PT937196E - Processo para a formacao de uma mistura de combustivel e para a sua ignicao numa pre-camara que se encontra aberta para os cilindros - Google Patents

Description

85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ DESCRIÇÃO “Processo para a formação de uma mistura de combustível e para a sua ignição numa pré-câmara que se encontra aberta para os cilindros”

Este invento diz respeito a pré-câmaras e mais especialmente a pré-câmaras que estão abertas na extremidade que descarrega no cilindro ou cilindros de um motor alternativo de combustão interna, preferivelmente do tipo em linha. Estas pré-câmaras foram descritas pelo mesmo requerente em pedidos anteriores onde foi revelado que, para determinar o seu funcionamento, era necessário nelas injectar o combustível que devia ser saturado com uma riqueza preestabelecida, pelo menos parte da massa de ar nelas contida. A combustão da mistura, projectando desse modo os gases queimados para o restante ar contido nos cilindros onde não foi injectado combustível, realiza-se a uma temperatura relativamente baixa e na presença de um excesso de ar suficiente (λ = 4-10) para garantir que não haja componentes poluidores tais como CO e NOx nos gases de escape.

Apesar do princípio ter sido demonstrado como sendo válido, ensaios feitos em protótipos reveiaram uma desvantagem que toma muito difícil conseguir uma percentagem de poluentes e produtos não queimados que seja efectivamente igual a zero.

Isto deve-se ao facto de, depois da fase de combustão “primária” na pré-câmara, a maior quantidade de resíduos não queimados nela contidos arrefecer, sob acção da expansão simultânea devida ao correspondente passeio do êmbolo, para temperaturas abaixo do seu limite de ignição, sem que qualquer força tivesse sido capaz de os projectar para os cilindros e, por último, sem terem tido oportunidade de se submeterem à “combustão secundária” que é característica do tipo dè motores aqui em questão e que oferecem os resultados acima prometidos.

Por outras palavras, com um processo genérico para saturação da pré-câmara, obtêm-se resultados quanto à composição dos gases de escape que são melhores do que os obtidos com os motores convencionais mas que não atingem eficientemente zero no que se refere à percentagem total de componentes indesejáveis.

Outros exemplos da arte anterior diferem dos revelados pelo presente pedido, e nem sequer mencionam as características em que se baseiam, principalmente porque os seus fins eram diferentes: os objectivos do presente pedido são de facto manter a temperatura de 85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ 2

combustão da chama abaixo dos 1500°K, bem como proceder à lavagem completa da pré-câmara depois da combustão se completar, enquanto que, por exemplo, a Pat.US-A-5,024,193 e a US-A-4,926,818 são designadas para melhor provocar a ignição da mistura que reste dentro dos cilindros, e a Pat. GB-A-2 123 482 é designada para fazer uma melhor mistura do combustível com o volume total do ar contido dentro da pré-câmara, para tomar a combustão mais completa. O inventor deste invento projectou um processo para saturar a pré-càmara e para provocar a ignição da mistura, o que evita as desvantagens acima mencionadas e garante uma percentagem de poluentes no gás de escape efectivamente igual a zero. O inventor projectou de facto um processo no qual, por injecção de um combustível líquido ou gasoso, se consegue a estratificação da mistura, com níveis de riqueza variáveis ao longo do eixo da pré-câmara, com uma porção do volume do ar nela contido que basicamente não se mistura com o combustível e que, ao expandir-se durante o retomo do êmbolo, empurra os gases queimados contidos na pré-câmara para os cilindros, antes que a temperatura destes últimos fique abaixo do seu limite de ignição.

Em especial, o objectivo deste invento consiste num processo para assegurar a mistura da quantidade pré-ajustada de combustível de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1, caracterizado pela parte caracterizante da dita reivindicação. O dito processo será agora descrito em maior detalhe, fazendo também referência aos desenhos anexos, onde: a Fig. 1 mostra a secção longitudinal de uma pré-câmara, juntamente com um diagrama da riqueza da mistura ao longo do seu eixo, obtida de acordo com o processo do invento (R = riqueza e Rs= riqueza estequiométrica); a Fig. 2 mostra uma vista frontal da abertura e da pré-câmara da Fig. 1, com um dispositivo de ignição nela montado capaz de optimizar os resultados do processo que é o objectivo do invento.

Considere-se a Fig. 1: o combustível é injectado ao longo do eixo h-h da pré-câmara 1 que, no caso ilustrado, é um cone truncado e tem uma abertura circular la que descarrega para os cilindros 6 a partir de um injector 2, o qual é actuado por um excesso de pressão Δρ relativamente às pressões que estão presentes na pré-câmara durante a injecção, o qual é

85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ ajustado na outra extremidade fechada lc da pré-câmara 1. O dito combustível forma um jacto 5 que tem também a forma de um cone ou cone truncado, dependendo do tipo de injector. A fim de executar o processo do invento, é necessário dimensionar os bicos do injector 2 e calcular o excesso da injecção Δρ de tal modo que, com a injecção feita durante a fase terminal do meio ciclo da compressão do motor de combustão interna, os tamanhos das gotículas que se formam (no caso de combustível líquido), bem como a sua energia cinética e a sua distribuição pelas secções rectas da pré-câmara 1, sejam tais que garantam a completa evaporação do jacto 5 imediatamente antes do instante em que atinge o centro C da abertura da pré-câmara 1 e assegurem a mistura dos vapores do combustível com o ar que está contido na pré-câmara, proporcionando assim aumentos do nível de riqueza a partir do ponto de injecção A no sentido do dito centro C da abertura da pré-càmara.

Nos casos em que o combustível é gasoso (metano ou gases semelhantes), é necessário efectuar os acima mencionados cálculos e dimensionamento de modo tal que o gás injectado 5, quando atinge o centro C, é misturado por meios semelhantes com o ar que está contido na parte da pré-câmara que está localizada a jusante do injector 2.

Deveria portanto ser possível representar os níveis de riqueza acima mencionados com uma linha que é aproximadamente semelhante à curva 7 ilustrada na Fig. 1 paralela à pré-câmara 1.

Esta abordagem assegura que um volume pré-ajustado V, do ar que está contido na pré-câmara que está por trás da sua extremidade fechada lc onde o injector 2 está instalado, tem um nível muito baixo de riqueza média, com uma sua porção que basicamente não se mistura com o combustível.

Se tomarmos cuidado para assegurar que este volume tenha um valor igual a ou, preferivelmente, maior por uma quantidade pré-ajustada do que o volume total da pré-câmara, dividido pela taxa de compressão que se atinge num determinado ciclo do motor de combustão interna, o resultado é que este volume de ar que, entre outras coisas, é primeiro aquecido por radiação a partir da combustão que tem lugar na pré-câmara, se expande para uma extensão especificada durante a fase de expansão do próprio motor, “lavando” desse modo os gases queimados que estão presentes durante esta fase com os quais também se mistura, aumentando parcialmente a taxa de oxigénio/CO + produtos não queimados antes 85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ 4

que tenham arrefecido e empurrando-os para dentro dos cilindros, onde os próprios gases queimados podem sujeitar-se a uma combustão secundária de duração pré-ajustada (por exemplo, 3-4 msec) devido à temperatura que prevalece nos próprios cilindros; entretanto, esta temperatura não deve descer abaixo dos limites de ignição. A questão da “lavagem” também remove qualquer HC não queimado que possa ter ficado contra as paredes da pré-câmara 1; para conseguir esse objectivo da melhor maneira, é aconselhável que estas paredes venham a ter um acabamento “brilhante” por meio de, por exemplo, cromagem, rectificação ou outros processos que proporcionam resultados semelhantes.

Para conseguir valores de riqueza média no dito volume V, que sejam apropriadamente baixos mesmo quando o combustível é gasoso, o inventor sugere que o injector 2 seja inserido na pré-câmara 1 por um comprimento pré-ajustado L, limitando desse modo o dito volume V, a montante do bico entre as paredes exteriores do injector e a superfície interior 3 da pré-câmara 1 próximo da sua extremidade fechada lc.

Outro possível melhoramento é fornecer, onde necessário, uma dada quantidade de calor, por exemplo por meio de uma resistência 10, ao ar que está contido no dito volume V,, de maneira a facilitar a combustão da mistura pobre com a qual se mistura, expandindo-se desse modo.

Durante o decurso dos ensaios acima mencionados, foi também notado que, se for usado um único ponto de ignição no centro C da abertura la, aparece a desvantagem de uma certa percentagem da mistura que não foi ainda queimada ser inicialmente expelida para os cilindros 6, onde a temperatura está ainda ligeiramente abaixo da temperatura necessária para a sua ignição.

Isto é devido à acção da frente do globo inicial de chama o qual, conforme se expande radialmente do dito centro C, exerce pressão na mistura na pré-câmara que não está ainda queimada, fazendo desse modo com que atinja as paredes da pré-câmara 1 sem a velocidade suficiente para garantir a cobertura atempada da completa secção da última a fim de evitar a descarga dos produtos não queimados.

Uma certa percentagem de mistura não queimada, empurrada pela sua expansão devida ao passeio do êmbolo, atinge portanto o cilindro 6 sem queimar e tem de ser queimada durante o curso da combustão secundária que ocorre dentro do próprio cilindro

85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ 5 pela entrada para a pré-câmara 1 dos gases quentes já queimados.

Isto envolve um real, se bem que limitado, aumento da possibilidade de CO e HC não queimados estarem presentes nos gases de escape.

Para evitar esta desvantagem, o inventor deste processo recomenda a utilização de vários pontos 8 de iniciação de ignição que estejam dispostos num plano que é perpendicular ao eixo da pré-câmara 1 (ver a Fig. 2) e dispostos em correspondência à sua extremidade aberta la, passando de preferência através do seu centro C acima mencionado. A presença de alguns pontos de iniciação reduz consideravelmente o tempo (uns décimos de mili-segundo) que leva uma frente de chama suficientemente regular e suficientemente extensa a formar-se para cobrir a secção total da pré-câmara 1, “selando-a” desse modo com uma sobrepressão e assim evitando a descarga de mistura não queimada.

Uma solução que se sugere é (Fig. 2) usar um eléctrodo com quatro pontas dispostas em cruz, pelas quais o dito eléctrodo está fixado à abertura da pré-câmara 1 por meio de um braço 9 que é feito de material condutor que está ligado a um pó lo de um gerador de descarga de corrente contínua. Cada ponta enfrenta um terminal pontiagudo 8 que está ligado ao outro pólo, dos quais apenas um está ilustrado no desenho (as necessárias peças isoladoras não estão ilustradas). Por produção de descargas de acordo com os processos de ignição utilizando bobines ou dispositivos electrónicos, são assim criados quatro pontos simultâneos de iniciação. Evidentemente, pode haver mais do que quatro pares de pontas ou terminais, mas o requerente achou que uma solução satisfatória consiste na utilização de apenas quatro pontos de iniciação como acima descrito, dispostos ao longo de uma circunferência β que é concêntrica com a abertura la e que tem um diâmetro d que é igual a metade do diâmetro D da última.

De maneira a .assegurar uma implementação conveniente do processo do invento, o inventor sugere também que a pré-câmara 1 seja dimensionada de modo tal que o seu volume esteja entre 1/5 e 1/2 do volume do espaço morto que é deixado pelo êmbolo do motor no cilindro 6 relativamente ao momento em que atinge o ponto morto que corresponde à máxima compressão.

Uma λ total (= ar total/ar estequiométrico) é assim obtida que está entre 20 e 8, com temperaturas médias do ciclo termodinâmico de cerca de 300°C, as quais não requerem lubrificação nem arrefecimento do motor.

85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ 6 Ο inventor também antecipa que a quantidade de combustível que é injectado durante o ciclo será tal que o calor produzido pela sua combustão na pré-câmara 1 será suficiente para elevar a temperatura da massa total de ar contido no cilindro ou cilindros 6 e na pré-câmara 1 o suficiente para garantir que, durante o retomo e expansão que o êmbolo completa depois da ignição de acordo com uma dada curva de velocidades, esta temperatura será mantida acima da temperatura de ignição do combustível durante um tempo pré-ajustado (por exemplo, >4-10 mseg.). O exemplo que está descrito e ilustrado destina-se a não estar nem limitado nem vinculado em relação a outras implementações do processo baseadas nos conceitos estabelecidos nas reivindicações anexas. Os valores-guia indicados podem, entre outras coisas, ser alterados de acordo com os requisitos, por exemplo, dependendo do tipo de combustível usado (gasolina, álcool, combustível diesel, gás, etc.). As implementações acima mencionadas que são assim conseguidas caem ainda dentro da estrutura da protecção que é conferida por este pedido de patente. É vantajoso que, no processo de acordo com o invento, o fim do tempo de compressão durante a deslocação do êmbolo coincida com o momento do fim da injecção, mas ligeiros desvios desta condição não representam desvantagens significativas.

De modo semelhante, é possível fazer o momento da ignição adiantar-se ligeiramente ao momento da inversão do sentido do passeio do êmbolo de modo a conseguir, de acordo com critérios bem conhecidos, um melhor rendimento do ciclo termodinâmico.

Considera-se útil proporcionar um exemplo numérico do dimensionamento de uma pré-câmara 1 e o correspondente volume V, adequado para implementar o processo acima descrito.

Vai assumir-se que o volume da parte “activa” da pré-câmara que suporta o ar que se destina a ser misturado com o combustível é de 5 cm3, a pressão máxima absoluta durante a combustão é igual a 25 bar, e que a temperatura nos cilindros 6 é conservada acima da temperatura mínima de combustão (aproximadamente 400°C) por 7 mseg a partir deste pico. Se também se assumir que os gases queimados contidos na pré-câmara sofrem combustão secundária com uma duração de 4 mseg, o problema é determinar a pressão nos cilindros 4 mseg antes do momento em que este limite se alcança além do qual deixa de haver combustão.

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Assumindo que, dada a curva da velocidade de expansão do êmbolo no caso em questão, esta pressão é de 10 bar, quer isto dizer, de modo a assegurar a desejada lavagem da pré-câmara no tempo devido, o dito volume V. deve ser tal que ocupe totalmente a pré-câmara (isto é, a parte “activa” mais V,) depois de se ter expandido adiabaticamente 1,9 vezes. Considera-se que a seguinte equação se verifica:

Volume total da pré-câmara = volume “activo” + V, = 1,9 Vj5 ou: V, + 5 cm3 = 1,9 V,, ou: V, = 5/0,9 cm3 = 5,6 cm3

Se a taxa de compressão p no ciclo em questão for 8,5:1, e se, como podemos ver, o volume total da pré-câmara (parte activa + V,) for igual a (5 + 5,6) = 10,6 cm3, é possível estabelecer um coeficiente ε que seja igual à razão entre o volume total da pré-câmara e ε, que neste caso é ε =10,6/8,6 = 1,25.

Como podemos ver, o volume V, é 4,5 vezes maior que o valor de ε acima mencionado.

Nos cálculos aproximados do valor máximo que acima apresentámos, não deixamos margem para a compressão limitada que o volume V, sofre devido ao aumento da pressão entre o ponto morto de compressão máxima e o pico de pressão acima mencionado devido à combustão. Quando fazemos cálculos definitivos, mais rigorosos, é necessário deixar margem para este facto, aumentando desse modo o volume V,.

Completando ainda a lavagem intrínseca acima descrita da pré-câmara 1, o inventor sugere que se procure uma implementação do processo no qual a frente de chama que se forma logo depois da ignição perto da abertura la da pré-câmara 1 se mantenha essencialmente nesta posição durante toda o tempo que dura a combustão, de modo que os gases queimados se escapem imediatamente da pré-câmara durante a sua combustão, misturando-se desse modo com o ar que é deixado nos cilindros sem ter sido capaz de atingir, em qualquer lado no espaço assim ocupado, a temperatura de activação (de aproximadamente 1500K) para a reacção de oxidação do azoto.

Para este efeito, toma-se necessário que a pré-câmara 1 seja dimensionada e configurada de forma a que, durante o intervalo de tempo em que a combustão primária nela tiver lugar, o dito volume V, que contém ar que não está misturado com combustível se expanda sob a acção do movimento para fora do êmbolo até que basicamente ocupe todo o seu volume. 8 85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ

Isto significa um recuo da frente de combustão a uma velocidade, em relação à pré-câmara, que é igual e oposta à velocidade de avanço da combustão, com o resultado de que a dita frente permanece virtualmente estacionária através de toda a duração da combustão primária, numa posição desejável correspondente ou próxima do ponto (área próxima dos eléctrodos 8) onde se forma a frente da chama da combustão. A fim de se conseguir isto, é suficiente que, por exemplo, a razão entre o volume total da pré-câmara 1 e o dito volume V, que contém ar que não está misturado com combustível, seja essencialmente igual à taxa de compressão que resultará na elevação da pressão, a volume constante, que se acharia no ciclo em questão devido à acção da combustão se o ciclo por si próprio fosse do tipo Otto.

Porque o que acima se descreve acontece, é certamente necessário que. em qualquer ciclo, a duração da combustão primária seja igual ao tempo necessário para o êmbolo completar a acima descrita expansão, e portanto para os parâmetros do tempo de injecção e pressão serem ajustados, e que tanto a massa do êmbolo e as dimensões da pré-câmara (que também pode ser cilíndrica) e da sua abertura la sejam adequadamente dimensionadas; a dita abertura pode também ser limitada no que respeita à sua secção transversal final a fim de reduzir o espaço morro e aumentar a velocidade de descarga dos gases que são queimados durante a combustão primária, aumentando desse modo a turbulência que é produzida por esses gases. A acima mencionada redução na secção transversal final de descarga da pré-câmara pode ser conseguida aumentando as dimensões dos eléctrodos que produzem as pontas de iniciação: ao fazer isto (ver por exemplo as linhas a tracejado na Fig. 2) reduz-se a espessura máxima da chama, reduzindo desse modo a temperatura no seu interior para o valor desejado, e existe também um volante de inércia térmico que absorve por radiação e convecção as “pontas” de elevação térmica da chama que se forma.

No caso de haver duas pré-câmaras que sejam imagens de espelho uma da outra e que descarreguem para uma câmara de combustão central que está disposta entre elas, os eléctrodos das duas pré-câmaras, que então são também imagens de espelho opostas, podem ser vantajosamente montados “deslocados” angularmente um do outro a distâncias pré-ajustadas, fazendo-os rodar à volta do eixo longitudinal da pré-câmara correspondente e a um ângulo especificado.

Proceder assim assegura que as cortinas de chama que saem através das suas aberturas formem turbilhões consideráveis quando se encontram nesta câmara de combustão central (este caso não está ilustrado nas figuras). 9 85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ

Um outro melhoramento vantajoso considerado pelo inventor consiste em equipar as pré-câmaras com meios capazes de variar o volume V, quando o regime de funcionamento do motor varia. Isto pode fazer-se usando as tecnologias que já se conhecem e são usadas para variar, por exemplo, o volume das admissões de ar para o fornecimento de ar em alguns dos mais recentes modelos de motores.

Procedendo consoante estas linhas toma-se possível assegurar uma melhor monitorização do posicionamento da frente da chama em qualquer regime.

Lisboa, -6. CIZ. 2GD0

Por PIER ANDREA RIGAZZI - O AGENTE OFICIAL -

ESJG.* ANTÓNIO J0Â0 DA CUNHA FERREIRA

Ag. Of. Pr. Ind.

Rua das Flores, 74 - 4.* ieC3Q LISBOA

Claims (11)

1. 85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para assegurar a mistura de uma quantidade pré-ajustada de combustível líquido ou gasoso com o ar que está contido numa pré-câmara (1) com uma extremidade (la) que está aberta para um cilindro ou cilindros (6) num motor de combustão interna de movimento alternativo no qual não é injectado combustível para o dito cilindro ou cilindros, bem como a ignição da mísaira que é assim obtida, com o combustível a ser injectado axialmente a partir de uma extremidade fechada (lc) da pré-câmara (1) por meio de um injector (2) que é actuado por um excesso de pressão (Δρ) comparado com aquela que está presente na pré-câmara propriamente dita, pelo que a dita injecção de combustível é conseguida durante o meio ciclo de compressão do motor de combustão interna, e o injector (2) e o excesso (Δρ) que assegura a sua distribuição são tais de modo a assegurarem que o jacto de combustível (5) que é injectado esteja completamente evaporado e/ou misturado com o ar contido na pré-câmara (1) no momento em que o jacto atinge a dita extremidade aberta (la) da própria pré-câmara e que, durante o seu movimento de translação, é misturado com o ar acima mencionado de acordo com valores de riqueza (R) da mistura que pode ser representada com uma curva pré-traçada (7) que sobe desde o ponto de injecção (A) para o centro (C) da dita extremidade aberta (la) da pré-câmara (1), caracterizado nor o valor da riqueza média da mistura num volume definido de ar (V,) localizado próximo da extremidade fechada (lc) da pré-câmara (1) ser substancialmente zero, sendo a pré-câmara (1) dimensionada de tal modo que, durante o intervalo de tempo em que a combustão nela ocorre, o dito volume (V,) que contém ar expande-se sob a acção do movimento de retirar do êmbolo ou êmbolos, ocupando por último o seu volume total e conservando a posição da frente de combustão essencialmente próxima da abertura (la) da pré-câmara (1) pela duração total da dita combustão.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que o dito volume (V,), no qual a riqueza da mistura é zero, é modificado quando o regime de funcionamento do motor varia.
3. 3. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, em que o injector (2) é inserido num comprimento (L) predeterminado dentro da pré-câmara (1) de maneira a definir um volume de ar (V,) pré-ajustado que está contido entre a sua superfície exterior e a superfície interior (3) da pré-câmara (1), a montante dó bico do injector, no qual o valor médio da riqueza da mistura é substancialmente zero.
4. 4. Processo de acordo com uma das reivindicações 1-3, pelo qual o dito volume (V,) é igual ou maior do que o volume da pré-câmara (1) dividido pela taxa de compressão que é conseguida no motor de combustão intema.
5. 5. Processo de acordo com uma das reivindicações l - 4, pelo qual uma quantidade 85 014 ΕΡ 0 937 196/ΡΤ 2/2 predeterminada de calor é fornecida ao ar que está contido no dito volume (V,).
6. 6. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, no qual a ignição é executada no momento em que o êmbolo do motor de combustão interna atinge o ponto morto de máxima compressão.
7. 7. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, em que a ignição é executada pela produção de várias descargas eléctricas cujos pontos de iniciação estão localizados num plano (y) que é perpendicular ao eixo da pré-câmara (1) e estão dispostos em correspondência à extremidade aberta (1 a) da dita pré-câmara.
8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 7. em que a extremidade aberta (la) da pré-câmara (1) é circular e existem ali quatro dos pontos de iniciação (8) que estão dispostos à volta de uma circunferência (β) que é concêntrica em relação a uma extremidade aberta circular (la) da pré-câmara e tem um diâmetro (d) que é igual a metade do diâmetro (D) da pré-câmara.
9. 9. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, em que o volume total da pré-câmara (1) fica entre 1/5 e 1/2 do volume do espaço morto que é deixado pelo êmbolo do motor de combustão interna, que corresponde à compressão máxima.
10. 10. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, em que a quantidade de combustível é injectada durante cada ciclo de tal modo que o calor produzido pela sua combustão na pré-câmara (1) seja suficiente para elevar a temperatura de toda a massa de ar contida no cilindro ou cilindros (6) e na própria pré-câmara (1) de modo a garantir que, durante o retomo e expansão que o êmbolo executa de acordo com uma dada curva de velocidade, esta temperatura seja mantida acima da temperatura de ignição do combustível durante um tempo predeterminado.
11. 11. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, em que as paredes internas da pré-câmara (1) são acabadas com “brilho” por meio de cromagem, polimento ou outros métodos que proporcionem resultados semelhantes. Lisboa, ~£ [-? 2.7Π0' Por PIER ANDREA RIGAZZI