BRPI0801213B1 - método de controle de operação de um motor que pode usar um modo de combustão de combustível único ou multicombustível - Google Patents

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Abstract

método de controle de operação de um motor que pode usar um modo de combustão de combustível único ou multicombustível. a presente invenção refere-se a um método de controlar a operação de um motor de combustão interna, usando um modo de combustão de combustível único ou multicombustível, com pelo menos um tipo de combustível compreendendo um alto número de octanas e uma baixa densidade de energia e pelo menos outro tipo de combustível compreendendo um baixo número de octanas e uma alta densidade de energia, um método no qual a energia necessária para o motor operar em modo multicombustível é proporcionada por uma combinação dos dois tipos de combustíveis. de acordo com a invenção, para operação do motor em modo multicombustível, o método consiste em: - determinar os valores de ajuste da densidade de energia global e do número de octanas global resultantes da combinação de combustíveis; - alimentar na câmara de combustão os ditos combustíveis, com uma proporção intencionada para atingir os valores de ajuste; - avaliar os valores reais da densidade de energia global e/ou do número de octanas global dos ditos combustíveis; e - no caso de uma diferença entre os valores de ajuste e valores reais, compensar esta diferença pela variação da proporção de pelo menos um dos combustíveis a fim de obter o conjunto de densidade de energia e/ou número de octanas.

Description

(54) Título: MÉTODO DE CONTROLE DE OPERAÇÃO DE UM MOTOR QUE PODE USAR UM MODO DE COMBUSTÃO DE COMBUSTÍVEL ÚNICO OU MULTICOMBUSTÍVEL (73) Titular: IFP. Endereço: 1 & 4 Avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil Malmaison Cedex, FRANÇA(FR) (72) Inventor: GAETAN MONNIER.
Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 27/11/2018, observadas as condições legais
Expedida em: 27/11/2018
Assinado digitalmente por:
Alexandre Gomes Ciancio
Diretor Substituto de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO DE CONTROLE DE OPERAÇÃO DE UM MOTOR QUE PODE USAR UM MODO DE COMBUSTÃO DE COMBUSTÍVEL ÚNICO OU MULTICOMBUSTÍVEL.
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a método de controle de operação de um motor usando vários combustíveis.
Refere-se mais particularmente a motores operando com um primeiro modo de combustão referido como modo de combustível único, de acordo com o qual um único combustível é usado, geralmente para marcha lenta e baixas cargas do motor, ou de acordo com outro modo de combustão referido como modo multicombustível que permite combinar vários combustíveis de diferentes naturezas, para cargas média e alta.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Esse tipo de motor é melhor descrito na patente U.S. 5.975.050, na qual o motor opera sob condições de combustão de combustível único, com um combustível geral mente em fase líquida, do tipo diesel, injetado diretamente na câmara de combustão do motor (injeção direta) ou em uma câmara de pré-combustão (injeção indireta), ou sob condições de combustão bicombustível, nas quais um combustível gasoso é associado com esse combustível líquido. Esse modo permite obter-se dois modos de combustão no mesmo ciclo do motor, auto-ignição do combustível e combustão da mistura ar / gás por meio de uma propagação frontal de chama iniciada por auto-ignição.
Como é conhecido da técnica anterior, métodos e dispositivos permitem controlar a distribuição de combustível e a transição entre os dois modos operacionais do motor. Por meio de exemplo, as patentes U.S. 5.450.829 e 5.975.050 e os pedidos de patentes internacionais WO 99/45.256 e WO 99/46.495 descrevem tais métodos e dispositivos.
Um método de controlar um motor de combustão interna, operando em modo de combustível único ou bicombustível, é também conhecido da patente francesa FR-2.817.913 depositado pelo requerente. Com esse
Figure BRPI0801213B1_D0001
método, durante operação em um modo de combustível único, a energia necessária para operação do motor é proporcionada por injeção indireta de um combustível gasoso, ou por injeção direta de um combustível líquido, nesse caso gasolina. Durante a operação em um modo biocombustível, uma 5 injeção de gasolina é conduzida para uma mistura em uma forma específica, enquanto é combinada com uma injeção de combustível gasoso.
No entanto, o requerente observou que os vários combustíveis usados, tal como, basicamente, gasolina ou gás natural, têm características físico-químicas bastante diferentes. Desse modo, duas dessas característi10 cas, que são o número de octanas (poder antidetonante) e a densidade de energia volumétrica (energia que pode ser desenvolvida para um volume de mistura ar - combustível, a predeterminadas razão combustível / ar, pressão e temperatura) têm um grande impacto nos desempenho e eficiência do motor.
Essas diferenças entre os combustíveis usados em um motor unicombustível acarretam a definição das características do motor - tais como a sua razão de compressão, as suas sincronização das válvulas e fechamento das válvulas de entrada e descarga), ou a definição do superalimentador, no caso de um motor superaiimentado - de acordo com qualquer 20 um dos combustíveis que podem ser usados ou para um compromisso operacional com os vários combustíveis usados.
Em todos os casos mencionados acima, o motor não opera sob condições ótimas.
De fato, no caso de um motor superalimentado com ignição por 25 centelha, que pode operar com um modo de combustão de combustível único ou combustível duplo, com um combustível, tal como gás natural e/ou gasolina, o gás natural é injetado na forma gasosa nos tubos de entrada, por meio do seu circuito de alimentação (tanques, bocais de aumento brusco de alimentação e de injeção específica), e a gasolina é injetada na forma líquida 30 ou nos tubos de entrada do motor (injeção indireta) ou diretamente na câmara de combustão (injeção direta) por meio de um segundo circuito de alimentação, adequado às suas características.
Figure BRPI0801213B1_D0002
Esse tipo de motor é perfeitamente conhecido daqueles versados na técnica, mas o desempenho dele é limitado pelas características de cada combustível, isto é, a densidade de energia para gás natural ou o número de octanas para gasolina.
De fato, no caso de gás natural, o número de octanas da gasolina é muito alto (da ordem de 120 a 130). Isso permite aperfeiçoar a eficiência do motor por disposição do problema de detonação do motor, isto é, auto-ignição da mistura (ou carga) combustível, que pode provocar destruição do motor, por um aumento na razão de compressão ou ajuste ótimo da sin10 cronização de combustão e/ou limitação da razão combustível / ar, para controlar a temperatura de descarga. Por outro lado, esse gás natural, que é injetado na forma gasosa e tem uma baixa densidade de energia, da ordem de 3,1 kJ/l (quilojoules por litro), provoca limitação do desempenho do motor por uma perda da eficiência volumétrica, que não pode ser sempre compen15 sada por superalimentação.
O motor tem, portanto, uma boa eficiência mas um desempenho limitado, principalmente em baixas velocidades do motor.
Contrariamente, quando o motor trabalha com gasolina, o número de octanas do combustível é muito mais baixo (da ordem de 91 a 98), 20 mas a densidade de energia é alta (acima de 3,4 kJ/l). Isso proporciona um bom enchimento de energia da câmara de combustão, mas com baixa eficiência de uso.
O motor tem, portanto, um desempenho reduzido ligado à limitação imposta pela detonação do motor, ou em termos de razão de compres25 são volumétrica, ou em termos de sincronização de combustão por um avanço de subignição.
O desempenho do motor é conseqüentemente limitado pelo parâmetro mais crítico do combustível usado: a densidade de energia para gás natural ou o número de octanas para gasolina.
A presente invenção busca superar as deficiências mencionadas acima por meio de um método de controle, que permite maximizar a exploração dos pontos fortes de cada combustível.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere, desse modo, a um método de controle da operação de um motor de combustão interna de ignição por centelha, compreendendo pelo menos uma câmara de combustão e capaz de 5 usar um modo de combustão de combustível único ou multicombustível, com
Figure BRPI0801213B1_D0003
Figure BRPI0801213B1_D0004
pelo menos um tipo de combustível compreendendo um alto número de octanas e uma baixa densidade de energia e pelo menos um outro tipo de combustível compreendendo um baixo número de octanas e uma alta densidade de energia, um método no qual a energia necessária para o motor ope10 rar em um modo de combustível único é proporcionada por um ou o outro dos ditos dois tipos de combustível, e em que a energia necessária para o motor operar em um modo multicombustível é proporcionada por uma combinação dos dois tipos de combustível, caracterizado pelo fato de que, para a operação do motor em modo multicombustível, o método consiste em:
- determinar os valores de ajuste da densidade de energia global e do número de octanas global resultantes da combinação de combustíveis;
- alimentar na câmara de combustão os ditos combustíveis, com uma proporção intencionada para atingir os valores lo de ajuste;
- avaliar os valores reais da densidade de energia global e/ou do número de octanas global dos ditos combustíveis; e
- no caso de uma diferença entre os valores de ajuste e os valores reais, compensar essa diferença por variação da proporção de pelo menos um dos combustíveis, de modo a obter a densidade de energia e/ou o número de octanas de ajuste.
O método pode consistir na avaliação do número de octanas real de um sinal de um detector de vibração localizado no motor.
O método pode consistir na avaliação da densidade de energia real de um sinal de um detector de pressão na câmara de combustão.
O combustível com um alto número de octanas e uma baixa densidade de energia pode ser selecionado de entre gás natural, álcoois ou éteres.
Figure BRPI0801213B1_D0005
O combustível com um baixo número de octanas e uma alta densidade de energia pode ser selecionado de entre as gasolinas.
O método pode consistir na combinação, em um modo multicombustível, de pelo menos uma gasolina com gás natural, ou pelo menos 5 uma gasolina com pelo menos um álcool, ou uma mistura de pelo menos uma gasolina e pelo menos um álcool com gás natural.
Os valores de ajuste podem ser mapeados de acordo com os parâmetros operacionais do motor.
O método pode consistir na combinação dos dois tipos de com10 bustível, de modo a obter misturas de dois combustíveis alimentadas na câmara de combustão, para obter a estratificação entre as misturas de dois combustíveis.
O método pode consistir na condução de injeção indireta de dois tipos de combustível, de modo a ter misturas de dois combustíveis.
O método de acordo com a invenção, bem como os seus aspectos e vantagens, vão ficar claros da leitura da descrição abaixo.
DESCRIÇÃO DETALHADA
Essa descrição se refere a um motor de combustão interna de ignição por centelha, compreendendo pelo menos uma câmara de combus20 tão e que pode operar com um modo de combustão de combustível único ou multicom bustível.
Desse modo, a partida a frio desse motor é facilitada por um modo de combustível único, usando um combustível gasoso, tal como gás natural, durante alguns ciclos termodinâmicos. Desse modo, isso permite 25 que sejam evitados os problemas inerentes à injeção de líquido, que se materializa em uma vaporização incompleta do combustível e da sua deposição nas paredes do tubo de entrada.
Para marcha lenta e baixas cargas, considerando que não há qualquer limitação no que se refere ao número de octanas ou à densidade 30 de energia do combustível usado, qualquer um dos dois combustíveis é usado para o modo de operação de combustível único.
Para cargas do motor de médias a altas com um modo de com6
Figure BRPI0801213B1_D0006
bustão multicombustível, que, na descrição apresentada abaixo por meio de exemplo, é limitado ao modo bicombustível, as proporções entre os dois combustíveis são ajustadas para cada ponto operacional do motor, de modo a tirar-se vantagem das propriedades dos combustíveis usados.
Desse modo, para uma combustão com uma determinada razão combustível / ar e no caso de uma combinação de gasolina com gás natural, a proporção entre os dois combustíveis é ajustada de modo a maximizar o desempenho e/ou a eficiência do motor, no que se refere ao número de octanas global, bem como a densidade de energia global da combinação das 10 misturas de dois combustíveis (ar + gasolina e ar + gás natural).
Portanto, partindo da operação com uma proporção muito grande de gás natural em um ponto de carga total do motor, se o avanço de ignição ótimo foi atingido sem limitação de detonação, isso significa, por um lado, que o possível potencial do número de octanas do combustível não é 15 inteiramente usado, e, por outro lado, que a eficiência volumétrica e, portanto, o desempenho máximo são deteriorados pela presença do gás que gera uma baixa energia volumétrica.
Desse ponto, introduz-se o modo operacional com uma combustão bicombustível, por inserção progressiva de uma proporção de gasolina, 20 sob condições de riqueza operacional uniforme. A introdução de gasolina, que substitui parcialmente o gás natural, tem o efeito de diminuir o número de octanas global na câmara de combustão, enquanto provocando um aumento na densidade de energia global da combinação das misturas de dois combustíveis.
lí25 A conseqüência é um aumento nos desempenho e eficiência do motor, desde que o limite de detonação não seja atingido para um avanço de ignição ótimo e, portanto, sincronização da combustão.
Desse modo, é possível determinar daí, para cada ponto operacional do motor, uma proporção ótima para que os combustíveis sejam ali30 mentados na câmara de combustão do motor, para obter os valores de ajuste do número de octanas global e da densidade de energia global da combinação das misturas de dois combustíveis.
Figure BRPI0801213B1_D0007
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Um calculador para o motor, contendo os mapeamentos com os parâmetros operacionais do motor ótimos por toda a gama de possível uso com as respectivas proporções de gás e de combustível, que vão ser alimentados à câmara de combustão do motor, e portanto proporcionado. Esse 5 calculador também contém os mapeamentos permitindo que se determine a sincronização de injeção no ciclo do motor do ou dos combustíveis e/ou dos tempos de injeção e/òu dos ângulos de injeção.
Para que seja possível conhecer a qualquer momento o valor real do número de octanas global da combinação das misturas de dois com 10 bustíveis alimentadas na câmara de combustão, é proporcionado usualmente um detector de vibração (ou detector de detonação) do motor, que é usado com ele. O sinal desse detector é enviado para o calculador do motor, o que vai permitir a avaliação do número de octanas real da combinação das misturas de dois combustíveis alimentadas na câmara de combustão do molò tor.
No caso de uma diferença entre o valor de ajuste do número de octanas determinado pelo calculador do motor e o valor real avaliado por esse calculador do motor, as respectivas proporções de gás e de gasolina são variadas de modo a obter os valores de ajuste para o número de octa20 nas global.
Desse modo, por meio de exemplo, se o número de octanas avaliado for menor do que aquele do valor de ajuste, a proporção de gás natural introduzido é aumentada, para elevar esse número de octanas até o valor de ajuste.
De modo similar, a densidade de energia global da combinação das misturas de dois combustíveis alimentadas na câmara de combustão pode ser avaliada por meio dos sinais recebidos pelos detector de pressão e detector de temperatura do distribuidor de admissão, ou por medida indireta do fluxo de ar associado com o detector de velocidade do motor. Esses si30 nais são depois processados pelo calculador do motor, para avaliar o valor real dessa densidade de energia.
Se esse valor for menor do que o valor de ajuste, a proporção de
Figure BRPI0801213B1_D0009
Figure BRPI0801213B1_D0010
gasolina introduzida é aumentada, de modo a elevar essa densidade até o valor de ajuste.
As aplicações podem estar relacionadas a diferentes pares de combustíveis, tendo, como as suas características principais, uma alta den5 sidade de energia, se o número de octanas for baixo, e vice-versa. Alguns possíveis exemplos são: gasolina e gás natural, gasolina e álcool, tal como etanol ou metanol, ou uma mistura gasolina - álcool e gás natural.
De modo similar, é possível usar alguns éteres, tais como MTBE (éter metil-t-butilíco) ou ETBE (éter etil-t-butílico), como o combustível com 10 um alto número de octanas e uma baixa densidade de energia.
A presente invenção não é limitada aos exemplos descritos acima e abrange variantes diversas e equivalentes.
Significativamente, no caso de um motor de múltiplas válvulas de admissão, é possível introduzir cada mistura de combustíveis por diferen15 tes tubos de admissão, para obter estratificação do número de octanas global, favorecendo a mistura de baixo número de octanas no início da combustão e a mistura de alto número de octanas ao final da combustão, de modo a
Figure BRPI0801213B1_D0011
ganhar em resistência à detonação.
De modo similar, os combustíveis considerados podem ser inje20 tados, direta ou indiretamente, na câmara de combustão.
Vantajosamente, a injeção indireta do combustível com um alto número de octanas global e uma baixa densidade de energia, bem como a injeção indireta do combustível com um baixo número de octanas global e uma alta densidade de energia são preferivelmente usadas.

Claims (9)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método de controle da operação de um motor de combustão interna de ignição por centelha, compreendendo pelo menos uma câmara de combustão e capaz de usar um modo de combustão de combustível único ou multicombustível, com pelo menos um tipo de combustível compreendendo um alto número de octanas e uma baixa densidade de energia e pelo menos um outro tipo de combustível compreendendo um baixo número de octanas e uma alta densidade de energia, um método no qual a energia necessária para o motor operar em um modo de combustível único é proporcionada por um ou o outro dos ditos dois tipos de combustível, e em que a energia necessária para o motor operar em um modo multicombustível é proporcionada por uma combinação dos dois tipos de combustível, caracterizado pelo fato de que, para a operação do motor em modo multicombustível, o método consiste em:
    - determinar os valores de ajuste da densidade de energia global e do número de octanas global resultantes da combinação de combustíveis;
    - alimentar na câmara de combustão os ditos combustíveis, com uma proporção intencionada para atingir os valores de ajuste;
    - avaliar os valores reais da densidade de energia global e/ou do número de octanas global dos ditos combustíveis; e
    - no caso de uma diferença dos valores de ajuste e dos valores reais, compensar essa diferença por variação da proporção de pelo menos um dos combustíveis, de modo a obter a densidade de energia e/ou o número de octanas de ajuste.
  2. 2. Método de controle de operação de motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste em avaliar o número de octanas global real de um sinal de um detector de vibração localizado no motor.
  3. 3. Método de controle de operação de motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste em avaliar a densidade de energia global real de um sinal de um detector de pressão na câmara de combustão.
    Petição 870180128977, de 11/09/2018, pág. 4/9
  4. 4. Método de controle de operação de motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível com um alto número de octanas e uma baixa densidade de energia é selecionado entre gás natural, álcoois ou éteres.
  5. 5. Método de controle de operação de motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível com um baixo número de octanas e uma alta densidade de energia é selecionado entre gasolinas.
  6. 6. Método de controle de operação de motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste na combinação, em modo multicombustível, de pelo menos uma gasolina com gás natural, ou pelo menos uma gasolina com pelo menos um álcool, ou uma mistura de pelo menos uma gasolina e pelo menos um álcool com gás natural.
  7. 7. Método de controle de operação de motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os valores de ajuste são mapeados de acordo com os parâmetros operacionais do motor.
  8. 8. Método de controle de operação de motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste na combinação dos dois tipos de combustíveis, de modo a obter misturas de dois combustíveis alimentadas na câmara de combustão para obter estratificação entre essas misturas.
  9. 9. Método de controle de operação de motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste na condução de injeção indireta dos dois tipos de combustíveis, de modo que se tenha misturas de dois combustíveis.
    Petição 870180128977, de 11/09/2018, pág. 5/9
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