ES2239108T3 - Motor de combustion interna para vehiculo automovil. - Google Patents
Motor de combustion interna para vehiculo automovil.Info
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Abstract
Motor de combustión interna para vehículo automóvil que comprende, al menos, una válvula (6) de admisión y, al menos, una válvula (7) de escape, que cooperan, respectivamente, con asientos (10, 13) definidos en cada uno de sus cilindros (2), activándose y controlándose el movimiento de la válvula de admisión en relación con su asiento, tanto a la apertura como al cierre, por medio de un accionador electromagnético (17), mientras que la válvula de escape es accionada por un conjunto (16) que comprende, al menos, un sistema mecánico, tal como una palanca (28) o similar, movida mediante un árbol (26) de levas (27), siendo independiente este conjunto del accionador electromagnético, caracterizándose dicho motor porque, para aumentar su rendimiento desactivando, durante un ciclo, al menos uno de sus cilindros, el motor comprende medios (18) para activar el cierre de la válvula (6) de admisión, y medios (32, 34, 35) para activar el cierre de la válvula (7) de escape, a fin de mantener aplicadas las válvulas (6, 7), de manera simultánea, con sus asientos.
Description
Motor de combustión interna para vehículo
automóvil.
La presente invención se refiere a un motor de
combustión interna para vehículo automóvil y, más concretamente, a
una disposición particular de las válvulas de admisión y de escape
asociadas a los cilindros de este motor, así como a los medios de
accionamiento de estas válvulas.
Una solución clásica en los motores de combustión
interna para vehículo automóvil consiste en activar el movimiento de
las válvulas a la admisión y al escape por medio de un árbol de
levas, que acciona estas válvulas directa o indirectamente, por
ejemplo, por medio de balancines que actúan sobre su vástago, en
contra de resortes de recuperación, a fin de provocar el
desplazamiento de estas válvulas en relación con su asiento,
asegurando la apertura o el cierre de los cilindros dispuestos en la
culata del motor y, según el caso, permitir la admisión de la mezcla
combustible inyectada o admitida de otro modo en estos cilindros o
la expulsión de los gases quemados, activándose las distintas
válvulas del motor en secuencia para ejecutar el ciclo de varios
tiempos de este
motor.
motor.
Otra solución, más moderna, consiste en suprimir
el árbol de levas, cuya acción sobre las válvulas es puramente
mecánica, y en sustituirlo por un conjunto de distribución
electromagnético en el que, esquemáticamente, cada vástago de
válvula esté asociado con una armadura metálica que se desplace en
vaivén en el entrehierro de un electroimán, recuperándose una
posición intermedia de la válvula mediante resortes.
Modos de ejecución particulares de tales
accionadores electromagnéticos de las válvulas de un motor de
combustión interna constituyen el objeto de, por ejemplo, las
solicitudes de patente 99 09618, de 23 de julio de 1999, 00 1321, de
2 de febrero, y 00 01492, de 7 de febrero de 2000, a nombre de la
solicitante. En particular, estas solicitudes de patente se refieren
a perfeccionamientos para un accionador electromagnético de este
tipo, cuyo interés es, entre otros, permitir desactivar fácilmente
ciertos cilindros del motor durante el ciclo, es decir, ponerlos
fuera de servicio durante ciertos tiempos de dicho ciclo, en función
de las condiciones de carga y de régimen del motor, proporcionando
una reducción significativa del consumo del motor sin perjudicar a
sus prestaciones.
En particular, los accionadores electromagnéticos
antedichos permiten concebir y ejecutar de manera muy eficaz una
distribución variable, al modificar de manera inmediata los ángulos
de apertura y cierre de las válvulas, es decir, durante el ciclo, el
instante preciso en que cada válvula, tanto de admisión como de
escape, se abra o se cierre, pudiendo así ajustarse este instante de
manera óptima en función de las necesidades.
La mejora esencial del consumo global del motor
proviene de la utilización de este tipo de accionador y de la
distribución que éste realiza en los cilindros cuando se adapta a
una válvula de admisión del motor, permitiendo el control de las
aperturas y los cierres de esta válvula ajustar de la mejor manera
la carga de aire que se inyecta en el cilindro, de igual manera que
lo hace la mariposa del carburador de un motor de gasolina, con la
ventaja de que evita los bombeos inherentes a este tipo de solución,
siempre que los ángulos de apertura y de cierre de la válvula estén
regulados convenientemente.
A plena carga, la regulación variable de los
ángulos de la válvula de admisión permite aprovechar plenamente los
efectos aerodinámicos internos del repartidor de admisión y obtener,
por consiguiente, un llenado máximo. La curva de par máximo del
motor se mejora, entonces, de manera importante, en especial a bajo
régimen. De ello resulta una mejora inmediata del consumo del motor
en carga parcial y, también, de su curva de par máximo.
Otras ventajas se derivan del control de la carga
directamente por las válvulas mediante un accionamiento que presenta
un tiempo de respuesta casi instantáneo, reduciéndose la inercia de
las piezas móviles en gran medida con respecto a la solución
clásica. Ello produce una disminución de la reserva de avance del
encendido necesaria en los motores usuales y permite un
funcionamiento en condiciones en las que este avance puede
optimizarse perfectamente.
Por otro lado, si la misma solución de
accionadores electromagnéticos está prevista, también, para las
válvulas de escape, eliminando por tanto completamente el mecanismo
de árbol de levas clásico y, por consiguiente, simplificando la
estructura mecánica del motor debido a la supresión de los medios de
accionamiento de este árbol, se aumentan, sin duda, las
posibilidades de regulación del movimiento de las válvulas y, en
particular, de ajuste de su ángulo de apertura y de cierre,
permitiendo, además, desactivar, de manera más eficaz, algunos de
los cilindros durante el ciclo del motor, cualquiera que sea la
carga de éste.
Así, en un motor de cuatro cilindros, se ha
comprobado que es ventajoso, cuando la carga del motor sea reducida,
es decir, cuando la cantidad de aire admitido por ciclo sea pequeña,
desactivar dos cilindros, efectuando no sólo el cierre de las
válvulas de admisión y de escape de estos cilindros, sino, también,
cortando la inyección y el encendido, revelándose esta solución
particularmente eficaz para reducir de manera significativa el
consumo del motor.
En este caso, los otros dos cilindros del motor
que permanecen activos, trabajan con potencias más elevadas (en
general, alrededor de dos veces más elevadas) y, por tanto, con
mejores rendimientos.
Por último, en la solución por la que todas las
válvulas son accionadas con medios electromagnéticos, el control de
los ángulos de apertura y de cierre de cada una de estas válvulas
permite ajustar fácilmente la proporción de gas residual en cada
cilindro y reducir los niveles de contaminantes de los gases
quemados.
Pero, la puesta en práctica de esta solución, en
la que el motor comprende únicamente accionadores electromagnéticos
para todas las válvulas, tanto de admisión como de escape, cuya
solución se conoce en la técnica con la expresión "sin levas",
plantea problemas técnicos importantes.
En efecto, en lo que se refiere a una válvula de
escape, se entiende de manera inmediata que el accionador, que
activa directamente la armadura montada en el vástago de la válvula,
está situado en un entorno cuya temperatura es notablemente más
elevada que la del entorno del mismo accionador cuando esté asociado
a una válvula de admisión.
El calentamiento provocado se traduce en una
anticipación del envejecimiento del accionador, en particular, de la
bobina del electroimán y de los aislantes eléctricos que dicho
electroimán comprende.
Además, contrariamente a lo que ocurre con una
válvula de admisión, la apertura de una válvula de escape,
especialmente cuando la carga del motor aumenta, requiere una
energía importante para vencer la presión residual en el cilindro,
que puede llegar a 8 bares en el momento de la apertura. Para abrir
esta válvula, oponiéndose a esta presión, es necesario que el
accionador pueda entregar una fuerza cuyo orden de magnitud
represente el producto de la superficie de la válvula por la
diferencia entre la presión en el cilindro y la que reine en el
colector de escape, que es más o menos igual a la presión
atmosférica.
La energía necesaria exige que se aumente
considerablemente la corriente en las bobinas del electroimán, de lo
que resulta una disipación térmica en estas bobinas que aumenta con
el cuadrado de la intensidad, aumentando aún más la temperatura en
el entorno de este accionador.
En la práctica, la demanda de corriente es tal
que supera las posibilidades del alternador convencional que equipa
los vehículos automóviles clásicos, exigiendo la solución
arquitecturas no convencionales de alternadores (por ejemplo dos
alternadores acoplados en el caso de una red de vehículo de 12 V o
un alternador de 42 V acoplado a la red de 12 V), lo que aumenta
sensiblemente el coste de la solución.
Por último, a causa de la presión residual que la
válvula de escape debe superar durante la apertura con carga
elevada, se produce una reducción de las prestaciones del motor. En
efecto, el paso del estado cerrado al estado abierto de la válvula
necesita un tiempo de transición mayor, que se revela perjudicial a
alto régimen y reduce la eficacia de la extracción de los gases
quemados del cilindro, siendo así la potencia máxima del motor más
limitada.
La presente invención tiene por objeto una nueva
disposición de los medios que realizan el accionamiento de las
válvulas de admisión y de escape de un motor de combustión interna
para vehículo automóvil que palie estos inconvenientes.
Con este fin, el motor considerado, tal como se
describe en el documento DE 19511880), que comprende, al menos, una
válvula de admisión y, al menos, una válvula de escape, que
cooperan, respectivamente, con asientos definidos en cada uno de sus
cilindros, siendo activado y controlado el movimiento de la válvula
de admisión en relación con su asiento, tanto a la apertura como al
cierre, por medio de un accionador electromagnético, mientras que la
válvula de escape se acciona mediante un conjunto que comprende, al
menos, un sistema mecánico, tal como una palanca o similar, movida
mediante un árbol de levas, siendo independiente este conjunto del
accionador electromagnético, se caracteriza porque, para aumentar su
rendimiento, comprende medios propios para desactivar, durante un
ciclo, al menos uno de sus cilindros, y que cierran en éste,
simultáneamente, la válvula de admisión y la válvula de escape,
mantenidas, cada una, aplicadas con su asiento.
Con preferencia, también, el cierre de la válvula
de admisión y de la válvula de escape se acompaña del corte de la
inyección de la mezcla carburante en el cilindro y del encendido en
este cilindro.
Con este fin, y de acuerdo con una característica
particular de la invención, la palanca movida por el árbol de levas
para accionar la válvula de escape, actúa, simultáneamente, sobre un
tope susceptible de entregar una fuerza de reacción variable de modo
que el árbol de levas provoque, según el caso, el accionamiento de
la válvula de escape o el descenso del tope, en cuyo caso la válvula
queda aplicada con su asiento, desactivándose el cilindro.
Otras características de un motor de combustión
interna en el que el accionamiento de las válvulas de admisión y de
escape se realice conforme a la invención se pondrán de manifiesto
también a través de la descripción que sigue de un ejemplo de
realización, proporcionado a título indicativo y no limitativo, con
referencia a la figura única del dibujo adjunto, que muestra,
esquemáticamente, una vista, en corte parcial, de la culata del
motor, con los medios de accionamiento de estas válvulas.
En esta figura, la referencia 1 designa,
esquemáticamente, una parte de la culata del motor, en particular, a
la altura de un cilindro 2 unido con dos conductos, respectivamente
3 y 4, estando reservado el primero a la admisión, en este cilindro
2, de una mezcla de gasolina y de aire, y, el segundo, al escape de
los gases quemados después del encendido y de la combustión de esta
mezcla.
La inyección de la mezcla en el cilindro puede
realizarse de cualquier manera apropiada, que en sí misma no tiene
interés para la invención, por ejemplo, por medio de un inyector 5,
mostrado esquemáticamente en el dibujo y montado en comunicación con
el conducto 3 de admisión.
El cilindro 2 está asociado con, al menos, una
válvula 6 de admisión y, al menos, una válvula 7 de escape. En la
figura, la válvula 6 de admisión comprende una cabeza 8 prolongada
por un vástago 9, estando apoyada la cabeza 8 en un asiento 10
previsto en la culata 1, a la altura de la conexión entre el
conducto 3 de admisión y el cilindro 2.
De manera similar, la válvula 7 de escape
comprende una cabeza 11, un vástago 12 solidario de esta cabeza y un
asiento 13 previsto en el extremo del conducto 4, por el que escapan
los gases quemados.
Hay una bujía 14, u órgano de encendido análogo,
montada en la culata 1, a la altura del cilindro 2, a fin de
permitir la generación, en el cilindro, de la chispa que provoque la
combustión de la mezcla, de acuerdo con un proceso perfectamente
conocido en sí mismo.
Conforme a la invención, las dos válvulas 6 y 7,
respectivamente de admisión y de escape, están asociadas,
separadamente, la primera, con un accionador electromagnético 17, y,
la segunda, con un dispositivo 16 de árbol de levas enteramente
mecánico, independientes uno de otro.
El accionador electromagnético que asegura el
accionamiento de la válvula 6 de admisión y, en particular, el
control de sus desplazamientos en relación con su asiento 10, está
constituido, de manera conocida, y, en particular, como se describe
en las solicitudes de patente antedichas a nombre de la solicitante,
por un electroimán 17 formado, a su vez, por dos bobinas 18 y 19 que
definen entre ellas un entrehierro 20, que delimita una cavidad
relativamente estrecha en la que puede desplazarse una armadura
metálica 21, solidaria de un soporte 22 que prolonga axialmente el
vástago 9 de esta válvula. Hay resortes de recuperación,
respectivamente 23 y 24, asociados con el vástago 9 y el soporte
22.
El resorte 23 tiende a cerrar la válvula y el
resorte 24 a abrirla: en ausencia de corriente, la válvula está
parcialmente abierta. Cuando una corriente atraviesa la bobina
superior 18, ésta atrae la armadura metálica 21, cerrando así la
válvula. Cuando una corriente atraviesa la bobina inferior 19, ésta
atrae la armadura 21 y la válvula se abre.
El mecanismo 16, que acciona la válvula 7 de
escape, comprende, esencialmente, un árbol giratorio 26 que presenta
en su superficie externa una leva 27 sobresaliente, susceptible de
actuar, durante la rotación del árbol, sobre una palanca 28 o
similar, que se apoya, en 29, en el extremo del vástago 12 de la
válvula 7. Hay un resorte 30 previsto para asegurar la aplicación de
la cabeza 11 de la válvula con su asiento 13, cuando la leva 27 no
esté en contacto con la palanca 28.
La palanca 28 se apoya, por otra parte, en un
tope 31, cuyo posicionamiento puede regularse, constituido en el
ejemplo representado, en particular, por un sistema hidráulico,
formado esencialmente por un pistón, conectado con el tope 31, que
se encuentra en el interior de un cilindro cuya cavidad 32 es
alimentada, de modo permanente, a través de un tubo 33 de admisión,
con un fluido incompresible, constituido, en particular, por el
aceite de lubricación del motor.
El aceite contenido en la cavidad del cilindro
puede, si es necesario, evacuarse mediante otro tubo 34, en el que
está prevista una electroválvula 35 de accionamiento.
En funcionamiento normal, la palanca 28, apoyada
en el tope 31, provoca, a cada paso de la leva 27 del árbol 26, una
fuerza sobre el vástago 12 de la válvula 7 contra el resorte 30,
produciendo la apertura de la válvula, que es separada de su
asiento, asegurando, por tanto, la puesta en comunicación del
cilindro y del conducto 4 para el escape de los gases quemados.
Pero, los medios así utilizados para accionar,
respectivamente, las dos válvulas 6 y 7, permiten, de manera simple,
desactivar el cilindro 2 si es necesario, manteniéndolo cerrado
durante un ciclo de funcionamiento, quedando aplicadas las cabezas 8
y 11 de las válvulas con sus asientos 10 y 13 respectivos.
En lo que se refiere al accionador
electromagnético 17, se entiende inmediatamente que la desactivación
de la válvula 6 de admisión puede obtenerse de la manera más simple
alimentando eléctricamente la bobina 18.
En cambio, en el mecanismo 16, la misma función
puede obtenerse abriendo la electroválvula 35 del tubo 34 a fin de
hacer caer la presión en la cavidad 32, empujando la palanca 28 al
tope 31, durante el paso de la leva 27, sin ejercer fuerza alguna
sobre el vástago 12 de la válvula, que permanece así cerrada
gracias a la fuerza del resorte 30 de recuperación.
Los inventores han constatado que el sistema de
la invención permite disminuir el consumo del motor y que la
desactivación del cilindro permite aumentar adicionalmente la mejora
del consumo, en particular cuando el régimen del motor es bajo, del
orden de 700 a 3500 vueltas por minuto, no exigiendo el
accionamiento del tope hidráulico en estas rotaciones tiempos de
conmutación particularmente limitados.
Evidentemente, cuando el cilindro 2 esté
desactivado, con sus válvulas cerradas, en paralelo, puede
suprimirse la inyección y cortar el encendido.
Se obtiene así un motor de combustión interna de
concepción simple, que combina las ventajas de un accionador
electromagnético y un accionador clásico de árbol de levas puramente
mecánico, no dando lugar la utilización simultánea de estas dos
soluciones, respectivamente en las válvulas de admisión y de escape,
que sólo supone un coste reducido, a una limitación de las
posibilidades de control del solapamiento, es decir, de la elección
del momento en que, en régimen normal, cada válvula de escape se
cierre al mismo tiempo que se abra la válvula de admisión.
Desde luego, es evidente que la invención no se
limita al ejemplo de realización descrito en lo que antecede de modo
más particular con referencia a los dibujos adjuntos; por el
contrario, comprende todas las variantes.
Claims (3)
1. Motor de combustión interna para vehículo
automóvil que comprende, al menos, una válvula (6) de admisión y, al
menos, una válvula (7) de escape, que cooperan, respectivamente, con
asientos (10, 13) definidos en cada uno de sus cilindros (2),
activándose y controlándose el movimiento de la válvula de admisión
en relación con su asiento, tanto a la apertura como al cierre, por
medio de un accionador electromagnético (17), mientras que la
válvula de escape es accionada por un conjunto (16) que comprende,
al menos, un sistema mecánico, tal como una palanca (28) o similar,
movida mediante un árbol (26) de levas (27), siendo independiente
este conjunto del accionador electromagnético,
caracterizándose dicho motor porque, para aumentar su
rendimiento desactivando, durante un ciclo, al menos uno de sus
cilindros, el motor comprende medios (18) para activar el cierre de
la válvula (6) de admisión, y medios (32, 34, 35) para activar el
cierre de la válvula (7) de escape, a fin de mantener aplicadas las
válvulas (6, 7), de manera simultánea, con sus asientos.
2. Motor según la reivindicación 1,
caracterizado porque el cierre de la válvula (6) de admisión
y de la válvula (7) de escape se acompaña con el corte de la
inyección de la mezcla carburante en el cilindro (2) y del encendido
en ese cilindro.
3. Motor según las reivindicaciones 1 y 2,
caracterizado porque la palanca (28), movida por el árbol
(26) de levas (27) para accionar la válvula (7) de escape, actúa
simultáneamente sobre un tope (31) susceptible de entregar una
fuerza de reacción variable de modo que el árbol de levas provoque,
según el caso, el accionamiento de la válvula de escape o el
descenso del tope.
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