[001] A presente invenção se refere a um sistema e a um método de gerenciamento dos gases de exaustão durante um evento de corte na alimentação de um ou mais cilindros de um motor a combustão interna (MCI).

Estado da Arte

[002] Como sabido pelos técnicos do setor, a muito se difundiu a técnica de cortar a alimentação de um ou mais cilindros como medida para promover a economia de combustível, durante certas condições de operação do MCI, e eventualmente para promover uma redução nas emissões. Assim, uma vez que a ECU identifica que o MCI está operando dentro de certas condições (carga reduzida), a ECU define uma oportunidade de desativação temporária de parte dos cilindros. Em outras palavras, as condições de funcionamento do MCI permitem que, desativando alguns dos cilindros split cylinder modè), o MCI atue de forma mais econômica.

[003] Exemplos de documentos que reportam algumas estratégias para reduzir o número de cilindros ativos podem ser vistos em US 4106471, US 4337740 ou US 7246609, entre tantos outros.

[004] Um dos principais problemas inerentes a uma desativação parcial dos cilindros de um MCI está na qualidade dos gases que são direcionados para a exaustão e, portanto, para o catalisador do veículo. A estratégia mais simples e fácil de ser implementada para desativar um ou mais cilindros de um MCI está no simples corte na alimentação do combustível para o cilindro que se deseja desativar, temporariamente. Nesta situação, as válvulas de admissão e de exaustão continuam a operar normalmente, o que evita a necessidade de sistemas e mecanismos mais complexos de desativação destas com a manutenção da operação das demais válvulas dos cilindros ativos.

[005] Em decorrência desta condição operacional temporária, a exaustão de qualquer cilindro desativado passa a operar com ar atmosférico, ou seja, enviando para o catalisador um volume de ar atmosférico, a uma temperatura equivalente a temperatura de admissão destes gases, mas com uma composição química e temperatura bastante distintas dos gases resultantes da combustão regular em um cilindro ativo. [006] Também como sabido pelos técnicos do setor, o catalisador é um dispositivo na forma de uma câmara que contém uma malha ou núcleo formado por metais específicos que atuam como catalisadores de reação para as espécies químicas contidas nos gases de exaustão e que são prejudiciais a natureza e aos seres vivos. Assim, por exemplo, o monóxido de carbono (CO) é oxidado no catalisador para dióxido de carbono (CO2) e também há a oxidação de hid roca rbonetos (HC), como metano (CH4) em dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Também ocorrem reações de redução que transformam os óxidos de nitrogênio (NOx) em nitrogênio (N2) e oxigênio (O2). Para que esta e outras reações sejam promovidas no interior do catalisador, imperativo que este opere a uma temperatura mínima a qual viabiliza as referidas reações químicas e que 0 conteúdo de oxigênio dentro do catalisador seja adequado ou controlado.

[007] Quando 0 MCI opera na condição temporária com um, ou mais, cilindros desativados, a massa total dos gases de exaustão (somatória das massas individuais de cada um dos cilindros do MCI) tem a sua temperatura reduzida e ocorre excesso de oxigênio pela passagem de ar ambiente, já que em parte dos cilindros não ocorre uma combustão. Tal condição leva a uma redução na temperatura operacional do catalisador, reduzindo substancial mente a sua funcionalidade.

[008] Desta forma, além da redução da temperatura de operação também ocorre, de forma muito importante, 0 excesso de oxigênio no interior do catalisador em função da passagem de ar proveniente do(s) cilindro(s) inoperantes pelo corte de combustível. Sendo assim, a função química relacionada à redução (ou retirada) de oxigênio dos gases óxidos de nitrogênio (NO _X ) é inibida pelo excesso de oxigênio durante a passagem dos gases de exaustão pelo catalisador.

Objetivos da Invenção

[009] Desta forma, constitui um objetivo da presente invenção um sistema e um método de gerenciamento dos gases de exaustão de um MCI durante os eventos de desativação de um ou mais cilindros a partir do corte da alimentação de combustível em ditos cilindros desativados.

[0010] Constitui outro objetivo da invenção a seleção controlada da desativação de um ou mais cilindros em função do catalisador a jusante de cada cilindro. Síntese da Invenção

[0011] De modo a alcançar os objetivos supra e especifica mente para evitar a redução de temperatura e excesso de oxigênio dentro do catalisador e evitar um prejuízo as funções operacionais do catalisador, este invento constitui na separação física do catalisador por cilindros ou a utilização de catalisadores por cilindro. Desta forma, enquanto, um ou mais cilindros estiverem desativados, a passagem de ar ambiente será destinada a uma parcela isolada ou outro catalisador, enquanto os gases provenientes da combustão do(s) cilindro(s) ativos serão direcionados à outra parte do catalisador ou para o outro catalisador. Para minimizar a influência da redução da temperatura em função da passagem do ar ambiente ou inatividade de conversão catalítica de uma das partes, pode ser utilizado um isolamento térmico para promover o aproveitamento do calor gerado pelas reações exotérmicas da parte do catalisador em atividade. Por transferência de calor esta energia poderá manter níveis adequados de temperatura da parte do catalisador que está desativada e termicamente permanecer em condições de retornar a realizar as conversões catalíticas no retorno da ativação do(s) cilindro(s) estratégica e temporariamente desativados.

[0012] Mais especifica mente, a presente invenção compreende um sistema de gerenciamento da exaustão durante a desativação seletiva de cilindros, em um motor a combustão interna, sendo que dito motor compreende: um coletor de admissão que fornece um fluxo do ar ambiente regulado por uma válvula tipo borboleta; um ou mais injetores de combustível para a injeção direta ou injeção indireta do combustível, via uma linha, o combustível sendo armazenado em um reservatório e pressurizado por uma bomba de combustível; e ao menos quatro cilindros, no interior dos quais é realizada a combustão do combustível, a combustão sendo controlada por uma ECU, a ECU comandando individualmente o tempo de injeção de cada um dos injetores de combustível que alimenta cada um de ditos ao menos quatro cilindros bem como a ECU estando apta a desativar qualquer um dos cilindros individualmente, e sendo que cada um dos cilindros apresenta ao menos uma saída para os gases da exaustão. O sistema de gerenciamento ainda compreendendo: - um catalisador, disposto a jusante dos cilindros, o catalisador compreendendo ao menos duas câmaras catalíticas com entradas individuais para os fluxos dos gases de exaustão, a saída de gases do catalisador estando conectada em fluxo a um escapamento do veículo, e sendo que as câmaras catalíticas estão dispostas de forma adjacente uma em relação à outra e separadas por uma parede divisória interna, a qual permite a troca de calor entre as câmaras catalíticas em função de um gradiente de calor entre elas; - um primeiro coletor de exaustão conectando, em fluxo, um primeiro grupo de cilindros com a entrada individual da primeira câmara catalítica do catalisador; - um segundo coletor de exaustão conectando, em fluxo, a um segundo grupo de cilindros com a entrada individual da segunda câmara catalítica do catalisador; e sendo que o primeiro grupo de cilindros e o segundo grupo de cilindros são alternadamente desativados, com os gases residuais da combustão sendo alternadamente enviados para a primeira câmara catalítica ou para a segunda câmara catalítica, respectivamente.

[0013] Além disto, o sistema compreende um isolante térmico envolvendo o catalisador que compreende ao menos duas câmaras catalíticas.

[0014] Alternativa mente, no sistema da invenção, um motor compreender N cilindros, os N cilindros definindo um primeiro e um segundo grupos de cilindros, cada grupo de cilindros estando respectiva mente conectado a uma primeira câmara catalítica e a uma segunda câmara catalítica de um catalisador, por meio de um primeiro e um segundo coletores de exaustão, e sendo que N>4. Em outra alternativa, o motor compreender N cilindros, os N cilindros definindo M grupos de cilindros, cada um dos M grupos de cilindros estando conectado a respectivas M câmaras catalíticas de um catalisador, por meio de respectivos M coletores de exaustão, e sendo que N>4, M>2 e a relação N/M resulta em um número inteiro.

[0015] A invenção contempla ainda um método de gerenciamento da exaustão durante a desativação seletiva de cilindros em um motor a combustão interna, os ditos cilindros do motor sendo seletivamente alimentados com combustível e definindo um primeiro grupo de cilindros cujas saídas são direcionadas a uma primeira câmara catalítica de um catalisador bipartido, e um segundo grupo de cilindros cujas saídas são direcionadas a uma segunda câmara catalítica do catalisador bipartido, dito método compreendendo: desativar seletivamente o primeiro ou o segundo grupo de cilindros; e posteriormente, desativar seletivamente o segundo ou o primeiro grupos de cilindros. [0016] Preferencialmente, o método da invenção a desativação de um grupo de cilindros é realizada durante um número predefinido de ciclos motor, ou durante um tempo predeterminado.

Breve Descrição das Figuras

[0017] O objeto da presente invenção será melhor compreendido a partir da descrição detalhada de uma forma preferencial de realização, a qual é feita com o suporte da figura em anexo, trazida a título meramente ilustrativo e não limitativa da invenção, na qual:

- a figura 1 é uma vista esquemática de um MCI dotado de quatro cilindros e dois coletores de exaustão dispostos em paralelo, sendo que cada coletor de exaustão conduz os gases de exaustão para um respectivo catalisador.

Forma Preferencial de Realização da Invenção

[0018] De acordo com a figura 1 supra listada, a qual ilustra de forma esquemática um motor a combustão interna (1), ou MCI, compreendendo quatro cilindros (11, 12, 13, 14) em linha e alimentado a partir de um coletor de admissão (2) cujo fluxo do ar ambiente é regulado por uma válvula tipo borboleta (3). Além disto, o combustível é injetado em cada um dos cilindros (11, 12, 13, 14) a partir de um ou mais injetores de combustível (4), indistintamente se diretamente nos cilindros (injeção direta) ou se no coletor de admissão (injeção indireta). A injeção de combustível em cada um dos cilindros (11, 12, 13, 14) é controlada, de forma conhecida, por uma ECU (não ilustrada), a qual comanda individualmente o tempo de injeção/abertura de cada injetor (4), ou seja, permitindo que o fluxo de combustível sob pressão, via linha (5), seja injetado de forma precisa em cada cilindro (11, 12, 13, 14). Como sabido, a dita linha (5) se comunica com o reservatório de combustível (não ilustrado) via a bomba de combustível (não ilustrada).

[0019] Por seu turno, cada um dos cilindros (11, 12, 13, 14) apresenta ao menos uma saída para os gases da exaustão, cada uma de ditas saídas estando conectadas em fluxo com um coletor de exaustão. Em outras palavras, são definidos um primeiro grupo de cilindros (11, 14) e um segundo grupo de cilindros (12, 13), assim permitindo que o MCI (1) possa operar no chamado split cylinder mode, ou com desativação parcial dos cilindros. [0020] No caso específico da forma de realização ilustrativa e não limitativa da presente invenção, o primeiro grupo de cilindros [primeiro cilindro 11 e quarto cilindro 14] está conectado a um primeiro coletor de exaustão (15), enquanto que o segundo grupo de cilindros [segundo cilindro 12 e terceiro cilindro 13] está conectado a um segundo coletor de exaustão (16).

[0021] A jusante dos coletores de exaustão (15, 16) é previsto um catalisador (17) de corpo duplo, cuja configuração básica prevê duas câmaras catalíticas (18, 19) dispostas lado a lado. Preferencialmente, o catalisador (17) é envolvido por um isolante térmico (20) (em linhas tracejadas na figura 1). Cada uma das câmaras catalíticas (18, 19) apresenta um bocal de entrada no qual é acoplada a saída de um dos coletores de exaustão (15, 16). No interior de cada uma das câmaras catalíticas (18, 19) do catalisador (17) é prevista uma malha catalítica (não ilustrada) de tipo convencional enquanto que a parede divisória (21) interna, destinada a separar as ditas câmaras catalíticas, permite que o calor seja transferido de uma câmara para a outra, conforme seja gerado um gradiente térmico entre as ditas câmaras (18, 19). Por fim, as respectivas saídas de cada uma das câmaras (18, 19) é comum, ou seja única, e é conectada ao escapamento (6) do veículo (não ilustrado).

[0022] Em uma variante construtiva do presente sistema, e especifica mente direcionada a motores compreendendo um número N de cilindros, dito número N sendo maior do que quatro (N>4), os N cilindros definem um primeiro e um segundo grupos de cilindros, cada grupo de cilindros sendo definido e compreendendo N/2 cilindros. Assim, cada primeiro e segundo grupo de cilindros é respectiva mente conectado a uma primeira câmara catalítica (18) e a uma segunda câmara catalítica (19) de um catalisador (17), por meio de um primeiro e um segundo coletores de exaustão.

[0023] Mais especifica mente, um motor com configuração V6 ou V8 (N=6, N=8) pode definir o primeiro grupo de cilindros em função de cada lateral do motor, ou seja, com os cilindros de 1 a 4 nos motores V8, ou com os cilindros de 1 a 3 nos motores V6, definindo o primeiro grupo de cilindros, e com os cilindros de 5 a 8 nos motores V8, ou com os cilindros de 4 a 6 nos motores V6, definindo o segundo grupo de cilindros. O mesmo princípio pode ser similarmente empregado para definir um primeiro e um segundo grupos de cilindros em motores V10 e V12 (N=10, N=12). Já em motores com configuração em linha de cilindros, v.g. em motores com 6 ou 8 cilindros em linha (N=6, N=8), ou superiores, é igualmente possível definir os primeiro e segundo grupos de cilindros o que, neste caso, deve levar em consideração a seqüência de ignição para que a seleção dos grupos seja equilibrada, tal como sabido e compreensível a qualquer técnico do setor.

[0024] Nas versões superiores de motor (N>6), e em particular nas versões com os cilindros dispostos na geometria em V, é possível conectar cada um dos coletores de exaustão a uma das câmaras catalíticas (18, 19), assim aproveitando da geometria original com dois coletores de exaustão (15, 16) para estes motores a combustão interna com configuração em V. Neste caso, e por ser também usual a previsão de dois escapamentos individualizados, o catalisador pode apresentar duas saídas separadas, cada qual conectada a um respectivo escapamento do veículo.

[0025] Em outra variante construtiva do presente sistema, e especifica mente direcionada a motores compreendendo um número N de cilindros, dito número N sendo maior do que quatro (N>4). Assim, os N cilindros definem M grupos de cilindros sendo que cada grupo de cilindros compreende ao menos dois cilindros (M>2). Cada um dos M grupos de cilindros é então conectado a respectivas M câmaras catalíticas de um catalisador (17), por meio de respectivos M coletores de exaustão. Ademais, e de modo a garantir que cada um dos M grupos de cilindros - e portanto de câmaras catalíticas em um ou mais catalisadores (17) - apresente o mesmo numero de cilindros, a relação N/M resulta em um número inteiro.

[0026] Mais especifica mente, para motores com quantidades superiores de cilindros, por exemplo 6 ou mais cilindros (N>6), é possível definir terceiros, quartos, ou mais grupos de cilindros conforme a necessidade ou a viabilidade de realizar um gerenciamento aprimorado para a desativação dos cilindros (M>2). Como conhecido pelos técnicos do setor, a seleção dos grupos de cilindro deve, obrigatoriamente, levar em consideração a seqüencia de ignição de modo a manter o motor equilibrado.

[0027] Neste caso particular, o catalisador deve apresentar um número M de câmaras equivalente a quantidade M de grupos de cilindro assim definida, cada grupo de cilindro sendo conectado, em fluxo, a uma respectiva câmara do catalisador por meio de um coletor de exaustão próprio. Alternativa mente, e no caso de ser definida uma quantidade par de grupos de cilindros, é ainda possível empregar um catalisador (17), dotado de duas câmaras (18, 19), alimentado para receber e processar os gases de exaustão de cada dois grupos de cilindros. Tal construção é particularmente vantajosa nos MCI com geometria em V, devida a sua natural separação dos cilindros nos dois lados do bloco do motor.

[0028] Assim sendo, e mantido o conceito da presente invenção, é ainda possível definir ao menos dois grupos de cilindros para outras e quaisquer geometrias para motores a combustão interna, possibilitando uma operação com desativação parcial de parte dos cilindros e com direcionamento seletivo dos gases de exaustão para respectivas câmaras catalíticas em ao menos um coletor de exaustão, coletor este dotado de ao menos duas câmaras catalíticas.

[0029] A partir da estrutura supra descrita é possível incrementar o gerenciamento dos sistemas de desativação seletiva de cilindros a partir de uma seleção apropriada dos cilindros a serem desativados (por corte na alimentação de combustível) e de modo a evitar os problemas usuais advindos da redução na temperatura operacional e principalmente, o excesso de ar ambiente e consequente excesso de oxigênio, que é prejudicial à redução ou retirada de oxigênio dos gases óxidos de nitrogênio (NO _X ).

[0030] Assim, e especifica mente, com o MCI (1) operando no modo de desativação parcial de cilindro(s), conforme a figura 1 em anexo, o gerenciamento do MCI, usualmente feita pela ECU, desativa a alimentação de combustível no primeiro grupo de cilindros [primeiro e quarto cilindros (11, 14)], mantendo o segundo grupo de cilindros [segundo e terceiro cilindros (12, 13)] alimentados com o combustível. Nesta condição de operação, os gases de exaustão resultantes da queima do combustível no segundo grupo de cilindros (12, 13) são enviados para a segunda câmara catalítica (19) do catalisador (17), enquanto que os gases provenientes do primeiro grupo de cilindros (11, 14), nos quais não ocorre nenhuma combustão, são enviados para a primeira câmara catalítica (18) do catalisador (17). Estes gases enviados para a primeira câmara catalítica (18) se encontram a uma temperatura muito menor que os gases residuais de combustão enviados para a segunda câmara catalítica (19). Natural, portanto, que a temperatura da primeira câmara catalítica (18) seja reduzida durante o período no modo de operação com cilindros desativados do MCI (1). Porém, a disposição adjacente das câmaras catalíticas (18, 19), além de externamente envolvidas por um isolante térmico (20), permite que uma parcela significativa do calor gerado no interior da segunda câmara catalítica (19) seja transferido, primordialmente por convecção, para a primeira câmara catalítica (18), assim evitando uma redução drástica da sua temperatura, com o risco de comprometimento da sua funcionalidade ao final dos ciclos motores no modo com cilindros desativados.

[0031] Além disto, a metodologia da presente invenção também prevê que a ECU realize as operações de desativação temporária dos cilindros de forma alternada, ou seja, uma vez desativando o primeiro grupo de cilindros (11, 14) e na oportunidade seguinte desativando o segundo grupo de cilindros (12, 13). Tal estratégia garante um uso e eventuais variações de temperatura equilibradas entre as duas câmaras catalíticas e, portanto, uma vida útil uniforme para o catalisador em si. Nas formas alternativas supra descritas, nas quais são definidos mais de dois grupos de cilindros, a ECU está apta a desativar um grupo de cilindros, mantendo os demais em operação normal (com combustão). Ademais, a ECU está apta a desativar, durante um mesmo período de tempo, mais de um grupo de cilindros.

[0032] Em uma forma particularmente vantajosa da presente metodologia de operação de um MCI (1), os grupos de cilindros podem ser desativados, de forma alternada, dentro de uma mesma oportunidade ou ciclo de desativação temporária. Em outras palavras, uma vez definida uma oportunidade de desativação parcial dos cilindros (em função das condições de condução do veículo), o primeiro grupo de cilindros (11, 14) pode permanecer desativado por um número predefinido de ciclos motor, ou por um tempo predeterminado. Assim, e realizado o números de ciclos motor definido, ou esgota do tempo predeterminado, o primeiro grupo de cilindros (11, 14) é novamente ativado para a combustão, enquanto que o segundo grupo de cilindros (12, 13), é desabilitado (corte na alimentação de combustível) pelo mesmo número de ciclos motor ou peo mesmo período de tempo predeterminado. Esta alternância de desativação dos cilindros garante um maior equilíbrio de uso entre a primeira (18) e a segunda (19) câmaras catalíticas. [0033] Por fim, e nas formas alternativas de realização do presente método, a ECU pode comandar uma desativação (ciclo motor, ou tempo) seletiva de um grupo de cilindros, alternando seqüencial mente para os demais grupos de cilindros; ainda alternativamente, a ECU pode comandar uma desativação (ciclo motor, ou tempo) seletiva e concomitante de mais de um grupo de cilindros, alternando seqüencial mente para os demais grupos de cilindros.

[0034] Assim sendo, e independente do número de cilindros de um motor a combustão interna (1), ou da geometria dos cilindros no bloco do motor, é possível definir grupos de cilindros, de forma equilibrada, de modo que as câmaras catalíticas do(s) catalisador(es) possam operar com temperaturas razoavelmente constantes, assim evitando eventuais picos nas emissões do motor, em particular de NOx.