ES2216274T3 - Motor diesel de multiples cilindros con accionamiento de valvula variable. - Google Patents
Motor diesel de multiples cilindros con accionamiento de valvula variable.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN MOTOR DIESEL CON VARIOS CILINDROS PARA CAMIONES, EN PARTICULAR DEL TIPO SOBREALIMENTADO POR UN TURBOCOMPRESOR ACCIONADO POR LOS GASES DE ESCAPE. ESTE MOTOR ESTA PROVISTO DE UN SISTEMA DE ACCIONAMIENTO DE VALVULA VARIABLE PARA ACCIONAR LAS VALVULAS DE ADMISION Y DE ESCAPE. EN ASOCIACION CON UNA GEOMETRIA ESPECIFICA DE LAS LEVAS QUE ARRASTRAN LAS VALVULAS, ESTE SISTEMA OFRECE LA POSIBILIDAD DE TENER DIFERENTES MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR QUE PUEDEN SELECCIONARSE SEGUN LAS CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR E INCLUSO, TAMBIEN EL MODO DE FUNCIONAMIENTO PERIODICO, AL MENOS UN MODO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR COMO FRENO.
Description
Motor Diesel de múltiples cilindros con
accionamiento de válvula variable.
La presente invención se refiere a motores Diesel
de múltiples cilindros para vehículos de motor, en particular para
camiones. La invención se refiere a motores de este tipo que están
sobrealimentados por medio de un sobrealimentador turbo accionado
por los gases de escape.
En la solicitud anterior de patente italiana
número TO96A000327, el solicitante ha propuesto un motor de gasolina
que comprende:
- por lo menos una válvula de admisión y por lo
menos una válvula de escape para cada cilindro, provista cada una de
ellas de respectivos medios de resorte que inclinan la válvula hacia
una posición cerrada, para controlar los respectivos conductos de
admisión y de escape,
- un árbol de levas para el accionamiento de las
válvulas de admisión y de escape de los cilindros del motor por
medio de taqués respectivos, siendo cada una de las válvulas de
admisión y de escape accionadas por medio de una leva de dicho árbol
de levas,
- estando cada uno de los taqués adaptado para
provocar la apertura de la respectiva válvula de admisión o de
escape, contra la acción de dichos medios de resorte de retorno, por
medio de la interposición de medios hidráulicos que incluyen una
cámara de fluido a presión,
- estando la cámara de fluido a presión asociada
con cada una de las válvulas de admisión o de escape adaptada para
su conexión, por medio de una válvula solenoide, a un canal de
salida, con el fin de desacoplar la válvula del taqué respectivo y
de provocar el cierre de la válvula con rapidez bajo la acción de
los respectivos medios de resorte de retorno,
- medios de control electrónicos para controlar
cada una de las válvulas solenoide, con el fin de variar el tiempo
de apertura y la carrera de la respectiva válvula de admisión o de
escape, como una función de uno o más parámetros de funcionamiento
del motor.
El sistema descrito anteriormente proporciona un
control variable sobre la apertura de las válvulas de admisión y de
escape sin modificar los elementos mecánicos que controlan el
movimiento de la válvula. Además, mientras que en un sistema
temporizador convencional el movimiento de cada válvula de admisión
o de escape se determina unívocamente por la geometría de los
elementos mecánicos que controlan la válvula (leva, brazo balancín,
taqué), en el sistema descrito anteriormente se puede provocar la
apertura de la válvula solenoide que controla la cámara a presión
asociada con una válvula determinada en cualquier momento que se
desee, de modo que se vacíe dicha cámara del aceite a presión y se
provoque el cierre rápido de la válvula de admisión o de escape,
bajo la acción de los medios de resorte de retorno respectivos,
incluso durante una etapa durante la cual la respectiva leva
tendería a mantener abierta dicha válvula.
El documento
US-A-5 537 976 da a conocer un motor
que dispone de la totalidad de las características mencionadas
anteriormente, aunque no se identifica como un motor Diesel, con la
única diferencia de que se proporcionan dos árboles de levas para el
accionamiento de las válvulas de admisión y de escape.
Además, en el motor descrito en el documento
US-A-5 537 976, los medios de
control electrónico controlan la válvula solenoide para variar el
tiempo de apertura y la carrera de la respectiva válvula de admisión
y de escape, y cada una de las levas del árbol de levas del motor
presenta un perfil para controlar la apertura de las válvulas de
admisión y de escape durante las etapas del ciclo del motor.
El objetivo de la presente invención es aplicar
el sistema de accionamiento variable de válvula mencionado
anteriormente a un motor Diesel, de manera que se obtenga la
posibilidad de proporcionar distintos modos seleccionables de
funcionamiento del motor.
Con el fin de conseguir este objetivo, la
invención proporciona un motor Diesel de múltiples cilindros que
comprende la totalidad de las características que se indican en la
reivindicación 1.
Según la invención, para solventar los problemas
originados por la inercia del sobrealimentador turbo durante los
periodos de transición, se provoca una apertura anticipada de la
válvula de escape durante el ciclo normal de funcionamiento del
motor. De este modo, los gases de escape llegan a la turbina de la
unidad del sobrealimentador turbo con una entalpía mayor, de manera
que el sobrealimentador turbo puede reaccionar con mayor prontitud a
la demanda del usuario durante las condiciones de transición.
Según una primera característica preferida
importante de la invención, dichos medios de control electrónicos
están adaptados para proporcionar un modo de funcionamiento del
motor como un freno, en el que no se inyecta combustible en los
cilindros, y en el que cada válvula solenoide se controla de manera
que se mantengan cerradas las válvulas de admisión y de escape de
cada uno de los cilindros sustancialmente durante cada etapa cuando
el pistón respectivo se eleva desde el punto muerto inferior (BDC)
hasta el punto muerto superior (TDC), de forma que se aproveche la
potencia absorbida en cada carrera ascendente del pistón para
obtener un efecto de frenado, estando también dichos medios
electrónicos adaptados para capacitar cada válvula de escape,
cerrando la válvula solenoide respectiva inmediatamente antes de que
el pistón alcance el TDC, bajo la acción de la leva respectiva.
Tal y como se pone claramente de manifiesto, el
modo de funcionamiento del motor como un freno mencionado
anteriormente representa un primer ejemplo de aplicación del
principio que se ha descrito, según el cual, las levas del árbol de
levas presentan un perfil que puede provocar la apertura de las
válvulas respectivas no sólo durante la etapa de apertura
convencional dentro de un ciclo normal de funcionamiento del motor,
sino también en algunas etapas adicionales, mientras que la válvula
solenoide respectiva se abre en etapas determinadas con el fin de
provocar que la válvula permanezca cerrada en dichas etapas, o de
provocar que la válvula se comporte de forma diferente, incluso a
pesar de que la leva tendería por sí misma a provocar la apertura de
la válvula. En el caso mencionado anteriormente, las levas disponen
de partes del perfil adaptadas para accionar las válvulas en el modo
de funcionamiento como un freno, cuyas partes de perfil se
"capacitan" mediante las válvulas solenoide únicamente cuando
se desea el funcionamiento como un freno. Tal y como se mostrará con
mayor detalle a continuación, haciendo referencia a los dibujos
adjuntos, en los casos en los que en lugar de un funcionamiento
normal del motor, las válvulas solenoide se controlan mediante los
medios de control electrónicos mencionados anteriormente, de modo
que se "capacite" que las partes de perfil de la leva que
controlan el ciclo de apertura normal de las válvulas y se
"inutilicen" las partes de perfil que se aprovechan durante el
modo de funcionamiento como un freno.
Volviendo en particular al modo de funcionamiento
como un freno, se deberá observar que en este modo, cada carrera
ascendente del pistón desde el BDC hasta el TDC se aprovecha con el
fin de obtener el efecto de frenado, de forma que el pistón dispone
de una carrera activa cada vez que se eleva, según un ciclo de
funcionamiento de dos carreras. La potencia absorbida de este modo
es muy alta y entre el 100 y el 120% respecto al ritmo de salida con
el funcionamiento normal por combustión. Por ejemplo, si a una
velocidad de 2.400 rpm la potencia de salida del motor en
funcionamiento por combustión es de 257 Kw, la potencia absorbida
como un freno a la misma velocidad sería de 305 Kw. Dado que la
válvula de escape se abre al final de cada carrera ascendente del
pistón, durante la carrera descendente el aire comprimido no puede
retornar la totalidad de la potencia absorbida previamente durante
la carrera ascendente del pistón, que se daría si el volumen de aire
atrapado en el interior del cilindro fuese siempre el mismo,
comportándose así de forma similar a un resorte.
Según otra característica preferida de la
invención, en la forma de funcionamiento mencionada anteriormente
del motor como un freno, la válvula de escape se mantiene abierta
también durante una primera parte de la carrera descendente del
pistón desde el PMS, de modo que se extrae aire del conducto de
escape del interior del cilindro, con el fin de hacer descender el
flujo de aire que alimenta el sobrealimentador turbo. Esto se hace
porque, como en el modo de funcionamiento como un freno el motor
funciona según un ciclo de dos carreras, el flujo de aire que
alimenta el sobrealimentador turbo en este modo tendería a ser el
doble del que alimenta normalmente el sobrealimentador turbo durante
el funcionamiento normal de combustión del motor. Esto provocaría un
descenso excesivo de la eficiencia del sobrealimentador turbo y una
compresión resultante muy pobre del aire que alimenta el cilindro.
Dejando la válvula de escape abierta durante la primera parte de la
carrera descendente del pistón, se lleva al cilindro una parte del
aire que previamente se ha alimentado al conducto de escape, lo cual
hace descender el flujo a través de la turbina del sobrealimentador
turbo, manteniendo de este modo la eficiencia del sobrealimentador
turbo a niveles aceptables.
Finalmente, todavía en el modo de funcionamiento
del motor como un freno, durante la parte final de la carrera
descendente del pistón, la válvula de admisión se mantiene abierta,
de modo que permita que se llene el cilindro en su totalidad en
vista de la carrera ascendente siguiente, en la cual las válvulas de
admisión y de escape se encuentran sustancialmente cerradas, de
manera que se inicia una nueva etapa de compresión del aire y de
absorción de potencia.
Tal y como ya se ha indicado anteriormente, las
levas del árbol de levas del motor según la invención disponen de
más partes de perfil que son para obtener ciclos de funcionamiento
particulares de las válvulas, cuyas partes de perfil se
"capacitan" o se "inutilizan" mediante los medios de
control electrónicos a través de las válvulas solenoide respectivas,
con el fin de proporcionar selectivamente distintos modos de
funcionamiento del motor, además del modo de funcionamiento normal y
del modo de funcionamiento como un freno que se ha descrito
anteriormente.
Por ejemplo, según otra característica de la
invención, el perfil de la leva que controla cada una de las
válvulas de escape presenta una parte adaptada para provocar una
etapa de apertura adicional de la válvula de escape sustancialmente
durante una parte final de la etapa de admisión. Los medios de
control electrónicos están adaptados para "capacitar" esta
parte de perfil, cuando se desea un funcionamiento de motor según el
ciclo denominado "Curtill". En este ciclo de funcionamiento del
motor en particular, la apertura de la válvula de escape
sustancialmente durante una parte final de la etapa de admisión
provoca el flujo de un poco de aire fresco primero directamente
desde el conducto de admisión hasta el conducto de escape, debido al
vacío en el colector de escape, mientras que a continuación, seguido
al incremento de la presión en el colector de escape, retorna un
poco de aire desde el conducto de escape hasta el interior del
cilindro, aprovechando la presión suplementaria del interior del
colector de escape, de modo que se mejora el llenado del cilindro.
El ciclo descrito anteriormente, ya conocido, se puede aplicar de
forma ventajosa al motor según la invención, ya que los medios de
control electrónicos mencionados pueden "inutilizar", por medio
de las válvulas solenoide respectivas, las partes de perfil de las
levas que tenderían a provocar la apertura adicional de las válvulas
de escape descritas anteriormente, de forma que se elimine este modo
en las velocidades del motor en las que se convertiría en
perjudicial.
Según otra característica preferida, el motor
según la invención es capaz de funcionar todavía según otro modo de
funcionamiento correspondiente al denominado ciclo "Miller". En
este modo, los medios de control electrónicos están adaptados para
variar (es decir, anticipar o posponer) el tiempo de cierre de la
válvula de admisión en el ciclo de combustión de funcionamiento
normal. Como ya se conoce, en el ciclo Miller, anticipando o
posponiendo el tiempo de cierre de la válvula de admisión, se
obtiene una variación de la relación de compresión mediante la cual,
por ejemplo en el caso de un incremento de la relación de
compresión, se obtiene un incremento de la temperatura, solventando
el problema de arrancar el motor en una temperatura fría. Según la
invención, las levas asociadas con las válvulas de admisión
presentan un perfil adaptado para mantener la válvula de admisión
abierta durante la totalidad de la parte deseada del ciclo, y los
medios de control electrónico controlan las válvulas solenoide
respectivas con el fin de permitir la apertura de las válvulas de
admisión según el modo deseado. Haciendo referencia todavía al ciclo
"Miller", se puede utilizar para obtener un efecto inverso, es
decir, un descenso de la temperatura con el fin de hacer descender
la cantidad de NO_{x}en los gases de escape.
Como resulta claramente evidente, el principio
básico de la invención consiste en proporcionar levas que presenten
un perfil complejo, de manera que tiendan a accionar la apertura de
las válvulas de admisión y de escape en diferentes etapas del ciclo
del motor, mientras que el sistema de accionamiento de válvulas
variable se utiliza para capacitar o inutilizar las diferentes
partes de perfil de la leva, de modo que se consigan distintos modos
posibles de funcionamiento del motor, los cuales se pueden
seleccionar por ejemplo por el usuario o también pueden estar
controlados electrónicamente por dichos medios de control
electrónico según la condición de funcionamiento del motor.
A partir de la siguiente descripción se pondrán
claramente de manifiesto otras características y ventajas de la
invención, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, que se
proporcionan únicamente a título de ejemplo no limitativo, en los
cuales:
la Figura 1 es una vista esquemática que muestra
el principio de funcionamiento de un sistema de accionamiento
variable de válvula en un motor de combustión interna,
las Figuras 2, 3 son vistas en sección
transversal de un detalle del control de la válvula de escape en una
forma de realización preferida de un motor según la invención,
la Figura 4 es una vista esquemática del control
de válvula de admisión en un motor según la invención,
las Figuras 5, 6 son vistas que muestran las
levas de la forma de realización según la invención, asociadas
respectivamente con las válvulas de admisión y de escape,
la Figura 7 es un diagrama que muestra el
movimiento del pistón asociado con una leva de control de válvula de
admisión,
la Figura 8 es un diagrama que muestra el
movimiento del pistón asociado con la leva de control de válvula de
escape,
la Figura 9 es un diagrama que muestra las
carreras de apertura de las válvulas de admisión y de escape en el
modo de funcionamiento del motor como un freno,
las Figuras 10, 11, 12 y 13 son diagramas que
muestran el funcionamiento del motor en el modo de funcionamiento de
frenado mencionado anteriormente,
la Figura 13 vuelve a mostrar las carreras de
apertura de las válvulas en el modo de funcionamiento como un freno,
a diferentes velocidades del motor,
la Figura 14 es un diagrama que muestra las
carreras de apertura de las válvulas en un modo de funcionamiento
del motor según el ciclo "Curtill",
la Figura 15 es un diagrama que muestra por medio
de la línea continua las carreras de apertura de las válvulas de
admisión y de escape en el ciclo normal de funcionamiento del motor,
y por medio de líneas discontinuas, la carrera de apertura de la
válvula de admisión en el modo según el ciclo de "Miller" y la
carrera de apertura de la válvula de escape en un modo retardado
anti-turbo.
La Figura 1 muestra de forma esquemática el
principio de funcionamiento de un sistema de accionamiento variable
de válvula en un motor de combustión interna. La referencia 1
designa generalmente la válvula (que bien puede ser una válvula de
admisión o una válvula de escape) asociada con un conducto 2 (de
admisión o de escape) respectivo, formado en un cabezal 3 de un
motor de combustión interna. La válvula 1 se inclina hacia su
posición cerrada (hacia arriba en relación con la Figura 1) por
medio de un resorte 4, mientras que se provoca su apertura por medio
de un pistón 5 que actúa en el extremo superior del pie de la
válvula. El pistón 5 a su vez, se controla por medio del aceite a
presión que se halla presente en el interior de una cámara 6, por un
pistón 7 que soporta un empujador 8 que coopera con una leva 9 de un
árbol de levas 10. Dicho empujador 8 se sostiene mediante un resorte
11 en contacto deslizante con la leva 9. La cámara de presión 6 se
puede conectar al conducto 12, el cual a su vez se comunica con un
acumulador de presión 13, a través del obturador 14 de una válvula
solenoide 15 controlada a través de medios de control electrónicos
(que no se muestran) según las condiciones de funcionamiento del
motor. Cuando la válvula solenoide 15 está abierta, se descarga el
aceite a presión que se encuentra presente en la cámara 6, de modo
que la válvula 1 se cierra con rapidez bajo la acción de su resorte
de retorno 4.
Cuando se cierra la válvula solenoide 15, el
aceite que se encuentra en la cámara 6 transmite los movimientos del
pistón 7 al pistón 5 y desde allí, a la válvula 1, de modo que la
posición de la válvula 1 viene determinada por la leva 9. Dicho de
otro modo, la leva 9 normalmente controla la apertura de la válvula
1 según un ciclo que depende del perfil de la leva, pero se puede
"inutilizar" cada vez que se desee abriendo la válvula
solenoide 15, de manera que se interrumpa la conexión entre el
pistón 7 y la válvula 1.
La presente invención se refiere a la aplicación
de un sistema de accionamiento variable de válvula del tipo descrito
anteriormente a un motor Diesel de múltiples cilindros para
camiones, que está sobrealimentado por un sobrealimentador turbo
accionado por los gases de escape.
Las Figuras 2, 3 muestran a título de ejemplo el
detalle del control de válvula de escape de una forma de realización
preferida del motor según la invención. En estas figuras, la
referencia C_{E} designa una leva que controla la apertura de dos
válvulas de escape E (Figura 3) asociadas con un cilindro del motor.
Las dos válvulas E están provistas respectivamente de resortes de
retorno 4 y están controladas en sus extremos superiores por dos
pistones respectivos 5 que se encuentran encarados a dos conductos
6a. Dichos conductos se abren en dos cámaras de presión 6 hacia las
cuales también se encuentran encarados dos pistones 7, estando
provisto cada uno de los mismos con un resorte de retorno 11
respectivo. Los dos pistones 7 se controlan simultáneamente por
medio de un elemento en forma de puente 16, el cual se encuentra
montado de forma que pueda pivotar a un extremo de un brazo balancín
17 que es soportado de forma que pueda pivotar sobre un eje 18 por
la estructura del cabezal del motor 3. El otro extremo del brazo
balancín está provisto de un rodillo de leva 19, el cual se
encuentra en contacto con la leva C_{E} del árbol de levas 10. Tal
y como aparece con claridad en la disposición descrita
anteriormente, de forma diferente a lo que se ha mostrado en la
Figura 1, los ejes de las válvulas E se encuentran en un plano
diferente con respecto a los ejes de los pistones 7. Esto es posible
debido a que el movimiento de los pistones 7 se transmite a las
válvulas de forma hidráulica, por medio del aceite a presión que
llena la cámara 6 y los conductos 6a.
La Figura 4 muestra de forma esquemática la
disposición para controlar las válvulas de admisión del motor según
la invención, en la cual una leva C_{I} coopera con un pistón 7
provisto de un resorte 11 respectivo y encarado a la cámara de
presión 6 que a su vez, controla de forma simultánea los dos
pistones 5 asociados con dos válvulas de admisión I de cada uno de
los cilindros del motor.
Las Figuras 5, 6 muestran el perfil de la leva
C_{I} para accionar las válvulas de admisión y la leva C_{E}
para accionar las válvulas de escape en una forma de realización
preferida de la invención. Tal y como se muestra, cada una de dichas
levas presenta un perfil complejo, diferente del perfil
convencional, con el fin de provocar la apertura de las válvulas de
admisión y de escape no sólo en las etapas convencionales, tal y
como se hace en un ciclo de funcionamiento convencional del motor,
sino también durante las etapas adicionales, según diferentes modos
de funcionamiento del motor que se pueden seleccionar por medio del
sistema de accionamiento variable de válvula, el cual puede
capacitar o inutilizar la totalidad de las partes de perfil de las
levas.
Las Figuras 7, 8 son dos diagramas que se pueden
considerar sustancialmente como un modo diferente de mostrar los
perfiles de las levas C_{I} y C_{E}. De hecho, la figura 7
muestra el desplazamiento del pistón 7 asociado con las válvulas de
admisión I como una función del ángulo de giro del cigüeñal del
motor. Dado que el desplazamiento del pistón 7 está directamente
determinado por el perfil de la leva de control C_{I}, sucede que
el diagrama de la Figura 7 se puede considerar como una
representación de dicho perfil. En este diagrama, se indica por
medio de las referencias TDC y BDC las posiciones angulares
correspondientes al punto muerto superior y al punto muerto inferior
del pistón asociado con el cilindro del motor bajo consideración. De
modo similar, la Figura 8 muestra el desplazamiento del pistón 7
asociado con las válvulas de escape E y, por lo tanto, se puede
considerar como otra representación del perfil de la leva C_{E}
accionando las válvulas de escape.
En los diagramas de las Figuras 7, 8, la
referencia F designa los rangos angulares del ciclo del motor en el
cual, en el funcionamiento normal de combustión del motor, las
válvulas solenoide asociadas con el sistema de accionamiento
variable de válvula se mantienen cerradas, de modo que las válvulas
de admisión y de escape I y E son accionadas por levas respectivas
C_{I} y C_{E}. Dicho de otro modo, en un funcionamiento normal
de combustión del motor, las válvulas de admisión I son accionadas
por las levas C_{I} únicamente dentro del rango entre 300º y 480º,
mientras que las válvulas de escape "perciben" las levas
respectivas C_{E} únicamente dentro de un rango entre 70º y 300º
aproximadamente. Por lo tanto, si el motor debe funcionar según el
ciclo convencional, sería suficiente con que las levas tuviesen la
parte de su perfil que es activa correspondiente a los rangos
angulares indicados anteriormente. Sin embargo, tal y como aparece
claramente en las Figuras 7, 8, los perfiles de leva del motor según
la invención son tales que provocan carreras de apertura adicionales
de las válvulas, incluso fuera de los rangos angulares indicados
anteriormente, con el fin de proporcionar diferentes ciclos de
funcionamiento. Tal como ya se ha indicado, el control de las
válvulas solenoide respectivas corresponde a los medios de control
electrónicos del sistema de accionamiento variable de válvula, con
el fin de capacitar o inutilizar las varias partes de los perfiles
de las levas del motor, de modo que se obtengan selectivamente
dichos modos diferentes de funcionamiento del motor.
En el modo de funcionamiento normal del motor,
las carreras de apertura de las válvulas de admisión y de escape son
las que se pueden apreciar mediante líneas continuas en el diagrama
de la Figura 15, que muestra el desplazamiento de las válvulas de
admisión y de escape en los diversos ángulos del cigüeñal. En el
ciclo de funcionamiento normal del motor, el ángulo 0 corresponde a
la explosión, con el pistón en el punto muerto superior del
cilindro. Empezando desde esta posición, tienen lugar las cuatro
etapas de expansión, escape, admisión y compresión en secuencia
respectivamente dentro de los rangos angulares de 0º a 180º, de 180º
a 360º, de 360º a 540º y de 540º a 720º. Haciendo referencia aún a
la Figura 15, sucede que las válvulas de admisión y de escape son
accionadas de manera que se abran según el ciclo convencional de
funcionamiento del motor, sustancialmente durante las etapas de
admisión y escape. Este modo convencional de apertura de las
válvulas de admisión y de escape se controla por medio de las
respectivas levas C_{I} y C_{E} dentro de los rangos angulares F
que se muestran en las Figuras 7, 8, en las que se "capacitan"
dichas levas para accionar las válvulas respectivas a través de los
medios de control electrónicos.
Según la invención, el motor puede funcionar en
un primer modo de funcionamiento alternativo al modo normal de
funcionamiento del motor, con el fin de obtener un efecto de
frenado. El problema de frenar camiones pesados, especialmente en
condición de frenado prolongado, como por ejemplo en largas bajadas
con carga completa, es crítico. Según la invención, cuando resulta
necesario accionar el motor como un freno, los medios de control
electrónicos sirven para controlar las válvulas solenoide
respectivas, de modo que las mantenga cerradas, capacitando de este
modo las levas respectivas, sólo dentro de los rangos indicados por
la referencia B en las Figuras 7, 8. De esta forma, las válvulas de
admisión y escape no "perciben" la parte del perfil de las
levas que normalmente controla la apertura de las válvulas en el
ciclo normal de funcionamiento del motor, mientras que perciben
otras partes de dicho perfil, lo cual provoca un modo diferente de
funcionamiento de las válvulas, tal y como se muestra en la Figura
9. Esta Figura muestra un diagrama similar al de la Figura 15 que
muestra cómo se modifican las carreras de apertura de las válvulas
de admisión y de escape en el modo de funcionamiento del motor como
un freno. En este modo de funcionamiento, las válvulas de admisión y
de escape se mantienen cerradas, sustancialmente durante cada
carrera ascendente del pistón en el interior del cilindro desde el
punto muerto inferior hasta el punto muerto superior, de manera que
el motor durante esta etapa funciona como un compresor, absorbiendo
de este modo potencia. Sin embargo, al final de cada carrera
ascendente del pistón, la válvula de escape se abre (parte a
en el diagrama) de manera que la presión máxima en el interior del
cilindro no se eleva por encima de un valor dado predeterminado.
Esto se hace con el fin de evitar que durante la siguiente carrera
descendente el aire comprimido retorne la totalidad de la potencia
absorbida anteriormente, de manera que no se proporcione efecto de
frenado, lo cual se daría si el volumen de aire en el interior del
cilindro fuese siempre el mismo, comportándose como un resorte. La
válvula de escape también se mantiene abierta en la primera parte de
cada carrera descendente del pistón (parte b en el diagrama)
de manera que durante la carrera descendente del pistón entra aire
en el cilindro procedente del colector de escape. De este modo, se
obtiene un descenso del flujo de aire que pasa a través de la
turbina del sobrealimentador turbo, el cual mantiene la eficiencia
de dicho sobrealimentador turbo bastante elevada. Además, en el modo
de funcionamiento de frenado que se ha descrito anteriormente, en
realidad se obtiene un ciclo de dos carreras, disponiendo de una
carrera de compresión activa en cada carrera ascendente del pistón
hacia el punto muerto superior, y de una etapa de admisión con un
llenado completo del cilindro en cada carrera descendente del
pistón. Actuando de este modo (en el modo de funcionamiento de
frenado obviamente no se inyecta combustible en el interior del
cilindro) el flujo de aire que pasa por el compresor del
sobrealimentador turbo se doblaría con respecto al flujo de aire que
alimenta a este compresor durante el ciclo de funcionamiento normal
de combustión del motor. Esto provocaría una reducción considerable
de la eficiencia del sobrealimentador turbo con una compresión
resultante insuficiente del aire de entrada en el cilindro. Esta
desventaja se supera haciendo entrar aire procedente del conducto de
escape. Además, tal y como se muestra, en la segunda parte de la
carrera descendente del pistón en el interior del cilindro también
se abre la válvula de admisión, de modo que se llena el cilindro en
su totalidad con aire y que esté dispuesto para una etapa posterior
de compresión, con la carrera ascendente del pistón hacia el punto
muerto superior, durante la cual ambas válvulas están cerradas. Tal
y como ya se ha indicado, el modo de funcionamiento de frenado del
motor mencionado anteriormente se obtiene fácilmente, dado que las
levas del motor disponen de partes de su perfil adaptadas para
controlar la apertura de las válvulas en el modo normal de
funcionamiento del motor, así como en el modo de funcionamiento de
frenado, los medios de control electrónicos que controlan las
válvulas solenoide del sistema de accionamiento variable de válvula,
de manera que capacite e inutilice las partes de perfil mencionadas
anteriormente según el modo de funcionamiento deseado.
En la Figura 9, se han mostrado mediante líneas
continuas, para una mayor precisión, las carreras de apertura
teóricas de las válvulas tal y como se ha calculado mientras que se
han mostrado con líneas discontinuas las carreras de apertura que
tienen lugar en realidad, debido a la presencia del aceite entre la
leva y la válvula.
Las Figuras 10, 11, 12 muestran el funcionamiento
del motor en el modo de funcionamiento de frenado. La Figura 10
muestra la presión en el cilindro a una velocidad de 2.400 rpm. La
presión máxima en el interior del cilindro no se alcanza en el punto
muerto superior, sino un poco antes, debido a la apertura de la
válvula de escape durante la etapa, se muestra como a en la
Figura 9.
La Figura 11 es un diagrama que muestra la
presión en el interior del colector de admisión, del colector de
escape y del cilindro. Finalmente, la Figura 12 es un diagrama que
muestra el caudal másico a través de las válvulas de admisión y de
escape, una vez más en el modo de funcionamiento de frenado. Se
deberá observar que en la Figura 9 pero en líneas punto y raya se
muestra el desplazamiento del pistón en el cilindro, con el fin de
mostrar la ausencia de interferencias entre el pistón y la válvula
de escape cuando ésta se abre y el pistón se encuentra próximo al
punto muerto superior.
Finalmente, la Figura 13 es un diagrama similar a
la Figura 9 que muestra que se puede variar la apertura de las
válvulas de admisión y de escape en el modo de funcionamiento de
frenado, según la velocidad del motor. El diagrama muestra además
las carreras de apertura diferentes de las válvulas a diferentes
velocidades del motor.
La Figura 14 muestra otro modo de funcionamiento
del motor en el cual se obtiene un ciclo de funcionamiento del tipo
"Curtill". En este ciclo, además de las etapas de apertura
normales de las válvulas de admisión y de escape correspondientes al
ciclo convencional, se obtiene una etapa de apertura adicional de la
válvula de escape, tal y como se muestra mediante líneas
discontinuas en dicha Figura. Como se ha mencionado anteriormente,
debido a esta apertura adicional de la válvula de escape en la parte
final de la etapa de admisión y en la primera parte de la etapa de
compresión se obtiene un mejor llenado del cilindro. De hecho, en la
primera parte a de dicha apertura adicional de la válvula de
escape, fluye un poco de aire fresco directamente desde el conducto
de admisión hasta el conducto de escape, mientras que en la segunda
parte b el aire del interior del conducto de escape retorna
al interior del cilindro debido a la presión adicional que entre
tanto se ha establecido en el interior del colector de escape debido
a los otros cilindros que se encuentran en la etapa de escape. En el
motor según la presente invención, los medios de control
electrónicos pueden controlar las válvulas solenoide respectivas
para proporcionar la apertura adicional mencionada anteriormente de
la válvula de escape, según el ciclo Curtill, únicamente a ciertas
velocidades del motor para las cuales resulta ventajosa esta
apertura adicional, mientras que se elimina a velocidades en las que
resulta perjudicial.
Finalmente, la Figura 15 muestra mediante líneas
continuas las carreras de apertura de la válvulas de admisión y de
escape en el ciclo normal de funcionamiento del motor, mientras que
se muestran respectivamente mediante líneas discontinuas la carrera
de apertura de la válvula de admisión en otro modo de funcionamiento
que proporciona el ciclo denominado "Miller", y la carrera de
apertura de la válvula de escape en otro modo de funcionamiento más
que resulta útil para reducir el efecto denominado "turbo
retardado", es decir, la inercia del sobrealimentador turbo para
responder a la demanda del usuario en condiciones de transición. En
particular, en el primer caso, se anticipa o se pospone el cierre de
la válvula de admisión (en el caso que se muestra en la Figura 15 se
pospone) con el fin de obtener un descenso o un aumento de la
relación de compresión. Si por ejemplo, se pospone el cierre de la
válvula de admisión, la etapa de compresión se inicia cuando el
pistón ya se ha elevado desde el punto muerto inferior, de modo que
desciende la relación de compresión. De esta manera, desciende la
temperatura que se alcanza y, como consecuencia, descienden los
No_{x} en el escape. Al contrario, incrementando la relación de
compresión se obtiene un incremento del aire comprimido, lo cual
resulta ventajoso con el fin de favorecer, por ejemplo, el arranque
del motor a una temperatura fría.
En este caso, en lugar del modo de funcionamiento
adaptado para reducir el efecto "turbo retardado" (diagrama
discontinuo en la izquierda de la Figura 15) se anticipa e
incrementa la apertura de la válvula de escape con el fin de que los
gases de escape dispongan de una mayor entalpía, de manera que
desciendan los efectos perjudiciales debidos a la inercia del
sobrealimentador turbo en las condiciones de transición.
Por lo tanto, tal como se pone claramente de
manifiesto en la descripción anterior, la invención propone un motor
Diesel para camiones del tipo sobrealimentado por medio de un
sobrealimentador turbo accionado por los gases de escape, el cual
está provisto de un sistema de accionamiento variable de válvula y
en el cual, las levas que controlan las válvulas de admisión y de
escape presentan un perfil tal que son capaces de controlar las
válvulas, no sólo durante las etapas de apertura normales dentro del
ciclo normal de funcionamiento del motor, sino también durante las
etapas adicionales del ciclo, de manera que los medios de control
electrónicos que forman parte del sistema de accionamiento variable
de válvulas pueden capacitar e inutilizar las partes
correspondientes de los perfiles de leva, de modo que proporcionen
una pluralidad de diferentes modos de funcionamiento del motor que
se pueden seleccionar según la condición de uso del motor. Los
medios de control electrónicos se pueden disponer con el fin de
proporcionar la selección de los distintos modos de funcionamiento
de forma automática, según las condiciones de funcionamiento del
motor, o, por ejemplo, en el caso del modo de funcionamiento de
frenado, según la demanda del usuario.
Otra característica preferida de la invención se
representa en particular por el modo, que se ha descrito
anteriormente, por el que se proporciona el modo de funcionamiento
del motor, que consigue un frenado eficiente del vehículo de motor
por medios sencillos y hasta un cierto punto variables con la
velocidad del motor.
Obviamente, mientras que el principio de la
invención sigue siendo el mismo, pueden variar ampliamente los
detalles de la construcción y las formas de realización con respecto
a lo que se ha descrito e ilustrado meramente a título de ejemplo,
sin apartarse por ello del alcance de las reivindicaciones.
Se pone claramente de manifiesto, por ejemplo,
que la geometría de las levas del motor según la presente invención
también puede ser diferente de la que se muestra a título de ejemplo
en los dibujos adjuntos. Lo mismo se aplica obviamente a la
disposición y la geometría del dispositivo para controlar los taqués
hidráulicos.
Según la invención, resulta esencial que las
levas se diseñen con el fin de proporcionar, además del ciclo normal
de funcionamiento del motor, por lo menos el modo de funcionamiento
de frenado. Obviamente se prefiere la disposición de levas adaptadas
para proporcionar también otros modos de funcionamiento, tal y como
se describe anteriormente y tampoco se puede excluir el caso,
obviamente, de que aún se pueden proporcionar otros modos de
funcionamiento diferentes a los descritos anteriormente.
En resumen, gracias a la presente invención se
puede obtener un motor Diesel de múltiples cilindros para camiones,
de un tipo sobrealimentado por medio de un sobrealimentador turbo,
el cual, por medios sencillos, es capaz de funcionar según
diferentes modos de funcionamiento en respuesta a diferentes
demandas posibles, tales como por ejemplo un modo de frenado del
vehículo de motor, un modo de reducción de las emisiones nocivas, un
modo que facilite el arranque con una temperatura fría, un modo de
reducción del efecto "turbo retardado", así como un modo que
posibilite la recirculación del gas de escape interno.
Claims (6)
1. Motor Diesel de múltiples cilindros, que
comprende:
- por lo menos una válvula de admisión (1) y por
lo menos una válvula de escape (E) para cada cilindro, provista cada
una de ellas de respectivos medios de resorte de retorno (4) que
inclinan la válvula hacia la posición cerrada, para controlar los
respectivos conductos de admisión y de escape,
- un árbol de levas (10) para accionar las
válvulas de admisión y de escape (I, E) de los cilindros del motor
por medio de taqués respectivos (7), siendo cada válvula de admisión
y cada válvula de escape accionadas mediante una leva (C_{I},
C_{E}) de dicho árbol de levas (10),
- en el que cada uno de dichos taqués (7) acciona
la respectiva válvula de admisión o de escape
(I, E), contra la acción de dichos medios de resorte de retorno (4), por medio de la interposición de medios hidráulicos que incluyen una cámara de fluido a presión (6),
(I, E), contra la acción de dichos medios de resorte de retorno (4), por medio de la interposición de medios hidráulicos que incluyen una cámara de fluido a presión (6),
- estando la cámara de fluido a presión (6)
asociada con cada válvula de admisión (I) y con cada válvula de
escape (E) adaptada para su conexión a través de una válvula
solenoide (15) a un canal de salida (12), con el fin de desacoplar
la válvula del taqué (7) respectivo y de provocar el cierre de la
válvula con rapidez bajo la acción de los respectivos medios de
resorte de retorno (4), y
- medios de control electrónicos para controlar
cada válvula solenoide (15) para variar el tiempo de apertura y la
carrera de la respectiva válvula de admisión o de escape (I, E) como
una función de uno o más parámetros de funcionamiento del motor,
caracterizado porque
cada una de las levas del árbol de levas (10)
presenta un perfil de manera que tiende a provocar la apertura de la
respectiva válvula de admisión o de escape (I, E) controlada por el
mismo, no sólo durante la etapa de apertura convencional dentro del
ciclo normal de funcionamiento del motor, sino también en algunas
etapas adicionales del ciclo,
porque dichos medios de control electrónicos
están adaptados para provocar la apertura de cada válvula solenoide
(15), de modo que se mantenga la respectiva válvula de admisión o de
escape (I, E) cerrada durante la etapa convencional mencionada
anteriormente y/o durante una o más de dichas etapas adicionales en
las que la leva respectiva tendería a provocar la apertura de la
válvula, de manera que el motor se pueda accionar de forma selectiva
según distintos modos de funcionamiento controlando las válvulas
solenoide (15),
porque dicho motor está sobrealimentado por medio
de un sobrealimentador turbo accionado mediante los gases de
escape,
porque la leva que controla la válvula de escape
presenta un perfil que provoca una apertura anticipada de la válvula
de escape con respecto al ciclo normal de funcionamiento del motor,
y
porque los medios de control electrónicos están
adaptados para permitir que dicha leva anticipe el tiempo de
apertura de la válvula de escape con respecto al ciclo normal de
funcionamiento del motor, con el fin de reducir el efecto "turbo
retardado".
2. Motor según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichos medios electrónicos están
adaptados para proporcionar un modo de funcionamiento del motor como
un freno, en el cual no se inyecta combustible en los cilindros, y
en el cual, cada válvula solenoide (15) se controla de manera que se
mantengan cerradas las válvulas de admisión y de escape (I, E) de
cada uno de los cilindros, sustancialmente durante cada carrera
ascendente del pistón respectivo desde el punto muerto inferior
hasta el punto muerto superior, de modo que se aproveche la potencia
absorbida en cada carrera ascendente del pistón con el fin de
obtener un efecto de frenado, estando también dichos medios de
control electrónicos adaptados para permitir la apertura de cada
válvula de escape, cerrando la válvula solenoide respectiva (15)
inmediatamente antes de que el pistón alcance el punto muerto
superior, debido a la acción de la leva respectiva (C_{E}).
3. Motor según la reivindicación 2,
caracterizado porque en dicho modo de funcionamiento del
motor de frenado, la válvula de escape (E) se mantiene abierta
durante una primera parte de la carrera descendente del pistón desde
el punto muerto superior, de modo que entre aire en el interior del
cilindro desde el conducto de escape, con el fin de hacer descender
el flujo de aire alimentado al sobrealimentador turbo.
4. Motor según la reivindicación 3,
caracterizado porque en dicho modo de funcionamiento de
frenado, la válvula de admisión se mantiene abierta en la parte
final de la carrera descendente del pistón hacia el punto muerto
inferior.
5. Motor según la reivindicación 1,
caracterizado porque el perfil de la leva (C_{E}) que
controla cada válvula de escape (E) es tal que provoca una etapa de
apertura adicional de la válvula de escape (E) sustancialmente
durante la parte final de la etapa de admisión, de modo que
proporciona un ciclo de funcionamiento del tipo Curtill, estando
dichos medios electrónicos adaptados para inutilizar dicha leva, de
manera que se elimine dicha apertura adicional de la válvula de
escape (E) a determinadas velocidades de funcionamiento del
motor.
6. Motor según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichos medios de control electrónicos
están adaptados para variar el tiempo de cierre de la válvula de
admisión con respecto al ciclo de funcionamiento normal del motor,
con el fin de variar la relación de compresión según las condiciones
de funcionamiento del motor.
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