BRPI0805484A2 - fuel gallery with axially mounted heating system for ethanol cold start system - Google Patents
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Abstract
Description
Galeria de combustível dotada de dispositivo de aquecimento com instalação axialpara sistema de partida a frio com etanol.Fuel gallery with axially mounted heating device for ethanol cold start system.
O presente pedido de patente refere-se a uma forma deinstalação axial de dispositivos de aquecimento, em uma galeria prijnária desuprimentode combustível do tipo sem retorno, que aumenta a homogeneidade do fluxo de calor emum sistema de partida a frio com etanol (ECS).The present patent application relates to a form of axial installation of heating devices, in a non-return type primary fuel supply gallery, which increases the homogeneity of heat flow in an ethanol cold start system (ECS).
ESTADO DA TÉCNICATECHNICAL STATE
É bem conhecido o fato de que, quando do uso ^decombustíveis diferentes da gasolina clássica em motores de combustão interna (IC),diversas funções do motor podem ser afetadas.^It is well known that when using different fuels than classic gasoline in internal combustion (IC) engines, various engine functions can be affected.
Em um moderno motor de combustão interna (figura 1),compreendendo uma câmara de combustão (1) com um dispositivo de ignição decentelha (2), coletores de exaustão (3) e admissão (4) equipado com um regulador defluxo de ar tipo válvula borboleta (5) e um sistema de preparação de misturaeletronicamente controlado (6) com injetores de combustível PFI (7), o clássicocombustível gasolina, com uma estrutura química típica CeH18, possibilita um bomdesempenho na partida do motor a frio, o que permite que o motor dê a partida e seaqueça a temperaturas de até -30°C, sem o uso de qualquer dispositivo auxiliar.In a modern internal combustion engine (Figure 1), comprising a combustion chamber (1) with a decent igniter (2), exhaust manifolds (3) and intake (4) fitted with a valve-type airflow regulator (5) and an electronically controlled mixing preparation system (6) with PFI fuel injectors (7), the classic gasoline fuel with a typical CeH18 chemical structure enables good cold start-up performance, which allows the start the engine and warm up to -30 ° C without using any auxiliary device.
A figura 1 mostra uma configuração de motor com controlede velocidade (rotação) e densidade do fluxo de ar (sensor de pressão absoluta docoletor - MAP e sensor de giro do motor), mas esta configuração não é obrigatória. Omotor pode ter qualquer configuração desde que, ela forneça os dados necessários parapermitir que a Unidade.de Controle do Motor (ECU) processe os dados relevantes para ocontrole do injetor e da ignição.Figure 1 shows a motor configuration with speed (rotation) and airflow density control (collector absolute pressure sensor - MAP and engine speed sensor), but this setting is not required. The engine may have any configuration as long as it provides the data necessary to enable the Engine Control Unit (ECU) to process data relevant to the injector and ignition control.
No caso do uso de um combustível diferente da gasolina, debaixa vaporização, tal como o etanol (C2H5OH) ou uma mistura entre a gasolina e oetanol (por exemplo, E22 ou E85), o desempenho de partida a frio é fortemente afetadopelos parâmetros de vaporização e de tensão superficial do componente etanol, os quaissão notavelmente diferentes dos da gasolina pura. Alimentar o motor com etanol puro criacondição mais difícil. Nesse caso a partida a frio e o aquecimento do motor tornam-semuito delicados em temperaturas ambientes abaixo ou em torno de 10° a 12° C.When using a fuel other than gasoline, low vaporization, such as ethanol (C2H5OH) or a mixture of gasoline and ethanol (eg E22 or E85), cold start performance is strongly affected by vaporization parameters. and surface tension of the ethanol component, which are noticeably different from pure gasoline. Feeding the engine with pure ethanol creates a more difficult condition. In this case the cold start and engine warm-up become very delicate at ambient temperatures below or around 10 ° to 12 ° C.
A principal razão para a qual não apenas a partida a frio,mas também a fase de aquecimento do motor é de amplo interesse é que, para ocontrole de poluentes (principalmente o conteúdo de hidrocarbonetos (HC) nos gases deexaustão) no período de tempo durante o qual o sensor de oxigênio (sonda lambda) nãoestá funcionando (estratégia de controle de circuito-aberto), o controle muito preciso doinjetor permitirá um decréscimo na emissão de HC não queimado.The main reason why not only the cold start but also the engine warm-up phase is of wide interest is that for the control of pollutants (mainly the hydrocarbon content (HC) in the exhaust gases) over time Since the oxygen sensor (lambda probe) is not working (open-loop control strategy), very precise control of the injector will allow a decrease in unburned HC emission.
Nos últimos anos vários dispositivos adicionais que visamminimizar os problemas de partida a frio quando da utilização do etanol foram sugeridos,tais como a introdução de um combustível de maior vaporização (gasolina) durante apartida; ou a adição de um ou mais dispositivos de aquecimento do combustível, que nãosão posicionados na galeria de suprimento de combustível, antes dos injetores, conformea presente invenção. As duas soluções apresentam grandes inconvenientes.In recent years several additional devices aimed at minimizing cold-start problems when using ethanol have been suggested, such as the introduction of a higher vaporizing fuel (gasoline) during departure; or the addition of one or more fuel heating devices which are not positioned in the fuel supply gallery prior to the injectors in accordance with the present invention. Both solutions have major drawbacks.
A primeira opção, mesmo apresentando um bomdesempenho na partida a frio, apresenta custo elevado devido à necessidade de umtanque de combustível adicional e os seus respectivos dutos de combustível e, como ovolume desse tanque adicional é limitado para permitir sua instalação no veículo(geralmente na região do compartimento do motor), sua capacidade é pequena para autilização durante o período de aquecimento do motor.The first option, even with good cold start performance, is costly due to the need for an additional fuel tank and its respective fuel ducts, and as the volume of this additional tank is limited to allow its installation in the vehicle (usually in the region). engine compartment), its capacity is small for use during the engine warm-up period.
A segunda solução pode ser utilizada para a partida a frio,mas, soluções que não seguem a configuração definida por esta invenção tornam-se nãoconfiáveis para o período de aquecimento do motor, devido à possibilidade de ocorrênciade cavitação do combustível, induzida pelo calor gerado pela instalação aleatória defontes de calor de alta potência antes dos injetores, na galeria de suprimento decombustível.The second solution can be used for cold starting, but solutions that do not follow the configuration defined by this invention become unreliable for the engine warm-up period due to the possibility of fuel cavitation induced by heat generated by the engine. random installation of high power heat sources before the injectors in the fuel supply gallery.
O injetor de combustível é projetado para enviar umaquantidade controlada de combustível líquido no sistema de admissão. Infelizmente, aocorrência de cavitação, induzida pelo calor, introduz bolhas de gás no combustívellíquido e assim altera o seu estado físico de incompressível para compressível. Afluidodinâmica básica de um líquido compressível é totalmente diferente da de um líquidoincompressível e, assim, a função de dosar um combustível líquido, atribuída ao injetor,não é mais controlável quando um combustível compressível passa pela área interna dedosagem do injetor.The fuel injector is designed to send a controlled amount of liquid fuel into the intake system. Unfortunately, the heat-induced cavitation occurrence introduces gas bubbles into the liquid fuel and thus changes its physical state from incompressible to compressible. The basic dynamics of a compressible liquid is totally different from that of an uncompressible liquid, and thus the function of dispensing a liquid fuel assigned to the injector is no longer controllable when a compressible fuel passes through the internal area of the injector finger.
A própria depositante fez um pedido de patente (PI0705422-0) de uma invenção que possibilita por um simples meio mecânico, sem umcomplicado controle eletrônico de temperatura, promover a estabilização assintótica datemperatura do combustível dentro da galeria de suprimento de combustível durante afase de partida a frio.The applicant itself has filed a patent (PI0705422-0) for an invention which makes it possible by a simple mechanical means, without complicated electronic temperature control, to promote asymptotic stabilization of fuel temperature within the fuel supply gallery during start-up time. cold.
OBJETO DA INVENÇÃOOBJECT OF THE INVENTION
A invenção adiciona ao volume interno de uma galeria decombustível comum um ou mais elementos de aquecimento eletricamente controlados.Os elementos de aquecimento são localizados de tal maneira que sua parte deaquecimento ativa é orientada ao longo ou paralelamente ao eixo principal da galeria decombustível.The invention adds to the internal volume of a common fuel gallery one or more electrically controlled heating elements. The heating elements are located such that their active heating portion is oriented along or parallel to the main axis of the fuel gallery.
A distribuição de superfície de aquecimento ativa ao longodo eixo de simetria da cavidade da galeria é favorecida pela sua particular configuraçãoaxial, o que aumenta significativamente a homogeneidade do fluxo de calor efetivo nadireção lateral da cavidade e desta forma diminui a diferença de temperatura docombustível quente entre os injetores de combustível conectados a galeria.The active heating surface distribution along the long axis of symmetry of the gallery cavity is favored by its particular axial configuration, which significantly increases the homogeneity of the effective heat flux in the lateral cavity direction and thus decreases the hot fuel temperature difference between the Fuel injectors connected to gallery.
O presente pedido de patente apresenta ainda outrasparticulares configurações diferentes de instalação dos elementos de aquecimento,localizados na galeria de suprimento de combustível, no sistema de partida a frio cometanol (ECS).This patent application also discloses other particular different installation configurations of the heating elements located in the fuel supply gallery in the Cometanol Cold Start System (ECS).
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
O objeto do presente pedido será mais bem compreendido aluz das figuras anexas, dadas a mero título de exemplo sem, no entanto, limitar o escopoda presente invenção, nas quais:The object of the present application will be better understood from the accompanying figures, given by way of example only, without, however, limiting the scope of the present invention, in which:
- Figura 1 é uma vista de um sistema de injeção convencional em um motor decombustão interna;Figure 1 is a view of a conventional injection system on an internal combustion engine;
- Figura 2 é uma vista de uma galeria de injeção de combustível, com os injetores em suaparte inferior e com os elementos de aquecimento em suas extremidades;Figure 2 is a view of a fuel injection gallery with the lower part injectors and the heating elements at their ends;
- Figuras 3a e 3b são vistas em corte da galeria, mostrando os injetores, os elementos deaquecimento e em detalhe o elemento de aquecimento;Figures 3a and 3b are sectional views of the gallery showing the injectors, the heating elements and in detail the heating element;
- Figuras 4a, 4b, 4c, 4d e 4e são vistas em corte de galerias de combustível comvariantes do sistema;Figures 4a, 4b, 4c, 4d and 4e are sectional views of fuel galleries with variant systems;
- Figura 5 é um gráfico de temperatura mostrando a distribuição da temperatura docombustível nos injetores ao longo do tempo para os sistemas de aquecimento objeto dainvenção.- Figure 5 is a temperature graph showing the distribution of fuel temperature in the injectors over time for the inventive heating systems.
CONFIGURAÇÃO PREFERENCIALPREFERRED CONFIGURATION
De conformidade com as figuras apresentadas,particularmente os figuras 2 e 3a, a invenção adiciona ao volume interno de uma galeriade suprimento de combustível comum um ou mais elementos de aquecimentoeletricamente controlados. /According to the presented figures, particularly figures 2 and 3a, the invention adds to the internal volume of a common fuel supply gallery one or more electrically controlled heating elements. /
A figura 2 ilustra o principio da invenção.Figure 2 illustrates the principle of the invention.
A galeria de suprimento de combustível (10) comum suprecombustível pressurizado a um número de injetores de combustível (11a a 11 d) e comono exemplo, dois elementos de aquecimento (12a e 12b) são localizados um em cadalado da galeria de combustível. Cada elemento de aquecimento é um dispositivo deatuação rápida com uma razão típica de aumento da temperatura de aproximadamente70°C/s (medido em ar parado a 1 mm da superfície de aquecimento). O número total dedispositivos de aquecimento irá absorver aproximadamente 800 W a 10 Volts. Atemperatura máxima de aquecimento será tipicamente obtida após aproximadamente 6segundos. Os valores indicados de forma numérica acima não são limitativos. A figura 3amostra um exemplo da configuração interna do sistema. As partes ativas dos elementosde aquecimento (12a e 12b) são localizadas em posição axial ou co-axial com relação aoeixo principal (14) da galeria de suprimento de combustível. O exemplo mostra aconfiguração com apenas um duto de entrada do combustível (13) que conecta a galeriade combustível com a bomba de combustível.The common pre-fuel fuel supply gallery (10) pressurized to a number of fuel injectors (11a to 11d) and as an example, two heating elements (12a and 12b) are located one in a flat fuel gallery. Each heating element is a quick-acting device with a typical temperature increase rate of approximately 70 ° C / s (measured in still air at 1 mm from the heating surface). The total number of heating devices will absorb approximately 800 W at 10 Volts. The maximum heating temperature will typically be obtained after approximately 6 seconds. The numerically indicated values above are not limiting. Figure 3 shows an example of the internal system configuration. The active parts of the heating elements (12a and 12b) are located axially or coaxially with respect to the main shaft (14) of the fuel supply gallery. The example shows the configuration with only one fuel inlet duct (13) that connects the fuel gallery with the fuel pump.
A figura 3b mostra detalhes dos elementos de aquecimento.Figure 3b shows details of the heating elements.
Um elemento é composto de uma unidade que é axialmentelocalizada na galeria. Esta unidade é dividida em duas partes, a parte de aquecimentoativa (100) de comprimento "La" (tipicamente entre 35 e 70 mm) e um suporte inativo(101) de comprimento "X" (tipicamente entre 0 e 35 mm). A parte axial é conectada aocorpo do elemento de aquecimento (102) e a um conector elétrico (103). Para cumprircom um grande número de configurações de montagem, o conector elétrico pode serposicionado em um ângulo α (entre 0 e 90 °) com relação às partes axiais (100 e 101).Como sugerido no pedido de patente Pl 0705422-0 as partes axiais dos dois elementosde aquecimento podem ser conectadas a um dissipador de calor mecânico tubular.An element is composed of a unit that is axially located in the gallery. This unit is divided into two parts, the heating portion (100) of length "La" (typically between 35 and 70 mm) and an inactive support (101) of length "X" (typically between 0 and 35 mm). The axial part is connected to the heating element body (102) and to an electrical connector (103). To fulfill a large number of mounting configurations, the electrical connector can be positioned at an angle α (between 0 and 90 °) with respect to the axial parts (100 and 101). As suggested in patent application Pl 0705422-0 the axial parts of the two heating elements can be connected to a tubular mechanical heat sink.
As figuras 4a, 4b, 4c, 4d e 4e mostram outras variantes daconfiguração de montagem dos elementos de aquecimento axiais.Figures 4a, 4b, 4c, 4d and 4e show other variants of the mounting configuration of the axial heating elements.
A figura 4a mostra uma variante com dois dutos de entradade combustível (201 e 202) que suprem o combustível frio em posições simétricas nasproximidades dos elementos de aquecimento axial. A posição precisa dos dutos deentrada assim como os tamanhos X e La são ajustados para prover o máximo equilibrode fluxo de calor através dos injetores de combustível.Figure 4a shows a variant with two fuel inlet ducts (201 and 202) supplying cold fuel in symmetrical positions near the axial heating elements. The precise position of the inlet ducts as well as the X and La sizes are adjusted to provide the maximum balance of heat flow through the fuel injectors.
A figura 4b mostra uma variante na qual o efeito dahomogeneidade de fluxo de calor é obtido com apenas um duto de entrada (203) decombustível frio que é conectado a um canal de distribuição (204), localizado dentro dagaleria de combustível, com as saídas nas proximidades dos elementos de aquecimento.Figure 4b shows a variant in which the effect of heat flow homogeneity is obtained with only one cold fuel inlet duct (203) that is connected to a distribution channel (204) located within the fuel tank with the outlets in the close to the heating elements.
A figura 4c mostra outra variante que adiciona umcompartimento separado (300) que permite a introdução de um terceiro elemento deaquecimento (301) co-axial para prover um fluxo de calor suplementar diretamenteatravés dos injetores de combustível localizados no centro. Os três elementos deaquecimento são tipicamente adaptados para um consumo total de aproximadamente800 W a 10V, mas este valor não é limitativo. O combustível é suprido dentro docompartimento separado através de canais de transferência (302) e o combustívelaquecido é suprido aos injetores de combustível centrais através de furos de saída (303).Para evitar efeitos de bombeamento, e desta forma a não homogênea distribuição defluxo de calor, pela seqüência intermitente de ciclos de trabalho do injetor, o diâmetro doscanais de transferência (302) são tipicamente limitados a 50 % dos furos de saída (303).Figure 4c shows another variant adding a separate compartment (300) allowing the introduction of a third coaxial heating element (301) to provide additional heat flow directly through the centrally located fuel injectors. The three heating elements are typically adapted for a total consumption of approximately 800 W at 10V, but this value is not limiting. The fuel is supplied into the separate compartment via transfer channels (302) and the heated fuel is supplied to the central fuel injectors through outlet holes (303). To avoid pumping effects, and thus the uneven distribution of heat flow By the intermittent sequence of injector duty cycles, the diameter of the transfer channels (302) is typically limited to 50% of the outlet holes (303).
A figura 4d mostra mais uma variante no qual a cavidade da galeria, por quaisquer meios mecânicos apropriados (400) é dividida em duas cavidadesseparadas a esquerda (401) e a direita (402). Cada cavidade, equipada com dutos deentrada (403) e (404) individuais, supre combustível quente aos injetores à esquerda e adireita, respectivamente. As oscilações da distribuição do fluxo de calor devido asseqüência intermitente de ciclos de trabalho do injetor são desta forma significantementereduzidas.Figure 4d shows a further variant in which the gallery cavity by any suitable mechanical means (400) is divided into two separate cavities on the left (401) and right (402). Each cavity, equipped with individual inlet ducts (403) and (404), supplies hot fuel to the left and right injectors, respectively. Fluctuations in heat flow distribution due to intermittent sequence of injector duty cycles are thus significantly reduced.
A figura 4e mostra uma configuração onde um único duto deentrada (503) é conectado a um canal de distribuição (504) que alimenta uma galeriaque, por quaisquer meios mecânicos apropriados (500) é dividida em duas cavidadesseparadas a esquerda (501) e a direita (502). Cada cavidade supre combustível quenteaos injetores à esquerda e a direita, respectivamente.Figure 4e shows a configuration where a single inlet duct (503) is connected to a distribution channel (504) that feeds a gallery, by any appropriate mechanical means (500) is divided into two separate cavities on the left (501) and on the right. (502). Each cavity supplies hot fuel to the left and right injectors, respectively.
Por conveniência, as figuras de 3 a 4e mostram osdiferentes elementos constituintes tais como os dutos de entrada do combustível (13, 201e 202, 203) e a localização do compartimento de aquecimento separado (300) no mesmoplano de corte da galeria principal de combustível. Contudo isto não é mandatório desdeque todos os elementos de aquecimento ativos mantenham uma posição axial paralelaou sobre o eixo principal (14) da galeria de combustível.For convenience, figures 3 to 4e show the different constituent elements such as the fuel inlet ducts (13,201 and 202,203) and the location of the separate heating compartment (300) in the same main fuel gallery cutting plane. However, this is not mandatory as long as all active heating elements maintain an axial or parallel position on the main axis (14) of the fuel gallery.
Para cumprir da melhor forma com os requerimentos deinstalação, os dutos de entrada e a cavidade do 3o elementos de aquecimento podem serajustados no sentido horário ou anti-horário em torno do eixo principal da galeria decombustível (14).To best comply with the installation requirements, the inlet ducts and the cavity of the 3rd heating elements can be adjusted clockwise or counterclockwise around the fuel gallery main shaft (14).
EXEMPLOEXAMPLE
A figura 5 mostra um exemplo da evolução da temperaturamédia do combustível, nos dutos de conexão entre a galeria de suprimento decombustível e seus injetores, durante a fase de partida a frio de um motor abastecidocom 100 % de etanol a uma temperatura ambiente de -5o C.Figure 5 shows an example of the evolution of fuel temperature in the connecting ducts between the fuel supply gallery and its injectors during the cold start phase of a 100% ethanol fueled engine at an ambient temperature of -5 ° C. .
O exemplo demonstra que quando todas as orientações edimensões são corretamente adaptadas, conforme proposto pela invenção, o perfil deevolução da temperatura do combustível nos dutos de conexão entre a galeria desuprimento de combustível e seus injetores permanece abaixo da temperatura limite decavitação espontânea (flash-boiling).The example demonstrates that when all dimensions and orientations are correctly adapted, as proposed by the invention, the fuel temperature evolution profile in the connecting ducts between the fuel supply gallery and its injectors remains below the flash-boiling limit temperature. .
A presente invenção demonstra ser um sistema eficaz e debaixo custo, que permite à partida e o aquecimento do combustível a baixa temperaturasem ocasionar grandes alterações na configuração geométrica dos dutos de um motor esem acrescentar sistemas auxiliares caros tais como um tanque auxiliar de combustível.The present invention proves to be an effective and inexpensive system that allows starting and heating of fuel at low temperatures without causing major changes in the geometric configuration of an engine's ducts without adding expensive auxiliary systems such as an auxiliary fuel tank.
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Legal Events
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B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
B06F | Objections, documents and/or translations needed after an examination request according [chapter 6.6 patent gazette] | ||
B06U | Preliminary requirement: requests with searches performed by other patent offices: procedure suspended [chapter 6.21 patent gazette] | ||
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