Aprimorando Eficiência de Combustível com Motores Brushless em Bombas de Combustível no Tanque

A maioria dos sistemas de combustível automotivos usa um Módulo de Entrega de Combustível (FDM) com componentes para filtrar e bombear gasolina a uma pressão e taxa de fluxo especificadas do tanque de combustível para o motor. O FDM usa um conjunto de reservatório para manter 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. Sistemas atuais predominantemente usam componentes elétricos passivos como bombas de escova e sensores de nível de combustível resistivos que são independentemente conectados a uma fonte de tensão e módulo de controle de carroceria, respectivamente. Os altos níveis de fluxo destes sistemas requerem bombas de alta potência que podem operar continuamente em condições de velocidade máxima. Alguns sistemas mais novos podem empregar um controlador de tensão para modular a tensão de alimentação da bomba para velocidades discretas dependendo da demanda projetada do motor, e fornecer alguma melhoria no consumo de potência.

Uma nova FDM emprega um motor brushless (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 escova, e como o controlador fornece controle de velocidade em malha fechada, esta solução oferece melhorias significativas no consumo de potência e consequentemente emissões de dióxido de carbono (CO2). Outro benefício da bomba BL é produzido com o acoplamento magnético entre o estator e rotor do motor, e eliminação dos contatos que podem desgastar e/ou formar filme em combustíveis agressivos. Isso melhora a durabilidade e confiabilidade do FDM.

Adicionalmente, o controlador integrado fornece diagnósticos da bomba e pode incluir circuitos de processamento de sinal de sensor dentro do conjunto do tanque para permitir informação adicional de estado de saúde e/ou fornecer melhorias adicionais de desempenho do sistema interligando com tecnologias de sensoriamento melhoradas como sensor de nível de combustível sem contato. O controlador BL beneficia-se da proximidade próxima à bomba além da redução de ruído acoplado à fase de detecção de contra-EMF (Força Eletromotriz) 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 técnica similar ao controlador de tensão para bombas de escova, o controlador da 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 de acionamento requerido 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 controle de velocidade em malha fechada para garantir fluxo de combustível independente de fatores ambientais como pressão, tensão de alimentação, propriedades do combustível e temperatura.

Além disso, o controlador BL compensa variações em parâmetros da bomba e deriva induzida pelo tempo. O conjunto FDM integrado otimiza desempenho do sistema minimizando distância à bomba BL, e fornecendo um algoritmo de controle sintonizado ao design da bomba e requisitos da aplicação. Adicionalmente, o controlador BL inclui diagnósticos da bomba para monitorar tensão de alimentação, correntes de acionamento, temperatura do controlador e velocidade do motor. Variações nestes parâmetros fora de limites previsíveis e/ou aceitáveis podem solicitar desligamento do sistema para prevenir dano ou simplesmente comunicar condição anormal ao ECM.

Técnicas de engenharia robusta e outras ferramentas estatísticas foram usadas para derivar a solução ótima para atender requisitos rigorosos de torque, velocidade, pressão e fluxo. Design fatorial completo de experimentos foram executados usando ferramentas analíticas para simular desempenho do motor e derivar a combinação de parâmetros que atendem requisitos de torque e eficiência da aplicação enquanto minimizam torque de cogging, ripple de torque e puxão magnético desbalanceado que resulta em vibração e ruído excessivos. Os experimentos levaram a um design de motor com 9 polos no estator e 10 polos no rotor. A configuração de enrolamento foi sintonizada para atender torque maior que 0,10 Nm a 12 Volts e 5000 rpm, com 68% de eficiência com níveis de tolerância do design do conjunto.