ES2229096T3 - Mecanismo de resorte de valvula. - Google Patents

Abstract

Un mecanismo para una válvula (101) de vástago que comprende una cabeza (102) de válvula y un vástago (104) de válvula, comprendiendo el mecanismo: una disposición de pistón (109) y de cilindro (108) en la que el cilindro (108) rodea una parte del vástago (104) de válvula, el pistón (109) está montado de manera que puede deslizar y herméticamente cerrado en el vástago (104) de válvula, y el pistón (109) y el cilindro (108) definen una cámara (110); medios de transmisión de fuerza para transmitir la fuerza producida en el pistón (109) mediante presión de gas dentro de la cámara (110) al vástago (104) de válvula; y un resorte (113) que actúa sobre el pistón (109) y sobre el vástago de la válvula para aplicar una fuerza al vástago de la válvula que tienda a cerrar la válvula en caso de fallo de presión de gas dentro de la cámara (110), estando posicionado el resorte (113) de manera que se mantiene en una condición comprimida durante el funcionamiento normal del mecanismo de resorte de válvulacomo resultado de la presión de gas dentro de la cámara (110).

Description

Mecanismo de resorte de válvula.

Esta invención se refiere a un mecanismo de resorte de válvula y en la realización preferida provee un mecanismo de resorte de válvula adecuado para su uso en las válvulas de admisión y/o escape de un motor de combustión interna. Aunque la aplicación preferida de manera particular de la presente invención está en la distribución por válvulas de admisión y/o escape de un motor de combustión interna, debería apreciarse que la invención no está limitada a tales aplicaciones y potencialmente puede ser útil en otras aplicaciones en las que las válvulas de husillo vertical están provistas de resortes con el propósito de disponer la válvula en una dirección.

La enorme mayoría de motores de combustión interna utiliza válvulas del tipo de las de vástago como válvulas de admisión y válvulas de escape. Tales válvulas comprenden una cabeza, que en uso coopera con un asiento cuando la válvula está en la posición cerrada, y un vástago que se prolonga desde la cabeza hasta una posición fuera de la cámara de combustión y las aberturas del motor. El extremo del vástago de la válvula distante de la cabeza es accionado por un mecanismo de accionamiento de válvula (por ejemplo el árbol de levas de un motor de levas en culata) para abrir las válvulas. Mientras se han propuesto disposiciones en las que tanto el movimiento de apertura como el de cierre de la válvula se produce mecánicamente por medio de un acoplamiento entre el vástago de la válvula y el mecanismo de accionamiento de válvula, en la enorme mayoría de motores se utiliza un resorte para cargar la válvula hacia su posición cerrada y se aplica una fuerza al vástago de la válvula, por ejemplo mediante una leva, para mover la válvula contra la carga del resorte cuando la válvula va a ser abierta.

En la mayoría de los motores convencionales el resorte de la válvula es un resorte mecánico espiral. Se reconoce deforma generalizada, sin embargo, que los resortes mecánicos espirales presentan muchas desventajas, particularmente en motores de alta potencia y de alta velocidad. En consecuencia, se ha desarrollado un sistema en el que el elemento elástico del mecanismo de resorte de la válvula es un gas comprimido, típicamente aire comprimido. Con tal disposición, se forma un cilindro fijo alrededor del vástago de la válvula, y un pistón, que trabaja en el cilindro, está acoplado al propio vástago de la válvula. El gas comprimido es suministrado a la cámara definida entre el pistón y el cilindro y la presión de tal gas que actúa sobre el pistón carga la válvula hacia su posición cerrada. Cuando la válvula es accionada por su mecanismo de apertura asociado (típicamente la leva de un árbol de levas) el pistón se mueve con el vástago de la válvula para reducir el volumen de la cámara definida entre el pistón y el cilindro para comprimir el gas contenido en la misma. El gas comprimido, que actúa sobre el pistón, mantiene la válvula en acoplamiento con la leva mientras la leva se desplaza para permitir cerrar la válvula.

Aunque el uso de un gas comprimido como elemento elástico del mecanismo de resorte ofrece muchas ventajas, presenta la desventaja de que el funcionamiento correcto de la distribución por válvulas depende de manera crítica de la existencia de gas presurizado dentro de la cámara del mecanismo de resorte. Si no hay presión de gas presente, las válvulas pueden caer simplemente a su posición abierta bajo la influencia de la gravedad (en el caso de un motor de válvulas en culata o de levas en culata) o no volver a la posición cerrada después de ser empujada a la posición abierta por el mecanismo de accionamiento. Esto puede tener como resultado en que las válvulas lleguen a acoplarse con los pistones del motor con un daño serio resultante del motor. El problema es particularmente grave en el caso de un motor de vehículo a motor que, por ejemplo, esté sujeto a arranque que remolque después de que el vehículo no haya sido utilizado durante algún tiempo.

Para evitar este problema se ha propuesto incorporar un resorte dentro de la cámara de gas del mecanismo de accionamiento de válvula para asegurar que cierta carga del resorte se mantenga en la válvula incluso si no hay ninguna presión de gas dentro de la cámara. Sin embargo, el proveer un resorte dentro de la cámara anula en parte el propósito del mecanismo de accionamiento impulsado por el gas -es decir, evitar la necesidad de un resorte mecánico de válvula. A fin de reducir al mínimo las desventajas de incorporar un resorte mecánico dentro de la cámara, los resortes son diseñados típicamente para ser relativamente ligeros y capaces de accionar la distribución por válvulas solamente a velocidades de motor bajas. Sin embargo, los resortes todavía suponen una contribución a la masa que se desplaza de la distribución por válvulas y son propensos a la rotura después de periodos relativamente cortos de uso.

Es el objeto de la presente invención proporcionar un mecanismo de resorte de válvula en el que el elemento primario elástico es un gas comprimido, que incluye un resorte de accionamiento auxiliar, pero que no sufre las desventajas esbozadas arriba.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un mecanismo de resorte de válvula para una válvula de vástago que comprende una cabeza de válvula y un vástago de válvula, comprendiendo el mecanismo: una disposición de cilindro y pistón en el que el cilindro rodea una parte del vástago de válvula, el pistón está montado de manera deslizante y hermética en el vástago de la válvula, y el pistón y el cilindro definen una cámara; medios de transmisión de fuerza para transmitir la fuerza producida en el pistón por la presión del gas dentro de la cámara al vástago de válvula; y un resorte que actúa en el pistón y el vástago de la válvula para aplicar una fuerza al vástago de la válvula que tienda a cerrar la válvula en el caso de fallo de presión de gas dentro de la cámara, estando situado el resorte de manera que se mantiene en una condición comprimida durante el funcionamiento normal del mecanismo de resorte de válvula como resultado de la presión de gas dentro de la cámara.

Preferiblemente, los medios de transmisión de fuerza comprenden una superficie de tope en el pistón, que se mantiene normalmente por la presión de gas dentro de la cámara en acoplamiento con una superficie de tope de un miembro de tope fijado al vástago de la válvula. Preferiblemente, el resorte es un resorte de compresión en espiral que rodea el vástago de válvula y actúa en un extremo sobre el pistón y en el otro extremo sobre un miembro de asiento fijado al vástago de válvula. Preferiblemente, el miembro de asiento constituye también el miembro de tope contra el cual la superficie de tope del pistón hace contacto durante el funcionamiento normal del mecanismo de resorte de válvula.

La invención se entenderá mejor a partir de la siguiente descripción de las realizaciones preferidas de la misma, dada solamente a modo de ejemplo, haciéndose referencia a los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 es una vista esquemática de un mecanismo de accionamiento de resorte de válvula de la técnica anterior;

la figura 2 ilustra un mecanismo de resorte de válvula de acuerdo con una realización preferida de la presente invención mostrada en su condición de funcionamiento normal con la válvula cerrada;

la figura 3 es una vista que corresponde a la figura 2 que muestra la válvula en la posición abierta;

la figura 4 es una vista del mecanismo de las figuras 2 y 3 pero que muestra la configuración de los componentes en ausencia de presión de gas dentro de la cámara y con la válvula cerrada; y

la figura 5 es una vista que corresponde a la figura 4 pero que muestra la configuración de los componentes con la válvula abierta.

En referencia en primer lugar a la figura 1, hay ilustrada una válvula 1 de vástago, que incluye una cabeza 2 para cooperar con un asiento 3. La válvula puede ser la válvula de admisión o la válvula de escape de un motor de combustión interna. La válvula 1 incluye además un vástago 4 que está montado de manera que puede deslizar en una guía 5 y se ha fijado una tapa 7 al extremo 6 del mismo que está alejado de la cabeza 2. Un cilindro 8 está montado rodeando el vástago de válvula. Un pistón 9 está montado de manera que puede deslizar dentro del cilindro 8 y está asegurado al vástago de válvula. Unos cierres (no mostrados) proporcionan un cierre estático entre el pistón 9 y el vástago 4 de válvula y un cierre que desliza entre el pistón 9 y la superficie interior del cilindro 8. El pistón y el cilindro definen una cámara 10 que, durante el uso normal del mecanismo, está abastecida de aire comprimido a través de una entrada 11.

A fin de asegurar que la válvula esté cargada en la posición cerrada en el caso de ausencia de presión de gas dentro de la cámara 10, un resorte 13 está situado dentro de la cámara 10 y actúa entre la base 14 del cilindro y la cara inferior 15 del pistón.

Durante el uso normal, la presión del gas se mantiene dentro de la cámara 10 mediante medios apropiados, por ejemplo un compresor. La presión de gas dentro de la cámara 10 que actúa sobre la parte inferior 11 del pistón 9 produce una fuerza hacia arriba (como se ve en la figura 1) que se transfiere al vástago de la válvula para cargar la válvula hacia su posición cerrada. Cuando la válvula va a ser abierta, se aplica una fuerza apropiada a la tapa 7 mediante medios adecuados (por ejemplo un árbol de levas). Esta fuerza empuja la válvula 1 en la dirección hacia abajo como se ve en la figura 1 contra el empuje de la presión del fluido dentro de la cámara 10 y la fuerza del resorte 13. El resorte 13 es comprimido por lo tanto cada vez que la válvula es abierta incluso aunque el propósito buscado del resorte 13 sea sólo accionar la válvula en el caso de fallo de presión de gas dentro de la cámara 10. Esta compresión repetida del resorte 13 en cada operación de la válvula significa que el diseñador de la válvula debe hacer el muelle 13 tan ligero como sea posible y consistente con el funcionamiento satisfactorio cuando se requiere que sea el único medio para desplazar la válvula hacia su posición cerrada. Hacer el resorte tan ligero como sea posible significa que será de esa manera menos robusto y será propenso a romperse incluso después de un periodo relativamente corto de uso.

En referencia ahora a la figura 2, hay ilustrada una realización de la invención. En esta realización la válvula 101 tiene una cabeza que, durante su uso, coopera con un asiento 103. El vástago 104 de válvula está montado de manera que puede deslizar en una guía 105 y está equipado en su extremo 106 distante de la cabeza de una tapa 107. El vástago 104 de válvula está rodeado de un cilindro 108. Un pistón 109 está montado de manera que puede deslizar dentro del cilindro y un cierre 120 está provisto entre el pistón 109 y el cilindro 108. El pistón y el cilindro definen una cámara 110.

En contraste con la disposición ilustrada en la figura 1, en la disposición de la figura 2 el pistón 109 está montado de manera que puede deslizar en el vástago 104 de válvula y un cierre 121 que desliza está provisto para mantener un cierre hermético del gas entre el pistón 109 y el vástago 104 de válvula.

Un resorte 113 de válvula está situado externamente a la cámara 110 y actúa entre la superficie 122 superior del pistón y un miembro de asiento 123 que está fijado al vástago de válvula por cualquier medio apropiado.

Bajo funcionamiento normal del motor, la presión de gas se suministra a la cámara 110 a través de una entrada 111 desde un medio apropiado, por ejemplo un compresor.

Bajo condiciones normales de funcionamiento del motor, como se ilustra en las figuras 2 y 3, una presión suficiente de gas se mantiene dentro de la cámara 110 para mantener una superficie 124 de tope provista en el pistón en acoplamiento con una superficie 125 de tope provista en el asiento 123 del resorte. Con las superficies 124 y 125 en contacto una con la otra, el resorte 113 está de manera sustancial completamente comprimido y está al límite de la espiral o próximo al límite de la espiral. Por lo tanto, mientras la válvula es accionada por medio de su mecanismo de accionamiento asociado, el pistón 109 aplica una fuerza generada por la presión dentro de la cámara 110 al vástago 110 de válvula a través de las superficies 124 y 125 de tope y las superficies 124 y 125 de tope permanecen en contacto una con otra en todo el margen de posiciones posibles de la válvula. La válvula se muestra en su configuración totalmente abierta en la figura 3. Quiere hacerse notar que bajo todas las condiciones de funcionamiento las superficies 124 y 125 permanecen en contacto una con otra y por consiguiente no hay ninguna extensión ni compresión del resorte 113. Por tanto, se evita el problema de la técnica anterior en el que el anillo 13 auxiliar es extendido y comprimido repetidamente durante el funcionamiento normal de la distribución por válvulas.

En caso de fallo de presión de gas dentro de la cámara 110, por ejemplo como resultado del almacenamiento prolongado de un vehículo sin funcionamiento del motor, el pistón 109 será compulsado por el resorte 113 a la posición ilustrada en la figura 4, cuando la válvula está cerrada. El pistón habrá tocado fondo, en efecto, contra la superficie inferior del cilindro y el resorte 113 se habrá extendido. La fuerza aplicada por el resorte 113 al asiento 123 de resorte será aplicada al vástago 104 de la válvula para mantener la válvula en la configuración cerrada. Si, en la ausencia continuada de presión dentro de la cámara 110, la válvula se abre por aplicación de una fuerza a la tapa 107, el resorte 113 será comprimido durante la abertura de la válvula y se extenderá durante el subsiguiente cierre de la válvula para mantener la tapa 107 en acoplamiento con su mecanismo impulsor asociado. La válvula, en su posición completamente abierta, y sin presión de fluido dentro de la cámara 110, está ilustrada en la figura 5.

Se advertirá de lo anterior que durante el funcionamiento normal del motor el resorte 113 es mantenido simplemente en un estado comprimido. El resorte no está extendido a menos que y hasta que haya un fallo de la presión de gas dentro de la cámara 110. El diseñador está liberado, por lo tanto, de las restricciones de la técnica anterior bajo la cual el resorte 13 tenía que ser diseñado para ser comprimido y extendido repetidamente durante el funcionamiento normal del motor. También se evita el fallo del resorte como resultado de la compresión y extensión repetida en el uso normal.

Se apreciará que, en general, una vez que un motor equipado con la distribución por válvulas descrita arriba ha arrancado, se dirigirá inmediatamente un suministro de aire comprimido a la cámara 110. En consecuencia, el resorte 113 solamente será requerido para accionar la válvula durante los momentos iniciales del arranque del motor y tan pronto como se haya creado suficiente presión de gas dentro de la cámara 110 los componentes volverán a las posiciones relativas ilustradas en las figuras 2 y 3 y a continuación el resorte 113 se mantendrá comprimido durante el funcionamiento normal del motor.

Mientras en la realización descrita más arriba las superficies 124 y 125 de tope están provistas para transmitir fuerza desde el pistón a la válvula, se apreciará que con un diseño apropiado el propio resorte 113 puede utilizarse como medio de transmisión de fuerza para transmitir fuerzas de funcionamiento normal desde el pistón al vástago de la válvula. A fin de utilizar el resorte 113 para este propósito será diseñado de modo que esté completamente comprimido (límite de espiral) durante el funcionamiento normal del motor. En consecuencia actuará como un puntal cilíndrico sólido entre la superficie superior del pistón 109 y el asiento 123 del resorte. En el caso de fallo de presión de gas dentro de la cámara 110, el resorte se extenderá y funcionará como se describe arriba en referencia a las figuras 4 y 5.

Claims (5)

1. Un mecanismo para una válvula (101) de vástago que comprende una cabeza (102) de válvula y un vástago (104) de válvula, comprendiendo el mecanismo: una disposición de pistón (109) y de cilindro (108) en la que el cilindro (108) rodea una parte del vástago (104) de válvula, el pistón (109) está montado de manera que puede deslizar y herméticamente cerrado en el vástago (104) de válvula, y el pistón (109) y el cilindro (108) definen una cámara (110); medios de transmisión de fuerza para transmitir la fuerza producida en el pistón (109) mediante presión de gas dentro de la cámara (110) al vástago (104) de válvula; y un resorte (113) que actúa sobre el pistón (109) y sobre el vástago de la válvula para aplicar una fuerza al vástago de la válvula que tienda a cerrar la válvula en caso de fallo de presión de gas dentro de la cámara (110), estando posicionado el resorte (113) de manera que se mantiene en una condición comprimida durante el funcionamiento normal del mecanismo de resorte de válvula como resultado de la presión de gas dentro de la cámara (110).

2. Un mecanismo de resorte de válvula de acuerdo con la reivindicación 1 en el que los medios de transmisión de fuerza comprenden una superficie de tope del pistón que se mantiene normalmente por la presión de gas dentro de la cámara en acoplamiento con una superficie de tope de un miembro de tope fijado al vástago de válvula.

3. Un mecanismo de resorte de válvula de acuerdo con la reivindicación 1 o con la reivindicación 2 en el que el resorte es un resorte de compresión a espiral que rodea el vástago de válvula y actúa en un extremo sobre el pistón y en el otro extremo sobre un miembro de asiento fijado al vástago de válvula.

4. Un mecanismo de resorte de válvula de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en el que el miembro de asiento constituye también el miembro de tope contra el cual la superficie de tope del pistón hace contacto durante el funcionamiento normal del mecanismo de resorte de válvula.

5. Un mecanismo de resorte de válvula, sustancialmente como está descrito más arriba con referencia a los dibujos adjuntos y según se muestra en ellos.