BRPI1002727A2 - sistema de injeção de combustìveis em motor a ignição por centelha - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE INJEçAO DE COMBUSTIVEIS EM MOTOR A IGNIçAO POR CENTELHA A presente invenção se refere a um sistema de injeção de combustíveis aplicado a motores de combustão interna de ignição por centelha, sistema este composto por um subsistema primário, o qual injeta combustível, ou mistura contendo pelo menos um combustível, em qualquer estado, e por um subsistema secundário, o qual injeta mistura, contendo pelo menos um combustível e um não combustível, somente, ou principalmente, no estado gasoso. O sistema de injeção pode ser realizado por configurações alternativas com respeito a como e onde ocorre a injeção no interior do motor. Em uma primeira alternativa, a injeção proveniente do subsistema primário ocorre em algum ponto do sistema de admissão, isto é, antes da(s) válvula(s) de admissão do motor, por meio de um ou mais injetores dedicados. Em uma segunda alternativa, a injeção proveniente do subsistema primário ocorre diretamente na câmara de combustão, por meio de um ou mais injetores dedicados. Em ambas as alternativas acima, a injeção proveniente do subsistema secundário ocorrediretamente na câmara de combustão por meio de um ou mais injetores dedicados. Em uma terceira alternativa, as injeções, tanto provenientes do subsistema primário como do secundário, ocorrem diretamente na câmara de combustão, compartilhando o mesmo injetor direto.

Description

SISTEMA DE INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEIS EM MOTOR A IGNIÇÃO POR CENTELHA

CAMPO DE APLICAÇÃO

A presente invenção se refere a motores a combustão interna, bem como sistemas de injeção de combustíveis para motores a combustão interna.

ESTADO DA TÉCNICA

Usualmente, entende-se por diluição da mistura de combustível e ar a adição de algum gás que, embora não participe diretamente do processo de combustão, aumenta a capacidade térmica da mistura resultante. O próprio ar, utilizado em quantidades além da estritamente necessária para a oxidação de todo o combustível - situação referenciada como mistura pobre - bem como o gás queimado, são diluentes tipicamente utilizados. O gás queimado pode ser remanescente do ciclo anterior, situação denominada Recirculação Interna de Gases Queimados, ou então ser recolhido no sistema de exaustão, usualmente resfriado, e adicionado ao ar fresco antes das válvulas de admissão, situação denominada simplesmente Recirculação de Gases Queimados. A diluição também pode ocorrer com substancias inicialmente no estado líquido, contudo a redução de temperatura é principalmente causada pela vaporização dessas substâncias que pela capacidade térmica das mesmas.

O uso do próprio combustível em excesso relativamente à quantidade de ar disponível para a completa oxidação - situação referenciada como mistura rica - usualmente em plena carga para evitar a "batida de pino", é uma prática normal, contudo a eficiência e as emissões são negativamente afetadas neste caso. Uma prática menos usual, eventualmente utilizada em aplicações não industriais, é a adição de água.

Análises de ciclos ideais mostram que a redução das temperaturas máximas de ciclo, advinda da adição de diluentes térmicos, melhora as propriedades térmicas do gás, permitindo maior extração de energia ao longo do processo de expansão. Adicionalmente, a redução de temperatura, isoladamente, ocasiona uma redução na perda por transferência de energia térmica para os componentes do motor. A diluição também inibe o progresso das reações de pré-chama que conduzem à auto-ignição (a qual pode evoluir para um regime anormal da combustão especialmente destrutivo, denominado "batida de pino"), assim permitindo ou o aumento da razão de compressão ou o aumento da pressão na admissão, ambos benéficos ao desempenho e eficiência do motor. Evidências experimentais, conforme artigo SAE n° 2009-01-0694, mostram que a diluição inibe a ocorrência de pré e pós-ignição, também regimes anormais de combustão e prejudiciais à operação do motor.

Por outro lado, a diluição dificulta a ignição da mistura e a propagação da chama de tal forma que, em geral, atinge-se um nível além do qual uma diluição adicional produziria perdas de eficiência ao invés de ganhos. Também, com o aumento substancial da diluição, a operação do motor pode ser tão irregular a ponto de tornar inaceitável a sua utilização. Finalmente, uma alta diluição pode originar falhas de ignição ou combustões incompletas que promovem um aumento intolerável das emissões.

A diluição por Recirculação de Gases Queimados é extremamente efetiva em inibir regimes anormais de combustão, conforme descrito no artigo SAE n° 2009-01-0694, e tem a grande vantagem, caso se opere o motor com proporções de misturas estequiométricas (sem sobra de combustível ou oxigênio após a combustão), de viabilizar a operação com o catalisador convencional de três vias, permitindo que emissões ultra-baixas sejam atingidas com custos similares aos motores de ignição por centelha convencionais.

A diluição por ar, além de não ser tão efetiva para inibir regimes anormais de combustão, dificulta o atendimento, principalmente, da norma de emissões de óxidos de nitrogênio. Por outro lado, a ignição, a propagação de chama e as propriedades térmicas resultantes da diluição por ar estabelecem um potencial de eficiência superior à Recirculação de Gases Queimados quando as suas desvantagens não são relevantes ou podem ser contornadas.

Uma forma de se reduzir o impacto da diluição da mistura sobre o processo de combustão é o aumento da turbulência no interior da câmara de combustão. Esse aumento pode ser obtido por meio do estabelecimento de um movimento coerente no interior do cilindro durante o processo de admissão, o qual armazena energia cinética a ser parcialmente dissipada, via geração de turbulência, no momento da combustão, conforme descrito no capítulo 8 do livro Internal Combustion Engine Fundamentais, John B. Heywood, 1988. O movimento do pistão também pode ser utilizado para promover a turbulência. Contudo, há uma tendência de "saturação" dos ganhos resultantes pelo aumento da turbulência. Um fluxo e turbulências muito intensos podem prejudicar, ou mesmo interromper, a propagação da chama, tanto por meio de um estiramento excessivo de sua estrutura, como pelo resfriamento das porções da mistura adjacentes aos componentes do motor.

térmica liberada pela combustão para o sistema de refrigeração do motor. Finalmente, geração de movimentos coerentes muito intensos pode ocasionar redução no desempenho e eficiência devido à redução do coeficiente de descarga das válvulas de admissão.

Em parte, a limitação dos ganhos proporcionados pela intensificação da turbulência à medida que se aumenta o grau de diluição da mistura combustível e ar se deve à influência restrita da turbulência sobre o processo de ignição da mistura. Além disto, um fluxo muito intenso na região dos eletrodos da vela, decorrente do aumento de turbulência procurado, pode dificultar a ignição. À medida que se dilui a mistura, o volume mínimo da zona afetada pela centelha elétrica necessário para o posterior desenvolvimento de uma frente de chama auto-sustentável aumenta, conforme descrito no capítulo 9 do livro Internai

Combustion Engine Fundamentais, John B. Heywood, 1988. Essa necessidade demanda aumento do espaçamento entre os eletrodos da vela de ignição, bem como maiores energias de ignição, conforme artigo SAE n° 2004-32-0086. Eventualmente se atinge um ponto onde ou não é possível prover a energia necessária ou não se consegue garantir uma vida adequada à vela e/ou ao sistema de ignição.

Uma abordagem para se minimizar esse conflito é a obtenção de condições mais favoráveis à ignição na região de ignição da mistura do que no restante da câmara. Uma classe desse tipo de solução é a criação de uma pequena câmara adicional, a pré ou antecâmara, onde ou a turbulência, ou a proporção da mistura, ou a forma de descarga de energia para a mistura, são condicionados de maneira a promover uma melhor ignição, conforme explicado no capítulo 8 do livro Internai Combustion Engine Fundamentais, John B. Heywood, 1988. Outra classe de solução é o simples, embora mais difícil de realizar, controle da formação da mistura ar-combustível, de tal modo que, no momento de ignição, haja uma concentração de combustível na região em torno da vela maior do que o restante da câmara de combustão, conforme descrito no capítulo 1 do livro Internai Combustion Engine Fundamentais, John B. Heywood, 1988 e no livro Automotive Gasoline Direct-Injection Engines, F. Zhao, M.-C. Lao e D. L. Harrington, 2002.

A primeira classe de solução, usualmente denominada ignição por jato ou por tocha, teve alguma atenção de fabricantes de motores pequenos no passado, mas sobrevive atualmente principalmente em motores grandes, um exemplo descrito no artigo ASME n° JRC/ICE2007-40095. Nesses, as desvantagens da perda de carga pelo fluxo de gás nos canais entre as câmaras, da transferência de energia térmica por esses mesmos canais e na pré-câmara, das dificuldades de instalação da pré-câmara e da maior complexidade e, portanto, do maior custo do sistema, são mais que compensadas pelos ganhos proporcionados. Com sistemas dessa natureza alavanca-se não somente a ignição, mas também o desenvolvimento inicial da combustão. Com os jatos, há um rápido espalhamento da frente de chama para locais mais remotos da câmara, podendo o jato induzir um movimento adicional na mistura principal, afetando inclusive a turbulência geral.

A segunda classe de solução, tradicionalmente denominada estratificação de combustível, tem recebido maior atenção recentemente; a mesma exige um controle sobre o processo de injeção que somente as tecnologias mais modernas são capazes de proporcionar. Essa classe pode ser obtida através da injeção direta de combustível na câmara de combustão por meio dos seguintes métodos: estratificação de combustível Guiada pelo Fluxo (fluxo de ar na câmara de combustão), estratificação Guiada pela Parede (paredes da câmara de combustão), ou estratificação Guiada pelo Aerossol (aerossol gerado a partir da injeção de combustível líquido na câmara de combustão). De maneira geral, essa classe de solução não é particularmente efetiva para tratar diluição por Gases Queimados.

A essas duas classes se soma o motor dual. Praticamente todas as configurações de motor dual utilizam a injeção direta de diesel para a ignição e injeção indireta do gás natural como combustível principal. Nesta configuração, na qual se dispensa a vela de ignição, o mecanismo de propagação da chama predominante é o mesmo que os das unidades com ignição por centelha. Essa solução surgiu como uma resposta à necessidade de se ter um motor que, no caso de falta de gás natural, pudesse facilmente reverter a sua operação para diesel, sendo uma forma relativamente barata de se fazer um motor diesel operar com gás natural, mais tarde se desenvolvendo como uma solução com méritos próprios, conforme capítulo 25 do livro Diesel Engine Reference Book, Bernard Challen e Rodica Baranescu.

Os ganhos realizados com a estratificação utilizando injeção direta de combustível tem sido consideravelmente menores que esperado, principalmente por ineficiências de combustão, por uma evolução da taxa de combustão menos favorável que a obtida com a operação com mistura homogênea e pela maior potência consumidas pela bomba de combustível. Fator ainda mais crítico para a não popularização da estratificação é a dificuldade em se controlar as emissões de óxidos de nitrogênio na operação com misturas pobres. Em virtude destas deficiências, mais e mais atenção tem sido dada ao uso da injeção direta como um inibidor de autoignição.

Com injeção indireta, muito da energia térmica necessária à vaporização do combustível é retirada dos componentes do motor pelas gotas que colidem e se depositam nos mesmos. Com injeção direta é possível fazer com que muito dessa energia seja retirada do próprio ar ou gás contido na câmara de combustão, resultando em menores temperaturas da mistura ao final da compressão. Esse efeito, conjuntamente com altos níveis de sobrealimentação permite o desenvolvimento de motores menores e/ou de menores velocidades, sem perda de desempenho e mais econômicos que as alternativas originais, conforme descrito no livro Automotive Gasoline Direct-Injection Engines, F. Zhao, M.-C. Lao e D. L. Harrington, 2002. Contudo, essencialmente operando com misturas estequiométricas, negam-se as vantagens de eficiência proporcionadas pela diluição. Aqui é importante notar que a solução dual, ao, tipicamente, adotar injeção indireta do combustível principal, não goza da vantagem de resfriamento da mistura ar-combustível dentro da câmara de combustão.

A vantagem da injeção direta é ainda mais acentuada com a utilização de alcoóis como combustível, pois o calor latente de vaporização dos mesmos é substancialmente maior que o da gasolina, vantagem acentuada pela necessidade de se injetar uma maior massa de combustível para um mesmo consumo de ar. A presença de água no álcool, como ocorre no combustível brasileiro, intensifica ainda mais esse efeito.

Contudo, dependendo do nível de diluição, pode trazer dificuldades para o processo de combustão, conforme artigo SAE 2007-01-2648. Procurando tirar vantagem desse efeito, o documento de patente US 7314033 descreve uma solução na qual a injeção direta de etanol é utilizada em complemento a injeção indireta de gasolina em um motor sobrealimentado. Em situações de operação de baixas e médias cargas, o motor opera apenas com gasolina. Quando a carga ultrapassa determinados níveis, há um complemento parcial da gasolina injetada nos pórticos de admissão por etanol injetado diretamente na câmara de combustão para inibir a autoignição. A expectativa é a que a redução do tamanho do motor, sem perda de desempenho, propicie um ganho em consumo de gasolina de até 20%. Contudo, continua-se negando as vantagens de eficiência proporcionadas pela diluição.

Ainda na linha da solução por injeção direta, o artigo Ethanol Boosted Direct Injection da revista Ricardo Quartely Magazine, edição Q1/2009, mostra que foram adotados injeção direta, diluição por EGR e controle da turboalimentação no motor EBDI (Ethanol Boost Direct Injection - Injeção Direta de Etanol Turboalimentada) da Ricardo. Apesar do nome etanol, a tecnologia se propõe a utilizar também gasolina, operando de maneira otimizada para ambos os combustíveis através de variações nos fatores de controle (basicamente, o turboalimentador). Desta forma, foi possível atingir elevados níveis de pressão média efetiva, entre 3000 kPa e 3500 kPa.

Estratificação de combustível na câmara de combustão pode ser obtida por injeção direta de mistura de combustível com ar ao invés de simplesmente combustível. Sistemas desse tipo foram desenvolvidos e são descritos no estado da técnica pela patente WO 9702425, pelo artigo SAE n° 910664 e pelo artigo SAE n° 890415, tendo apenas o primeiro atingido a industrialização.

No artigo SAE n° 890415 descreve-se um sistema que introduz uma pré-câmara cuja conexão com a câmara principal é controlada por uma válvula similar às de admissão e exaustão, mas de dimensões menores. Em um momento apropriado, a válvula se abre para que a pré-câmara possa receber gás da câmara principal, fechando posteriormente.

Com a válvula fechada, é realizada injeção de parte do combustível. No ciclo seguinte, em um momento apropriado, a válvula se abre e deixa escapar a mistura que se dirige para a vela de ignição, para sofrer ignição no momento apropriado.

O sistema assistido por ar comprimido da Orbital, descrito pela patente WO 9702425, tem tanto uma linha de combustível líquido como uma linha de ar, separadas. Há um injetor secundário que atomiza o combustível líquido e o injeta em uma pequena câmara instalada no corpo do injetor principal. O injetor principal encontra-se pressurizado pela linha de ar e, no momento adequado, a sua agulha é deslocada para se injetar a mistura na câmara de combustão.

A aceleração da mistura, ao ser expulsa do injetor, produz uma atomização do combustível de extrema qualidade. Essa tecnologia traz a possibilidade de aumentar significativamente a tolerância à fração de gases queimados através da substituição do eventual gás queimado presente em torno da vela por ar.

O sistema descrito no artigo SAE n° 910664 é similar, conceitualmente, ao descrito no artigo SAE n° 890415, com a diferença que o ar pressurizado é obtido de outro cilindro, ao final da compressão, ao invés de uma bomba independente.

As patentes JP 2004257258, JP 2004028024, EP 1098074, US 5553579 e US 4066046 descrevem sobre formas e objetivos diferentes da estratificação de combustível na câmara de combustão, mas em nenhuma delas é mencionada a estratificação via injeção de vapor ou estratificação de propriedades da mistura ar-combustível.

A patente US 6725828 descreve um aumento da concentração de vapores ao redor da vela, mas não menciona a geração e injeção separada deste vapor. Ao invés, o combustível é injetado na forma líquida e, através de um movimento organizado do ar dentro da câmara de combustão, o vapor (fruto da vaporização do combustível dentro da câmara de combustão) é direcionado à região próxima à vela.

A presente invenção introduz uma maneira inovadora de se operar com cargas diluídas por meio de estratificação, não apenas de combustível, mas das propriedades em geral da mistura combustível. Em outras palavras, a presente invenção permite que se tenha um amplo controle das propriedades da mistura ar-combustível em torno da vela e no resto da câmara de combustão de maneira independente.

Tal controle não é possível de ser atingido com as soluções existentes.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um sistema de injeção de combustíveis aplicado a motores de combustão interna com ignição por centelha, sistema este composto por um subsistema primário, o qual injeta combustível, ou mistura combustível, em qualquer estado (líquido ou gasoso), e por um subsistema secundário, o qual injeta combustível, ou mistura combustível, somente, ou principalmente, no estado gasoso.

No contexto desta invenção, mistura combustível deve ser compreendida como uma mistura de substâncias das quais pelo menos uma é combustível. Quando um comburente é adicionado a tal mistura, a mesma torna-se passível de queima, desde que se forneça a energia de ativação necessária.

O sistema de injeção pode ser realizado por configurações alternativas com respeito a como e onde ocorre a injeção no interior do motor. Em uma primeira alternativa, a injeção proveniente do subsistema primário ocorre em algum ponto do sistema de admissão, isto é, antes da(s) válvula(s) de admissão do motor, por meio de um ou mais injetores dedicados. Em uma segunda alternativa, a injeção proveniente do subsistema primário ocorre diretamente na câmara de combustão, por meio de um ou mais injetores dedicados. Em ambas as alternativas acima, a injeção proveniente do subsistema secundário ocorre diretamente na câmara de combustão por meio de um ou mais injetores dedicados. Em uma terceira alternativa, as injeções, tanto proveniente do subsistema primário como do secundário, ocorrem diretamente na câmara de combustão, compartilhando o mesmo injetor direto.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 mostra um desenho esquemático de uma modalidade da invenção em que o combustível, ou mistura combustível, da linha secundária é injetado diretamente na câmara da combustão, enquanto o combustível, ou mistura combustível, da linha primária é injetado no sistema de admissão.

A Figura 2 mostra um desenho esquemático de uma modalidade da invenção em que o combustível, ou mistura combustível, da linha secundária é injetado diretamente na câmara da combustão, assim como o combustível, ou mistura combustível, da linha primária.

A Figura 3 mostra um desenho esquemático de uma modalidade da invenção em que os combustíveis, ou misturas combustíveis, da linha primária e da linha secundária são injetados diretamente na câmara de combustão por meio do mesmo injetor.

A Figura 4 mostra um exemplo simplificado de uma das configurações de alimentação de combustíveis.

A Figura 5 mostra outro exemplo simplificado de uma das configurações de alimentação de combustíveis.

A Figura 6 mostra outro exemplo simplificado de uma das configurações de alimentação de combustíveis.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A Figura 1 mostra uma das possíveis configurações do sistema de injeção. Nesta figura, o motor é mostrado em detalhe, sendo composto pelo pistão (1) , cilindro (2) , pórtico de admissão (3), pórticos de exaustão (4), injetor direto (5) e injetor indireto (6) .

Na configuração mostrada nesta figura, o injetor direto (5) injeta combustível, ou mistura combustível, oriundo da linha secundária (7) diretamente na câmara de combustão, enquanto o injetor indireto (6) injeta combustível, ou mistura combustível, oriundo da linha primária (8) no sistema de admissão. A injeção no pórtico é apenas um exemplo de injeção no sistema de admissão. Naturalmente, esta injeção poderia ocorrer em outro ponto do sistema de admissão mais à montante.

O injetor indireto (5) e a Linha Secundária (7) formam o Subsistema Secundário (9). De maneira análoga, o injetor indireto (6) e a Linha Primária (8) formam o Subsistema Primário (10).

A Figura 2 mostra outra possível configuração do sistema de injeção. Nesta configuração, tanto o injetor (5A) pertencente ao subsistema secundário (9) como o injetor (11) pertencente ao subsistema primário (10) realizam as respectivas injeções diretamente na câmara de combustão.

A Figura 3 mostra uma terceira possível configuração, na qual um único injetor (12) injeta combustível, ou mistura combustível, proveniente tanto da linha primária (8) quanto combustível, ou mistura combustível, proveniente da linha secundária (7). O injetor (12) ê parte tanto do subsistema primário (10) como do subsistema secundário (9). Algumas possíveis realizações deste injetor foram mencionadas no estado da arte.

A seguir, o conteúdo de cada uma das linhas de combustíveis mencionadas será explicado, bem como algumas possíveis (mas não exclusivas) configurações para gerar este conteúdo.

A Figura 4 mostra um exemplo simplificado de uma das configurações de alimentação de combustíveis. Na figura são indicados os seguintes dispositivos: o Gerador de Vapor (13), o misturador de gases e vapor (14), o próprio motor (15) e o reservatório (16). Opcionalmente, conforme esquema da figura 6, é possível a existência de um resfriador (17).

No sistema de combustível representado na figura 4, o combustível líquido (A) pode ser uma substância simples ou então uma mistura de substâncias simples que apresentam diferentes comportamentos com respeito a diferentes processos que ocorrem, ou podem ocorrer, no interior do motor, como a vaporização da mistura, a sua ignição, a velocidade de propagação da chama na mistura, pré/pós- ignição e a autoignição. A gasolina é um exemplo desse tipo de mistura. Adicionalmente, a mistura combustível pode conter substâncias não combustíveis, mas que afetam os processos internos do motor, como por exemplo, a água presente no etanol hidratado.

Na Figura 4, parte do combustível líquido (A) é desviada para o ramo inferior, a linha primária (8) , sendo enviada aos injetores correspondentes. A outra parte do combustível é desviada para o ramo superior, a linha secundária (7), onde é submetida a alguns processos antes de ser enviada aos injetores correspondentes. O Gerador de Vapor (13) é um dispositivo destinado a permitir que o combustível (A), inicialmente líquido, e desviado para o subsistema secundário, seja injetado vaporizado no motor. Para tanto, ocorre um aquecimento controlado do combustível líquido (A) no interior do Gerador de Vapor (13). Como possíveis fontes de calor tem- se, mas não necessariamente limitado a, a água de arrefecimento do motor, os gases de escapamento ou mesmo um resistor elétrico. Na configuração representada na figura 4 esta fonte de calor deve prover energia suficiente para que todo o líquido se vaporize.

A partir do Gerador de Vapor (13), o vapor formado é dirigido para o misturador de gases e vapor (14). O misturador de gases e vapor (14) é um dispositivo cujo propósito é misturar o diluente, ou uma combinação de diluentes (B e/ou C), com o combustível vaporizado. O diluente (B ou C), ou mistura de diluentes (B e/ou C), pode ter origem de uma ou mais fontes, e poderia conter, mas não necessariamente restrito a, ar, gases queimados e recirculados, ou mesmo vapor de água. Os gases queimados podem conter hidrogênio oriundo de um processo de reforma desses mesmos gases. O misturador de gases e vapor (14) deve ser suficientemente eficaz para que a mistura atinja um nível de homogeneização que garanta uma distribuição da mistura entre cilindros satisfatória de forma a não produzir diferenças significativas entre os respectivos processos de combustão e formação de poluentes.

O misturador de gases e vapor (14) pode também, além de diluentes (B e/ou C), adicionar ao vapor de combustível outro combustível, ou mistura de combustíveis, que se encontre no estado gasoso na temperatura de operação da linha secundária, como, por exemplo, metano, monóxido de carbono, hidrogênio ou mesmo uma mistura desses ou outros gases. O hidrogênio ou mistura de gases contendo hidrogênio, metano, monóxido de carbono pode ser proveniente de, mas não restrito a, reforma do combustível em uso no motor ou de reforma de um segundo combustível não necessariamente usado pelo motor de forma direta nas linhas primária ou secundária. 0 misturador de gases e vapor (14) também pode acrescentar aditivos e catalisadores que modifiquem o comportamento da mistura com relação à combustão ou à formação de poluentes. Para tanto, se necessário, o misturador de gases e vapor (14) pode ser dotado de mais de duas entradas.

Quanto mais atrasada for a injeção pelo subsistema secundário em relação ao processo de compressão no interior da câmara de combustão, maior será a pressão de injeção necessária. Eventualmente, a pressão de injeção pode ser tão alta que a temperatura requerida para a vaporização do combustível no Gerador do Vapor (13) torne o processo inviável, seja tecnicamente, seja economicamente. Uma possível causa para a inviabilidade técnica seria a modificação ou decomposição do combustível. Com o objetivo de se evitar este nível excessivo de temperatura do combustível, é possível injetá-lo já aquecido, mas ainda na forma líquida, diretamente no misturador de gases e vapor (14), onde então se daria a sua vaporização. Como, mesmo assim, ainda mais considerando o calor latente de vaporização, o combustível pode impor um limite para o seuaquecimento aquém do requerido, pode ser necessário que os diluentes (Β e/ou C) sofram um pré-aquecimento, por meio de um Pré-Aquecedor. No caso da vaporização ocorrer efetivamente no interior do misturador de gases e vapor (14), o Gerador de Vapor (13 ) opera apenas como um aquecedor do combustível líquido (A).

Do misturador de gases e vapor (14), a mistura é enviada aos injetores pelo trecho da linha de combustível remanescente. Um isolante térmico ou mesmo aquecimento pode ser necessário para manter a temperatura da mistura acima de um nível pré-estabelecido, com o fim de se evitar a condensação de vapor, por exemplo. Incorporar essa linha ao(s) cabeçote(s) é uma solução possível. Utilizar um Pré- Aquecedor dos diluentes (B e/ou C) para se atingir uma temperatura além da estritamente necessária para garantir a vaporização do combustível líquido (A) , ou mesmo a adição de um Pós-Aquecedor após o misturador de gases e vapor (14), são outras soluções.

No caso em que o combustível, ou combustíveis, fornecido pelo subsistema secundário for gás na temperatura prevalecente no subsistema, gás natural, por exemplo, o Gerador de Vapor (14) torna-se desnecessário, podendo-se operar o motor na configuração mostrada na figura 5.

Conforme descrito na figura 5, enquanto o combustível secundário (D) é fornecido, diluentes e/ou aditivos (B e/ou C) podem ser fornecidos por uma ou mais entradas. Tanto o Pré-Aquecedor como o Pós-Aquecedor podem ser também úteis nessa configuração, o primeiro podendo ser aplicado às diferentes entradas (B e/ou C). Na parte inferior, na linha primária (8), o combustível líquido (A) é enviado aos injetores correspondentes conforme mostrado na figura 5. Ainda com relação a alternativas na utilização e conexão de dispositivos, a figura 6 apresenta um esquema simplificado de uma configuração mais complexa que a apresentada na figura 4, mesmo sem as eventuais inclusões de um Pré-Aquecedor e um Pós-Aquecedor. Nessa configuração, a divisão entre a linha primária e secundária ocorre antes do Gerador de Vapor (13), contudo poderia ocorrer posteriormente.

Na Figura 6, o Gerador de Vapor (13) apresenta duas saldas, uma que dirige o vapor formado para o misturador de gases e vapor (14) e outra que retorna o líquido remanescente, aquecido, para o subsistema primário de combustível. O esquema mostra também um Resfriador (17), utilizado para reduzir a temperatura do combustível liquido retornando ao subsistema primário a níveis aceitáveis.

Dependendo da natureza do combustível líquido (A) fornecido ao Gerador de Vapor (13), a composição química do vapor pode ser diferente da composição química do líquido remanescente. A gasolina é um exemplo e a mistura azeotrópica de etanol e água é um contraexemplo. Uma das formas de se controlar a composição do vapor formado é pela temperatura que o combustível líquido (A) atinge no interior do Gerador de Vapor (13). Nesse caso, os fluxos do combustível líquido (A) e do calor no Gerador de Vapor (13) seriam tais que se garantisse que o líquido atinja e mantenha a temperatura máxima especificada por tempo suficiente para alcançar o estado de equilíbrio com o seu vapor, ou pelo menos se aproximasse do mesmo, antes do vapor ser dirigido para a saída do Gerador de Vapor (13).

Pode ocorrer que a pressão de injeção do vapor no misturador de gases e vapor (14) tenha que ser tão alta que, novamente, a temperatura necessária à formação de vapor para atender à demanda do sistema secundário seja excessiva. Uma solução possível é a introdução de ar ou gás queimado, no Gerador de Vapor (13), o que permitiria a vaporização de parte do combustível sem que a sua pressão parcial tenha que atingir a pressão de injeção.

Com a mudança de regime do motor, a demanda por vapor de combustível será alterada. Se o fluxo de combustível pelo Gerador de Vapor (13) for tal que o vapor se encontre sempre saturado por uma ampla margem, mudanças súbitas na demanda de vapor podem ser quase que imediatamente compensadas por um rápido aumento da taxa de vaporização.

Embora paredes espessas na região de troca de calor diminuam a eficiência de troca, por outro lado a maior inércia térmica ajuda a manter a temperatura do líquido estável em transitórios. Se o controle fino da composição do vapor é fundamental para a adequada operação do motor, o controle do fluxo do combustível líquido (A) que é desviado para o subsistema secundário pode ser crítico em função das mudanças de regime, demandando a introdução de válvulas para esse controle.

Quando o motor é desligado ocorrerá um resfriamento paulatino de todo o sistema, de modo que o combustível vaporizado irá condensar. Quando o motor for religado, esse combustível, agora na forma líquida, poderia ser conduzido aos injetores do subsistema secundário de forma não controlada, prejudicando a operação do motor e produzindo emissões indesejadas. Para evitar essa situação, é necessário retirar o vapor de combustível do subsistema secundário quando o motor é desligado. Uma possibilidade seria soprar ar em alta pressão através dos diluentes (B ou C) em todo o sistema secundário, fazendo com que o vapor ali presente seja deslocado para um reservatório (16) (que pode ser o próprio tanque de combustível do motor), através de um cânister. Esta retirada do vapor pode não ser necessária no caso em que um combustível gasoso nas condições ambiente seja injetado na fonte secundária, como por exemplo, gás natural, exemplo da figura 5.

Quando da operação do motor, primeiramente, dá-se a injeção ou injeções primárias, onde todo ou a maior parte do combustível, ou mistura combustível, advém do subsistema primário. Dependendo da configuração do motor, esta injeção pode ser indireta ou diretamente feita na câmara de combustão.

Posteriormente, dá-se a injeção ou injeções secundárias, onde toda ou maior parte da mistura injetada advém do subsistema secundário, diretamente na câmara. A mistura oriunda da injeção secundária afeta principalmente, mas não obrigatoriamente de forma exclusiva, o fluido de trabalho em regiões mais próximas à vela de ignição: algumas regiões não tão próximas à vela podem também ser afetadas com o objetivo de, por exemplo, induzir uma propagação da chama mais rápida em direções ou regiões específicas.

Enquanto em uma estratificação usual o que se pretende é uma distribuição não uniforme do combustível quando da ignição e da propagação da chama, o subsistema secundário visa estender esse mesmo conceito a todas as propriedades que caracterizam o fluido de trabalho, incluindo a sua composição e propriedades termodinâmicas; daí então a utilização do termo Estratificação Estendida.

Entre as alternativas de estratégia para estratificação, a opção de estratificação guiada pelo aerossol, ou mais propriamente para esse caso, pelo jato oriundo do subsistema secundário, se apresenta como a de maior potencial. Enquanto as outras estratégias requerem alguma estabilização da mistura estratifiçada, a guiada por jato permite utilizar a convecção e a turbulência do gás injetado para, em um primeiro estágio, espalhar rapidamente a frente de chama e, em um segundo estágio, dispersar a zona formada pela injeção secundária, eventualmente mais rica e mais quente, no restante da câmara de combustão. Contudo, a injeção da mistura gasosa no tempo da ignição em altas cargas do motor pode impor um desafio difícil de ser superado.

Uma vez que a injeção secundária é, essencialmente, de vapores e gases em proporções definidas, sendo a convecção e a turbulência os fenômenos dominantes de transporte, a tendência é que o grau de mudança das propriedades do fluido de trabalho seja diretamente controlável pela pressão, duração e sincronização da injeção do subsistema secundário. Notar que não havendo requisito de atomização na injeção secundária, a penetração do jato pode ser modificada livremente pela diferença de pressão entre o subsistema secundário e a câmara de combustão, sendo que essa diferença varia substancialmente, mesmo que a pressão de injeção se mantenha constante, ao longo do tempo de compressão. Portanto, uma vez que se obtenha um processo de estratificação efetivo, não importando qual a estratégia adotada, embora não necessariamente as propriedades da mistura a ser queimada em torno da vela sejam as mesmas que as propriedades no subsistema secundário, a proporção com que estas propriedades são modificadas é diretamente controlada pelos parâmetros da injeção secundária. A relativa liberdade com que se pode definir as propriedades da mistura sendo injetada pelo sistema secundário, aliada ao nível de controle de quanto o fluido de trabalho previamente prevalecente é substituído por essa mistura em torno da vela, propicia um domínio sobre as fases iniciais de combustão, não possível de ser obtido nos sistemas convencionais. Seguem alguns exemplos de como se melhorar a operação do motor fazendo-se uso da invenção.

Em uma situação na qual o motor opera com mistura estequiométrica e uma grande diluição por gases queimados, a injeção secundária de combustível e ar na proporção estequiométrica pode aumentar a tolerância do motor à diluição global sem prejuízo à operação eficiente de um catalisador de três vias. A sincronização e a duração da injeção, bem como o uso de injeções múltiplas, controlam a composição, o volume e a penetração da região afetada pela injeção secundária. Enquanto a mistura formada unicamente pela injeção primária tem por propósito maior a otimização da eficiência por meio do melhor compromisso entre a propagação da chama, as propriedades termodinâmicas dos gases queimados e evitar de regimes de combustão anormais, a injeção secundária opera para assegurar um início de combustão rápido e estável. Esse tipo de aplicação pode levantar duas preocupações. Uma primeira se refere à quantidade de massa a ser injetada pelo sistema secundário, bem como a associada dissipação de trabalho mecânico.

Contudo, em se tratando, essencialmente, de injeção de gás, não havendo preocupação com atomização, e limitando-se substancialmente, por meio de um projeto adequado, a penetração do jato necessária, há a tendência de uma redução substancial tanto na quantidade de massa como na diferença de pressão entre o sistema secundário e a câmara de combustão necessária para uma operação apropriada. Uma segunda preocupação, a ocorrência de backfire, é, em princípio, análoga ao risco em sistemas onde a mistura é preparada externamente à câmara de combustão, o risco real dependendo da confiabilidade do injetor. Rotinas de proteção podem ser incorporadas aos sistemas, como o monitoramento da tensão versus corrente, desativando-se a ignição quando detectada alguma anormalidade, ou com sistemas que bloqueiem o fluxo reverso.

Em uma situação na qual o motor opera com misturas pobres, tanto regimes de combustão anormais como a emissão de õxidos de nitrogênio tendem a ser um problema maior que a situação na qual se dilui misturas estequiométricas com gases queimados resfriados. Os regimes de combustão anormais podem ser amenizados por um maior empobrecimento geral do fluido de trabalho, mas ainda mantendo-se uma região relativamente rica em torno da vela pelo uso da injeção secundária. No caso dessa região ser mínima, sofrendo, logo após a sua combustão, diluição pelo meio circundante, a produção de óxidos de nitrogênio será substancialmente controlada. Notar que, caso o subsistema secundário seja capaz de operar com pressões da linha razoavelmente altas, permitindo injeções mais atrasadas, a temperatura da massa injetada pode ser substancialmente menor que a do fluido de trabalho no tempo da injeção, mesmo que a primeira contenha combustível vaporizado, reduzindo, desta forma, as emissões de óxido de nitrogênio.

Especificamente sob esse aspecto, tende a ser favorável a utilização das frações mais leves da gasolina ou da mistura gasolina-álcool por requererem menores temperaturas para a formação de vapor. Ainda no sentido de reduzir o óxido de nitrogênio, pode-se acrescentar uma substância com maior calor específico molar que o gás queimado na mistura a ser injetada pelo sistema secundário, como, por exemplo, o dióxido de carbono ou a água, dessa forma possibilitando uma diluição térmica equivalente, porém com um menor impacto na formação e propagação da chama pela maior concentração de oxigênio.

Considerando ainda a situação na qual o motor opera com misturas pobres, outra solução é a adição de outro combustível com maior tolerância à diluição ao sistema secundário. Esse combustível pode ter se originado pela separação de componentes do combustível suprido, ou de uma segunda fonte de combustível, ou mesmo pela sua geração como ocorre em um reformador. Aditivos ou catalisadores constituem outra solução, seja visando promover a combustão, seja visando inibir a formação de óxidos de nitrogênio. Por aditivos entendem-se substâncias que, embora consumidas no interior da câmara de combustão, tem como propósito principal modificar os processos químicos ao invés de liberar energia térmica, sendo, portanto, classificados como "não combustível". Soluções de ambas as naturezas podem se tornar economicamente viáveis pela introdução da injeção secundária, em função de uma demanda restrita pelo combustível extra, ou pelo aditivo, ou pelo catalisador.

Um dos lados negativos da diluição por ar ou gases queimados é a necessidade de uma maior compressão dos gases a serem admitidos para que se obtenha a mesma potência da condição não diluída, eventualmente, chegando-se a um nível no qual as ineficiências associadas ao sistema de sobrealimentação se tornam tão significativas que o resultado global é uma redução da eficiência do motor. As pressões de pico também podèm atingir níveis não suportáveis pelos componentes do motor. A adição de água líquida ao fluido de trabalho, seja como diluente térmico, seja como sorvedouro de energia térmica durante a sua vaporização, pode atuar de uma forma análoga ao excesso de ar ou à recirculação de gases queimados e resfriados. Em motores operando com etanol, um maior teor de água no mesmo serve a esse propósito. Contudo, a adição de água, como outras diluições, produz efeitos negativos à combustão, principalmente durante a ignição da mistura ar-combustível e primeiros estágios de desenvolvimento da chama. Nesse caso, a injeção secundária pode ser utilizada para produzir uma mistura na qual a presença de água é menor em torno da vela que em outras regiões.

Embora a injeção secundária atue mais efetivamente sobre os estágios iniciais da combustão, essa atuação pode ser algo estendida a estágios posteriores. Com um processo de estratificação bem desenvolvido haverá uma transição das propriedades em torno da vela da ignição, à medida que se afaste da mesma, para as propriedades que prevaleceriam sem a injeção secundária. Essa transição pode ser estendida por meio de uma injeção secundária adicional, anterior à injeção secundária que controla mais efetivamente as propriedades em torno da vela no momento da ignição, ou então, até por uma injeção secundária mais longa. Os estágios posteriores da combustão também podem ser beneficiados direta e indiretamente pela injeção secundária. O benefício direto pode ser obtido por meio de uma primeira injeção secundária adiantada o suficiente para que a mistura se difunda por toda a câmara de combustão. 0 benefício indierto vem do fatò de que a iniciação e primeiro desenvolvimento da combustão são sensivelmente influenciados pelas condições ao redor da vela. Os demais aspectos do projeto do sistema de combustão, como forma dos dutos de admissão e da câmara de combustão, podem ser também definidos para privilegiar os estágios posteriores da combustão.

Segue-se um exemplo de um benefício direto nos estágios posteriores da combustão. Retomando a situação do etanol com maior teor de água, o uso de uma mistura contendo gás natural no subsistema secundário, além de deslocar o etanol altamente hidratado da região em torno da vela de ignição por meio de uma injeção relativamente atrasada, permite, por meio de outra injeção mais adiantada, a disseminação do gás natural em toda a câmara de combustão. Além de assistir todo o processo de propagação da chama, em quantidades moderadas, a maior resistência química à autoignição do gás natural, aliada tanto às temperaturas relativamente baixas proporcionadas pela vaporização do etanol e da água, bem como a sua maior velocidade de chama, aumentam ainda mais a resistência à "batida de pino".

Em oposição aos exemplos mostrados, os subsistemas podem, em regimes específicos do motor, operar isoladamente. A desativação do sistema secundário poderia ser útil para, por exemplo, economizar consumíveis utilizados pelo sistema secundário. A desativação do sistema primário poderia ter o propósito de evitar o uso de estrangulamento da admissão em cargas parciais, controlando-se adequadamente as variações cíclicas e as emissões. Nesse caso, em comparação a um sistema estratifiçado convencional, tanto um melhor controle da estratificação como propriedades mais adequadas à combustão seriam resultados da operação stand-alone.

A presença de dois subsistemas criando, no interior da câmara de combustão, misturas combustíveis com propriedades diferentes, aumenta a efetividade do controle do processo de combustão, de ciclo para ciclo e de cilindro para cilindro. A proporção de cada uma destas misturas combustíveis pode ser em função de parâmetros operacionais e ambientais, como por exemplo, mas não limitado a, velocidade do motor, vazão de ar, tempos de injeção de cada subsistema, tempo de ignição, ocorrência de pré/pós/auto- ignição, temperatura da água de arrefecimento, bem como pressão, temperatura e umidade do ar admissão.

A presente invenção foi descrita em termos de sua concretização preferida, entretanto, outras modificações e/ou variações se tornarão aparentes para aqueles versados na técnica a partir da descrição acima proporcionada.

Claims (15)

1. Sistema de injeção de combustíveis em motor a ignição por centelha, caracterizado pelo fato de conter dois subsistemas, onde o subsistema primário (10) fornece ao motor combustível, ou mistura combustível, em qualquer estado, e o subsistema secundário (9) fornece ao motor combustível, ou mistura combustível, na sua maior parte no estado gasoso ou totalmente gasoso.

2. Sistema de injeção de acordo com a reivindicação -1, caracterizado pelo subsistema secundário (9) fornecer ao motor uma mistura contendo pelo menos um combustível e pelo menos um aditivo, catalisador e/ou diluente.

3. Sistema de injeção de combustíveis em motor a ignição por centelha, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelas injeções realizadas pelo subsistema primário (10) ocorrerem no sistema de admissão, através do injetor (6) , e pelas injeções realizadas pelo subsistema secundário (9) ocorrerem diretamente na câmara de combustão, através do injetor (5) .

4. Sistema de injeção de combustíveis em motor a ignição por centelha, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelas injeções realizadas pelo subsistema primário (10) ocorrerem diretamente na câmara de combustão, através do injetor (11) , e pelas injeções realizadas pelo subsistema secundário (9) ocorrerem diretamente na câmara de combustão, através do injetor (5A).

5. Sistema de injeção de combustíveis em motor a ignição por centelha, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por tanto as injeções realizadas pelo subsistema primário (10) como as injeções realizadas pelo subsistema secundário (9) ocorrerem diretamente na câmara de combustão, através de um mesmo injetor (12).

6. Sistema, de acordo com as reivindicações 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato dos combustíveis, ou mistura destes, fornecidos pelo subsistema secundário (9) serem fruto da vaporização total ou parcial dos combustíveis, ou mistura destes, supridos ao sistema de injeção.

7. Sistema, de acordo com as reivindicações 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que os combustíveis, ou mistura destes, fornecidos por cada um dos subsistemas (9 e -10) apresentam composições químicas diferentes entre si.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a diferença de composição química mencionada entre os dois subsistemas (9 e 10) é obtida pela adição de pelo menos um diluente (B e/ou C) ao subsistema secundário (9).

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os possíveis diluentes (B e/ou C) podem ser ar, gases queimados recirculados, água ou combinações destes.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a diferença de composição química mencionada entre os dois subsistemas (9 e 10) é obtida pela vaporização parcial, no subsistema secundário (9), de um combustível, ou mistura combustível, fornecido a esse subsistema no estado líquido.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a diferença de composição química mencionada entre os dois subsistemas (9 e 10) é obtida pelo acréscimo de água no subsistema primário (10).

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a diferença de composição química mencionada entre os dois subsistemas (9 e 10) é obtida pelo suprimento de diferentes combustíveis a cada um dos subsistema (9 e 10).

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de se adicionar pelo menos um diluente (B e/ou C) ao subsistema secundário (9).

14.

Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a diferença de composição química mencionada entre os dois subsistemas (9 e 10) é obtida pelo acréscimo de aditivos ou catalisadores a pelo menos um dos subsistemas (9 e 10) em uma proporção não maior que 15% do total de combustível fornecido.