Melhorando a eficiência do combustível com motores sem escova em bombas de combustível no tanque

Delphi Powertrain Systems, Troy, Michigan

A maioria dos sistemas de combustível automotivo usa um Módulo de Entrega de Combustível (FDM) com componentes para filtrar e bombear gasolina a uma pressão e vazão especificadas do tanque de combustível para o motor. O FDM utiliza um conjunto de reservatório para manter o suprimento de combustível na entrada da bomba e suportar componentes como reguladores e/ou limitadores de pressão, filtros, sensor de nível e conexões elétricas e hidráulicas que passam pelo tanque. Os sistemas atuais utilizam predominantemente componentes elétricos passivos, como bombas de escova e sensores resistivos de nível de combustível, que são conectados independentemente a uma fonte de tensão e a um módulo de controle da carroceria, respectivamente. Os altos níveis de vazão desses sistemas exigem bombas de alta potência que possam operar continuamente em condições de velocidade máxima. Alguns sistemas mais recentes podem empregar um controlador de tensão para modular a tensão de alimentação da bomba para velocidades discretas, dependendo da demanda projetada do motor, e proporcionar alguma melhoria no consumo de energia.
A arquitetura do veículo com o módulo integrado que inclui o Controlador Brushless dentro do FDM
Um novo FDM emprega um motor sem escovas (BL) no conjunto da bomba e inclui um controlador integrado para fornecer comutação elétrica para o motor. Como a bomba BL é mais eficiente que a bomba de escovas e como o controlador fornece controle de velocidade em circuito fechado, esta solução oferece melhorias significativas no consumo de energia e, consequentemente, nas emissões de dióxido de carbono (CO2). Outro benefício da bomba BL é produzido com o acoplamento magnético entre o estator e o rotor do motor e a eliminação dos contatos que podem desgastar e/ou formar película em combustíveis agressivos. Isto melhora a durabilidade e a confiabilidade do FDM.

Além disso, o controlador integrado fornece diagnósticos da bomba e pode incluir circuitos de processamento de sinal do sensor dentro do conjunto do tanque para permitir informações adicionais sobre o estado de saúde e/ou fornecer melhorias adicionais no desempenho do sistema por meio da interface com tecnologias de detecção aprimoradas, como um sensor de nível de combustível sem contato. O controlador BL se beneficia da proximidade com a bomba, além da redução de ruído acoplada à fase de detecção de EMF (Força EletroMotiva) traseira para medições de velocidade do motor sem sensor.

A figura mostra uma arquitetura de veículo com o módulo integrado que inclui o controlador BL dentro do FDM. Usando uma técnica semelhante ao controlador de tensão para bombas de escova, o controlador de bomba BL modula a corrente que flui através de cada uma das três fases, desligando a tensão de alimentação em alta frequência. O tempo de desligamento é ajustado para atingir o nível de corrente do inversor necessário para manter a velocidade da bomba no nível comandado pelo Módulo de Controle do Motor (ECM). Este sinal de tensão modulado por largura de pulso (PWM) permite o controle de velocidade em circuito fechado para garantir o fluxo de combustível independente de fatores ambientais, como pressão, tensão de alimentação, propriedades do combustível e temperatura.

Além disso, o controlador BL compensa variações nos parâmetros da bomba e desvios induzidos pelo tempo. O conjunto FDM integrado otimiza o desempenho do sistema minimizando a distância até a bomba BL e fornecendo um algoritmo de controle ajustado ao projeto da bomba e aos requisitos da aplicação. Além disso, o controlador BL inclui diagnósticos da bomba para monitorar a tensão de alimentação, as correntes do inversor, a temperatura do controlador e a velocidade do motor. Variações nesses parâmetros fora dos limites previsíveis e/ou aceitáveis ​​podem provocar o desligamento do sistema para evitar danos ou simplesmente comunicar uma condição anormal ao ECM.

Técnicas robustas de engenharia e outras ferramentas estatísticas foram usadas para derivar a solução ideal para atender aos rigorosos requisitos de torque, velocidade, pressão e fluxo. O projeto fatorial completo dos experimentos foi executado usando ferramentas analíticas para simular o desempenho do motor e derivar a combinação de parâmetros que atendem aos requisitos de torque e eficiência da aplicação, minimizando o torque de engrenagem, a ondulação de torque e a tração magnética desequilibrada que resulta em excesso de vibração e ruído. A combinação ideal e os resultados analíticos foram confirmados com testes de laboratório utilizando conjuntos de motores. Os experimentos levaram a um projeto de motor com 9 pólos no estator e 10 pólos no rotor. A configuração do enrolamento foi ajustada para atender torque superior a 0,10 Nm a 12 Volts e 5.000 rpm, com eficiência de 68% com os níveis de tolerância de projeto do conjunto.

Este trabalho foi realizado por Duane Collins, Philip Anderson, Sharon Beyer e Daniel Moreno da Delphi Powertrain Systems. O documento técnico completo sobre esta tecnologia está disponível para compra através da SAE International em http://papers.sae.org/2012-01-0426  .