de combustão 5 podem levar à reirradiação da energia de microondas através da segunda linha de microonda 12 e para o interior do segundo flange de conexão 11.0 circulador 10 neste caso assegura o desvio da energia de microonda de acordo com a seta 16, especificamente não de volta para o interior do primeiro flange de conexão 9, porém através de um terceiro flange de conexão 17 com o qual uma terceira linha de microonda 18 está conectada que guia o fluxo de energia refletido para um consumidor de microonda passivo 19. Os flanges de conexão 9, 11, 17 do circulador 10 também podem ser dispostos a uma distância angular de 120° em contraste com a representação na figura 1.
[0031] O processo de ignição conforme reivindicado na invenção foi testado com um dispositivo de ignição como reivindicado na invenção sobre um motor de combustão interna. Foi um motor Otto de quatro tempos, com quatro cilindros e um volume de 1300 cm3. A potência efetiva do motor foi de 63 hp / 46,6 kW. Em operação com um sistema de ignição convencional o consumo de combustível foi de aproximadamente 6,5 litros por 100 km.
[0032] Neste motor de produção em série a velas de ignição foram removidas e discos de cerâmica usados em seu lugar como elementos de vedação e como uma janela de microonda. A estrutura do dispositivo de ignição 1 correspondente àquela da figura 1. O motor de combustão interna foi mecanicamente conectado com um gerador elétrico, para que fosse possível determinar a potência efetiva do motor. Um consumidor ôhmico localizado em um calorímetro d’água foi conectado com o gerador.
[0033] As figuras 2 a 4 mostram a potência efetiva do motor em função da redução da proporção de combustível na mistura de ar/combustível (mistura mais pobre) em três faixas operacionais diferentes,especificamente à plena carga (figura 2), meia carga (figura 3) e a um terço de carga (figura 4). O fator de empobrecimento é definido como a fração à qual a parte de combustível foi reduzida, nas figuras 2 a 4, procedendo de 1/1 a 1/4,5-th. Aqui é evidente que em operação com o dispositivo de ignição, conforme reivindicado na invenção, a parte de combustível na mistura propriamente sob plena carga pode ser empobrecida por um fator de 3 sem a potência ser reduzida; a um terço de carga este fator é até de 3,5.
[0034] A figura 5 mostra a redução do teor de monóxido de carbono (CO) nos gases de escape do motor conforme reivindicada na invenção em função da concentração de combustível na mistura de ar/combustível. Mesmo a um fator de 1 a concentração de CO com 0,05% por volume é claramente menor que em um motor padrão com um dispositivo de ignição convencional, onde este valor é de aproximadamente 0,20% por volume. Para empobrecer por um fator de 3 o teor de CO pode ser ainda mais reduzido, chegando a 0,02% por volume. Isto significa uma redução da liberação de CO por um fator de 10. Para aproximadamente a mesma potência o consumo com o processo de ignição conforme reivindicado na invenção foi somente de 2,3 litros de gasolina por 100 km, por conseguinte cerca de um terço do consumo com um processo de ignição convencional.
REIVINDICAÇÕES
Claims (10)
1. Processo para ignição de combustão de combustível na câmara de combustão (5) do motor (2) através das etapas de: injetar no interior da câmara de combustão (5) radiação de microonda produzida em uma fonte de microonda (7) fora da câmara de combustão, em que a radiação de microonda injetada é absorvida pelo combustível distribuído na câmara de combustão (5), e em que é distribuída a combustão em todo o volume da câmara de combustão (5), sendo essencialmente inflamada de modo simultâneo, em virtude da entrada de energia no combustível resultante da absorção, caracterizado pelo fato de que a radiação de microonda é injetada na forma de 2 a 10 pulsos de microonda com uma duração de pulsos entre 1 ns e 2 ms, e um espaçamento de pulsos entre 100 ns e 2 ms e energia elevada com uma potência de pulso de microonda entre 1 kW e 70 kW, que para o processo de ignição são injetados uma pluralidade de pulsos de microonda com pelo menos um dentre diferentes potências e diferentes durações de pulsos, em que através de uma gradual distribuição de energia é garantido o nivelamento do aumento de temperatura do combustível distribuído na câmara de combustão (5) até a temperatura de ignição, de tal forma que a combustão é inflamada uniformemente distribuída em toda a câmara de combustão (5), e que a formação de um plasma que impede a injeção das microondas na câmara de combustão (5) é prevenida através da seleção do intervalo de tempo de injeção de radiação de microonda, de sua potência e eventualmente da duração de pulsos e dos espaçamento de pulsos.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dependendo do estado operacional do motor (2) e do consumo de força sobre o motor (2) é controlado pelo menos um den- tre o número de pulsos de microonda e adicionalmente de sua potência, de sua duração de pulsos, e de seu instante.
3. Dispositivo (1) para inflamar a combustão de combustível na câmara de combustão (5) de um motor (2), em que o dispositivo (1) compreende uma fonte de microonda (7) localizada no exterior da câmara de combustão (5) e uma janela de microonda (13) conectada com a fonte de microonda (7), e em que a radiação de microonda é injetada no interior da câmara de combustão (5) por intermédio da janela de microonda (13), de tal forma que a radiação de microondas injetada é absorvida pelo combustível distribuído na câmara de combustão (5), e é distribuída a combustão em todo o volume da câmara de combustão (5), essendo sencialmente inflamada de modo simultâneo, em virtude da entrada de energia no combustível resultante da absorção, caracterizado pelo fato de que a radiação de microonda é injetada na forma de 2 a 10 pulsos de microonda com uma duração de pulsos entre 1 ns e 2 ms, e um espaçamento de pulsos entre 100 ns e 2 ms e energia elevada com uma potência de pulso de microonda entre 1 kW e 70 kW, que para o processo de ignição são injetados uma pluralidade de pulsos de microonda com pelo menos um dentre diferentes potência e diferentes durações de pulsos, em que através de uma gradual distribuição de energia é garantido o nivelamento do aumento de temperatura do combustível distribuído na câmara de combustão (5) até a temperatura de ignição, de tal forma que a combustão é inflamada uniformemente distribuída em toda a câmara de combustão (5), e que a formação de um plasma que impede a injeção das microondas na câmara de combustação (5) é prevenida através da seleção do intervalo de tempo de injeção de radiação de microonda, de sua potência e eventualmente da duração de pulsos e dos espaçamento de pulsos.
4. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 3, caracte- rizado pelo fato de que a fonte de microonda (7) é fornecida por uma fonte de alimentação de energia elétrica (6) que distribui pulsos elétricos que podem ser convertidos em pulsos de microonda pela fonte de microonda (7).
5. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que entre a fonte de microonda (7) e a janela de microonda (13), de preferência do curso da linha de microonda (8, 12) existe um dispositivo de acoplamento (10) que transmite as microondas emitidas pela fonte de microonda (7) para a janela de microonda (13), porém que não transmite as microondas refletidas pela câmara de combustão (5) de volta para o interior da fonte de microondas (7).
6. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de acoplamento (10) tem uma tríplice porta, especialmente um circulador (10) com uma fonte de microonda (7) conectada com sua primeira porta, uma janela de microonda (13) conectada com a sua segunda porta, e um consumidor de microonda (19), de preferência passivo, conectado com a sua terceira porta.
7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 6, caracterizado pelo fato de que a janela de microonda (13) tem um material cerâmico ou consiste completamente em um material cerâmico.
8. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 7, caracterizado pelo fato de que a fonte de microonda (7) é conectada com a janela de microonda (13) por uma linha de microonda (8, 12) de preferência flexível.
9. Motor (2), caracterizado pelo fato de que compreender um dispositivo (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 3 a 8 para a ignição da combustão de combustível na câmara de combustão (5) de um motor (2).
10. Motor (2) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que um motor Otto, um motor Wankel, motor SIDI (de ignição por centelha de injeção direta) ou motor a diesel e no qual uma mistura de ar/combustível é inflamada na câmara de combustão (5).
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