ES2250321T3 - Accionador electromagnetico devalvulas para motor de combustion. - Google Patents

Abstract

Accionador electromagnético de válvulas de motor de combustión interna, que comprende un electroimán dotado de una bobina de alimentación (2; 23), una paleta magnética (15) unida a un órgano de accionamiento (16) de la válvula (17) contra la acción de por lo menos un resorte (18, 19) de almacenamiento de energía de conmutación de dicha válvula, y un imán permanente (5; 20) interpuesto en el cuerpo magnético del electroimán, cuya alimentación se combina con el campo engendrado en dicho cuerpo por la citada bobina de alimentación (2; 23), caracterizado por el hecho de que el cuerpo magnético del electroimán presenta dos piezas polares (3, 4), cada una de las cuales comprende una primera y una segunda ramas (9, 9, 10, 11), que definen entre sí unos entrehierros (13, 14), quedando la citada paleta (15) montada desplazable en los entrehierros definidos, por las primera y segunda ramas (8, 9, 10, 11) de dos piezas polares, cuyo imán permanente (5; 20) queda dispuesto entre dichas piezas polares (3, 4).

Description

Accionador electromagnético de válvulas para motor de combustión.

La presente invención se refiere a los accionadores de válvulas de motores de combustión interna.

Un accionador de válvula del tipo precitado comprende generalmente dos electroimanes, entre los cuales queda dispuesto un entrehierro.

En el entrehierro queda montada una paleta magnética unida a la válvula que debe ser accionada, desplazable por los electroimanes en contra de los resortes de almacenamiento de energía.

La disposición así constituida forma un oscilador armónico en el que el almacenamiento de la energía necesaria con una conmutación rápida queda asegurada por los resortes y el cambio de posición está controlado con ayuda de los electroimanes.

Este sistema es simple en apariencia, pero el mismo presenta limitaciones técnicas.

El control de la posición de la válvula está asegurado por medio de dos bobinas de los electroimanes por aplicación de corriente que genera un campo magnético que produce una fuerza F.

En la fase de saturación, dicha fuerza es constante y no controlable por la corriente.

Sin saturación, dicha fuerza es proporcional al cuadrado de la corriente inyectada en las bobinas e inversamente proporcional al cuadrado del entrehierro.

Esta doble falta de alineación hace muy difícil el control de la válvula por los electroimanes,

Para pequeños valores de entrehierro entre la paleta y el electroimán, la fuerza producida por los electroimanes varía muy notablemente con el entre-
hierro.

Esta fuerza es igualmente muy sensible a la corriente inyectada en las bobinas.

En el acercamiento del contacto entre la paleta y el electroimán, se produce un efecto de aceleración que genera una descarga eléctrica responsable del ruido de los accionadores.

Para solventar este inconveniente, han sido previstas costosas y sofisticadas soluciones que ponen en práctica especialmente el control en bucle cerrado de la posición de la paleta.

El electroimán no puede más que atraer la paleta o plataforma, ya que la inversión del sentido de la corriente en las bobinas de alimentación no cambia el sentido de la fuerza ejercida sobre la paleta, por el hecho de que la fuerza es función del cuadrado l^{2} de la corriente de las bobinas.

Ello constituye una dificultad suplementaria para el control del acercamiento, ya que si se aporta demasiada energía a la paleta, no es posible ralentizarla y el choque con el cuerpo del electroimán se hace inevitable.

Para entrehierros superiores a 1 mm, la fuerza desarrollada por electroimán resulta débil.

La curva de esfuerzo de un accionador clásico queda, por tanto, bien adaptada al mantenimiento de la válvula en posición cerrada o abierta, pero no es apta para la realización de un trabajo sobre toda la carrera de la válvula.

Se comprueba esta insuficiencia cuando se quiere accionar válvulas de escape ya que, para un motor caliente, el accionador debe proporcionar entonces una energía mecánica superior a 1 Joule en cada transición, contra 0,2 Joule para la admisión.

Además, es siempre difícil iniciar el movimiento de las válvulas, ya que, cuando se detienen, el entrehierro entre la paleta de accionamiento y el cuerpo del electroimán es de 4 mm.

A este problema relativo a la fuerza se añade la presencia importante de las corrientes de Foucault que atenúan y retardan el efecto de las bobinas.

En la admisión, el accionador debe ser capaz de aportar la energía necesaria para la conmutación. Se trata de compensar las pérdidas por frotamiento que se elevan hasta alrededor de 0,2 J para una carrera o elevación de 8 mm de la válvula y, por consiguiente, de la paleta de los electroimanes.

La energía aportada por un electroimán sobre el conjunto de la carrera precitada, es igual a la integral de la fuerza.

Dicha energía es relativamente débil a causa del fuerte decrecimiento de la fuerza para los grandes valores de entrehierro.

Por ejemplo, a una velocidad de rotación del motor de 6000 r/mn, en un ciclo de dos tiempos, que optimizaría la utilización del accionador, la potencia útil sería de 20 W, lo que resulta débil con relación a su masa, del orden de 1 kg y de su gran volumen.

Para un motor térmico de 500 cm^{3} de cilindrada unitaria, pueden satisfacerse tales dimensiones, aun cuando las mismas permanecen siendo un obstáculo.

Por el contrario, estas dimensiones no son compatibles con cilindradas unitarias más débiles.

En el escape, la energía a proporcionar es del orden de 1,4 J, para luchar contra la presión en la cámara del cilindro durante la apertura de la válvula.

Se ha comprobado durante los ensayos que los accionadores actuales son insuficientes en el escape y no permiten hacer funcionar el motor a plena carga.

En conclusión, el accionador actual tiene una débil potencia en volumen que limita su utilización al gobierno de las válvulas de admisión de motores de cilindrada unitaria superior o igual a 500 cm^{3}.

El rendimiento de un accionador es la relación entre la energía mecánica restituida (útil) y la energía eléctrica consumida. Es del orden de 30%, siendo las perdidas debidas principalmente a las corrientes inducidas y a las pérdidas por efecto Joule.

Una vuelta de motor tiene una duración de 60 ms a 1000 r/mn, mientras que una transmisión de válvula dura alrededor de 3,5 ms. Se ve claramente que con régimen bajo, el sistema es estadísticamente muy a menudo en una posición estable, ya sea abierta, ya sea cerrada.

Para mantener la válvula en la posición abierta o cerrada, se aplica una corriente a la bobina del lado correspondiente, a fin de luchar contra la fuerza del resorte que tiende a devolver la válvula a la posición intermedia.

El accionador se presta fácilmente a dicho funcionamiento, ya que la fuerza producida por el electroimán es elevada naturalmente a entrehierro nulo.

Sin embargo, el consumo de corriente eléctrica pesa fuertemente en el consumo del vehículo que se hace a un régimen medio de alrededor de 1600 r/mn, representativo de la utilización real de los vehículos que tienen mucho de conducta urbana con débil régimen del motor.

A título de ejemplo, 100 W eléctricos precisan alrededor de 200 W para el motor térmico, o sea alrededor del 1,5% del consumo de carburante por ci-
clo.

Ahora bien, el consumo de mantenimiento podría ser teóricamente nulo, ya que no produce ningún trabajo.

Los accionadores actuales presentan una altura relativamente importante, por hecho del apilamiento de resortes, de dos electroimanes y de un plato de accionamiento o paleta.

En estacionamiento, sobre los motores de vehículos actuales, hay siempre un cilindro en compresión.

El motor constituye así un freno complementario de aparcamiento que algunos usuarios utilizan como freno adicional al freno de mano, especialmente en las pendientes.

Cuando se utilizan accionadores electromagnéticos, las válvulas se hallan en posición de equilibrio en medio, de manera que todas las cámaras del motor están a la presión atmosférica y no existe ya frenado complementario posible.

Finalmente, el accionador en sí es de precio relativamente asequible, gracias a su simplicidad, pero la electrónica de mando asociada así como el captador de posición de la válvula, son complejos y, por tanto, caros.

Es conocido por el documento EP-A-1 010 866, un accionador de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, pero que presenta una estructura relativamente compleja.

La invención tiende a solventar los inconvenientes de los accionadores electromagnéticos clásicos creando un accionador, que aun siendo de precio de coste relativamente poco elevado, presenta unas prestaciones mejoradas en los ámbitos evocados ante-
riormente.

La invención tiene, por tanto, por objeto un accionador electromagnético de válvula de motor de combustión interna que comprende un electroimán que presenta una bobina de alimentación, una paleta magnética unida a un órgano de accionamiento de la válvula, contra la acción de por lo menos un resorte de almacenamiento de energía de conmutación de dicha válvula y un imán permanente interpuesto en el cuerpo magnético del electroimán cuya alimentación se combina con el campo engendrado en dicho cuerpo por la citada bobina de alimentación, caracterizado por el hecho de que el cuerpo magnético del electroimán que presenta dos piezas polares, cada una de las cuales comprende una primera y una segunda ramas que definen entre sí unos entrehierros, quedando montada dicha paleta desplazable en los entrehierros definidos por la primera y segunda ramas de dos piezas polares, quedando el citado electroimán permanente dispuesto entre las indicadas polares.

De acuerdo con otras características:

- el imán permanente queda colocado en el cuerpo del electroimán, de manera que su alimentación sea paralela al campo engendrado en dicho cuerpo por la citada bobina de alimentación:

- el imán permanente está colocado en el cuerpo del electroimán de manera que su imantación sea inclinada con relación al campo engendrado en dicho cuerpo por la citada bobina de alimentación.

La invención se comprenderá mejor con ayuda de la descripción que sigue a continuación, establecida únicamente a título de ejemplo y hecha con referencia a los dibujos anexos, en los que:

- La figura 1 es una vista esquemática en sección de un accionador electromagnético de válvula con un electroimán de acuerdo con la invención; y

- la figura 2 es una vista esquemática parcial en sección de una variante de accionador electromagnético de válvula de acuerdo con la invención,

El accionador representado en la figura 1 presenta un electroimán 1, cuyo cuerpo de material magnético, por ejemplo de planchas laminadas, lleva una bobina de alimentación 2.

El cuerpo presenta dos piezas polares 3, 4 reunidas entre sí por un imán permanente 5, rodeado por la bobina de alimentación 2.

La alimentación del imán permanente 5 es en el presente ejemplo paralelo al campo engendrado por la bobina de alimentación 2 en el cuerpo magnético del electroimán.

Cada pieza polar 3, 4 del cuerpo magnético presenta una porción 6, 7 perpendicular al imán permanente 5. Cada una de las porciones 6, 7 presenta una primera rama de escasa longitud 8, 9, rectilínea, y una segunda rama más larga, en L 10, 11, cuyo extremo libre queda alineado con el extremo libre correspondiente de la rama 8, 9 respectiva.

Entre las ramas 8, 10 por una parte, y 9, 11, por otra parte, quedan definidos unos entrehierros 13.14 en los que queda montada desplazable una paleta magnética o plato 15, fijada a un vástago 16 de accionamiento de una válvula 17.

El vástago 16 y la cola de la válvula 17 quedan rodeados por unos resortes helicoidales 18, 19 dispuestos a uno y otro lado del plato magnético 15, y se apoyan, respectivamente, entre la cara corres-
pondiente de dicho plato y el cuerpo magnético del electroimán 1, por lo que se refiere al resorte 18 y la pared de la culata C por lo que se refiere al resor-
te 19.

De acuerdo con la variante representada en sección esquemática parcial en la figura 2, el accionador comprende un electroimán permanente 20, inclinado, dispuesto entre dos piezas polares 21, 22, que presentan unos extremos inclinados en contacto con las caras laterales del imán 20. El imán 20 y los extremos de las piezas polares 21, 11 quedan rodeadas por una bobina de alimentación 23.

De esta forma, la dirección de la alimentación está inclinada con relación al campo engendrado por la bobina de alimentación 23.

Por otra parte, el accionador de la figura 2 es, en todos los detalles del mismo, semejante al de la figura 1 y no será descrito.

El funcionamiento del accionador electromagnético que se ha descrito con referencia a la figura 1 es el siguiente:

La alimentación de la bobina 2 provoca la creación en el cuerpo del electroimán de un campo electromagnético paralelo a la dirección de la imantación del imán permanente y que se combina con dicha imantación.

Según se encuentre la paleta muy cerca de las ramas cortas 8, 9 o de las ramas largas 10, 11 de las piezas polares del cuerpo del electroimán, la misma es desplazada hacia arriba o hacia abajo, lo que provoca el cierre o la apertura de la válvula 17 y la compresión del resorte 18 ó 19 correspondiente.

El mantenimiento en posición de la paleta 15 queda asegurado solamente por el imán permanente 5, es decir, sin consumo de corriente.

Así, gracias a la construcción particular del accionador, un solo electroimán asegura, en combinación con los dos resortes de almacenamiento de energía 18, 19, el desplazamiento de la válvula 17 en el sentido de la apertura y del cierre.

Para hacer pasar la paleta de una posición a la otra, se alimenta de nuevo la bobina que engendra una fuerza de liberación de la paleta.

El resorte asociado 18, 19 provoca el desplazamiento de la paleta 15 a partir de sus puntos de contacto con las ramas 8, 9 hacia sus puntos de contacto con las ramas 10, 11 del circuito magnético del electroimán o inversamente.

La disposición que se ha descrito permite un consumo eléctrico de mantenimiento de la válvula en posición nula o muy limitada.

El consumo eléctrico necesario para la conmutación queda igualmente aminorado por la reducción de las pérdidas por efecto Joule.

Ello permite igualmente un mejor control de la válvula gracias a la alineación relativa de la fuerza en función del entrehierro, lo que permite obtener una ganancia en ruido.

La utilización de un solo electroimán reduce considerablemente el volumen del accionador.

La disposición oblicua del imán permite reducir todavía más el volumen.

Finalmente, el hecho de poder dejar las válvulas cerradas sin consumir corriente mejora todavía más la posibilidad de utilizar el accionador de la invención como freno de aparcamiento.

El mismo presenta una potencia en volumen acrecentada, que permite una aplicación al escape y sobre motores de más débil cilindrada unitaria.

Claims (3)

1. Accionador electromagnético de válvulas de motor de combustión interna, que comprende un electroimán dotado de una bobina de alimentación (2; 23), una paleta magnética (15) unida a un órgano de accionamiento (16) de la válvula (17) contra la acción de por lo menos un resorte (18, 19) de almacenamiento de energía de conmutación de dicha válvula, y un imán permanente (5; 20) interpuesto en el cuerpo magnético del electroimán, cuya alimentación se combina con el campo engendrado en dicho cuerpo por la citada bobina de alimentación (2; 23), caracterizado por el hecho de que el cuerpo magnético del electroimán presenta dos piezas polares (3, 4), cada una de las cuales comprende una primera y una segunda ramas (9, 9, 10, 11), que definen entre sí unos entrehierros (13, 14), quedando la citada paleta (15) montada desplazable en los entrehierros definidos, por las primera y segunda ramas (8, 9, 10, 11) de dos piezas polares, cuyo imán permanente (5; 20) queda dispuesto entre dichas piezas polares (3, 4).

2. Accionador, según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el imán permanente (5) está colocado en el cuerpo del electroimán, de manera que su imantación sea paralela al campo engendrado en dicho cuerpo por la citada bobina de alimen-
tación (2).

3. Accionador, según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el imán permanente (20) está situado en el cuerpo del electroimán, de manera que su imantación quede inclinada con relación al campo engendrado en dicho cuerpo por la citada bobina de alimentación (23).