BRPI0717563A2

BRPI0717563A2 - Aquecedor de combustível

Info

Publication number: BRPI0717563A2
Application number: BRPI0717563-9A2A
Authority: BR
Inventors: Andreas Reissner; Vera Wein; Simon Schmittinger; Jens Schneider; Jean-Marc Couffignal
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2013-10-22
Also published as: WO2008055725A1; BRPI0717563B1; US20090308362A1; JP2010509531A; EP2087224B1; DE102006052634A1; JP2011220343A; EP2087224A1

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "AQUECE- DOR DE COMBUSTÍVEL". Estado da Técnica

Em alguns países emprega-se álcool para a operação de moto- res de combustão interna. Lá, a operação de um motor de combustão inter- na com álcool é mais barata do que com gasolina ou combustível diesel. Por exemplo, se forem operados motores Otto com álcool, estes só podem ter dado a partida a uma temperatura de mais do que 14SC. Atualmente essa circunstância é levada em consideração na medida em que no veículo auto- motor há um segundo tanque, juntamente com dutos, que contém gasolina comum. A temperaturas abaixo de 14SC, o motor Otto tem sua partida efetu- ada com gasolina. Após alguns minutos, depois dos quais o motor de com- bustão interna tiver alcançado uma determinada temperatura, pode-se então mudar para a operação a álcool. É desvantajosa a circunstância de que nessa solução é neces-

sário manter dois tanques em um veículo automotor. Esses tanques reque- rem mais espaço no veículo e, além disso, o veículo torna-se mais caro de- vido a isso. Nos meses de verão, quando as temperaturas ambientes se si- tuam sempre acima de 14SC, não se necessita mais da gasolina para a par- tida do motor Otto. Ao início da estação quente, se o tanque não for esvazi- ado, a gasolina residual restante no tanque de gasolina pode se tornar muito espessa nos dutos e no tanque, pois os componentes voláteis mais leves evaporam. Se, ao contrário, ficar mais frio, então não será mais possível a partida com gasolina nesse caso, devido a dutos e tanques entupidos. Nes- se caso, os dutos e o tanque para o armazenamento de gasolina têm que ser limpos ou mesmo substituídos.

Pela Patente DE 20 2005 016 047 U1 conhece-se um aparelho para o pré-aquecimento de biocombustíveis para motores diesel. Esse apa- relho apresenta um segmento de tubo e um corpo oco, entre os quais há uma fenda anelar. Esta, por um lado, é dimensionada em um tamanho tão grande que possibilite a passagem da quantidade de combustível requerida, embora, por outro lado, seja dimensionada em um tamanho tão pequeno que só seja armazenado um volume o menor possível de combustível entre o segmento de tubo e o corpo oco.

A Patente DE 102 48 802 A1 se refere a uma vela de pino in- candescente com uma espiral de regulagem bastante curta. Segundo essa solução, propõe-se uma vela de pino incandescente para um motor de com- bustão interna que compreende uma caixa de velas, um dispositivo de cone- xão conectado à caixa de velas para a corrente incandescente e um tubo incandescente acoplado com o dispositivo de conexão. Este tubo incandes- cente encontra-se fechado em seu lado voltado na direção oposta à caixa de velas. Além disso, um elemento de resistência em forma de espiral de arame é previsto no tubo incandescente em um pino de conexão acoplado com o dispositivo de conexão, sendo que o elemento de resistência é constituído por uma espiral de aquecimento e uma espiral de regulagem. A espiral de regulagem compreende uma resistência entre 20 e 100 mQ. Segundo essa solução, todo o elemento de resistência previsto no tubo incandescente, o- cupando um terço a dois terços do comprimento livre do tubo incandescente, está concentrado na região da extremidade do tubo incandescente que está voltada na direção oposta à caixa de velas.

A Patente DE 197 55 822 A1 se refere a uma vela de pino in- candescente. A vela de pino incandescente apresenta uma ligação modifica- da de encaixe-recalque, de tal modo que é possível uma condução tanto radial, quanto axial das voltas de centralização de uma espiral incandescen- te para uma estria correspondente em forma de U de um pino de conexão. Depois do pré-posicionamento da espiral incandescente na estria, pode o- correr um calcamento radial da espiral incandescente e do pino de conexão ou pode mesmo ser eliminado no caso de uma configuração correspondente da geometria da estria. A abertura na periferia do pino de conexão na região da estria possibilita uma acessibilidade tanto radial quanto axial do perfil in- terno da estria. Desse modo é possível garantir uma limpeza completa de lubrificantes orgânicos, bem como a verificação confiável da limpeza. Com isso reduz-se a taxa de inutilização prematura de velas de pino incandescen- te provocada pelas impurezas orgânicas. Manifestação da Invenção

De acordo com a invenção, é proposta uma fonte de aquecimen- to, que fica integrada ao sistema de injeção e que serve para o pré- aquecimento do combustível. A fonte de aquecimento proposta de acordo com a invenção, que de preferência está configurada como aquecedor de combustível integrado ao sistema de injeção, compreende um tubo de aque- cimento metálico fechado, em forma tubular, no qual acha-se embutido um elemento de aquecimento de metal. A estrutura do aquecedor de combustí- vel, integrado ao sistema de injeção, proposto de acordo com a invenção corresponde àquela das velas de pino incandescente esboçadas ao início em relação ao estado da técnica.

Um arame de aquecimento em forma espiral está ligado, por meio de junção dos próprios materiais, por exemplo soldado, com o tubo de aquecimento sobre um lado voltado em direção oposta à caixa. Sobre o ou- tro lado, o arame de aquecimento em forma espiral está ligado eletricamente de forma condutível com um pino de conexão, em cuja extremidade encon- tra-se a conexão elétrica. Um pó cerâmico, que usualmente se trata de óxido de magnésio, serve de isolamento elétrico em relação ao tubo de aqueci- mento entre as voltas do arame de aquecimento em forma de espiral. Para as fontes de aquecimento propostas de acordo com a in-

venção, podem ser empregados tubos de aquecimento baratos e resistentes à corrosão, os quais são produzidos a partir de aço refinado (inox) inoxidável ou ligas à base de Cu. Os tubos de aquecimento resistentes à corrosão, produzidos a partir de ligas à base de Cu, apresentam a vantagem adicional de uma condutibilidade térmica muito boa, e além disso, as ligas de Ni-Cr, como por exemplo Inconel 2.4851 ou 2.4633 ou similares, também podem ser empregadas como materiais.

Uma otimização da eliminação de calor do tubo de aquecimento da fonte de aquecimento proposta de acordo com a invenção ocorre por meio de sua configuração em espessura fina de parede, que tipicamente comporta poucos décimos até alguns décimos de mm ou por meio de um aumento da estruturação da superfície por meio de estrias, rugosidades ou uma estrutura semelhante a uma bola de golfe, bem como por meio de apli- cação de um enchimento. No caso de um enchimento do tubo de aqueci- mento, emprega-se, de preferência, MgO em partes finas como pó de isola- mento e pó condutor de calor.

Já que é preciso levar em conta que um motor de combustão

interna operado com álcool também é operado com gasolina pura e com uma mistura de álcool e gasolina, então é preciso levar em conta o ponto de inflamação da gasolina que se situa aproximadamente em 300eC. Portanto, é importante um dispositivo de proteção contra superaquecimento que reaja rapidamente, o qual impeça de modo confiável que a superfície da fonte de aquecimento proposta de acordo com a invenção atinja a temperatura de ignição da mistura de combustível e que a temperatura máxima na superfície do aquecedor comporte no máximo 250SC.

Como elemento de aquecimento do aquecedor de combustível proposto de acordo com a invenção, integrado ao sistema de injeção, em- prega-se um arame metálico em forma espiral, que apresente uma resistên- cia elétrica específica de 0,07 μΩιτι até 0,6 μΩηι a 209C. O aumento da re- sistência com uma temperatura ascendente deve ser o mais alto possível. Com essa forma de execução de fato não é possível uma auto-regulagem, mas a resistência também aumenta quando aumenta a temperatura do ele- mento de aquecimento. Isso é identificado por um aparelho de controle, de tal modo que o elemento de aquecimento possa ser desligado. Junto com isso há a vantagem de que a resistência do elemento de aquecimento tam- bém aumenta quando apenas uma pequena parte do elemento de aqueci- mento superaquecer. Isso pode ser muito facilmente provocado pela forma- ção de bolhas de gás (ar, vapor de combustível) no combustível. Uma solu- ção com um sensor de temperatura instalado tradicionalmente só descobriria esse superaquecimento local se o ponto com o sensor de temperatura se localizasse dentro das bolhas de gás. Esse risco é evitado pelo emprego de um elemento de aquecimento cujo aumento de resistência recaia ao mais alto possível com a temperatura ascendente, isto é, o elemento de aqueci- mento apresenta um forte aumento de sua resistência elétrica junto com uma temperatura ascendente. Desenho

A seguir, a invenção será descrita detalhadamente com base no

desenho.

Da única figura pode-se deduzir um corte longitudinal através do

aquecedor de combustível integrado ao sistema de injeção, proposto de a- cordo com a invenção. Variantes de Execução

Do desenho pode-se deduzir um exemplo de execução do aque- cedor de combustível, de preferência integrado ao sistema de injeção de um motor de combustão interna, proposto de acordo com a invenção. O aque- cedor de combustível compreende um plugue arredondado 1, que represen- ta a conexão positiva do aquecedor de combustível integrado ao sistema de injeção do motor de combustão interna. O plugue arredondado 1 está isola- do por um disco isolante 2 em relação a uma caixa 4 do aquecedor de com- bustível integrado ao sistema de injeção. Entre o disco isolante 2 e a caixa 4 pode ser admitida uma vedação de caixa 3, a qual veda a caixa 4 contra in- fluências ambientais externas, tais como água, sujeira ou outros líquidos.

Um pino de conexão 6 se estende através da caixa 4 e está em contato elétrico e mecânico com o plugue arredondado 1. Alternativamente, também pode ser empregado um contato de enrascar no lugar de um plugue arredondado 1, para entrar em contato elétrico com o pino de conexão 6. Entre o pino de conexão 6 e o tubo de aquecimento 7 encontra-se uma ve- dação de corpo de aquecimento 5. O pino de conexão 6 se estende, além disso, através de um tubo de aquecimento 7, o qual encontra-se alojado na perfuração da caixa 4. O tubo de aquecimento 7 apresenta uma espessura de parede 11 de apenas poucos décimos de mm até alguns décimos de mm, tipicamente no mínimo 0,25 mm, de tal modo que fique maximizada a condu- tibilidade térmica do tubo de aquecimento 7. Uma otimização do fornecimen- to de calor ou da condutibilidade térmica pode ser obtida, por um lado, por espessuras de parede finas 11 ou, por outro lado, por um aumento da estru- turação da superfície do tubo de aquecimento 7, de tal modo, por exemplo, por meio da incorporação de estrias em uma superfície rugosa ou semelhan- te a uma bola de golfe na superfície periférica externa da mesma ou também através de um enchimento com MgO de partes finas, que serve de pó de isolamento e condutor térmico.

O pino de conexão 6 envolvido pelo tubo de aquecimento 7 con-

figurado com parede fina entra em contato, por meio de seu lado frontal 13, com o elemento de aquecimento 8 em forma espiral, o qual se estende des- de o lado frontal 13 do pino de conexão 6 para a ponta 15 do aquecedor de combustível integrado ao sistema de injeção, conforme a figura 1. O espaço oco 10, resultante devido à dimensão inferior quanto ao diâmetro do pino de conexão 6 em comparação com o diâmetro interno do tubo de aquecimento 7 configurado com parede fina, é preenchido com um pó cerâmico, como por exemplo óxido de magnésio, o qual serve de isolamento entre o pino de co- nexão 6 e o tubo de aquecimento 7. O tubo de aquecimento 7 do aquecedor de combustível, de pre-

ferência integrado ao sistema de injeção, proposto de acordo com a inven- ção, é produzido a partir de um material barato e resistente à corrosão, como por exemplo aço refinado inoxidável (inox) ou ligas à base de Cu. As ligas à base de Cu para a produção do tubo de aquecimento 7 têm ainda a vanta- gem de uma condutibilidade térmica muito boa. Uma otimização da elimina- ção de calor ocorre por meio da configuração do tubo de aquecimento 7 com espessura de parede 11 muito fina, que tipicamente comporta no mínimo 0,25 mm, ou por meio de um aumento da superfície que elimina o calor de- vido à sua estruturação, como por exemplo por meio de estrias, rugosidades ou uma superfície similar a uma bola de golfe. Além disso, a eliminação de calor a partir do tubo de aquecimento 7 com parede fina, proposto de acordo com a invenção, pode ser melhorada por meio de um enchimento com óxido de magnésio de partes finas servindo de pó isolante e pó condutor de calor. Por isso, a otimização da eliminação de calor do aquecedor de combustível, de preferência integrado ao sistema de injeção do motor de combustão in- terna e proposto de acordo com a invenção, é importante porque o aquece- dor de combustível produz uma potência de calor de 150 W até 250 W. Para dar conta do fato de que um motor de combustão interna operado com álcool também é operado com gasolina pura, a qual apresenta um ponto de inflamação de 300 qCi o aquecedor de combustível, de prefe- rência integrado ao sistema de injeção e proposto de acordo com a inven- ção, é equipado com um dispositivo de proteção contra superaquecimento. Por meio da proteção contra superaquecimento é garantido que a superfície do aquecedor de combustível proposto de acordo com a invenção, especi- almente a superfície do tubo de aquecimento 7, não se eleve à temperatura de ignição da mistura de combustível e que fique garantido que a temperatu- ra máxima da superfície periférica externa do tubo de aquecimento 7 não ultrapasse cerca de 2502C. A proteção contra superaquecimento é garantida devido ao fato de que o elemento de aquecimento 8, de preferência em for- ma espiral e configurado em forma helicoidal, está configurado como arame metálico, o qual apresenta uma resistência elétrica específica de 0,07 püm até 0,6 μΩηι a uma temperatura de 20-C. O material metálico, do qual é pro- duzido o elemento de aquecimento 8 de preferência em forma espiral, apre- senta de preferência um elevado aumento de resistência juntamente com uma temperatura ascendente. Com essa forma de execução, de fato, não é possível nenhuma auto-regulagem, embora com o dispositivo de proteção contra superaquecimento seja garantido que com o aquecedor de combustí- vel aquecendo cada vez mais, também aumente a resistência do elemento de aquecimento 8 e que o valor de resistência seja comparado com um valor limiar. Isso é realizado com um aparelho de controle, que, ao ser alcançado o valor limiar, desliga o abastecimento de corrente do elemento de aqueci- mento 8 através da conexão positiva do pino de conexão 6. Para a identifi- cação de um superaquecimento também pode ser empregada a primeira e/ou a segunda derivação da corrente ao longo do tempo. Após um processo transitório, estabelece-se, em operação normal, um estado de equilíbrio da corrente medida. Após o processo transitório, se a corrente detectada e dife- renciada pelo aparelho de controle divergir do valor diferenciado, isto é, se a derivação ao longo do tempo for zero, então será desligado o fornecimento de corrente do elemento de aquecimento 8. Desse modo é possível detectar um superaquecimento sem a influência de tolerâncias de fabricação.

A vantagem dessas variantes consiste em que um aumento de resistência do aquecedor de combustível também pode ser identificado quando apenas uma parte do aquecedor de combustível superaquecer. Isso pode ser provocado muito facilmente por bolhas de gás no combustível, que são formadas por bolhas de ar ou vapor de combustível. Se um sensor de temperatura fosse integrado ao aquecedor de combustível, então ele só po- deria descobrir uma temperatura ascendente se o ponto de instalação do sensor de temperatura se encontrasse em uma bolha de gás. Por meio da forma de execução do aquecedor de combustível proposto de acordo com a invenção, é garantido que mesmo um superaquecimento de apenas uma pequena parte do aquecedor de combustível pode ser detectado por meio da identificação de uma resistência crescente e é possível reagir a ele por meio de um desligamento. Como se deduz do desenho, o pino de conexão 6 na caixa 4 do

aquecedor de combustível se estende, de preferência, até a extremidade inferior da caixa 4. O pino de conexão 6 pode ser projetado mais curto ou mais longo, ajustado ao comprimento do elemento de aquecimento 8 que de preferência é configurado em forma de espiral. Além disso, na caixa 4 é ad- mitido o tubo de aquecimento 7 e este é fixado ao mencionado pino de co- nexão 6 no interior da caixa 4 mediante a intercalação de uma vedação de corpo de aquecimento 5. O lado frontal 13 do pino de conexão 6 contata o elemento de aquecimento 8 em forma de espiral, o qual se estende através da maior parte do tubo de aquecimento 7, o qual está configurado com es- pessura fina de parede, desde o lado frontal 13 até a ponta 15 do aquecedor de combustível. Um espaço oco 10 dentro do tubo de aquecimento 7 entre o seu lado interno e o elemento de aquecimento 8 em forma de espiral encon- tra-se preenchido, de preferência, com um material isolante tal como, por exemplo, oxido de magnésio. A função do material isolante alojado no espa- ço oco 10, que de preferência é oxido de magnésio, consiste, por um lado, em um isolamento mútuo de cada uma das voltas do elemento de aqueci- mento 8, de preferência em forma espiral, bem como em um isolamento do elemento de aquecimento 8 em forma de espiral em relação à parede de tubo do tubo de aquecimento 7. De resto, o material isolante alojado no es- paço oco 10 melhora o transporte de calor do elemento de aquecimento 8 em forma espiral para o tubo de aquecimento 7. Por fim, o material isolante armazenado no espaço oco 10 serve para uma fixação mecânica do elemen- to de aquecimento 8, de preferência em forma espiral, que se estende, no essencial, pelo comprimento axial do tubo de aquecimento 7. Devido à dis- posição resultante do desenho de um elemento de aquecimento 8, em forma espiral e formando uma só peça, dentro do tubo de aquecimento 7 torna-se possível a emissão de uma alta potência de aquecimento através da parede do tubo de aquecimento 7. Já que o lado externo do tubo de aquecimento 7 é sempre lavado pelo combustível, isto é, fica imerso neste, então o calor formado também é emitido pelo fluido circundante. Enquanto que no caso das velas de pino incandescente do estado da técnica, em primeiro lugar é aquecida a sua ponta 15, já no caso do aquecedor de combustível proposto de acordo com a invenção ocorre um aquecimento uniforme de toda a super- fície periférica externa do tubo de aquecimento 7 abaixo da caixa 4. Com isso cria-se a maior superfície possível de transmissão de calor, de tal modo que o combustível armazenado no sistema de injeção, como álcool, por e- xemplo, possa ser aquecido rapidamente. O aquecedor de combustível pro- posto de acordo com a invenção não requer nenhum resfriamento, pois o meio que o envolve, isto é, o combustível, absorve o calor gerado pelo a- quecedor de combustível e o elimina do aquecedor de combustível.

No aquecedor de combustível proposto de acordo com a inven- ção, emprega-se especialmente um elemento de aquecimento 8 que está configurado como um arame metálico em forma espiral, o qual apresenta uma resistência elétrica específica de 0,07 μΩιη até 0,6 μΩιτι a uma tempe- ratura de 20QC. De preferência, emprega-se um material metálico que apre- sente o efeito PTC, isto é, que apresente uma elevação acentuada de resis- tência com uma temperatura crescente. Quando o aquecedor de combustí- vel proposto de acordo com a invenção tornar-se mais quente, aumenta também a sua resistência, o que também pode ser identificado por um apa- relho de controle, o qual, nesse caso, desliga o aquecedor de combustível proposto de acordo com a invenção. A vantagem do emprego de um materi- al que apresenta um aumento muito forte da resistência a uma temperatura crescente consiste em que também pode ser identificado quando apenas uma pequena parte do aquecedor superaquece, pois nesse caso a resistên- cia do aquecedor de combustível proposto de acordo com a invenção tam- bém aumenta. O superaquecimento de apenas uma pequena parte do aque- cedor de combustível proposto de acordo com a invenção pode ser provoca- do pelo fato de que na circunferência externa do tubo de aquecimento 7 Ιο- ί 0 caliza-se uma bolha de gás que, nesse caso, pode levar a um aumento da temperatura local na superfície de revestimento do tubo de aquecimento 7 que envolve o elemento de aquecimento 8.

Devido à seleção do material metálico, do qual é produzido, de preferência, o elemento de aquecimento 8 helicoidal, em forma espiral, e que apresenta um forte efeito PTC, é possível registrar imediatamente um au- mento de temperatura desse tipo, mesmo que ocorra apenas localmente na periferia do aquecedor de combustível, e é possível executar um desliga- mento do aquecedor de combustível por intermédio do aparelho de controle do aquecedor de combustível proposto de acordo com a invenção.

Claims

1. Dispositivo para o aquecimento de combustível, especialmen- te de álcool, para a operação de motores de combustão interna, que são operados com álcool ou com uma mistura de álcool e gasolina, sendo que o dispositivo para o aquecimento de combustível acha-se integrado a um sis- tema de injeção do motor de combustão interna que pode ser operado com álcool ou com uma mistura de álcool e gasolina, caracterizado pelo fato de que ele apresenta uma caixa (4) e um tubo de aquecimento (7) de parede fina, o qual envolve um elemento de aquecimento (8) de um material que apresenta um aumento de sua resistência elétrica a uma temperatura cres- cente.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície emissora de calor do corpo de aquecimento (7) em forma tubular acha-se aumentada por meio de estrias ou por uma estru- tura rugosa.

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um espaço oco (10) remanescente entre o corpo de aque- cimento (7) em forma tubular, o pino de conexão (6) contatado eletricamente e o elemento de aquecimento (8) em forma espiral encontra-se cheio com um material isolante, e que o material isolante é um material cerâmico, de preferência óxido de magnésio.

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento (8) se estende, no essencial, por todo o comprimento do tubo de aquecimento (7) desde o lado inferior da caixa (4) até a ponta (15) do tubo de aquecimento (7), de tal modo que o elemento de aquecimento (8) aqueça uniformemente a maior superfície pos- sível do tubo de aquecimento (7).

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento (8) está projetado em forma helicoidal como um componente e se estende desde um lado frontal (13) de um pino de conexão (6) continuamente até a ponta (15) do tubo de aqueci- mento (7).

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resistência elétrica específica do material do elemento de aquecimento (8) comporta entre 0,07 pQm até 0,6 μΩητι a 20-C.

7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é previsto um dispositivo de proteção contra superaqueci- mento.

8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de proteção contra superaquecimento apre- senta meios que detectam o aumento da resistência elétrica do elemento de aquecimento (8) a uma temperatura crescente e que desligam o fornecimen- to de corrente do elemento de aquecimento (8) ao ser alcançado um valor limiar.

9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de proteção contra superaquecimento apre- senta meios que detectam e diferenciam a corrente através do elemento de aquecimento (8) e que desligam o fornecimento de corrente do elemento de aquecimento (8) no caso de um desvio da derivação no tempo em relação ao valor zero.

10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, de preferência, ele está integrado a um sistema de injeção do motor de combustão interna.

11. Emprego de uma vela de pino incandescente metálica como dispositivo para o aquecimento de combustível como definido em no mínimo uma das reivindicações anteriores.