BRPI0804103A2

BRPI0804103A2 - método de controle para um sistema de injeção direta do tipo tubo comum provido de uma válvula de interrupção para controlar a vazão de uma bomba de combustìvel de alta pressão

Info

Publication number: BRPI0804103A2
Application number: BRPI0804103-2A
Authority: BR
Inventors: Gabriele Serra; Cesare Matteo De
Original assignee: Magneti Marelli Powertrain Spa
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-07-27
Also published as: ATE480702T1; US20090105929A1; DE602007009109D1; CN101418762B; EP2039920B1; EP2039920A1; CN101418762A; US7856960B2

Abstract

MéTODO DE CONTROLE PARá UM SISTEMA DE INJEçãO DIRETA DO TIPO TUBO COMUM PROVIDO DE UMA VáLVULA DE INTERRUPçãO PARA CONTROLAR A VAZãO DE UMA BOMBA DE COMBUSTìVEL DE ALTA PRESSãO. Trata-se de um método de controle de um sistema de injeção direta (1) do tipo tubo comum provido de uma válvula de interrupção (24) para controlar a vazão de uma bomba de combustível de alta pressão (6); o método de controle compreendendo as etapas de: alimentar o combustível pressurizado a um tubo comum (5) por meio de uma bomba de alta pressão (6) que recebe o combustível através da válvula de interrupção (24); controlar ciclicamente a abertura e o fechamento da válvula de interrupção (24) para restringir a vazão de combustível extraída pela bomba de alta pressão (6); ajustar a vazão de combustível extraída pela bomba de alta pressão (6) variando a razão entre a duração do tempo de abertura e a duração do tempo de fechamento da válvula de interrupção (24); determinar um valor limite inferior do tempo de abertura da válvula de interrupção (24); e ajustar a frequência de acionamento da válvula de interrupção (24) de modo que o tempo real de abertura da válvula de interrupção (24) fique sempre acima do valor limite inferior.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invençãopara "MÉTODO DE CONTROLE PARA UM SISTEMA DE INJEÇÃO DIRETA DO TIPO TUBO COMUM PROVIDODE UMA VÁLVULA DE INTERRUPÇÃO PARA CONTROLAR A VAZÃO DE UMA BOMBA DECOMBUSTÍVEL DE ALTA PRESSÃO".

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se a um método decontrole de um sistema de injeção direta do tipo tubo comummunido de uma válvula de interrupção para controlar a vazão deuma bomba de combustível de alta pressão.

ESTADO DA TÉCNICA

Em um sistema de injeção direta do tipo tubocomum, uma bomba de alta pressão recebe um fluxo decombustível de um tanque por meio de uma bomba de baixapressão e alimenta o combustível a um tubo comum conectadohidraulicamente a vários injetores. A pressão do combustíveldentro do tubo comum deve ser controlada constantemente deacordo com o ponto do motor ou pela variação da vazãoinstantânea da bomba de alta pressão ou pela alimentaçãoconstante de um excesso de combustível ao tubo comum e peladescarga do excesso de combustível do próprio tubo comum pormeio de um registro. Na maioria das vezes, prefere-se a soluçãode variar a vazão instantânea da bomba de alta pressão porapresentar uma eficiência energética muito maior e não causar osuperaquecimento do combustível.Com o intuito de variar a vazão instantânea dabomba de alta pressão, sugeriu-se uma solução do tipoapresentado no pedido de patente EP0481964A1 ou na patenteUS6116870A1 que descreve o uso de uma bomba de alta pressãode vazão variável capaz de alimentar o tubo comum apenas com aquantidade de combustível necessária para manter a pressão docombustível dentro do tubo comum igual ao valor desejado;especificamente, a bomba de alta pressão é provida de um atuadoreletromagnético capaz de variar a vazão da bomba de alta pressãoa cada instante pela variação do momento de fechamento de umaválvula de admissão da própria bomba de alta pressão.

Como alternativa, a fim de variar a vazãoinstantânea da bomba de alta pressão, sugeriu-se a inserção de umdispositivo de ajuste da vazão a montante da câmara debombeamento compreendendo um gargalo de seçãocontinuamente variável, gargalo este que é controlado de acordocom a pressão necessária dentro do tubo comum.

No entanto, ambas as soluçõessupramencionadas para variar a vazão instantânea da bomba dealta pressão são complexas do ponto de vista mecânico e nãopermitem o ajuste da vazão instantânea da bomba de alta pressãocom muita precisão. Além disso, o dispositivo de ajuste da vazãocompreendendo um gargalo de seção variável apresenta umaseção de introdução pequena no caso de vazões baixas e tal seçãode introdução pequena determina uma perda de pressão localelevada (perda de carga local) que pode comprometer a operaçãocorreta de uma válvula de admissão que ajusta a admissão decombustível na câmara de bombeamento da bomba de altapressão.

Por esse motivo, sugeriu-se uma solução do tipoapresentado no pedido de patente EP1612402A1, que se refere auma bomba de alta pressão compreendendo uma série deelementos de bombeamento operados em movimento recíprocopor meio de cursos de admissão e distribuição correspondentes ena qual cada elemento de bombeamento é provido de uma válvulade admissão correspondente em comunicação com um tubo deadmissão alimentado por uma bomba de baixa pressão. No tubode admissão, é disposta uma válvula de interrupção controlada demaneira dividida para ajustar a vazão instantânea do combustívelalimentado à bomba de alta pressão; em outras palavras, a válvulade interrupção é uma válvula tipo abre/fecha (liga/desliga) que éacionada modificando-se a razão entre a duração do tempo deabertura e a duração do tempo de fechamento de modo a variar avazão instantânea do combustível alimentado à bomba de altapressão. Desse modo, a válvula de interrupção sempre apresentauma seção de introdução ampla e eficaz que não resulta em umaperda considerável da pressão local (perda de carga local).

Nas várias condições de operação do motor, abomba de alta pressão precisa ser capaz de fornecer com precisãouma vazão bastante variável (nenhuma vazão na operação de"interrupção" ou a vazão máxima na operação de potênciamáxima); é importante que a vazão do combustível fornecido àbomba de alta pressão seja precisa porque a vazão do combustívelfornecido pela bomba de alta pressão afeta diretamente a pressãodo combustível dentro do tubo comum e, como resultado,qualquer irregularidade na vazão do combustível fornecido pelabomba de alta pressão gera uma irregularidade correspondente napressão do combustível dentro do tubo comum. Nos sistemas deinjeção direta do tipo tubo comum comercializados atualmente,providos de uma válvula de interrupção tipo liga/desliga,observou-se que a pressão do combustível dentro do tubo comumgeralmente apresenta irregularidades sob velocidades lentas domotor, isto é, quando uma quantidade pequena de combustível éinjetada pelos injetores e, dessa forma, a vazão do combustívelfornecido pela bomba de alta pressão é baixa.

REVELAÇÃO DA INVENÇÃO

O objetivo da presente invenção é o de oferecerum método de controle de um sistema de injeção direta do tipotubo comum provido de uma válvula de interrupção para controlara vazão de uma bomba de combustível de alta pressão, tal métodode controle sendo livre das desvantagens supramencionadas e, emespecial, sendo de implementação fácil e de custo compensador.

De acordo com a presente invenção, propõe-seum método de controle de um sistema de injeção direta do tipotubo comum provido de uma válvula de interrupção para controlara vazão de uma bomba de combustível de alta pressão conformereivindicado nas reivindicações anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSA presente invenção será descrita a seguir comreferência ao desenho concomitante, o qual ilustra umaconcretização não-restritiva dela; mais especificamente, a figuraconcomitante é uma vista diagramática de um sistema de injeçãodo tipo tubo comum que implementa o método de controle objetoda presente invenção.

CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS DAINVENÇÃO

Na figura concomitante, o número 1 indica,como um todo, um sistema do tipo tubo comum para a injeçãodireta de combustível em um motor de combustão interna 2munido de quatro cilindros 3. O sistema de injeção 1 compreendequatro injetores 4, cada um dos quais apresenta um sistema deacionamento hidráulico por agulha e é adaptado para injetar ocombustível diretamente dentro de um cilindro correspondente 3do motor 2 e receber o combustível pressurizado a partir de umtubo comum 5.

Uma bomba de alta pressão de vazão variável 6alimenta o combustível ao tubo comum 5 por meio de um tubo dedistribuição 7. Por sua vez, a bomba de alta pressão 6 éalimentada por uma bomba de baixa pressão 8 por meio de umtubo de admissão 9 da bomba de alta pressão 6. A bomba de baixapressão 8 é disposta dentro de um tanque de combustível 10, noqual termina um canal de descarga 11 do combustível em excessodo sistema de injeção 1, tal canal de descarga 11 recebendo ocombustível em excesso tanto dos injetores 4 quanto de umaválvula mecânica de alívio de pressão 12, que é acopladahidraulicamente ao tubo comum 5. A válvula de alívio de pressão12 é calibrada para se abrir automaticamente quando a pressão docombustível dentro do tubo comum 5 exceder um valor desegurança que assegura a estanqueidade e a segurança do sistemade injeção 1.

Cada injetor 4 é adaptado para injetar umaquantidade variável de combustível dentro do cilindro 3correspondente sob o controle de uma unidade eletrônica decontrole 13. Como mencionado anteriormente, os injetores 4 têmum atuador de agulha hidráulico e são, assim, conectados ao canalde descarga 11, o qual apresenta uma pressão ligeiramente maiordo que a pressão ambiente e termina a montante da bomba debaixa pressão 8 diretamente dentro do tanque 10. Para seuacionamento, isto é, para injetar combustível, cada injetor 4 extraicerta quantidade de combustível pressurizado que é descarregadono canal de descarga 11.

A unidade eletrônica de controle 13 é conectadaa um sensor de pressão 14 que detecta a pressão do combustíveldentro do tubo comum 5 e, de acordo com a pressão docombustível dentro do tubo comum 5, controla, por um processode realimentação, a vazão da bomba de alta pressão 6; dessaforma, a pressão do combustível dentro do tubo comum 5 émantida igual ao valor desejado, que geralmente varia com otempo de acordo com a situação do motor (isto é, de acordo comas condições de operação do motor 2).A bomba de alta pressão 6 compreende um parde elementos de bombeamento 15, cada um formado por umcilindro 16 contendo uma câmara de bombeamento 17, na qualum pistão móvel 18 desliza em movimento recíprocoimpulsionado por um carne 19 acionado por uma transmissãomecânica 20 que recebe o movimento de um eixo cardã 21 domotor de combustão interna 2. Cada câmara de compressão 17 éprovida de uma válvula de admissão 22 correspondente, emcomunicação com o tubo de admissão 9, e uma válvula dedistribuição 23 correspondente, em comunicação com o tubo dedistribuição 7. Os elementos de bombeamento 15 são acionadosde forma recíproca em oposição de fases e, portanto, ocombustível enviado à bomba de alta pressão 6 através do tubo deadmissão 9 é extraído apenas por um elemento de bombeamento15 de cada vez, que, naquele momento, está realizando o curso deadmissão (no mesmo momento, a válvula de admissão 22 dooutro elemento de bombeamento 15 está certamente fechada,estando o outro elemento de bombeamento 15 na fase decompressão).

Ao longo do tubo de admissão 9, é disposta umaválvula de interrupção 24, apresentando um acionamentoeletromagnético, que é controlada pela unidade eletrônica decontrole 13 e é do tipo abre/fecha (liga/desliga); em outraspalavras, a válvula de interrupção 24 só pode ficar ou em umaposição totalmente aberta ou em uma posição totalmente fechada.

De forma específica, a válvula de interrupção 24 apresenta umaseção de introdução ampla e eficaz de modo a permitir aalimentação suficiente de cada elemento de bombeamento 17 semcausar nenhuma queda de pressão.

A vazão da bomba de alta pressão 6 écontrolada apenas utilizando-se a válvula de interrupção 24 que écontrolada de forma dividida pela unidade eletrônica de controle13 de acordo com a pressão do combustível no tubo comum 5. Deforma específica, a unidade eletrônica de controle 13 determinaum valor de pressão de combustível desejado dentro do tubocomum 5 a cada instante de acordo com a situação do motor e,como conseqüência, ajusta a vazão instantânea do combustívelalimentado pela bomba de alta pressão 6 ao tubo comum 5 paraatingir o valor desejado da pressão do combustível dentro dopróprio tubo comum 5; a fim de ajustar a vazão instantânea docombustível alimentado pela bomba de alta pressão 6 ao tubocomum 5, a unidade eletrônica de controle 13 ajusta a vazãoinstantânea do combustível extraído pela bomba de alta depressão 6 por meio da válvula de interrupção 24 variando-se arazão entre a duração do tempo de abertura e a duração do tempode fechamento da válvula de interrupção 24. Em outras palavras,a unidade eletrônica de controle 13 controla ciclicamente aabertura e o fechamento da válvula de interrupção 24 a fim derestringir a vazão do combustível extraída pela bomba de altapressão 6 e ajusta a vazão do combustível recebido pela bomba dealta pressão 6 variando a razão entre a duração do tempo deabertura e a duração do tempo de fechamento da válvula deinterrupção 24. Ao variar a razão entre a duração do tempo deabertura e a duração do tempo de fechamento da válvula deinterrupção 24, a porcentagem do tempo de abertura da válvula deinterrupção 24 é variada em relação à duração da rotação debombeamento da bomba de alta pressão 6. Durante o tempo deabertura da válvula de interrupção 24, a bomba de alta pressão 6extrai a vazão máxima capaz de atravessar a válvula deinterrupção 24, ao passo que, durante o tempo de fechamento daválvula de interrupção 24, a bomba de alta pressão 6 não extrainada; dessa forma, é possível obter uma vazão média da rotaçãode bombeamento da bomba de alta pressão 6 que pode variarentre um valor máximo e zero.

De acordo com uma concretização preferida, aunidade eletrônica de controle 13 aciona a válvula de interrupção24 de forma sincronizada com o acionamento mecânico da bombade alta pressão 6 (que é realizado pela transmissão mecânica 20que recebe o movimento do eixo cardã 21) por meio de umafreqüência de acionamento da válvula de interrupção 24 tendouma razão de sincronização inteira, de acordo com a freqüênciade bombeamento da bomba de alta pressão 6 (normalmente, umciclo de abertura/fechamento da válvula de interrupção 24 érealizado para cada bombeamento da bomba de alta pressão 6).

Conforme mencionado acima, a válvula deinterrupção 24 apresenta um acionamento eletromagnético; acurva que descreve o tempo de abertura e a quantidade decombustível que flui através da válvula de interrupção 24 (isto é,a lei que correlaciona o tempo de abertura à quantidade decombustível que flui através da válvula de interrupção 24) daválvula de interrupção 24 é bastante linear como um todo, masapresenta um degrau inicial (isto é, apresenta um aumento gradualem curtos momentos de abertura e, portanto, a quantidadespequenas de combustível que fluem através da válvula deinterrupção 24). Em outras palavras, a válvula de interrupção 24apresenta inércias de origem mecânica e, sobretudo, de origemmagnética que limitam a velocidade de deslocamento de umobturador e, portanto, não é capaz de realizar aberturas de duraçãomuito curta com a precisão necessária.

Durante a etapa de desenvolvimento eotimização do sistema de injeção 1, determina-se um valor limiteinferior do tempo de abertura da válvula de interrupção 24, valorlimite inferior este que considera os limites dinâmicos da aberturae fechamento da válvula de interrupção 24 e indica o limiteabaixo o qual a linearidade da lei que correlaciona o tempo deabertura à quantidade de combustível que flui através da válvulade interrupção 24 não é mais assegurada. Vale a pena observarque quando a duração do tempo de abertura está abaixo do valorlimite inferior, a lei que correlaciona o tempo de abertura àquantidade de combustível que flui através da válvula deinterrupção 24 não é apenas linear (o que ainda poderia sercompensado por ser previsível), mas apresenta fenômenosincertos que demonstraram irregularidades totalmente aleatórias eimprevisíveis.Com o intuito de controlar a válvula deinterrupção 24, a unidade eletrônica de controle pressupõe que aquantidade de combustível que flui através da válvula deinterrupção 24 é diretamente proporcional à duração do tempo deabertura da própria válvula de interrupção 24 (e, dessa formacalcula a duração do tempo de abertura da válvula de interrupção24 como conseqüência); tal hipótese é perfeitamente corretaquando a duração do tempo de abertura é longa o suficiente (istoé, acima do valor limite inferior), mas deixa de ser verdadeiraquando a duração do tempo de abertura é curto (isto é, abaixo dovalor limite inferior).

A fim de evitar o uso dos tempos de abertura daválvula de interrupção 24 abaixo do valor limite inferior, aunidade eletrônica de controle 13 ajusta a freqüência deacionamento da válvula de interrupção de modo que o tempo realde abertura da válvula de interrupção 24 fique sempre acima dovalor limite inferior. De forma específica, a unidade eletrônica decontrole 13 estima o próximo tempo de abertura da válvula deinterrupção 24 e reduz a freqüência de acionamento da válvula deinterrupção 24 se o próximo tempo de abertura da válvula deinterrupção 24 estiver abaixo do valor limite inferior, de modoque o tempo de abertura real da válvula de interrupção 24 estejasempre acima do valor limite inferior. Em outras palavras, se opróximo tempo de abertura da válvula de interrupção 24 estiverabaixo do valor limite inferior, então a unidade eletrônica decontrole 13 reduz o número de aberturas da válvula de interrupção24 para realizar aberturas menores da válvula de interrupção 24com uma duração maior (isto é, acima do valor limite inferior).

De preferência, determina-se um valor nominalda razão de sincronização, e a unidade eletrônica de controle 13sempre usa o valor nominal da razão de sincronização quando, aousar o valor nominal da razão de sincronização, o próximo tempode abertura da válvula de interrupção 24 está acima do valorlimite inferior. Em outras palavras, a unidade eletrônica decontrole 13 normalmente usa o valor nominal da razão desincronização e reduz a freqüência de acionamento da válvula deinterrupção 24 (isto é, modifica a razão de sincronização emrelação ao valor nominal) apenas quando é necessário assegurarque o tempo real de abertura da válvula de interrupção 24 fiquesempre acima do valor limite inferior.

Vale a pena observar que alguns tempos deabertura curtos da válvula de interrupção 24 só ocorrem quando omotor de combustão interna 2 está em marcha lenta ou desligado.

Sob tais condições, a pressão do combustível dentro do tubocomum 5 costuma ser baixa (isto é, significativamente menor doque o valor nominal típico a velocidades elevadas do motor) e aquantidade de combustível injetado dentro dos cilindros 3 épequena; por conseqüência, possíveis irregularidades pequenas dapressão do combustível dentro do tubo comum 5 causadas pelaredução da freqüência de acionamento da válvula de interrupção24 são praticamente irrelevantes e insignificantes na dinâmica domotor de combustão interna 2. Em vez disso, é muito maisevidente o efeito positivo determinado pelo fato de que a reduçãoda freqüência de acionamento da válvula de interrupção 24permite uma operação linear da válvula de interrupção 24 e,assim, permite a obtenção de uma maior precisão na quantidadede combustível que é extraída pela bomba de alta pressão 6 e queé, então, alimentada ao tubo comum 5.

Em outras palavras, em um sistema de injeçãocom válvula de interrupção do tipo liga/desliga, quando ésolicitada a alimentação de uma vazão de combustível pequena aotubo comum, a válvula de interrupção deve permanecer aberta porum tempo de abertura curto e, assim, trabalhar em uma regiãonão-linear incerta (isto é, na qual um mesmo tempo de aberturadetermina duas quantidades de combustível diferentes emmomentos diferentes, quantidades estas que fluem através daválvula de interrupção); como conseqüência, a quantidade decombustível que flui através da válvula de interrupção costumaser consideravelmente diferente da quantidade de combustíveldesejada e, portanto, costumam ocorrer irregularidades na pressãodo combustível dentro do tubo comum. Em vez disso, no sistemade injeção 1 supramencionado, quando é solicitada a alimentaçãode uma vazão de combustível pequena ao tubo comum 5, afreqüência de acionamento da válvula de interrupção 24 éreduzida de modo que o tempo de abertura real da válvula deinterrupção 24 fique sempre acima do valor limite inferior; comoconseqüência, a válvula de interrupção 24 sempre trabalha emuma região linear e a quantidade de combustível que flui atravésda válvula de interrupção 24 é sempre igual à quantidade decombustível desejada. Nessas condições, um possível efeitonegativo apresentado pela redução da freqüência de acionamentoda válvula de interrupção 24 é praticamente irrelevante einsignificante e é em grande parte contrabalançado pelo efeitopositivo apresentado pela precisão na quantidade de combustívelque flui através da válvula de interrupção 24.

A estratégia de controle supramencionada daválvula de interrupção 24 apresenta muitas vantagens, pois elapermite assegurar de forma eficaz (isto é, com um alto nível desucesso) e eficiente (isto é, com uma utilização mínima derecursos) que a quantidade de combustível que flui através daválvula de interrupção 24 seja sempre igual à quantidade decombustível desejada, até mesmo em condições de baixavelocidade do motor ou de interrupção. Além do mais, aestratégia de controle supramencionada da válvula de interrupção24 é de custo compensador e fácil de implementar em um sistemade injeção de tubo comum, pois não exige a instalação de nenhumcomponente adicional além dos normalmente já presentes.

Claims

1. - Método de controle de um sistema deinjeção direta (1) do tipo tubo comum munido de uma válvula deinterrupção (24) para controlar a vazão de uma bomba decombustível de alta pressão (6); o método de controlecompreendendo as etapas de:alimentar o combustível pressurizado a um tubocomum (5) por meio de uma bomba de alta pressão (6) que recebeo combustível através da válvula de interrupção (24);controlar ciclicamente a abertura e o fechamentoda válvula de interrupção (24) para restringir a vazão decombustível extraída pela bomba de alta pressão (6); eajustar a vazão de combustível extraída pelabomba de alta pressão (6) variando a razão entre a duração dotempo de abertura e a duração do tempo de fechamento da válvulade interrupção (24);o método sendo caracterizado porcompreender as etapas adicionais de:determinar um valor limite inferior do tempo deabertura da válvula de interrupção (24); eajustar a freqüência de acionamento da válvulade interrupção (24) de modo que o tempo de abertura real da válvula deinterrupção (24) esteja sempre acima do valor limite inferior.

2. - Método de controle, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por compreender as etapasadicionais de:estimar o próximo tempo de abertura da válvulade interrupção (24); ereduzir a freqüência de acionamento da válvulade interrupção (24) se o próximo tempo de abertura da válvula deinterrupção (24) estiver abaixo do valor limite inferior de modoque o tempo real de abertura da válvula de interrupção (24) fiquesempre acima do valor limite inferior.

3. - Método de controle, de acordo com areivindicação 2, caracterizado por compreender as etapasadicionais de:acionar a válvula de interrupção (24) de formasincronizada com o acionamento mecânico da bomba de altapressão (6) por meio de uma freqüência de acionamento daválvula de interrupção (24) contendo uma razão de sincronizaçãointeira para a freqüência de bombeamento da bomba de altapressão (6);estabelecer um valor nominal da razão desincronização; eusar sempre o valor nominal da razão desincronização quando, ao utilizar o valor nominal da razão desincronização, o próximo tempo de abertura da válvula deinterrupção (24) estiver acima do valor limite inferior.