[001] A presente invenção se refere a um sensor de combustível, tal como um sensor destinado a identificar o percentual de mistura entre dois combustíveis.

Estado da Arte

[002] Como amplamente sabido pelos técnicos do setor, a mistura entre combustíveis é uma solução utilizada no Brasil e também em outras partes do mundo. Em particular, o uso de um combustível na forma de uma mistura de álcool advindo de quaisquer formas possíveis, principal mente das renováveis, e gasolina, em especial de álcool etílico (etanol) e gasolina traz uma série de vantagens para o consumidor, tal como um melhor controle em relação ao custo do combustível por km rodado. Ademais, os consumidores com melhores conhecimentos técnicos também estão aptos a administrar a diferença de desempenho gerado no motor de combustão interna (MCI) por cada um destes combustíveis, individualmente falando. Neste sentido, e devido às diferenças químicas entre o etanol e a gasolina, principalmente em termos de tamanho de cadeia química (a cadeia de carbonos da gasolina é muito maior e variada que a do que a do etanol), a queima de cada um destes combustíveis assume particularidades as quais levam a variações nas respectivas taxas de compressão e no torque gerado pelo MCI. Não irrelevante recordar que, em virtude destas mesmas diferenças químicas, especifica mente nas respectivas cadeias de carbono, a quantidade de oxigênio necessária para queimar um dado volume de gasolina é diversa da quantidade de oxigênio necessária para queimar um mesmo volume de etanol.

[003] A despeito das vantagens supracitadas, o uso de misturas variáveis de combustíveis, ou seja, o percentual de cada combustível individual na mistura, com livre escolha do motorista, varia em função do abastecimento do veículo bem como acarreta questões de gerenciamento que vão além do controle usual do MCI em função das condições momentâneas de condução do veículo. Assim sendo, uma vez que o condutor demanda certo torque (via acionamento do pedal do acelerador e consequente liberação do fluxo de ar), a ECU (central eletrônica de gerenciamento do motor) determina a quantidade de combustível através do tempo de injeção em função das variáveis tradicionais (fluxo de ar na admissão, temperatura, rotação do motor, etc.), mas também em função das características do combustível (ou mistura de combustíveis) que será queimado ou, em termos práticos, da relação A/F (relação entre ar/combustível) determinada pelos respectivos percentuais dos combustíveis individuais que compõem a mistura de combustível em uso.

[004] A técnica conhece algumas formas de determinar a relação A/F para a mistura de combustíveis que está sendo usada, as quais podem ser divididas em dois grupos:

Grupo 1 - calculada a partir das características dos gases gerados na queima do combustível. Neste caso, o resultado da combustão de uma dada massa de combustível formado por uma mistura desconhecida é monitorado em função do resultado obtido (composição dos gases de exaustão através da sonda de oxigênio, torque, etc.) e o valor de A/F devidamente ajustado para que se obtenha uma queima ideal do combustível. As principais desvantagens destes métodos estão no tempo necessário para se obter o valor exato da relação A/F para a mistura que está sendo queimada, em termos de ciclo do motor, bem como e principalmente no constante processamento destes dados, consumindo parte da capacidade finita de processamento da ECU, fatores estes somados as criticidades impostas pelo incremento da pressão de combustão nos motores sobrealimentados com injeção direta na câmara de combustão (Dl - injeção direta).

Grupo 2 - através do uso de sensores de combustível, geralmente dispostos na linha de alimentação de combustível, entre o reservatório de combustível e a galeria de alimentação dos injetores, e que pode eliminar a necessidade de qualquer tipo de processamento complementar para se obter a relação A/F já que o valor, analógico ou digital, fornecido pelo sensor indica a composição do combustível, composição esta diretamente vinculada a um valor de A/F preciso. Nos sensores atualmente disponíveis no mercado, a composição percentual do combustível é determinada a partir da medição da capacitância, a despeito de existirem publicações atinentes a outras formas/propriedades para se obter a composição percentual do combustível.

[005] Outra função do referido sensor de combustível é determinar, por exemplo através da capacitância, a porcentagem de água existente na mistura, a qual compromete a vida útil dos componentes do sistema de injeção. [006] Não obstante tal vantagem em termos de economia de processamento pela ECU, os sensores de combustível também não estão livres de inconvenientes. Dentre estes é possível citar o custo de produção e a precisão de leitura como os óbices mais relevantes para o emprego massivo desta linha de solução técnica.

[007] De fato, a determinação dos percentuais de etanol e de água, exclusiva mente a partir da capacitância da mistura combustível, tem se mostrado historicamente uma solução imprecisa posto que a curva que a define não é uma reta bem comportada, mas apresenta regiões com inclinações distintas, assim prejudicando a precisão da indicação em certas faixas de concentração do etanol e de água.

[008] O documento US 2008/295574, ou o BRPI0801181, genericamente ensina que a determinação do conteúdo de água em uma mistura de combustíveis permite incrementar o controle motor de um veículo. Não obstante, não é apresentada nenhuma forma de realização para um sensor deste tipo.

[009] O documento US 10018613 ensina um dispositivo sensor baseado em um circuito LCR ressonante. Um estímulo elétrico é aplicado ao fluido em análise, via eletrodos, enquanto que o sinal de retorno é analisado por processadores de modo a determinar a composição do fluido. Em particular, ao menos um processador é utilizado para determinar o percentual de água no fluido com base no processamento da resposta espectral da impedância ressonante. A despeito deste dispositivo estar apto a determinar, via processamento, o percentual de água (entre outros) de um fluido, o mesmo pode apresentar riscos caso a mistura não seja inerte, uma vez que uma corrente elétrica deve atravessar o líquido.

[0010] O documento US 5150683 ensina um método e um sensor para determinar os respectivos percentuais de uma mistura entre dois fluidos apresentando propriedades dielétricas substancialmente diferentes, tais como misturas entre gasolina e álcool ou óleo combustível e água. Um enrolamento indutivo é imerso na mistura e assim apresenta uma capacitância a qual é diretamente proporcional a constante dielétrica da mistura que envolve o enrolamento e que, por sua vez, é diretamente proporcional ao percentual de cada fluido na mistura. As espiras do enrolamento atuam como equivalentes a eletrodos, assim gerando uma capacitância entre cada espira. Um circuito converte o sinal em frequência (gerado por um amplificador que oscila na frequência de ressonância do circuito LC do enrolamento) e o envia para o controle motor, de modo a promover os ajustes necessários no tempo de ignição.

[0011] O documento JPH 0443835 ensina um sensor de álcool em uma mistura combustível no qual a temperatura da mistura e a quantidade de água na mistura são levados em consideração para que se possa obter uma quantificação do álcool mais precisa, sendo estes parâmetros empregados para compensar o percentual de álcool detectado por um sensor de combustível. As mudanças de frequência de oscilação são analisadas já que devidas ao percentual de álcool e a temperatura da mistura, entre outros através da capacidade eletrostática da mistura que atravessa dois eletrodos do sensor. A compensação do percentual de álcool é realizada através de uma tabela inserida nos meios de computação.

Objetivos da Invenção

[0012] Desta forma, constitui um primeiro objetivo da invenção um dispositivo sensor para a detecção do percentual de uma mistura de combustíveis em fluxo, apto a superar os inconvenientes da arte.

[0013] Constitui outro objetivo da presente invenção um sensor de combustível, apto de determinar o percentual de etanol em uma mistura combustível compreendendo etanol e gasolina.

[0014] Este e outros objetivos da presente invenção são alcançados, e plenamente satisfeitos, a partir de um sensor do combustível conforme definido na reivindicação 1.

Breve Descrição das Figuras

[0015] O objeto da presente invenção será mais bem compreendido a partir da descrição detalhada que segue de uma forma preferencial de realização da invenção, a qual é feita com o suporte das figuras em anexo, trazidas a título ilustrativo e não limitativo, nas quais:

- A figura 1 é uma vista em perspectiva de um sensor de combustível, de acordo com a invenção;

- A figura 2 é uma vista em secção do sensor de combustível de acordo com o corte II-II da figura 1; - A figura 3 é uma vista esquemática em perspectiva ilustrando as conexões elétricas da capa (tubo externo) e do tubete (tubo interno) de medição por meio dos respectivos pinos de contato;

- A figura 4 é uma vista em secção transversal dos tubos do sensor de acordo com o corte IV-IV da figura 3;

- A figura 5 é uma vista em perspectiva superior e explodida do sensor de combustível; e

- As figuras 6A e 6B são vistas em perspectiva inferior e explodidas do sensor de combustível, ilustrando duas etapas de montagem das partes componentes do sensor.

[0016] De conformidade com as ilustrações supra descritas, com 1 é indicado, no seu todo, um sensor de combustível, de acordo com a presente invenção. O sensor de combustível, também designável como sensor de etanol, é basicamente definido por uma caixa 2 paralelepipédica, interiormente vazia e que define uma sede 9 apta a receber uma placa de circuito, ou PCB 8, a qual recebe as conexões com o elemento sensor 10, com o conector 6, além de portar os componentes eletrônicos destinados a processar os sinais recebidos do elemento sensor e enviar um sinal processado, via conector 6 até a ECU (não ilustrada) de um veículo (não ilustrado). Nas laterais opostas da caixa 2 são previstas abas 3, integrais em relação a dita caixa, para a fixação da mesma em um substrato apropriado do veículo, por exemplo no chassis, ou alternativa mente no MCI. Para tanto, em cada um dos furos passantes das abas 3 é inserida uma bucha oblonga 19, cada uma das quais preferencial mente disposta a 90° em relação a outra.

[0017] A partir das laterais superiores projetam-se dois terminais 4, 5 de conexão, um oposto ao outro, e destinados a serem respectiva mente acoplados a um tubo (não ilustrado) proveniente do reservatório de combustível e o tubo (não ilustrado) direcionado a galeria de combustível que alimenta o MCI. Mais especifica mente, a partir da porção inferior da caixa 2 (vide em particular a figura 5) é previsto um suporte cilíndrico 14, integral em relação a dita caixa, e apto a manter fixado internamente o dito elemento sensor 10. Uma primeira extremidade projetante do suporte cilíndrico 14 define o terminal de entrada 4 para o tubo proveniente do reservatório de combustível.

[0018] O dito elemento sensor 10 é fixado no interior do suporte cilíndrico 14 de forma mecânica e hidraulicamente isolado em relação ao interior da caixa 2. O dito elemento sensor 10, conforme ilustrado nas figuras 3 e 4, é definido por uma capa 11 externa e que recebe, concêntrica mente, um tubete 12 interno. O combustível proveniente do terminal de entrada 4 atravessa o elemento sensor 10 pela região cilíndrica externamente delimitada pela capa li e internamente delimitada pelo tubete 12. A capa 11 externa se projeta para além do suporte cilíndrico 14 e define o terminal de saída 5, apto a ser acoplado pelo dito tubo de alimentação da galeria de combustível.

[0019] A fixação relativa entre a capa Íl e o tubete 12 é realizada na região central do elemento sensor 10, através de uma trava 13 em cooperação com pinos de contato 15, 16, os quais serão descritos mais adiante. É ainda previsto um sensor de temperatura 17 tipo NTC (vide a figura 5), apto de determinar a temperatura da mistura combustível na região do elemento sensor 10 na qual as características físicas da mistura combustível são coletadas.

[0020] Conforme mais bem ilustrado nas figuras de 2 a 4, a capa Íl e o tubete 12 apresentam respectivos pinos de contato 16, 15 elétrico dos tubete e capa com a placa PCB 8. Cada um de ditos pinos de contato 15, 16 apresenta a forma específica e apta a serem conectados, por exemplo, por solda, na PCB 8. Mais em particular, cada um dos pinos de contato apresenta um corpo cilíndrico com uma projeção superior 15', 16', com diâmetro reduzido, apta a penetrar na PCB 8 e ser nesta soldada, além de inferiormente conectado, mecânica e eletricamente, com a respectiva capa 11 e tubete 12. Obviamente, ditos pinos de contato 15, 16 são eletricamente isolados um do outro pelo material isolante de confecção da caixa 2, entre outros. Já o isolamento hidráulico de cada um dos pinos de contato 15, 16 é realizado por respectivos anéis de vedação 18, ou O-rings, os quais envolvem o corpo cilíndrico de cada um dos pinos de contato, assim impedindo que o combustível em fluxo pelo interior do elemento sensor adentre na sede 9 da caixa 2, conforme ilustrado na figura 2.

[0021] A dita placa PCB 8, tal como ilustrada nas figuras 5 e 6B, apresenta uma conformação preferencial mente cooperante com a dita sede 9 definida no interior da caixa 2 e contempla ainda componentes de processamento, tal como um microprocessador, ou similar, apto a receber os sinais provenientes das características físicas medidas pelo elemento sensor, bem como a leitura da temperatura fornecida pelo sensor de temperatura NTC 17, além de outros componentes discretos. Em particular, os componentes discretos instalados na PCB 8 definem um circuito RC o qual atua em paralelo com o elemento sensor 10, de modo a excitar/alimentar o elemento sensor 10, bem como recuperar as medidas de tensão oriundas do elemento sensor 10 imerso no fluxo de combustível, conforme técnica conhecida na arte.

[0022] O microprocessador pode ser um processador de uso geral, ou uma unidade de processamento dedicada e programada de modo a realizar as funções pré- determinadas pelo método de atuação do dispositivo sensor de combustível 1. O microprocessador pode ainda ser composto de um ou mais processadores, sendo que, no caso de mais de um processador, cada processador é responsável pela realização de um ou mais cálculos determinados. Como ora empregado, o termo "microprocessador" se refere a processadores em geral, unidades centrais de processamento (CPU), circuitos integrados de aplicação específica (ASIC), circuitos lógicos, e/ou outros circuitos ou processadores aptos a executar as funções conforme o método da presente invenção.

[0023] Em relação a montagem do sensor 1, uma caixa 2, preferencial mente confeccionada em plástico de engenharia traz sobrei njetados (especifica mente pelo suporte cilíndrico 14) os tubos metálicos (capa 11 e tubete 12) a partir dos quais são coletados os dados para a determinação da composição da mistura combustível. Em complemento e para compensação e análise da temperatura do combustível, um sensor de temperatura 17 NTC é alojado em um substrato plástico 20 desta forma garantindo o correto posicionamento do sensor NTC junto a parede metálica da capa 11. Mais em particular, o dito substrato plástico 20 (vide especifica mente as figuras 6A e 2) é uma placa conformada e apta a ser encaixada no interior da sede 9, em posição sobrepondo o suporte cilíndrico 14. O dito substrato plástico 20 suporta e posiciona o dito sensor de temperatura 17, bem como suporta e mantém em posição os pinos de contato 15, 16 a partir das respectivas projeções superiores 15', 16' as quais penetram em respectivos furos passantes (não visíveis) do substrato plástico 20 de modo a contatarem e serem soldados na PCB 8, posteriormente inserida e fixada na sede 9 da caixa 2 (vide a figura 6B).

[0024] Após a inserção e posicionamento dos componentes internos da caixa 2, em ordem, uma tampa 7 é unida a caixa 2 preferencial mente através de um processo de soldagem, ou de um processo similar de modo a garantir um fechamento hermético da caixa 2 e, portanto, dos componentes eletro-eletrônicos situados no interior de dita caixa 2.

[0025] Já em relação ao funcionamento do dito sensor 1, a medição das ditas características físicas ocorre a partir da injeção de um sinal, pelo microprocessador, com uma determinada frequência, sendo preferencial mente utilizadas frequências distintas para características físicas distintas. O retorno do sinal injetado é separado, via um circuito detector de pico, e então processado de acordo com a metodologia da presente invenção, na forma de instruções programáticas previamente inseridas no microprocessador.

[0026] Por fim, o processador coleta as informações sobre as características físicas da mistura combustível. Tais valores são então processados não em termos absolutos, mas o são em função da variável de estado, a temperatura da mistura combustível, de modo a incrementar o valor obtido de percentual de etanol na dita mistura combustível.

[0027] Capturados e processados os referidos valores das características físicas da mistura combustível para uma dada temperatura medida, o microprocessador calcula o valor correspondente a parcela de etanol na mistura, de forma conhecida.

[0028] A partir desta metodologia é possível aferir um valor com alta precisão para o percentual de etanol e água na mistura combustível, o que leva a um melhor ajuste das condições de funcionamento do MCI (motor de combustão interna), pela ECU (central eletrônica de gerenciamento do motor).

[0029] Além disto, o sensor (1), tal como descrito, apresenta um custo de produção comparativa mente menor em relação aos sensores disponíveis no mercado, atualmente, viabilizando sua implementação em grande escala.

Formas de Realização

[0030] Sensor de combustível, em particular para a detecção do percentual de etanol em uma mistura combustível composta por gasolina e etanol, o dito sensor de combustível (1) compreendendo uma caixa (2) paralelepipédica a qual define, internamente, uma sede (9) para uma placa de circuito PCB (8) e sendo que a caixa (2) compreende, externamente, abas (3) projetantes a partir de laterais opostas, um terminal (6) de conexão elétrica e dois terminais (4, 5) de conexão hidráulica, um oposto ao outro, e destinados a serem respectiva mente acoplados a um tubo proveniente do reservatório de combustível e a um tubo direcionado a galeria de combustível, o dito sensor de combustível (1) compreendendo ainda um elemento sensor (10) na forma de uma capa (11) cilíndrica externa a qual envolve um tubete (12) cilíndrico interno, e por o dito elemento sensor (10) ser fixado na caixa (2) a partir de um suporte cilíndrico (14); a capa (11) do elemento sensor (10) estando eletricamente conectada a placa PCB (8) a partir de um primeiro pino de contato (15) e o tubete (12) estando eletricamente conectado a placa PCB (8) a partir de um segundo pino de contato (16), os ditos pinos de contato (15, 16) transpassando o suporte cilíndrico (14) e sendo suportados e mantidos em posição por um substrato plástico (20), fixado no interior da sede (9) da caixa (2).

[0031] Sensor de combustível, sendo que o primeiro pino de contato (15) compreende um corpo cilíndrico dotado de uma primeira projeção superior (15Q cilíndrica, a dita primeira projeção superior (15 ⁷ ) com diâmetro reduzido e estando apta a penetrar um respectivo furo passante do substrato plástico (20) e um respectivo furo passante da placa PCB (8) e ser nesta soldada, e sendo que o corpo cilíndrico do primeiro pino de contato (15) é inferiormente conectado, mecânica e eletricamente, com a respectiva capa (11) do elemento sensor (10).

[0032] Sensor de combustível, sendo que o segundo pino de contato (16) compreende um corpo cilíndrico dotado de uma segunda projeção superior (16 ⁷ ) cilíndrica, a dita segunda projeção superior (16 ⁷ ) com diâmetro reduzido e estando apta a penetrar um respectivo furo passante do substrato plástico (20) e um respectivo furo passante da placa PCB (8) e ser nesta soldada, e sendo que o corpo cilíndrico do segundo pino de contato (16) é inferiormente conectado, mecânica e eletricamente, com o respectivo tubete (12) do elemento sensor (10).

[0033] Sensor de combustível, sendo que cada um dos primeiro e segundo pinos de contato (15, 16) compreende respectivos anéis de vedação (18), ou O-rings, os quais envolvem o corpo cilíndrico de cada um dos ditos pinos de contato.

[0034] Sensor de combustível, sendo que o suporte cilíndrico (14) é sobreinjetado ao redor do elemento sensor (10). [0035] Sensor de combustível, sendo que a fixação relativa entre a capa (11) e o tubete (12) é realizada na região central do elemento sensor (10), através de uma trava (13), a fixação sendo obtida em cooperação com pinos de contato (15, 16).

[0036] Sensor de combustível, sendo que o terminal de entrada (4) é definido por extremidade projetante do suporte cilíndrico (14), e sendo que o terminal de saída (5) é definido por uma porção da capa (11) que se projeta para além da extremidade oposta do suporte cilíndrico (14).

[0037] Sensor de combustível, sendo que o substrato plástico (20) suporta e posiciona um sensor de temperatura (17).

[0038] Sensor de combustível, sendo que cada uma de ditos abas (3) compreende furos passantes no interior de cada um dos quais é prevista uma bucha oblonga (19), cada uma das quais preferencial mente disposta a 90° em relação a outra.

[0039] Sensor de combustível, compreendendo uma tampa (7) de fechamento da caixa (2), a dita tampa (7) sendo fixada através de um processo de soldagem de modo a garantir um fechamento hermético da caixa (2).