Relatório Descritivo da Patente de invenção para "SISTEMA E MÉTODO DE GERENCIAMENTO DE TEMPERATURA DE COMBUSTÍVEL INJETADO EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA A PARTIR DE UMA MISTURA DE UM FLUXO DE AR E COMBUSTÍVEL APLICÁVEL A UM VEÍCULO".

[0001] A presente invenção refere-se a um sistema e método de gerencia- mento de temperatura de combustível injetado em motores de combustão que permite a redução da quantidade de combustível injetado sob alta pres são em motores que podem ser propelidos tanto com gasolina pura quanto com etanol ou qualquer mistura bicombustível através do controle preciso da quantidade de calor fornecida ao combustível.

ESTADO DA TÉCNICA

[0002] Nos últimos anos, problemas com a quantidades de poluentes emiti dos (HC, CO, CO2 e particulados, entre outros) principalmente pelos motores dos carros, tem sido um grande problema para as grandes cidades. Dessa forma, novas tecnologias têm sido desenvolvidas para auxiliar na redução de poluentes emitidos pelos motores de combustão interna.

[0003] A fim de mitigar a emissão de gases de efeito estufa dos automóveis e reduzir a dependência de combustíveis fósseis, várias alternativas para a substituição do motor de combustão interna estão disponíveis. No entanto, a melhor solução para esse dilema deve levar em conta as características ge ográficas e socioeconômicas do país, sua matriz energética, sua legislação de emissões e o impacto ambiental das emissões de carbono do combustí vel durante todo o seu ciclo de vida.

[0004] O Brasil tem uma forte reputação por sua frota de veículos bicombus- tíveis, longa experiência no uso de etanol combustível e sua rede de distri buição. Isso o diferencia de outros mercados globais e justifica uma aborda gem única para a redução de emissões de aldeídos, por exemplo.

[0005] No entanto, observa-se algumas limitações no uso de motores bicom- bustíveis (popularmente conhecidos como motores “flex”). Para atender à demanda de utilização de dois combustíveis em um único tanque, o dimen sionamento de um motor flex tende a ser intermediária, uma vez que o di- mensionamento de motores monocombustíveis é diferente, dependendo do combustível etanol ou gasolina. Isso se dá porque a grande maioria dos mo tores bicombustíveis costumam apresentar uma única razão de compressão geométrica, que representa a proporção entre o volume aspirado somado ao volume da câmara de combustão em relação ao volume da câmara de com bustão).

[0006] Em seu curso, o pistão atinge um ponto mais alto e outro mais baixo em seu deslocamento, chamados respectivamente de ponto morto superior (PMS) e ponto morto inferior (PMI).

[0007] Usualmente, o funcionamento do motor de um veículo de passeio possui quatro tempos:

• Admissão

• Compressão

• Combustão

• Escape

[0008] O efeito da taxa de compressão evidencia-se no segundo tempo - as válvulas de admissão se fecham após a injeção da mistura ar/combustível e esta é comprimida para que o processo de combustão tenha início. Dessa forma, obtém -se a razão de compressão geométrica do motor: a razão entre o volume da câmara de combustão do pistão em seu ponto morto inferior PMI (maior volume) e seu ponto morto superior PMS (menor volume).

[0009] Motores a gasolina costumam usar razões de compressão menores (normalmente entre 8:1 e 12:1), enquanto os motores movidos a etanol fun cionam melhor com razões mais altas (12:1 ou até 14:1).

[0010] No entanto, antes do combustível chegar à câmara de combustão, ele percorre um caminho a partir do tanque do veículo. Esse combustível é mo vimentado por uma bomba de combustível e flui por dentro de dutos que transportam o combustível - primeiramente, uma mangueira e, posterior- mente, um duto mais rígido e ramificado chamado galeria. As ramificações levam o combustível a ser injetado aos respectivos cilindros e é na saída dessas ramificações aonde estão posicionados os injetores de combustível. [0011] Além disso, o impingimento de combustível na superfície do pistão ou nas paredes dos dutos de admissão podem contribuir para o aumento de partículas emitidas. Além disso, a condensação de combustível em zonas frias do motor pode resultar em combustões incompletas gerando hidrocar- bonetos e monóxido de carbono (HC e CO).

[0012] Quando se fala em motores que usam o ciclo Otto (motores tradicio nalmente utilizados nos automóveis), tanto os que utilizam Port Fuel Injection (PFI) como os que funcionam com injeção direta {Dl - do inglês, Direct Injec tion) emitem particulados acima dos limites permitidos. Dessa forma, a utili zação de um filtro de partícula para motores à gasolina (cuja sigla é GPF, pois vem do inglês Gasoline Particulate Filter) tem sido recomendada para atender às novas legislações de emissões de partículas que entraram em vigor.

[0013] No entanto, mesmo com a utilização do GPF, os motores ainda po dem gerar particulados acima dos limites determinados pelos órgãos oficiais de saúde, uma vez que as emissões de poluentes dependem, também, do comportamento dos motoristas quanto à forma como dirigem e da manuten ção adequada dos veículos.

[0014] Como é sabido, os motores que usam injeção direta (motores Dl) a alta pressão (de 200 BAR a 750 BAR, por exemplo) são mais propensos a reduzirem ainda mais as emissões de gases poluentes, uma vez que, quanto mais alta a pressão, maior a redução. No entanto, a operação sob pressões tão elevadas traz uma série de inconvenientes, tais como a redução drástica da durabilidade dos componentes internos do sistema de injeção, bem como demanda um aumento significativamente do consumo de combustível para poder elevar a pressão de trabalho do sistema aos patamares desejados. [0015] Sendo assim, a solução mais trivial seria o desenvolvimento de peças e componentes do sistema de injeção de combustível extremamente robus tos para suportarem pressões acima de 500 BAR, o que levaria a um au mento dos custos de desenvolvimento e fabricação de empresas fornecedo ras de sistemas de injeção e das montadoras de veículos. [0016] Dessa forma, entende-se como o principal problema técnico a ser su perado é o fato de injetar combustível a altas pressões e preservar a durabi lidade dos seus componentes internos (sem aumentar a sua complexidade), extraindo do sistema de injeção de combustível o máximo benefício de uma redução significativamente grande da quantidade de emissões, sem elevar o consumo de combustível, tornando-o mais eficiente.

[0017] Isto posto, uma das técnicas mais eficazes de se obter uma queima mais correta do combustível é entregá-lo à câmara de combustão previa- mente aquecido. No entanto, entende-se que há a necessidade de integrar essa técnica a um sistema de alta pressão.

[0018] Nesse sentido, já são conhecidas algumas soluções, tal como a des crita no documento de patente PI 0902488-3. Esse documento descreve um aquecedor de combustível fornecido para motores de combustão interna do tado de um dispositivo para determinar a temperatura e pressão de combus tível, ajustar a temperatura alvo de combustível de acordo com a pressão do combustível detectada por um sensor de pressão e um dispositivo de contro le de temperatura de combustível que controla o aquecedor de combustível, de modo a ajustar a temperatura detectada por um sensor para a temperatu ra alvo do combustível.

[0019] No entanto, na invenção descrita nesse documento de patente é obri gatório o uso de um sensor de pressão de combustível, fazendo com que a temperatura alvo seja ajustada de acordo com a pressão de combustível medida. Além disso, a técnica descrita nesse documento não menciona a necessidade de se saber a temperatura à montante do aquecedor, o que torna o cálculo de potência necessária para aquecer o combustível ainda menos preciso, não atingindo satisfatoriamente o requisito de se obter a re dução na emissão de gases poluentes.

[0020] Outra técnica relacionada ao presente problema é descrita do docu mento de patente WO2017/221036. Em linhas gerais, esta invenção descre ve um veículo que reduziu os volumes de injeção de combustível devido ao aquecimento de combustível. Mais detalhadamente, esse documento des creve um veículo com um motor de combustão interna dotado de pelo me- nos um aquecedor para aquecer o combustível antes de ser entregue ao cilindro pelo injetor de combustível; uma bomba de combustível para forne cer combustível ao aquecedor, e um controlador eletrónico para controlar o torque do motor e a pressão de combustível gerada pela bomba, sendo que o controlador do motor utiliza um modelamento baseado no aquecimento do combustível aquecido do motor para controlar uma quantidade de combus tível aquecido fornecida pelo injetor de combustível, de modo a reduzir a quantidade de combustível injetado para um dado torque do motor em rela ção ao combustível não aquecido; e causar uma maior pressão de combus tível a ser gerada pela bomba de combustível em relação ao combustível não aquecido.

[0021] A técnica divulgada no documento de patente WO2017/ 221039 descre ve um sistema no qual é realizado o controle da quantidade de combustível injetada no motor e aumento da pressão de combustível baseado em um modelamento do aquecimento de combustível em relação ao modelo não aquecido. Ou seja, usa uma lógica bem complicada, que utiliza dois métodos de controle de injeção.

[0022] Neste cenário, entende ser fundamental o controle da temperatura de acordo com a carga dinâmica de funcionamento do motor para que não seja provido um aquecimento que demande uma energia excessiva e desneces sária para aquecimento do combustível, integrado ao uso de injeção sob alta pressão para reduzirem, de forma ainda mais efetiva, as emissões de gases poluentes, e nenhum dos documentos de patente acima mencionados divulga uma técnica que prevê um método de gerenciamento de temperatura de combustível de acordo com a dinâmica de funcionamento do motor do veículo que integre o uso de alta pressão de injeção de combustível.

[0023] Dessa forma, a presente invenção se propõe viabilizar o uso de sis tema de injeção direta Dl que trabalha com pressões em torno de 200 BAR para obter resultados semelhantes aos sistemas que utilizam pressões ex tremamente elevadas (750 BAR, por exemplo), mantendo a durabilidade dos componentes internos do sistema de injeção, bem como preservando o con sumo de combustível. OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0024] A presente invenção tem como objetivo prover um sistema e um mé todo de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motores de combustão interna a partir de uma mistura de um fluxo de ar e combustí vel aplicável a um veículo, de forma a viabilizar o uso de um sistema de inje ção direta Dl que trabalha com pressões em torno de 200 BAR para obter resultados semelhantes aos sistemas que utilizam pressões extremamente elevadas (750 BAR, por exemplo), mantendo a durabilidade dos componen tes internos do sistema de injeção, bem como preservando o consumo de combustível, através da injeção direta de combustível aquecido.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0025] Visando solucionar o problema técnico apresentado e superar os in convenientes do estado da técnica, a presente invenção tem como objetivo prover um sistema de gerenciamento de temperatura de combustível injeta do em motor de combustão interna a partir de uma mistura de um fluxo de ar e combustível aplicável a um veículo, sendo o dito motor dotado de

• pelo menos uma linha para transporte de combustível que conduz uma quantidade de pelo menos um combustível para ser injetado;

• pelo menos um dispositivo aquecedor de combustível;

• pelo menos um dispositivo de controle de aquecimento de combustível associado a pelo menos um dispositivo aquecedor de combustí vel;

• pelo menos uma bomba de alta pressão associada à linha para transporte de combustível;

• pelo menos um dispositivo de distribuição de combustível associado à linha para transporte de combustível, dotado de pelo menos um duto principal e pelo menos uma ramificação; de forma que o dito sistema executa as etapas de

• aplicar uma quantidade de pressão ao combustível a uma temperatura inicial que é transportado pela linha de transporte de combustí vel; executar uma ação de aquecimento do combustível; onde o dispositivo aquecedor de combustível está posicionado à jusante da bomba de alta pressão.

[0026] Também é objetivo da presente invenção prover um método de ge- renciamento de temperatura de combustível injetado em motor de combus tão interna a partir de uma mistura de um fluxo de ar e combustível aplicável a um veículo, sendo o dito motor dotado de

• pelo menos uma linha para transporte de combustível que conduz uma quantidade de pelo menos um combustível para ser injetado;

• pelo menos um dispositivo aquecedor de combustível;

• pelo menos um dispositivo de controle de aquecimento de combustível associado a pelo menos um dispositivo aquecedor de combustí vel;

• pelo menos uma bomba de alta pressão associada à linha para transporte de combustível;

• pelo menos um dispositivo de distribuição de combustível associado à linha para transporte de combustível, dotado de pelo menos um duto principal e pelo menos uma ramificação; sendo que o dito método compreende as etapas de

• aplicar uma quantidade de pressão ao combustível a uma temperatura inicial que é transportado pela linha de transporte de combustí vel;

• executar uma ação de aquecimento do combustível.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1 - Esquema de uma concretização do sistema de geren- ciamento de temperatura de combustível.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

[0027] Motores que usam injeção direta (motores Dl) a alta pressão (de 500 BAR a 750 BAR, por exemplo) são mais propensos a reduzirem ainda mais as emissões de gases poluentes, pois a alta pressão proporciona maior efi cácia na pulverização do combustível, fazendo com que esse tipo de sistema consiga uma redução das emissões. No entanto, submeter um sistema de injeção direta Dl que trabalha com pressões em torno de 200 BAR a pres- sões extremamente elevadas (500 BAR, por exemplo) afeta drasticamente a durabilidade dos componentes internos do sistema de injeção, bem como aumenta significativamente o consumo de combustível.

[0028] Nesse sentido, a presente invenção viabiliza o uso de sistema de in jeção direta Dl que trabalha com pressões em torno de 200 BAR para obter resultados semelhantes aos sistemas que utilizam pressões extremamente elevadas (750 BAR, por exemplo), mantendo a durabilidade dos componen tes internos do sistema de injeção, bem como preservando o consumo de combustível, através da injeção direta de combustível aquecido.

[0029] O sistema de aquecimento de combustível e gerenciamento do aque cimento é responsável por aquecer o combustível que será injetado no motor até uma temperatura predeterminada. O aquecimento do combustível tem como objetivo melhorar a atomização do spray do combustível injetado, re duzindo seu tamanho de gotas, o que significa melhor preparação da mistura ar-combustível, levando a uma mistura mais homogénea, o que acarretará na diminuição da quantidade de combustível injetada e diminuindo, assim, a quantidade de gases e particulados emitidos.

[0030] O funcionamento do sistema de aquecimento se dá desde a partida do motor. O gerenciamento do sistema tem como objetivo manter a tempera tura do combustível injetado sempre na temperatura alvo. Para isso o siste ma determina a quantidade de energia que deve ser fornecida ao combustí vel, baseado na temperatura de entrada do combustível na galeria, na vazão de combustível e no tipo de combustível.

[0031] Sendo assim, como pode ser visto na figura 1, a presente invenção divulga um sistema e respectivo método de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motor de combustão interna a partir de uma mis tura de um fluxo de ar e combustível aplicável a um veículo, tal como um carro.

[0032] Mais detalhadamente, a presente invenção descreve um sistema de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motor de com bustão interna a partir de uma mistura de um fluxo de ar e combustível apli cável a um veículo, sendo o dito motor dotado de • pelo menos uma linha para transporte de combustível 11 que conduz uma quantidade de pelo menos um combustível para ser injeta do;

• pelo menos um dispositivo aquecedor de combustível 13;

• pelo menos um dispositivo de controle de aquecimento de combustível 3 associado a pelo menos um dispositivo aquecedor de com bustível 13;

• pelo menos uma bomba de alta pressão 2 associada à linha para transporte de combustível 11 ;

• pelo menos um dispositivo de distribuição de combustível 12 associado à linha para transporte de combustível 11 , dotado de pelo menos um duto principal e pelo menos uma ramificação; de forma que o dito sistema executa as etapas de

• aplicar uma quantidade de pressão ao combustível a uma temperatura inicial que é transportado pela linha de transporte de combustí vel 11 ;

• executar uma ação de aquecimento do combustível; sendo que o dispositivo aquecedor 13 de combustível está posicionado à jusante da bomba de alta pressão 2.

[0033] Essa configuração preferencial acima descrita se faz nova e inventiva, pois o posicionamento e instalação do dispositivo aquecedor 13 à jusante da bomba de alta pressão 2 (responsável por pressurizar o combustível a 200 BAR, podendo variar para cima esse valor) permite que o combustível pres surizado seja aquecido diretamente a uma temperatura alvo de injeção na câmara de combustão 5, sem que ocorra perda de carga térmica significativa em decorrência de resistência térmica da bomba de alta pressão 2, da pró pria linha de transporte de combustível 11 e do dispositivo de distribuição de combustível 12 (também conhecido como “galeria de distribuição”), o que poderia levar ao comprometimento do desempenho do sistema.

[0034] A determinação da quantidade de energia necessária para o combus tível atingir um valor de temperatura alvo do combustível no instante atual, de acordo com o gradiente de pressão de combustível no instante atual deve ser efetuada por um dispositivo ou unidade de controle 3 de processamento de parâmetros do veículo, que é responsável preferencial pela inteligência do motor como um todo. Essa unidade de controle 3 pode compreender tan to a ECU ( Eletronic Control Unit- responsável por gerenciar eletronicamente todo o funcionamento do motor) já presente no veículo, como ainda pode compreender uma unidade exclusiva e dedicada 31 apenas ao sistema aquecimento de combustível.

[0035] Em uma primeira configuração alternativa do sistema de gerencia- mento objeto da presente invenção, o dispositivo aquecedor de combustível 13 está associado à montante de pelo menos uma ramificação do dispositivo de distribuição de combustível 12. Em outras palavras, o dispositivo aquece dor 13 pode estar instalado em qualquer ponto do duto principal da galeria de combustível 12.

[0036] Em uma segunda configuração alternativa, a presente invenção divul ga um sistema de gerenciamento objeto da presente invenção onde o dispo sitivo aquecedor de combustível 13 está associado à jusante de pelo menos uma ramificação do dispositivo de distribuição de combustível 12. Ou seja, o aquecedor está posicionado no ponto mais extremo entre a galeria de distri buição de combustível e o injetor de combustível 14. Essa configuração é mais simplificada do que instalar um dispositivo aquecedor no próprio injetor 14. No entanto, a presente invenção também admite o uso de um injetor 14 que compreende um dispositivo aquecedor 13 integrado.

[0037] Adicionalmente, a presente invenção também descreve um método de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motor de combustão interna a partir de uma mistura de um fluxo de ar e combustível aplicável a um veículo, sendo o dito motor dotado de

• pelo menos uma linha para transporte de combustível 11 que conduz uma quantidade de pelo menos um combustível para ser injeta do;

• pelo menos um dispositivo aquecedor de combustível 13; • pelo menos um dispositivo de controle de aquecimento de combustível 3 associado a pelo menos um dispositivo aquecedor de com bustível 13;

• pelo menos uma bomba de alta pressão 2 associada à linha para transporte de combustível 11 ;

• pelo menos um dispositivo de distribuição de combustível 12 associado à linha para transporte de combustível 11 , dotado de pelo menos um duto principal e pelo menos uma ramificação; sendo o dito método compreende as etapas de

• aplicar uma quantidade de pressão ao combustível a uma temperatura inicial que é transportado pela linha de transporte de combustí vel 11 ;

• executar uma ação de aquecimento do combustível.

[0038] Essa configuração preferencial de método traz um efeito técnico novo e inovador, pois o aquecimento do combustível após passar pela bomba de alta pressão 2, que é responsável por pressurizar o combustível a 200 BAR (podendo variar para cima esse valor), permite que o combustível seja aque cido diretamente a uma temperatura alvo de injeção em sua condição real de pressão de injeção, minimizando qualquer perda de carga térmica significati va em decorrência da resistência térmica da bomba de alta pressão 2, da própria linha de transporte de combustível 11 e do dispositivo de distribuição de combustível 12, o que poderia levar ao comprometimento do desempe nho do sistema.

[0039] Dessa forma, em uma concretização alternativa, a presente invenção descreve um método de gerenciamento de temperatura de combustível inje tado em motor de combustão interna, de forma que a etapa de executar uma ação de aquecimento do combustível compreende as etapas de

• determinar uma quantidade de energia necessária para o combustível atingir um valor de temperatura alvo do combustível de acordo com um valor de vazão de combustível no instante atual;

• executar uma ação de fornecer uma quantidade de energia necessária para o combustível injetado atingir a temperatura alvo; • executar uma segunda ação.

[0040] Em uma concretização particular, esta invenção descreve um método de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motor de combustão interna, onde a etapa de executar uma segunda ação compreen de as etapas de

• comparar a temperatura do combustível aquecido em rela ção à temperatura alvo atual;

• executar uma ação entre aquecer o combustível até a tem peratura atual do combustível ser maior ou igual à temperatura alvo atual do combustível e parar de aquecer o combustível.

[0041] De forma preferencial, essa checagem ou comparação pode ser efe tuada por meio de um sensor de temperatura ou qualquer outro dispositivo, algoritmo ou meio que seja capaz de que seja capaz de permitir a obtenção dessa informação. Entende-se por parar de aquecer qualquer ação que in terrompa a ação de disponibilizar calor para aquecer o combustível.

[0042] Em uma concretização alternativa, a presente invenção descreve um método de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motor de combustão interna, onde a etapa de determinar uma quantidade de ener gia necessária para o combustível atingir um valor de temperatura alvo do combustível está associada à quantidade de pressão aplicada ao combustí vel no instante atual.

[0043] O método de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motores de combustão interna, preferencialmente é aplicável a um motor de combustão interna compreende um motor dotado de injeção direta Dl. No entanto, pode ser aplicável a qualquer motor que tenha uma linha de alta pressão de combustível.

[0044] Em mais uma concretização alternativa, a presente invenção divulga um método de gerenciamento de temperatura de combustível injetado em motores de combustão interna, onde a quantidade de pressão compreende um valor predeterminado. O valor referente à quantidade de pressão pode ser fixo ou variar de acordo com um envelope de operação ou de acordo com a carga do motor. [0045] Alternativamente, a presente invenção descreve um método de ge- renciamento de temperatura de combustível injetado em motores de com bustão interna, onde a quantidade de pressão está associada à vazão de combustível.

[0046] A determinação da quantidade de pressão aplicada ao combustível, bem como a quantidade de energia necessária para o combustível atingir um valor de temperatura alvo do combustível no instante atual, de acordo com o gradiente de pressão de combustível no instante atual deve ser efetuada por um dispositivo ou unidade de controle 3 de processamento de parâmetro do veículo, que é responsável preferencial pela inteligência do motor como um todo. Essa unidade de controle 3 pode compreender tanto a ECU ( Eletronic Control Unit - responsável por gerenciar eletronicamente todo o funciona mento do motor) já presente no veículo, como ainda pode compreender uma unidade exclusiva e dedicada 31 apenas ao sistema aquecimento de com bustível.

[0047] Dessa forma, cumpre-se notar que, conforme descritivo acima, a pre sente invenção atinge o objetivo prover um sistema e um método de geren- ciamento de temperatura de combustível injetado em motores de combustão interna a partir de uma mistura de um fluxo de ar e combustível aplicável a um veículo, de forma a viabilizar o uso de um sistema de injeção direta Dl que trabalha com pressões em torno de 200 BAR para obter resultados se melhantes aos sistemas que utilizam pressões extremamente elevadas (750 BAR, por exemplo), mantendo a durabilidade dos componentes internos do sistema de injeção, bem como preservando o consumo de combustível, através da injeção direta de combustível aquecido.

[0048] Assim sendo, a presente invenção também cumpre o papel de viabili zar o aumento da potência extraída do motor associada com menor consu mo de combustível e consequente redução de gases poluentes por parte dos motores.