ES2239108T3 - Motor de combustion interna para vehiculo automovil. - Google Patents

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.

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.