BRPI0802478A2 - processo e equipamento para a alimentaÇço de combustÍvel para motores de combustço interna alternativos - Google Patents

Abstract

PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA A ALIMENTAÇçO DE COMBUSTÍVEL PARA MOTORES DE COMBUSTçO INTERNA ALTERNATIVOS. A presente invenção se refere a um processo e equipamento, para sua realização, para a alimentação de combustível para motores de combustão interna alternativos em ciclos de 2 ou 4 tempos que pode ser utilizado em motores de combustível único ou multi-combustível, de ciclo Otto, Diesel ou ciclo misto. O objetivo da invenção é alimentar o motor com combustível com elevada energia térmica a fim de aumentar a velocidade de evaporação e difusão do combustível na sua mistura com o ar admitido o que aumenta a quantidade do combustível queimado no tempo de expansão do motor, tendo como consequência um aumento no rendimento e no desempenho do motor. O processo consiste em aquecer o líquido combustível sob pressão para minimizar a formação da fase gasosa antes da injeção. E, alimentar as fases gasosa e líquida ao motor separadamente. Dependendo da pressão e da temperatura a que for submetido o líquido combustível, puro ou composto, não haverá formação de fase gasosa, a menos do desprendimento de gases dissolvidos no liquido antes do aquecimento.

Description

"PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA A ALIMENTAÇÃO DECOMBUSTÍVEL PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNAALTERNATIVOS".

A presente invenção se refere a um processo para a alimentação decombustível para motores de combustão interna alternativos em ciclos de 2 ou 4tempos. Esse processo pode ser utilizado em motores de combustível único ou multi-combustível, de ciclo Otto, Diesel ou ciclo misto.

O processo atual de alimentação dos motores utiliza a atomização dolíquido combustível a uma temperatura próxima da ambiente. Essa atomização ocorrefora do cilindro, no duto de admissão, ou dentro do cilindro, no intervalo de tempo dotempo de admissão ao tempo motor.

Apesar de o bico injetar pulverizar o combustível em gotículas, estasdevem evaporar e se difundir pelo ar admitido até uma mistura tal que seja possívelinflamar. Este processo de evaporação e difusão requer energia térmica e tempo paraocorrer. A energia térmica para tal processo está disponível no próprio combustível, noar admitido, no cilindro, cabeçote e pistão, e no calor da combustão liberado por partedo combustível que já tenha evaporado e difundido pelo ar. Mas o tempo compreendidoentre a injeção e o fim do tempo de expansão de um ciclo não é suficiente para permitirque esse processo ocorra para todo o combustível injetado. Assim, parte do combustívelqueima no tempo de exaustão e nos dutos de escapamento deixando de fazer pressãosobre o pistão, que é o elemento do motor que transforma energia térmica em energiamecânica.

É conhecido a invenção PI 8402740 que se refere ao processo eequipamento para a alimentação de motores de combustão interna movidos a álcool ououtros combustíveis de composto único.

O objetivo desta invenção é alimentar o motor com o combustível nafase gasosa a fim de aumentar a parcela de energia do combustível convertida emenergia mecânica; e o processo utilizado para vaporizar o combustível é a troca de calorindireta entre os gases de escape e o combustível.O método proposto pela referida invenção tem como inconvenienteuma queda na massa de ar admitida em cada ciclo motor já que o vapor do combustívelirá ocupar grande parte do volume da câmara de combustão, ou seja, do volume quedeveria ser ocupado pelo ar. Dessa forma, com menos ar admitido menos combustívelpoderá ser injetado.

Tal efeito é o mesmo que ocorre nos motores aspirados originalmentealimentados por combustíveis líquidos após serem modificados para receber gás.

É conhecido também a PI 0701375-2 A com o mesmo objetivo dainvenção acima citada.

Nesta invenção o inconveniente é o funcionamento do compressor oqual opera com desempenho dependente da carga e da rotação. Ou seja, a temperatura ea pressão da descarga de ar do compressor para o motor não será constante o queprejudicará a evaporação do combustível, em algumas faixas de carga e rotação domotor, ocasionando uma sensível perda de rendimento térmico em relação aopretendido.

Além disso, será aquecido o combustível já injetado no duto deadmissão do motor, assim, o combustível terá pouco tempo para evaporar antes dechegar ao cilindro, pois, terá de trocar calor com o ar quente para evaporar. E, ocombustível já evaporado ocupará espaço do ar, ocasionando perda de desempenho comrelação ao pretendido.

A presente invenção é um processo e equipamento com o objetivo de .aumentar a energia térmica do combustível antes da injeção para aumentar a velocidadede evaporação e difusão, dessa forma aumentando a parcela do combustível que queimaantes do tempo de exaustão e, também, a parcela de combustível queimadacompletamente, diminuindo as emissões de monóxido de carbono e de hidrocarbonetosnão queimados; esses efeitos da invenção levam a um aumento no rendimento e napotência do motor.

No diagrama da figura 7, temperatura versus entropia específica paraum líquido puro qualquer, que pode ser encontrado em manuais de termodinâmica, ondePi é maior que P2, vê-se que a temperatura de ebulição à Pi é maior que a temperaturade ebulição à P2. Assim, quanto mais alta a pressão mais alta será a temperatura deebulição.No diagrama da figura 7 vê-se que se do estado 1, faz-se umaexpansão adiabática isoentálpica para o estado 2, há vaporização de líquido. A estaevaporação dá-se o nome de auto-evaporação, já que a energia consumida navaporização estava contida no próprio líquido.

Há que se notar que mesmo no aquecimento de líquidos puros semmudança de fase há uma pequena formação de fase gasosa, mas esta é formada pelodesprendimento de gases dissolvidos no líquido antes do aquecimento.

Para líquidos compostos o ponto de ebulição é definido, também, pelafração de cada um dos compostos na mistura. Assim, definida uma composição delíquido e uma pressão tem-se uma temperatura de ebulição; ou definida umacomposição e uma temperatura, está definida a pressão de ebulição, obviamente dentroda faixa de pressão, temperatura e composição em que é possível ocorrer mudança defase.

O diagrama da figura 8, Pressão versus composição (fração molar)para o sistema 2-metilpropanol (A) - propanol-2 (B) a 60°C [Moore, J. Walter. Físico-Química. Tradução do original em Inglês: Physical Chemistry. Editora Ao LivroTécnico S.A. e Editora da Universidade de São Paulo. Rio de Janeiro, 1968. Página149] mostra o fenômeno.

No diagrama da figura 8 vê-se que se a composição do líquido forXA=XB= 0,5 e a pressão for P2 ~ 250 mm Hg a mistura a 60 °C não está em ebulição,pois está no campo da fase líquida. Mas baixando a pressão até o ponto B do diagrama amistura entra em ebulição e a primeira porção de vapor formada tem a composiçãodeterminada pelo ponto A, que é aproximadamente Xa= 0,25 e XB= 0,75. Seguindo oabaixamento de pressão, isotermicamente, do ponto B para o ponto D, ter-se-á no pontoD, a composição do líquido determinada pelo ponto C, que é aproximadamente Xa=0,65 e Xb= 0,35 e a do vapor, determinada pelo ponto E, que é aproximadamente XA=0,35 e XB= 0,65. Até que chegando ao ponto F ter-se-á somente vapor com acomposição inicial, como era de se esperar.

A simulação acima foi isotérmica e para manter a temperatura estável,do início ao fim o processo de vaporização, a mistura, obviamente, teve de receberenergia térmica. No caso de fazer uma expansão adiabática isoentálpica a temperaturada mistura cairia devido à ocorrência de auto-evaporação, mas da mesma forma comona vaporização isotérmica, a composição do vapor será diferente da do liquido, a menosque todo o líquido seja vaporizado.

Esse fenômeno de vaporização é válido para todas as misturascompostas por dois ou mais líquidos.

Sendo assim, a presente invenção se refere a um processo que aqueceo líquido combustível sob pressão para minimizar a formação da fase gasosa antes dainjeção. E, as fases gasosa e líquida são alimentadas ao motor separadamente.Dependendo da pressão e da temperatura a que for submetido o líquido combustível,puro ou composto, não haverá formação de fase gasosa, a menos do desprendimento degases dissolvidos no líquido antes do aquecimento.

A fase líquida, quando injetada, sofre auto-evaporação devido àqueda de pressão. Essa evaporação pode ser parcial ou total, dependendo da temperaturaa que foi aquecido o combustível. Quanto mais aquecido o combustível mais dele seráevaporado. E, quanto menor a pressão após a injeção, também, maior será a evaporação.

Em relação aos processos de atomização, aquecimento e evaporação,pelos quais os combustíveis líquidos devem passar num motor convencional, a auto-evaporação pode ser considerada um processo instantâneo.

Assim, devido à velocidade do fenômeno de àuto-evaporação aexpansão do combustível da fase líquida para a gasosa provocará forte turbulência namistura ar/combustível, o que beneficia a atomização da parte do combustível nãoevaporada e também uma rápida difusão da fase gasosa levando a um aumento daparcela de combustível queimada no tempo de expansão, ou seja, a um aumento naeficiência e no desempenho do motor.

A alimentação de combustível, nas fases líquida e gasosa, pode ser nocoletor de admissão, na chamada injeção indireta, ou dentro do cilindro, na chamadainjeção direta.

Obviamente, na injeção indireta a fração gasosa do combustíveltomará espaço do ar, ocasionando perda de potência. Para minimi/ar essa ocorrênciapode-se proceder a injeção no tempo em que a válvula de admissão estiver aberta,aproveitando a alta velocidade de injeção do combustível para forçá-lo para dentro docilindro junto com o ar; dessa forma também se aproveita a elevada energia cinética dojato de combustível para impelir o ar para dentro do cilindro.

Na injeção direta, por estar à alta pressão, o combustível pode serinjetado nos tempos de admissão, compressão e motor.

Injetado no tempo de admissão a fase líquida do combustível iráevaporar e poderá ocupar uma parte do volume que poderia ser preenchido pelo ar,ocasionando queda na quantidade de ar admitida com relação a um motor alimentadopelo processo convencional. Mas, quanto mais próximo do final do tempo de admissãose iniciar a injeção de combustível menor será a intensidade desse fenômeno.

Abaixo segue a explicação do processo para a alimentação decombustível com base na figura 1 que mostra o esquema básico de um equipamentopara a realização do processo.

O líquido combustível (C) após passar pela válvula unidirecional (1)segue para a bomba de alta pressão (2). O líquido combustível a alta pressão segue parao trocador de calor (3) onde é pré-aquecido na troca de calor com a água deresfriamento ou óleo lubrificante (A e B), que foram aquecidos no processo deresfriamento ou lubrificação do motor (13), respectivamente. O combustível pré-aquecido segue para o separador de fases (4). Do separador de fases (4) sai a faselíquida (CL), à.alta pressão, que segue para o aquecedor principal (5) onde troca calorcom os gases quentes (E) da exaustão do motor (13); e a fase gasosa (CG), compostapor gases e vapores do combustível, segue à baixa pressão para o tê (6) de onde seguirápara a admissão (8) do motor (13) pelo bocal (7). Após ser aquecido em (5) ocombustível líquido (CL) segue para o separador de fases (9) de onde a fase líquida(CL1) segue, à alta pressão e temperatura, para o injetor (10) no coletor de admissão (8)do motor (13) e a fase gasosa (CG1), à baixa pressão, segue para o bocal (7) no coletorde admissão (8). De acordo com a necessidade de aquecimento do combustível aválvula (11) abre ou fecha levando mais gases quentes (E) para o trocador de calor (5)ou diretamente para a tubulação de escape por meio de (12).

Dos separadores de fase (4) e (9) o líquido sai à alta pressão para quenão ocorram novos desprendimentos de gases dissolvidos no líquido ou evaporação docombustível.Na parada do motor a bomba (2) pára de recalcar o combustível eentão a válvula unidirecional (1) não permite o retorno de combustível aquecido parafora do sistema, o que levaria a formação de vapor dentro da tubulação e dentro dabomba (2) e na re-partida do motor (13) a bomba (2) não operaria de maneira estável, etambém, poderia ocasionar golpes de aríete na tubulação de recalque da bomba (2).Assim, quando parado, conforme o combustível do sistema esfria a retração térmica dolíquido faz com que a pressão do sistema baixe. Voltando o motor ao funcionamento abomba (2) volta a funcionar tendo na tubulação de líquido do sistema somentecombustível na fase líquida.

Claims (11)

1. PROCESSO para a alimentação de combustível líquido puro, sejahidratado azeotrópico ou anidro, para motor de combustão interna alternativo no qual olíquido combustível é aquecido na troca de calor indireta com os gases quentesrejeitados pelo motor caracterizado por, de acordo com a figura 2, submeter ocombustível líquido (C) à pressão (2) acima da pressão de vaporização do combustívelna temperatura a que é aquecido na troca de calor (3) com os gases de escape (E) domotor (9); após o aquecimento (3) o combustível segue para a separação de fases (4),para a retirada dos gases que se desprenderam do líquido no aquecimento (3); daseparação de fases (4) o líquido (CL) à alta pressão e temperatura segue para a injeçãodosadora de combustível líquido (5) quando sofre auto-evaporação formando a misturaar/combustível (6); os gases (CG) à baixa pressão seguem para a injeção de gases (7)para a formação da mistura ar/combustível (6).

2. PROCESSO para a alimentação de combustível líquido puro, sejahidratado azeotrópico ou anidro, para motor de combustão interna alternativo, de acordocom a reivindicação 1, caracterizado por, de acordo com a figura 1, submeter o líquidocombustível (C) à alta pressão (2) e aquecê-lo (3) na troca de calor com o óleolubrificante (A e B), que foi aquecido no processo de lubrificação do motor (13); ocombustível aquecido em (3) segue para a separação de fases (4) de onde a fase líquida(CL) à alta pressão segue para o aquecimento (5) e a fase gasosa (CG) segue para ainjeção de gases (7) para a formação da mistura ar/combustível (8).

3. PROCESSO para a alimentação de combustível líquido puro, sejahidratado azeotrópico ou anidro, para motor de combustão interna alternativo, de acordocom a reivindicação 1, caracterizado por, de acordo com a figura 1, submeter o líquidocombustível (C) à alta pressão (2) e aquecê-lo (3) na troca de calor com a água deresfriamento (A e B), que foi aquecida no processo de refrigeração do motor (13); ocombustível aquecido em (3) segue para a separação de fases (4) de onde a fase líquida(CL) à alta pressão segue para o aquecimento (5) e a fase gasosa (CG) segue para a injeção de gases (7) para a formação da mistura ar/combustível (8).

4. PROCESSO para a alimentação de combustível líquido para motorde combustão interna alternativo multi-combustível no qual o líquido combustível éaquecido na troca de calor indireta com os gases quentes rejeitados pelo motorcaracterizado por, de acordo com a figura 3, submeter o combustível líquido (C) à alta pressão (2) para em seguida aquecê-lo na troca de calor (3) com os gases de escape (E)do motor (9); após o aquecimento (3) o combustível segue para a separação de fases (4),para a retirada da fase gasosa formada no aquecimento (3); da separação de fases (4) olíquido (CL) à alta pressão e temperatura segue para a injeção dosadora de combustívellíquido (5) quando sofre auto-evaporação formando a mistura ar/combustível (6); osgases (CG) à baixa pressão seguem para a injeção dosadora de gases (7) para aformação da mistura ar/combustível (6).

5. PROCESSO para a alimentação de combustível líquido para motorde combustão interna alternativo multi-combustível, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado por, de acordo com a figura 4, submeter o líquido combustível (C) à altapressão (2) e aquecê-lo (3) na troca de calor com o óleo lubrificante (A e B), que foiaquecido no processo de lubrificação do motor (13); o combustível aquecido em (3)segue para a separação de fases (4) de onde a fase líquida (CL) à alta pressão segue parao aquecimento (5) e a fase gasosa (CG) segue para a injeção dosadora de gases (7) paraa formação da mistura ar/combustível (8).

6. PROCESSO para a alimentação de combustível líquido para motorde combustão interna alternativo multi-combustível, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado por, de acordo com a figura 4, submeter o líquido combustível (C) à altapressão (2) e aquecê-lo (3) na troca de calor com a água de resfriamento (A e B), que foiaquecida no processo de refrigeração do motor (13); o combustível aquecido em (3)segue para a separação de fases (4) de onde a fase líquida (CL) à alta pressão segue parao aquecimento (5) e a fase gasosa (CG) segue para a injeção dosadora de gases (7) paraa formação da mistura ar/combustível (8).

7. EQUIPAMENTO para a realização do processo reivindicado em 1,--2 e 3 caracterizado por, de acordo com a figura 1, ser constituído por uma válvula unidirecional (1), uma bomba de alta pressão (2) para recalcar o combustível (C), umtrocador de calor (3) para a troca de calor entre o combustível (C) e o óleo lubrificanteou a água de resfriamento (A e B) do motor (13), um trocador de calor (5) para a trocade calor entre o combustível na fase líquida (CL) e os gases de escape (E) do motor(13), dois separadores de fase (4) e (9), para a retirada dos gases à baixa pressão (CG) e(CG1) que se desprenderam do líquido no aquecimento nos trocadores de calor (3) e (5),respectivamente; um tubo com bocal (7) para a drenagem dos gases (CG) e (CG1) paradentro do coletor de admissão (8) do motor (13), um bico injetor dosador (10) para ainjeção do combustível líquido aquecido à alta pressão (CL1) dentro do coletor deadmissão (8) do motor (13) e uma válvula (11) de regulagem de vazão de gases deescape (E) do motor (13) para o trocador de calor (5).

8. EQUIPAMENTO para a realização do processo reivindicado em 4,-5 e 6 caracterizado por, de acordo com a figura 4, ser constituído por uma válvulaunidirecional (1), uma bomba de alta pressão (2) para recalcar o combustível (C), umtrocador de calor (3) para a troca de calor entre o combustível (C) e o óleo lubrificanteou a água de resfriamento (A e B) do motor (13), um trocador de calor (5) para a trocade calor entre o combustível na fase líquida (CL) e os gases de escape (E) do motor(13), dois separadores de fase (4) e (9), para a retirada da fases gasosas à alta pressão(CG) e (CG1) que se desprenderam do líquido no aquecimento nos trocadores de calor(3) e (5), respectivamente; um bico injetor dosador (7) para a injeção das correntesgasosas (CG) e (CG1) para dentro do coletor de admissão (8) do motor (13), um bico injetor dosador (10) para a injeção do combustível líquido aquecido (CL1) dentro docoletor de admissão (8) do motor (13) e uma válvula (11) de regulagem de vazão degases de escape (E) do motor (13) para o trocador de calor (5).

9. EQUIPAMENTO para a realização do processo reivindicado em 1,-2 e 3 caracterizado por, de acordo com a figura 5, ser constituído por uma válvula unidirecional (1), uma bomba de alta pressão (2) para recalcar o combustível (C), umtrocador de calor (3) para a troca de calor entre o combustível (C) e o óleo lubrificanteou a água de resfriamento (A e B) do motor (13), um trocador de calor (5) para a trocade calor entre o combustível na fase líquida (CL) e os gases de escape (E) do motor(13), dois separadores de fase (4) e (9), para a retirada dos gases (CG) e (CG1) à baixa pressão que se desprenderam do líquido no aquecimento nos trocadores de calor (3) e(5), respectivamente; um tubo com bocal (7) para a drenagem dos gases (CG) e (CG1)para dentro do coletor de admissão (8) do motor (13), um bico injetor dosador (10) paraa injeção do combustível líquido aquecido (CL1) dentro do cilindro do motor (13) euma válvula (11) de regulagem de vazão de gases de escape (E) do motor (13) para otrocador de calor (5).

10.

EQUIPAMENTO para a realização do processo reivindicado em-4, 5 e 6 caracterizado por, de acordo com a figura 6, ser constituído por uma válvulaunidirecional (1), uma bomba de alta pressão (2) para recalcar o combustível (C), umtrocador de calor (3) para a troca de calor entre o combustível (C) e o óleo lubrificanteou a água de resfriamento (A e B) do motor (13), um trocador de calor (5) para a trocade calor entre o combustível na fase líquida (CL) e os gases de escape (E) do motor(13), dois separadores de fase (4) e (9), para a retirada das fases gasosas (CG) e (CG1) àalta pressão evaporadas do combustível líquido no aquecimento nos trocadores de calor(3) e (5), respectivamente; um bico injetor dosador (7) para a injeção das correntesgasosas (CG) e (CG1) para dentro do cilindro do motor (13), um bico injetor dosador(10) para a injeção do combustível líquido aquecido à alta pressão (CL1) dentro docilindro do motor (13) e uma válvula (11) de regulagem de vazão de gases de escape (E)do motor (13) para o trocador de calor (5).