CAMPO TÉCNICO

[001 ] O seguinte relatório descritivo para invenção se refere ao método/processo de controle de potência de um motor de combustão interna empregando o atraso de ignição seletiva, em que o processo escolhe, em tempo real, logo antes da ignição, se o próximo cilindro deve ter sua potência reduzida ou não, de tal modo que esta escolha em alta velocidade, individualizada por cilindro, garante uma maior resolução no controle de potência.

ESTADO DA ARTE

[002] Atualmente, o controle de potência de motores de combustão é realizado através do corte da centelha de ignição. Este corte faz com que não aconteça combustão no cilindro do motor, esta interrupção de combustão dentro do ciclo acarreta em desperdício de energia, uma vez que o combustível e o ar são descartados sem serem utilizados. Além disto, o combustível não consumido resfria a câmara de combustão por estar em uma temperatura mais baixa do que a câmera de combustão em operação normal. Então se têm seguintes problemas com o método atual:

[003] - Os cilindros sem ignição descartam todo o seu potencial energético;

[004] - Não existe uma progressão de geração de potência por cilindro, ou ele está ligado (com centelha, 100% de energia), ou ele está desligado (sem centelha, 0% de energia);

[005] - Os cilindros sem ignição não contribuem no processo de pressurização do turbo compressor, reduzindo a eficiência do motor, comportando-se como um motor de menor número de cilindros como analogia;

[006] - O combustível e o ar residuais dos cilindros sem ignição ocasionam a queda de temperatura das velas e da câmera de combustão, incentivando falhas nos ciclos seguintes por estarem em condições de temperatura inadequadas para a próxima combustão;

[007] - A queda de temperatura, ocasionada pelo item anterior, necessita de vários segundos para ser reestabelecida após o término do corte de ignição;

[008] - Aumento da vibração da rotação do motor, com o corte da combustão aleatoriamente de cilindros o motor comporta-se como um motor desbalanceado, causando efeitos negativos de vibração e consequentemente quebras mecânicas.

[009] - Aplicação desproporcional e não homogénea da potência, relacionada a vibração citada no item anterior, ocasiona aumento do estresse mecânico das peças como virabrequim, bielas e bloco do motor.

[010] O documento US 6880525 revela que um comutador de ignição é acionado por um circuito de controle eletrónico que fecha a chave de ignição em dependência do ângulo do virabrequim e parâmetros operacionais adicionais, como a RPM do motor para acionar a faísca de ignição por revolução do virabrequim. Para limitar a RPM, o interruptor de ignição é mantido aberto, quando uma RPM final pré-determinada é excedida, a fim de suprimir uma faísca de ignição em pelo menos uma rotação do virabrequim. Para evitar que vibrações adicionais sejam excitadas pela limitação de RPM, o interruptor de ignição é fechado após uma RPM final ser excedida de acordo com o princípio aleatório e na dependência da posição do virabrequim, em tal maneira que uma faísca de ignição, que corresponde a uma revolução do virabrequim, é acionada de acordo com o princípio aleatório.

[01 1 ] O documento US 7577511 revela que um motor é controlado para operar em um modo de deslocamento variável. No modo de deslocamento variável, o combustível não é entregue às câmaras de trabalho (por exemplo, cilindros) durante os ciclos de trabalho "pulados" selecionados. Durante os ciclos de trabalho ativos (“não pulados”), uma quantidade máxima (por exemplo, não-retificada) de ar e uma quantidade otimizada de combustível é entregue às câmaras de trabalho relevantes para que as câmaras de queima possam operar com eficiências mais próximas de sua eficiência ideal. Um controlador é usado para determinar dinamicamente as queimas da câmara necessárias para fornecer o torque do motor com base no estado operacional e nas condições atuais do motor. As queimas da câmara podem ser sequenciadas em tempo real ou quase em tempo real, de maneira a ajudar a reduzir as vibrações indesejáveis do motor.

[012] Um processo para controle intermitente de um motor de combustão interna que opera ciclicamente, em que, na sucessão de ciclos de trabalho, os cursos de trabalho são ignorados - em distribuição aproximadamente uniforme - e o número de saltos é variado em dependência da carga, é descrito no US 4509488. O combustível é alimentado de forma controlada apenas para as câmaras de trabalho do motor de combustão interna que não cortam, independentemente da carga em uma quantidade constante ideal para o consumo. Para uma distribuição de potência sensível, especialmente na gama de carga baixa, o número de saltos é variado cronologicamente, pelo menos, aproximadamente aleatoriamente e independentemente da velocidade, isto é, a densidade temporal dos cursos de trabalho é variada. Isso pode ser feito definindo padrões de disparo diferente e finamente escalonados ou por uma configuração de ignição estocástica.

PROBLEMAS DA TÉCNICA

[013] O uso de processos aleatório para o controle da ignição de um veículo é empregado no controle da RPM deste veículo, com o objetivo de evitar as vibrações que são sentidas, quando uma determinada RPM é excedida. Desta maneira, é acionado o princípio aleatório de seleção que realiza o corte do combustível.

[014] No entanto, este tipo de gerenciamento aleatório não permite o controle de potência em um sistema turbo, de tal modo que esta escolha em alta velocidade, individualizada por cilindro, garante uma maior resolução no controle de potência.

SOLUÇÃO PROPOSTA

[015] A novidade da criação é a introdução de um método de controle de potência, onde não exista desperdício da energia e efeitos colaterais provocados pelo corte da faísca de ignição, garantindo que sempre todos os cilindros irão consumir o ar e o combustível injetados e gerar trabalho devido a isso. O novo método consiste em alterar o momento em que a faísca de ignição acontece (ponto de ignição), mudando ela para depois do ponto de máxima compressão do cilindro (PMS - Ponto Morto Superior). Apesar do atraso de ignição já ser atualmente utilizado, a novidade consiste em aplicar este atraso de maneira diferente para cada cilindro do motor. O novo método escolhe, em tempo real, logo antes da ignição, se o próximo cilindro deve ter sua potência reduzida ou não. Esta escolha em alta velocidade, e individualizada por cilindro, garante que o método proposto possua uma maior resolução no controle de potência.

DESCRIÇÃO [016] A caracterização da presente invenção é feita por meio de figuras representativas do método/processo de controle de potência de um motor de combustão interna empregando o atraso de ignição seletiva, de tal modo que produto possa ser integralmente reproduzido por técnica adequada, permitindo plena caracterização da funcionalidade do objeto pleiteado.

[017] A partir das figuras elaboradas que expressam a melhor forma ou forma preferencial de se realizar o produto ora idealizado, se fundamenta a parte descritiva do relatório, através de uma numeração detalhada e consecutiva, onde a mesma esclarece aspectos que possam ficar subentendidos pela representação adotada, de modo a determinar claramente a proteção ora pretendida.

[018] Estas figuras são meramente ilustrativas, podendo apresentar variações, desde que não fujam do inicialmente pleiteado.

[019] Neste caso se tem que:

[020] - OS GRÁFICOS 1 ATÉ 12 mostram um comparativo entre o método de redução de potência por corte em um motor de quatro cilindros e o método de redução de potência de alta resolução em um motor de quatro cilindros, onde os gráficos 1 , 3, 5, 7, 9 e 11 mostram o estado da arte e os gráficos 2, 4, 6, 8, 10 e 12 mostram a invenção;

[021] - AS FIGURAS 13, 14 E 15 mostram o processo de ignição normal, o processo de ignição cortada e o processo de ignição atrasada;

[022] - A FIGURA 16 mostra o impacto da diferença de temperatura da combustão em motores normalmente aspirados; [023] - A FIGURA 17 mostra o impacto dos gases em expansão no escape de motores sobrealimentados;

[024] - o FLUXOGRAMA 1 mostra o método proposto;

[025] - o FLUXOGRAMA 2 mostra a seleção de cilindros por randomização;

[026] - o FLUXOGRAMA 3 mostra a seleção de cilindros sequencial;

[027] - o FLUXOGRAMA 4 mostra a seleção de cilindros pré- definidos;

[028] - o FLUXOGRAMA 5 mostra a seleção de cilindros por temperatura de escapamento;

[029] - o FLUXOGRAMA 6 mostra a seleção de cilindros por taxa de variação da temperatura de escapamento;

[030]— o FLUXOGRAMA 7 mostra a seleção de cilindros por

RPM instantâneo mais alto (velocidade angular mais alta);

[031 ] - A FIGURA 1 8 mostra um exemplo de uso do método para controle da RPM;

[032] - A FIGURA 19 mostra um exemplo de uso do método para controle de velocidade;

[033] - o GRÁFICO 20 mostra o processo de preparação para a largada com o método por corte de ignição;

[034] - o GRÁFICO 21 mostra o processo de preparação para a largada com o método por atraso de ignição;

[035] - A TABELA 1 é comparativa de resultados na pressurização da admissão;

[036] - o GRÁFICO 22 mostra a pressão (bar) pelo tempo, após o início da redução de potência; [037] - A TABELA 2 é comparativa de resultado da temperatura dos cilindros e;

[038] - o GRÁFICO 23 mostra a temperatura pelo tempo, após o início da redução de potência.

[039] Nos gráficos (1 ) e (2) pode-se verificar como ocorre o acionamento dos cilindros no método por corte (1 ) e no método proposto (2). Em (1 ) pode-se observar que a atuação do método consiste em não realizar a ignição, desta forma deixando o cilindro sem geração de potência. Em (2) a atuação da redução de potência se dá através do atraso no momento da ignição, onde a potência do cilindro não é totalmente reduzida. Em (2) se pode notar que o motor recebe geração de potência continuamente, não existindo nenhum momento onde o movimento dos pistões ocorra só pela inércia, tal como em (1 ).

[040] A partir da potência resultante de (1 ) e (2) é possível traçar os gráficos do método de corte de ignição (3) e atraso de ignição / método proposto (4). Nestes, é importante verificar que a mesma potência média é atingida, pois o método de alta resolução (4) atua em mais cilindros em relação ao método de corte (3), considerando o mesmo período de tempo. Além disto, é importante salientar que no método da imagem (4) existe uma menor variação de potência sendo exercida sobre o motor.

[041] Nos gráficos método de corte (5) e método de atraso (6) são apresentadas as diferenças de aproveitamento de energia entre os métodos.

[042] Em (5), conforme será explicado mais adiante neste documento, o motor sofre uma queda de temperatura, quando o ar e combustíveis não são queimados no método de ignição, esta queda de temperatura é bastante prejudicial ao correto funcionamento das velas de ignição de alto grau térmico. Pode-se notar que a temperatura do motor só aumenta quando de fato ocorre a queima do combustível.

[043] Em (6) é possível verificar como o novo método consegue aquecer constantemente o motor pelo fato de sempre existir ignição. Também, será demonstrado mais adiante, como os gases resultantes da ignição atrasada conseguem aquecer mais o motor em comparação com os gases de uma ignição normal.

[044] Os gráficos 7 (método de corte) e 8 (método de atraso) demonstram o aumento da pressurização de turbo compressores por tempo. Devido ao reaproveitamento dos gases de escape originados da ignição atrasada o novo método é capaz de realizar a pressurização em menor tempo com relação ao método de corte.

[045] Nos gráficos (9), (10), (1 1 ) e (12) compara-se o método proposto nesse documento (10 e 12) com outra técnica tradicional de atraso generalizado do ponto de ignição (9 e 11 ) em todos os cilindros, onde para reduzir a potência geral do motor é aplicado um atraso intermediário em todos os cilindros, sem variações instantâneas para o próximo evento de ignição. Nesse método tradicional de atraso (10 e 1 1 ), a resposta de alterações no controle é mais lenta, exigindo voltas completas do motor para alteração da geração de potência e o equilíbrio entre o trabalho gerado para aceleração do motor (trabalho realizado dentro da câmera de combustão) e o trabalho para acionar o turbo compressor (trabalho realizado no duto de escapamento) possui uma faixa muito sensível e que não permite um controle preciso da rotação do motor desejada e ao mesmo tempo não tem eficiência alta no aumento da rotação do turbo compressor pois não pode deslocar o trabalho para o ciclo de escape em grande volume, pois tem o compromisso de manter o motor acelerando.

[046] No processo de ignição normal (fig. 13) ocorrem nas seguintes etapas:

[047] - Ar e combustível vaporizado (13) entram na câmara de combustão (14) do cilindro;

[048] - O pistão (15) comprime o ar e combustível (16) aumentando a pressão interna na câmera de combustão;

[049] - A centelha de ignição (17) inicia o processo de combustão onde são criados gases em expansão, os quais empurram o pistão (15) e desta forma gerando potência no motor;

[050] - Os gases em expansão (18) continuam empurrando o pistão e gerando trabalho (19);

[051] - Os gases resultantes da combustão são expelidos pela válvula de escape (20), já com pressão reduzida.

[052] No processo de ignição cortada (fig. 14) ocorrem as seguintes etapas:

[053] - Ar e combustível vaporizado (21 ) entram na câmara de combustão do cilindro (22);

[054] - O pistão (23) comprime o ar e combustível (24) aumentando a pressão destes;

[055] - A centelha de ignição não ocorre (25), mantendo inalterados os gases na câmara de combustão (26), baixando drasticamente a temperatura da vela de ignição e câmera de combustão;

[056] - A inércia do motor faz com que o pistão se movimente sem gerar trabalho (27). Neste momento o motor perde potência pois não existem gases em expansão auxiliando no movimento do pistão, causando aumento da vibração no motor; [057] - Ar e combustível são expelidos pela válvula de escape (28). Estes gases realizam o resfriamento do motor pois estão em menor temperatura e não contribuem com trabalho

[058] No processo de ignição atrasada proposto (fig. 15) nesta invenção ocorrem as seguintes etapas:

[059] - Ar e combustível vaporizado (29) entram na câmara de combustão do cilindro (30);

[060] - O pistão (31 ) comprime o ar e combustível (32) aumentando a pressão destes;

[061 ] - A centelha de ignição não ocorre (33), mantendo inalterados os gases na câmara de combustão;

[062] - A inércia do motor faz com que o pistão se movimente. Logo em seguida a faísca de ignição (34) ocorre, a geração de trabalho neste caso é reduzida (35), pois o pistão já está no fim da sua excursão.

[063] - Ar e combustível ainda em expansão são expelidos pela válvula de escape (36). Estes gases continuam se expandindo conforme saem do cilindro. Esta expansão acelera drasticamente o fluxo dos gases no escapamento. A temperatura dos gases também é maior neste caso, pois a combustão ainda está ocorrendo ao sair do cilindro, isto faz com que a temperatura do escapamento seja maior, da mesma forma que a do cilindro.

[064] A figura 16 mostra o impacto da diferença de temperatura da combustão em motores normalmente aspirados, com a diferença de temperatura entre a entrada de ar e combustível frios (37) na câmara de combustão (38) e a saída do ar e combustível quentes, ainda em combustão e expansão (39).

[065] A figura 17 mostra o impacto dos gases em expansão no escape de motores sobrealimentados, onde o ar e combustível quentes, ainda em combustão e expansão (40) são direcionados ao turbo compressor (41 ), de modo que os gases em maior velocidade fazem as pás do turbo (41 ) compressor girarem mais rápido, o que causa aumento de pressão.

[066] Na figura 18 o método proposto é empregado no controle das RPM de um motor (42), onde um sinal de RPM (43) é enviado para a Engine Control Unit, ECU (44), que controla as RPM (45) que estabelece a redução de potência (46), com envio de sinal para a ignição (47).

[067] Na figura 19 o método proposto é empregado no controle da velocidade de um veículo (48), onde um sinal da velocidade das rodas (49) é enviado para a Engine Control Unit, ECU (50), que controla a velocidade (51 ) e que estabelece a redução de potência (52), com envio de sinal para a ignição (53).

[068] Dentre as vantagens do novo método podem ser citadas:

[069] - Todos os cilindros queimam combustível, garantindo que os cilindros e velas ficarão com temperatura adequada. Desta forma, evita-se queda de desempenho pela baixa temperatura no cilindro, em especial nas velas utilizadas em aplicações de extrema performance;

[070] - Existe uma progressão de quanta potência o cilindro irá gerar, o método permite o ajuste de 0 a 100% de geração de energia por cilindro, desta forma o controle fica com maior resolução;

[071] - Os cilindros que estão gerando pouca potência possuem como subproduto a exaustão de gases em expansão, o que acelera drasticamente a pressurização dos turbo compressores e contribui para a diminuição do atraso (LAG) característico desses sistemas;

[072] - O motor se encontra constantemente recebendo trabalho, pois todos os cilindros geram potência;

[073] - A variação do ponto de ignição em alta frequência entre o avanço normal requerido pelo motor (ponto adiantado que gera potência para o motor acelerar) e o ponto de ignição extremamente atrasado (gera trabalho no duto de escapamento) gera uma estabilidade e tensionamento no funcionamento do motor, ocasionando um controle muito mais estável na determinada rotação desejada.

[074] Os gráficos 20 e 21 apresentam dados reais de um veículo de competição que está na fase de preparação para a largada. No gráfico 20 é usado o método tradicional de corte de ignição, enquanto que o gráfico 21 apresenta o novo método. É possível verificar que na nova lógica a pressão na admissão atinge 0,6bar usando 4,03 segundos a menos que na lógica por corte. Além disto, a temperatura do todos os cilindros estão 26% mais quentes na mesma situação de pressão (0,6 bar).

[075] Os fluxogramas permitem compreender que o método proposto funciona da seguinte maneira:

[076] - A potência alvo (54) é passada para o algoritmo junto com a tabela de ignição normal (64) e o máximo atraso de ignição (63) permitido;

[077] - A potência alvo é convertida (55) para um percentual indicando a quantidade de cilindros que devem ter suas potências individuais reduzidas (56);

[078] - O método de seleção de cilindros (59) utiliza a quantidade de cilindros (56), o indicador de nova volta do motor (57), e o número do cilindro atual (58) para indicar se este cilindro deve ter sua potência reduzida;

[079] - O resultado do método de seleção de cilindros (60) é então recebido pelo sistema de ignição da ECU (65). Caso seja necessária a redução de potência é realizada a ignição (66) atrasada (61 ) usando o ajuste de atraso de ignição (63). Caso a redução não seja necessária, a ignição (66) é realizada normalmente (62) usando o ponto de ignição normal (64).

[080] O sistema seletor de cilindros (60) é o responsável por escolher quais os cilindros irão receber o ponto de ignição com atraso ou o ponto da tabela normal. A quantidade de cilindros em cada estado irá depender da quantidade de potência a ser reduzida, quanto maior a redução de potência, mais cilindros irão receber o atraso de ponto. A escolha dos cilindros pode ocorrer de diversas maneiras: o fluxograma 2 mostra a seleção de cilindros por randomização; o fluxograma 3 mostra a seleção de cilindros sequencial; o fluxograma 4 mostra a seleção de cilindros pré-definidos; o fluxograma 5 mostra a seleção de cilindros por temperatura de escapamento; o fluxograma 6 mostra a seleção de cilindros por taxa de variação da temperatura de escapamento e o fluxograma 7 mostra a seleção de cilindros por RPM instantâneo mais alto (velocidade angular mais alta).

EXEMPLO 01

[081 ] Exemplo da seleção pré-definida em um motor 6 cilindros (fluxograma 4).

[082] Lista pré-definida (67) com ordem decrescente de prioridade dos cilindros que terão potência reduzida por volta do motor:

[083] - Volta 1 : 1 , 2, 3, 4, 5 e 6; [084] - Volta 2: 6, 5, 4, 3, 2 e 1 ;

[085] - Volta 3: 3, 4, 5, 6,1 e 2;

[086] - Volta 4: 2, 1 , 6, 5, 4 e 3.

[087] Na volta 1 do motor e com 50% de quantidade de cilindros para reduzir potência.

[088] Mapa com 100% dos cilindros: 1 , 2, 3, 4, 5 e 6.

[089] Mapa final (68) com 50% dos cilindros: 1 , 2 e 3.

[090] Na volta 2 do motor e com 50% de quantidade de cilindros para reduzir potência.

[091 ] Mapa com 100% dos cilindros: 6, 5, 4, 3, 2 e 1.

[092] Mapa final (68) com 50% dos cilindros 6, 5 e 4.

[093] Na volta 3 do motor e com 20% de quantidade de cilindros para reduzir potência.

[094] Mapa com 100% dos cilindros: 3, 4, 5, 6, 1 e 2.

[095] Mapa final (68) com 20% dos cilindros: 3.

[096] Na volta 4 do motor e com 35% de quantidade de cilindros para reduzir a potência.

[097] Mapa com 100% dos cilindros: 2, 1 , 6, 5, 4 e 3.

[098] Mapa final (68) com 35% dos cilindros 2 e 1.

EXEMPLO 02

[099] Exemplo da seleção por temperatura em um motor 6 cilindros (fluxograma 5):

[100] Temperatura individual de exaustão dos cilindros:

[101] - Cilindro 1 : 100 ² C;

[102] - Cilindro 2: 110 ^Q C;

[103] - Cilindro 3: 120 ⁹ C;

[104] - Cilindro 4: 130 ⁹ C;

[105] - Cilindro 5: 140 ^e C e; [106] - Cilindro 6: 150 ^e C;

[107] Quantidade de cilindros para reduzir a potência: 50%.

[108] Lista (69) montada dinamicamente na primeira volta do motor.

[109] Mapa com 100% dos cilindros (69): 1 , 2, 3, 4, 5 e 6.

[1 10] Mapa final (2) com 50% dos cilindros: 1 ,2 e 3.

[1 1 1] Temperatura de exaustão dos cilindros na próxima volta:

[1 12] - Cilindro 1 : 130 ^S C;

[113] - Cilindro 2: 140 ⁹ C;

[1 14] - Cilindro 3: 150 ⁹ C;

[115] - Cilindro

[1 16] - Cilindro 5: 140 ⁸ C e;

[1 17] - Cilindro 6: 150 ⁹ C.

[118] Quantidade de cilindros para reduzir a potência: 50%.

[119] Lista (69) montada dinamicamente na próxima volta do motor.

[120] Mapa com 100% dos cilindros (1): 1 , 4, 2, 5, 3 e 6.

[121] Mapa final (70) com 50% dos cilindros: 1 , 4 e 2. EXEMPLO 03

[122] Exemplo da seleção por taxa de variação de temperatura em um motor 6 cilindros (fluxograma 6):

[123] Taxa de variação da temperatura de exaustão dos cilindros:

[124] - Cilindro 1 : 10 ⁹ C/s;

[125] - Cilindro 2: 20 ⁹ C/s;

[126] - Cilindro 3: 30 ⁹ C/s;

[127] - Cilindro 4: 40 ⁹ C/s; [128] - Cilindro 5: 50 ⁹ C/s e;

[129] - Cilindro 6: 60 ⁹ C/s.

[130] Quantidade de cilindros para reduzir a potência: 70%.

[131 ] Lista (71 ) montada dinamicamente na primeira volta do motor.

[132] Mapa com 100% dos cilindros (71 ): 1 , 2, 3, 4, 5 e 6.

[133] Mapa final (72) com 70% dos cilindros: 1 , 2, 3 e 4.

EXEMPLO 04

[134] Exemplo da seleção por RPM instantâneo em um motor 6 cilindros (fluxograma 7):

[135] RPM instantâneo dos cilindros:

[136] - Cilindro 1 : 1.500 RPM;

[137] - Cilindro 2: 1.400 RPM;

[138] - Cilindro 3: 1.300 RPM;

[139] - Cilindro 4: 1.200 RPM;

[140] - Cilindro 5: 1.100RPM e;

[141] - Cilindro 6: 1.000RPM.

[142] Quantidade de cilindros para reduzir a potência: 70%.

[143] Lista (73) montada dinamicamente na primeira volta do motor.

[144] Mapa com 100% dos cilindros (73): 6, 5, 4, 3, 2 e 1.

[145] Mapa final (74) com 70% dos cilindros: 6, 5, 4 e 3.