ES2215537T3 - Procedimiento para inducir la oscilacion de un actuador electromagnetico. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para inducir la oscilación de un elemento de conmutación, especialmente un actuador electro magnético (4) que acciona una válvula (1) de movimiento rectilíneo de un motor de combustión interna, en el que una armadura (4d) que actúa sobre el elemento de conmutación es movida en forma oscilante entre dos bobinas de electroimán (4a, 4b), cada vez en contra de la fuerza de al menos un muelle de reposición (2a, 2b), por efecto de la alimentación alterna de corriente eléctrica a las bobinas de electroimán (4a, 4b), de modo que el elemento de conmutación junto con la armadura (4d) y los muelles de reposición (2a, 2b) constituye un sistema de muelle-masa oscilante, y en el que, partiendo del estado de reposo del sistema, en el cual la armadura (4d) es mantenida por los muelles de reposición (2a, 2b) sustancialmente en el centro entre estas bobinas magnéticas (4a, 4b), se excitan alternativamente las bobinas de electroimán (4a, 4b), para inducir la oscilación de este sistema de muelle-masa, mediante su solicitación con una tensión alterna eléctrica de frecuencia determinada, caracterizado porque, en lugar de la evolución sustancialmente rectangular usual hasta ahora de la tensión alterna (U) en función del tiempo (t), se aplica a las bobinas de electroimán (4a, 4b) una tensión alterna sustancialmente sinusoidal (U), concretamente en forma de una evolución constante variable de la tensión o en forma de una evolución variable correspondiente de la tensión modulada en anchura de impulsos.

Description

Procedimiento para inducir la oscilación de un actuador electromagnético.

La invención concierne a un procedimiento para inducir la oscilación de un actuador electromagnético que acciona un elemento de conmutación, especialmente una válvula de movimiento rectilíneo de un motor de combustión interna, en el que una armadura que actúa sobre el elemento de conmutación es movido de forma oscilante entre dos bobinas de electroimán, cada vez en contra de la fuerza de al menos un muelle de reposición, por efecto de la alimentación alterna de corriente eléctrica a las bobinas de electroimán, de modo que el elemento de conmutación junto con la armadura y los muelles de reposición representa un sistema de muelle-masa oscilante, y, partiendo del estado de reposo del sistema, en el que la armadura es mantenida por los muelles de reposición sustancialmente en el centro entre estas bobinas magnéticas, las bobinas de electroimán son excitadas alternativamente para inducir la oscilación de este sistema de muelle-masa mediante solicitación con tensión alterna eléctrica de frecuencia determinada. Respecto del entorno técnico, se hace referencia al documento EP 0 118 591 B1 y, además, al documento DE 33 07 070 C2.

Un caso de aplicación preferido para un actuador electromagnético con las características de la reivindicación 1 es el mecanismo impulsor de válvula electromagnéticamente accionado de motores de combustión alterna, es decir, las válvulas de movimiento rectilíneo para selección de gas en un motor de combustión interna de pistones alternativos son accionadas por tales actuadores de una manera deseada, o sea que son abiertas y cerradas en forma oscilante. En un mecanismo impulsor de válvula electromagnético de esta clase las válvulas de movimiento rectilíneo son movidas individualmente o bien en grupos a través de miembros de ajuste electromagnéticos, los llamados actuadores, pudiendo elegirse en esencia de forma completamente libre el instante para la apertura y el cierre de cada válvula de movimiento rectilíneo. De este modo, los tiempos de control de las válvulas del motor de combustión interna pueden adaptarse de forma óptima al estado de funcionamiento actual (éste viene definido por el número de revoluciones y la carga), así como a los respectivos requisitos respecto de consumo, par de giro, emisiones, comodidad y comportamiento de reacción de un vehículo accionado por el motor de combustión interna.

Los componentes esenciales de un actuador conocido para accionar las válvulas de movimiento rectilíneo de un motor de combustión interna son una armadura y dos electroimanes para mantener la armadura en la posición "válvula de movimiento rectilíneo abierta" o "válvula de movimiento rectilíneo cerrada" con las correspondientes bobinas de electroimán, y, además, muelles de reposición para el movimiento de la armadura entre las posiciones "válvula de movimiento rectilíneo abierta" y "válvula de movimiento rectilíneo cerrada". A este fin, se hace referencia también a la figura 1 adjunta que muestra un actuador de esta clase con válvula de movimiento rectilíneo asociada en las dos posiciones extremas posibles de dicha válvula y de la armadura del actuador, estando representado en forma simplificada entre los dos estados o posiciones citados de la unidad actuador-válvula de movimiento rectilíneo la evolución de la carrera z de la armadura o del recorrido de la armadura entre las dos bobinas de electroimán en función del tiempo t.

Como puede apreciarse, en la figura 1 se ha representado el proceso de cierre de una válvula de movimiento rectilíneo de un motor de combustión interna que se ha designado con el número de referencia 1 y que se mueve aquí en dirección a su asiento de válvula 30. Como es usual, en esta válvula 1 de movimiento rectilíneo ataca un muelle de cierre de válvula o un primer muelle de reposición 2a, y, además, sobre el vástago de la válvula 1 de movimiento rectilíneo - aquí con intercalación de un elemento hidráulico 3 de compensación de holgura de válvula (no absolutamente necesario) - opera el actuador designado en su totalidad con 4. Aparte de dos bobinas de electroimán 4a, 4b, este actuador consta de una barra empujadora 4c que actúa sobre el vástago de la válvula 1 de movimiento rectilíneo y que lleva una armadura 4d que va guiada de forma oscilante y con posibilidad de desplazamiento longitudinal entre las bobinas de electroimán 4a, 4b. En el extremo de la barra empujadora 4c alejado del vástago de la válvula 1 de movimiento rectilíneo ataca, además, un muelle de apertura de válvula o un segundo muelle de reposición 2b.

Por tanto, se trata aquí de un sistema de muelle-masa oscilante para el cual el muelle 2a de cierre de válvula y el muelle 2b de apertura de válvula forman un primero y un segundo muelles de reposición, para los cuales se emplean consecuentemente también los números de referencia 2a, 2b. En el lado izquierdo de la figura 1 se ha representado la primera posición extrema de este sistema oscilante, en la que la válvula 1 de movimiento rectilíneo está completamente abierta y la armadura 4d se aplica a una bobina de electroimán inferior 4b. En el lado de la derecha de la figura 1 se ha representado la segunda posición extrema del sistema oscilante en la que la válvula 1 de movimiento rectilíneo está completamente cerrada y la armadura 4d se aplica a la bobina de electroimán superior 4a. En estas dos posiciones extremas la armadura 4d es movida por excitación o desexcitación adecuada de las respectivas bobinas magnéticas 4a, 4b.

En el estado de reposo del sistema, es decir, cuando no está excitada ninguna de las bobinas magnéticas 4a, 4b, la armadura 4d se encuentra sustancialmente en el centro entre las dos bobinas magnéticas 4a, 4b y es mantenida en esta posición por los muelles de reposición 2a, 2b adecuadamente diseñados. Partiendo de esta posición de reposo, se tiene que inducir la oscilación de todo el sistema de muelle-masa para obtener un funcionamiento deseado de este sistema, es decir, para un accionamiento oscilante deseado de la válvula 1 de movimiento rectilíneo.

Un posible procedimiento para inducir la oscilación de este sistema de muelle-masa se ha descrito en el segundo documento DE 33 07 070 C2 citado al principio. El actuador electromagnético junto con la válvula de movimiento rectilíneo y los muelles de reposición está concebido allí también como un sistema de muelle-masa mecánico y las dos bobinas de electroimán son solicitadas con impulsos periódicos de corriente, eligiéndose para la frecuencia de los impulsos periódicos excitadores de corriente la frecuencia propia del sistema de muelle-masa oscilante.

Basándose en este estado de la técnica conocido, se propone en el primer documento EP 0 118 591 B1 citado al principio que la frecuencia de excitación, considerado en un prolongado período de tiempo, se elija de momento más alta que la frecuencia de resonancia del sistema y luego se deje que disminuya lentamente. Esta variación de frecuencia se deberá producir aquí lentamente, de modo que la válvula de movimiento rectilíneo, al alcanzar la frecuencia de resonancia, sea excitada durante un tiempo suficientemente largo para que la armadura pueda oscilar sucesivamente hacia sus dos posiciones extremas.

Un inconveniente general de este estado de la técnica conocido consiste en que, debido a las interacciones mutuas entre la parte electromagnética del actuador y el sistema de muelle-masa mecánico, el modo de consideración desacoplado hasta ahora practicado de estos dos sistemas parciales reproduce sólo de forma relativamente inexacta las circunstancias verdaderas. En efecto, en este modo de consideración seguido hasta ahora no se tienen en cuenta las propiedades electromagnéticas del actuador que en alto grado son no lineales. Como consecuencia de esto, resultan generalmente un número innecesariamente elevado de períodos de oscilación de los impulsos de corriente excitadores y, por tanto, una demanda de potencia superelevada de la actuador electromagnético. Especialmente extremada se manifiesta esta problemática en el estado de la técnica según el primer documento EP 0 118 591 B1 citado al principio, ya que precisamente la lenta variación allí propuesta de la frecuencia de excitación hace que no pueda tenerse en cuenta una variación rápida de la frecuencia de resonancia a consecuencia de efectos no lineales.

El cometido de la invención consiste en mostrar una medida que remedie esta problemática expuesta.

La solución de este problema se caracteriza por el hecho de que en lugar de la evolución sustancialmente rectangular usual hasta ahora de la tensión alterna en función del tiempo se aplica a las bobinas de electroimán una tensión alterna sustancialmente sinusoidal o una tensión alterna semejante, concretamente en forma de una evolución constante variable de la tensión o en forma de una evolución variable correspondiente de la tensión modulada en achura de impulsos. Perfeccionamientos ventajosos constituyen el contenido de las reivindicaciones subordinadas.

Según la invención, la evolución de la tensión alterna de excitación, es decir, aplicada alternativamente con una frecuencia determinada a las dos bobinas de electroimán, es variada o hecha variable con respecto al estado de la técnica conocido, ya que así se pueden tener en cuenta otros factores de influencia. En efecto, en el estado de la técnica conocido se ha materializado hasta ahora únicamente una evolución sustancialmente rectangular de la tensión alterna aplicada U en función del tiempo t, tal como se ha representado a título de ejemplo en la figura 3. Frente a esto, con la presente invención se propone una evolución sustancialmente sinusoidal o una evolución semejante de la tensión alterna aplicada U en función del tiempo t, tal como se ha representado a título de ejemplo en la figura 2a. Se puede tratar aquí de una evolución constante de la tensión (como en la figura 2a), pero alternativamente también de una evolución pulsada correspondiente de la tensión modulada en anchura de impulsos, tal como se ha representado a título de ejemplo en la figura 2b, lo cual, en definitiva, es comparable directamente con la evolución según la figura 2a. Esta evolución de la tensión es aquí también variable, de modo que para su determinación se puede emplear un modelo más realista que el usual hasta ahora.

Por tanto, es posible considerar no sólo el sistema de muelle-masa oscilante, sino también todo el actuador, el cual, como ya se ha explicado, consta del sistema de muelle-masa mecánico y el sistema parcial electromagnético acoplado con éste. Este actuador completo representa un sistema no lineal que, según la teoría de las oscilaciones inarmónicas (véase, por ejemplo, L. D. Landau y E. M. Lifschitz, Tratado de Física Teórica, volumen I: Mecánica, capítulo V, parágrafos 28, 29, páginas 103-106), presenta efectos no lineales típicos. Así, la frecuencia de resonancia de todo el sistema actuador está desplazada frente a la frecuencia propia del oscilador de muelle-masa lineal. Asimismo, la evolución de la localización y de la velocidad del elemento oscilante, aquí la armadura, no tiene en general una evolución exactamente sinusoidal. Además, la frecuencia de oscilación depende de la amplitud de oscilación.

Partiendo de esto, se propone ahora - como ya se ha explicado - que un actuador electromagnético según el preámbulo de la reivindicación 1 no sea ya excitado con impulsos de tensión rectangulares periódicos ni tampoco lo sea ya ineludiblemente con la frecuencia propia del sistema de muelle-masa, sino que se utilice para inducir la oscilación una señal de entrada adecuada con una evolución periódica adaptada al sistema de oscilación no lineal - sustancialmente una evolución sinusoidal o semejante a ésta, que es variable. La amplitud o la relación de manipulación en anchura de impulsos de la respectiva evolución elegida de la tensión alterna resulta aquí de la teoría de las oscilaciones inarmónicas (y en general no coincide con la frecuencia propia del sistema de muelle-masa).

Puede tenerse en cuenta aquí el hecho de que la frecuencia del sistema total depende en general de la amplitud de oscilación, de modo que, como consecuencia, la frecuencia de la tensión alterna puede variarse en función de la amplitud de oscilación de la armadura.

Asimismo, se ha apreciado que la amortiguación del oscilador de muelle-masa contenido en el actuador completo puede depender de la temperatura, especialmente cuando tienen su cometido las influencias de la viscosidad de un aceite lubricante que entre en contacto con una parte del sistema global. Resulta de esto un desplazamiento de la frecuencia de resonancia del sistema, lo que tiene la consecuencia de que el actuador electromagnético tiene que hacerse oscilar con frecuencia diferente a temperaturas ambiente diferentes o bien tiene que hacerse oscilar solamente con una frecuencia diferente. Por tanto, en la determinación de la frecuencia de la tensión alterna sustancialmente sinusoidal periódica propuesta se pueden tener en cuenta tales influencias de la temperatura. Se evita así un consumo de energía innecesariamente alto del actuador electromagnético. En efecto, por ejemplo, en un arranque en frío de un motor de combustión interna equipado con un actuador electromagnético de esta clase ya no se tiene que reducir entonces - como se propone en el primer documento EP 0 118 591 B1 citado al principio - la frecuencia de excitación durante un intervalo de tiempo extremadamente largo hasta que se encuentre finalmente dentro del orden de magnitud de la frecuencia propia del sistema reducida a consecuencia de la amortiguación incrementada en función de la temperatura o por la influencia del frío. Por el contrario, se puede aplicar inmediatamente la tensión alterna con frecuencia adecuada a las bobinas de electroimán, con lo que se consigue una rápida oscilación, de modo que no se produce un consumo de energía innecesariamente alto.

Por último, con la tensión alterna de excitación variable sustancialmente sinusoidal o semejante se puede tener en cuenta la siguiente idea adicional. A este respecto, incluso tomando como base el sistema de muelle-masa lineal es deseable que al inducir la oscilación se excite ésta con una evolución de fuerza periódica adaptada al sistema oscilante. En efecto, la evolución rectangular actual de la tensión alterna, ya citada y representada en la figura 3, posee, en correspondencia con un análisis de Fourier, una porción relativamente alta de armónicos superiores, de modo que particularmente también en un actuador real, que, como ya se ha explicado, representa un sistema fuertemente no lineal, se inducen en el actuador, en ciertas circunstancias, unas sobreoscilaciones no deseadas, de modo que también así es innecesariamente alto el consumo de energía. Para eliminar esta problemática se propone ahora que se elija la forma de onda o la forma sinusoidal de la tensión de excitación de tal manera que se induzca solamente la oscilación fundamental, pero no una sobreoscilación del sistema de muelle-masa.

Por tanto, el procedimiento según la invención se caracteriza especialmente por un menor consumo de energía y así una menor demanda de potencia eléctrica. Ventajosamente, se necesitan menos amplitudes para inducir la oscilación del actuador, cabiendo consignar aún que, por supuesto, ciertos detalles de, por ejemplo, el actuador realmente empleado pueden ser diferentes de la descripción anterior o de la representación simplificada de las figuras, sin salirse del contenido de las reivindicaciones.

Claims (5)

1. Procedimiento para inducir la oscilación de un elemento de conmutación, especialmente un actuador electromagnético (4) que acciona una válvula (1) de movimiento rectilíneo de un motor de combustión interna, en el que una armadura (4d) que actúa sobre el elemento de conmutación es movida en forma oscilante entre dos bobinas de electroimán (4a, 4b), cada vez en contra de la fuerza de al menos un muelle de reposición (2a, 2b), por efecto de la alimentación alterna de corriente eléctrica a las bobinas de electroimán (4a, 4b), de modo que el elemento de conmutación junto con la armadura (4d) y los muelles de reposición (2a, 2b) constituye un sistema de muelle-masa oscilante, y en el que, partiendo del estado de reposo del sistema, en el cual la armadura (4d) es mantenida por los muelles de reposición (2a, 2b) sustancialmente en el centro entre estas bobinas magnéticas (4a, 4b), se excitan alternativamente las bobinas de electroimán (4a, 4b), para inducir la oscilación de este sistema de muelle-masa, mediante su solicitación con una tensión alterna eléctrica de frecuencia determinada, caracterizado porque, en lugar de la evolución sustancialmente rectangular usual hasta ahora de la tensión alterna (U) en función del tiempo (t), se aplica a las bobinas de electroimán (4a, 4b) una tensión alterna sustancialmente sinusoidal (U), concretamente en forma de una evolución constante variable de la tensión o en forma de una evolución variable correspondiente de la tensión modulada en anchura de impulsos.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la frecuencia de la tensión alterna resulta de la teoría de las oscilaciones inarmónicas y en general no coincide con la frecuencia propia del sistema de muelle-masa.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la frecuencia de la tensión alterna se varía en función de la amplitud de oscilación de la armadura.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en la determinación de la frecuencia de la tensión alterna se tiene en cuenta una variación - especialmente dependiente de la temperatura - de la amortiguación del sistema de muelle-masa y, por tanto, de su frecuencia de resonancia.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la forma sinusoidal o la forma ondulada de la tensión alterna se elige de tal manera que solamente se induzca la oscilación fundamental, pero no una sobreoscilación del sistema de muelle-masa.