Title of Invention: SISTEMA DE ADMISSÃO DE AR DE GEOMETRIA VARIÁVEL PARA MOTORES DE COMBUSTÃO

INTERNA

Domínio técnico da invenção

[1] A presente invenção diz respeito a um sistema de admissão de ar de motores de

combustão interna e é aplicável a motores de combustão interna para a propulsão de veículos de utilização rodoviária, naval, aeronáutica ou industrial. Tratando-se de um sistema de baixo custo e de fácil implementação, proporciona um aumento de binário do motor.

Antecedentes da Invenção

[2] Existem no mercado sistemas de admissão de geometria variável em motores de

veículos automóveis, quer em motores de quatro cilindros, quer em motores de seis, oito ou mais cilindros. Porém, na sua aplicação a motores de quatro cilindros estes sistemas variam o comprimento dos tubos primários ou dos secundários, de uma forma contínua ou discreta, fazendo adequar as dimensões daqueles componentes ao regime de funcionamento do motor. Menos comum, é a variação do volume da câmara de plenum. Em motores de seis, oito ou mais cilindros, onde existem normalmente duas ou mais câmaras de plenum, para além das soluções de variação da geometria atrás referidas, têm sido adoptadas outro tipo de soluções que interrompem ou abrem a comunicação entre aquelas câmaras.

[3] Nos sistemas de admissão de ar de geometria variável de motores de quatro cilindros descritos anteriormente, apesar melhorarem o desempenho do motor, não aproveitam todo o potencial do motor, uma vez que pelo facto dos quatro cilindros estarem unidos na mesma câmara de plenum, existem regimes de velocidade de rotação do motor em que o processo de admissão dos cilindros se prejudica mutuamente. Todavia, em motores de seis ou mais cilindros, existem sistemas que separam o processo de admissão dos cilindros para melhorar o desempenho desse tipo de motores. No entanto, à semelhança do que acontece nos motores de quatro cilindros, essa separação não evita que o processo de admissão dos cilindros se prejudique mutuamente em alguns regimes.

[4] A invenção aqui proposta consiste num sistema de admissão de ar, que nos regimes de velocidade de rotação do motor em que a interferência entre cilindros prejudica o seu desempenho, separa os cilindros dois a dois, fazendo com que, no que respeita à admissão de ar, o motor funcione como se se tratasse da junção de dois, três ou mais motores bicilíndricos independentes. [5] Em motores de quatro cilindros, a separação dos cilindros é realizada agrupando os cilindros n°l e n°4 na câmara de plenum (1) e os cilindros n°2 e n°3 na câmara de plenum (2), como representado na Figura 1, ou em alternativa, separando os cilindros n°l e n°2 dos cilindros n°3 e n°4, como representado na Figura 5.

[6] A aplicação do sistema a motores de seis ou mais cilindros é realizada agrupando cilindros dois a dois em câmaras de plenum, que podem ser isoladas ou postas em comunicação, conforme representado na Figura 7 e na Figura 8. O tipo de separação de cilindros a utilizar depende do motor onde é aplicada a invenção.

[7] A invenção aqui proposta é compatível com a utilização de sistemas de geometria variável que variem outras características do sistema de admissão, conforme descrito anteriormente, bem como com sistemas de distribuição variáveis e/ou sistemas de escape de geometria variável.

[8] Para os motores que funcionam a velocidade constante (ou numa gama muito restrita de velocidade) o princípio continua a aplicar-se. O sistema continua a ser interessante porque permite verificar se é preferível trabalhar com um volume único ou com o volume total repartido por n/2 volumes independentes (sendo n o número de cilindros do motor, sempre um número par) .

Descrição geral da invenção

[9] A presente invenção consiste num sistema de admissão de ar, de baixo custo de produção e de fácil implementação que, tendo em atenção o regime do motor, separa ou mantém em comunicação por meio de um sistema electrónico de controlo, o processo de admissão de pares de cilindros do motor, maximizando a quantidade máxima de ar de admissão de ar para os cilindros. Quando a quantidade de ar necessária é inferior à máxima, o sistema controla-a consoante a carga imposta ao motor. Isto melhora o desempenho de motores de combustão interna.

[10] A separação ou união do processo de admissão de pares de cilindros é realizada nos regimes de velocidade e/ou carga do motor em que se reflecte num aumento de caudal de ar de admissão para os cilindros. Da mesma forma, a variação da quantidade de ar que entra no sistema é realizada pela actuação de apenas uma, de duas ou mais válvulas de controlo de carga do motor, consoante a configuração que proporciona maior caudal de ar de admissão para os cilindros. O aumento do caudal de ar de admissão é acompanhado de um aumento da quantidade de combustível fornecido aos cilindros, considerando que se mantém a mesma proporção combustível/ar. Como consequência do aumento da quantidade de ar e combustível, resulta um aumento de binário e rendimento produzido pelo motor.

[11] Na aplicação desta invenção a motores de quatro cilindros, existem duas possibilidades de agrupamento de pares de cilindros. Agrupar os cilindros n°l e n°4 numa câmara de plenum e os cilindros n°2 e n°3 noutra câmara de plenum (vide figura 1), ou em alternativa, agrupar os cilindros n°l e n°2 numa câmara de plenum e cilindros n°3 e n°4 noutra câmara de plenum (vide figura 5), que é equivalente a agrupar os cilindros n°l e n°3 numa câmara de plenum e cilindros n°2 e n°4 noutra câmara de plenum. Na aplicação da invenção a motores de seis ou mais cilindros existem várias possibilidades de agrupamento de cilindros, que dependem da ordem de ignição de cada motor.

[12] São objecto de ajuste a cada tipo de motor e/ou utilização do motor os seguintes parâmetros:

- As dimensões dos órgãos principais da invenção apresentada.

- O número de câmaras de plenum.

- O número de tubos de entrada.

- O número de tubos secundários.

- Os regimes de velocidade do motor em que se separa ou mantém em comunicação o processo de admissão de pares de cilindros do motor.

- Os regimes de velocidade e/ou carga do motor em que varia a quantidade de ar que entra no sistema, traduzida pela matriz pré-programada no sistema electrónico de controlo (13).

- As possibilidades de agrupamento de pares de cilindros.

- O número de válvulas de comunicação (9) entre as câmaras de plenum depende do tipo de válvula disponível, do espaço e forma das câmaras de plenum adoptadas ou de outra forma que se entenda adequada para o fim dado ao invento.

Descrição das Figuras

[13] Sem pretender limitar o âmbito do invento, para a compreensão das diferentes funcionalidades da invenção apresentada, junta-se em anexo um conjunto de desenhos que representam o seu princípio de funcionamento.

[14] Figura 1: Representação esquemática do sistema de admissão de ar. A separação dos cilindros é realizada isolando os cilindros n°l e n°4 dos cilindros n°2 e n°3. O sistema é constituído por quatro tubos primários (3), duas câmaras de plenum (1) e (2), válvulas de comunicação (9) que separam as duas câmaras de plenum (1) e (2), um actuador (10) de controlo das válvulas de comunicação (9), duas válvulas de controlo (5,6) da carga do motor, dois actuadores (7) e (8) de controlo das duas válvulas de controlo (5,6) da carga do motor, respectivamente, dois tubos secundários (4), uma câmara do filtro de ar (12), um tubo de entrada (11) e um sistema electrónico (13) de controlo dos actuadores (7), (8) e (10).

[15] Figura 2: E squema funcional geral do sistema aplicado a motores de quatro

cilindros, com todos os sinais de informação e de controlo de actuadores. Na qual (13) representa um sistema electrónico de comando, (14) o sinal do sensor de rotação do motor, (15) o sinal do sensor de avaliação da carga imposta ao motor, (16) o sinal de controlo do actuador (10) da válvula de comunicação (9), (17) o sinal de controlo do actuador (7) da válvula de controlo de carga (5) e, (18) o sinal de controlo do actuador (8) da válvula de controlo de carga (6).

[16] Figura 3: Resultados experimentais e de simulação obtidos em carga máxima com um sistema semelhante ao ilustrado na Figura 1. O gráfico representa para a grande maioria de regimes o aumento de binário proporcionado pelo invento relativamente ao sistema de admissão original do motor testado. Neste exemplo, até às 2066 rpm o sistema funcionou no 'modo Γ, das 2066 rpm às 3524rpm funcionou em 'modo 2' e a partir das 3524 rpm funcionou em 'modo 3', ver secção 2. da 'Descrição detalhada da invenção'.

[17] Nas figuras 4 a 8 apresentam-se configurações alternativas, para demonstrar que a invenção pode ser concebida com diferentes arquitecturas, quer ao nível do conjunto tubos primários, câmara de plenum, tubos secundários ou tubos de entrada, quer ao nível do agrupamento de cilindros ou do número de cilindros do motor.

[18] Figura 4: Configuração alternativa à representada na Figura 1 mantendo o mesmo agrupamento de cilindros. Esta variante difere da Figura 1 na medida que permite a utilização de tubos primários rectos ou com curvas de raio elevado (suaves). Nesta variante as duas câmaras de plenum foram compactadas numa peça única (19). O agrupamento dos cilindros n°l e n°4 é separado do agrupamento dos cilindros n°2 e n°3 através de uma antepara e da(s) válvula(s) de comunicação (9), quando estas se encontrarem fechadas.

[19] Figura 5: Configuração alternativa à representada na Figura 1 com outro

agrupamento de cilindros. Esta variante difere da Figura 1, na medida em que o agrupamento de cilindros passou a ser entre os cilindros n°l e n°2, numa câmara de plenum (22) e os cilindros n°3 e n°4 noutra câmara de plenum (23).

[20] Figura 6: Configuração alternativa à representada na Figura 1 mantendo o mesmo agrupamento de cilindros. Esta variante difere da Figura 1, na medida em que possui apenas um tubo secundário (26) e possui dois tubos de entrada (28). As câmaras de plenum (24) e (25) diferem das câmaras de plenum (1) e (2) apresentadas na Figura 1 atendendo à nova geometria do tubo secundário (26). A câmara do filtro de ar (27) difere da câmara do filtro de ar (12) apresentado na Figura 1, devido à nova geometria do tubo secundário (26) e à existência de dois tubos de entrada (28). O diâmetro dos tubos de entrada (28) difere do diâmetro do tubo de entrada (11) apresentado na Figura 1, para que a soma das áreas transversais dos dois tubos seja igual à área transversal do tubo de entrada (11).

[21] Figura 7: Configuração alternativa à representada na Figura 1. Esta variante difere da Figura 1, na medida em que representa o conceito desta invenção aplicado a motores de seis cilindros. Os tubos primários (29) estão agrupados em três câmaras de plenum (30), (31) e (32), de forma que os cilindros ligados à mesma câmara possuem 360 graus de desfasamento na ordem de ignição. O ar é conduzido da câmara do filtro de ar (33) até ás câmaras de plenum através de três tubos secundários (34). O controlo da carga do motor é feito pela abertura de uma, duas ou três válvulas de controlo de carga do motor (35), (36) e (37), accionadas por três actuadores (38), (39) e (40), respectivamente.

[22] Figura 8: Configuração alternativa à representada na Figura 1. Esta variante difere da Figura 1, na medida em que representa o conceito desta invenção aplicado a motores de oito cilindros. Os tubos primários (41) estão agrupados em quatro câmaras de plenum (42), (43), (44) e (45) de forma que os cilindros ligados à mesma câmara possuem 360 graus de desfasamento na ordem de ignição. O ar é conduzido das câmaras do filtro de ar (46) e (47) até ás câmaras de plenum através de quatro tubos secundários (48). O controlo da carga do motor é feito pela abertura de uma, duas, três ou quatro válvulas (49, 50, 51, 52) de controlo de carga do motor, accionadas por quatro actuadores (53), (54), (55) e (56), respectivamente.

Descrição detalhada da invenção

[23] A invenção aqui proposta consiste num sistema de admissão de ar, que nos regimes de velocidade de rotação do motor em que a interferência do processo de admissão entre cilindros prejudica o seu desempenho, separa o processo de admissão dos cilindros dois a dois, fazendo com que, no que respeita à admissão de ar, o motor funcione como se se tratasse da junção de dois ou mais motores bicilíndricos independentes. A invenção assenta fundamentalmente em dois componentes principais exemplificada de seguida para a aplicação a motores de quatro cilindros:

[24] 1. Um sistema de admissão de ar constituído por tubos primários (3), duas câmaras de plenum (1) e (2), dois tubos secundários (4), uma câmara do filtro de ar (12) e um tubo de entrada (11). Os tubos primários (3) são dimensionalmente iguais entre si, possuindo o mesmo comprimento e diâmetro. O comprimento e o diâmetro dos tubos primários (3) devem ser ajustados ao tipo de motor onde é aplicada a invenção e respectiva utilização. As extremidades dos tubos primários (3) de cada par de cilindros ligadas às câmaras de plenum (1) e (2), devem estar posicionadas à mesma distância relativamente à entrada de ar na câmara de plenum, facto que não foi seguido na Figura 1 e na Figura 5 para melhor compreensão da mesma. Esta especificação implica que os tubos primários tenham formas curvas. A utilização de uma câmara de plenum como a apresentada na Figura 4 possibilita a utilização de tubos primários rectilíneos. As câmaras de plenum (1) e (2) possuem igual volume, que deve também ser ajustado ao tipo de motor onde é aplicada a invenção e a respectiva utilização. A(s) válvula(s) de comunicação (9), na posição de fechada(s) deve(em) ser suficientemente estanque(s) para que não exista interferência entre a pressão nas duas câmaras. Os tubos secundários (4) devem possuir igual comprimento e diâmetro, podem ser rectilíneos ou curvos consoante a implantação do sistema no espaço existente no compartimento do motor. Há que ajustar a forma geométrica de todos os componentes ao espaço disponível no compartimento do motor do veículo onde é aplicada a invenção.

[25] 2.Um sistema electrónico (13) que controla a configuração do sistema em três modos possíveis, designados 'modo Γ, 'modo 2' e 'modo 3', consoante a velocidade do motor e a carga imposta ao motor. No 'modo Γ a admissão dos quatro cilindros está em comunicação através da abertura da(s) válvula(s) de comunicação (9) e a carga do motor é controlada apenas por uma válvula de controlo da carga do motor (5), mantendo-se fechada a segunda válvula controlo da carga do motor (6). No 'modo 2' a admissão dos quatro cilindros é separada através do fecho da(s) válvula(s) de comunicação (9)e a carga do motor é controlada pelas duas válvulas de controlo da carga do motor (5) e (6). No 'modo 3' a admissão dos quatro cilindros está em comunicação através da abertura da(s) válvula(s) de comunicação (9) e a carga do motor é controlada pelas duas válvulas de controlo da carga do motor (5) e (6). O sistema electrónico (13) possui uma matriz que determina em cada instante o 'modo' em que o sistema funciona. A matriz depende da velocidade de rotação do motor e da carga que lhe é imposta pelo condutor, devendo ser programada, de forma a adequar-se ao funcionamento e tipo de utilização do motor onde é aplicado o invento.

Exemplos de aplicação

[26] A invenção aqui proposta foi testada experimentalmente com um sistema de

admissão protótipo equivalente ao apresentado na Figura 1. Na Figura 3 apresenta-se o resultado daqueles testes, onde se verificaram aumentos de binário relativamente ao sistema original do motor testado, destacando-se a gama das 2250 rpm às 3500 rpm, onde existiu um aumento de binário mais significativo atingindo um máximo de 6.3% às 3050 rpm. A invenção foi também testada com um modelo computacional num software de simulação de motores. O modelo computacional foi calibrado com parâmetros de funcionamento do motor obtidos experimentalmente. Na Figura 3 apresenta-se o resultado dos testes com o modelo computacional, verificando- se boa aproximação com os resultados experimentais. O modelo computacional foi ainda utilizado para optimizar o conceito da invenção, obtendo-se aumentos de binário na ordem dos 10% através da variação do comprimento dos tubos primários e do diagrama de distribuição.