ES2286573T3 - Accionador electromecanico de valvulas para motor de combustion interna y motor de combustion interna dotado de dicho accionador. - Google Patents
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Abstract
Accionador (301; 500) electromecánico de válvulas para motores de combustión interna, que comprende una placa magnética (302; 502) susceptible de desplazarse entre un primer electroimán polarizado (300; 504) y un segundo electroimán polarizado (506), - estando cerrada la válvula cuando la placa (302; 502) se encuentra próxima al primer electroimán (504) y abierta cuando la placa (302; 502) se encuentra próxima al segundo electroimán (506), - ejerciendo el primer electroimán (504; 506) una acción magnética sobre la placa magnética (302; 502), sometida a una acción mecánica de retorno ejercida por un resorte, - pudiéndose compensar esta acción magnética con la acción mecánica y mantener la placa (302; 502) en una posición en la que se encuentra en levitación con relación al primer electroimán, estando la placa (302; 502) muy próxima a este primer electroimán, sin entrar en contacto con el mismo, sin embargo, cuando está en levitación con relación a este electroimán, caracterizado porque: - elaccionador comprende medios para que los desplazamientos de la placa (302; 502) estén controlados únicamente por el primer electroimán (504) y la acción mecánica de retorno, de tal modo que la placa (302; 502) efectúa desplazamientos y retornos a partir de la posición en la que la placa (302; 502) está en levitación con relación al primer electroimán, - al ser la corriente que atraviesa el primer electroimán y la constante de rigidez del resorte tales que la velocidad (v) de la placa (302; 502) aumenta cuando esta placa tiende hacia el segundo electroimán (506) y, en cuanto la placa (302; 502) está bastante próxima al segundo electroimán (506) para abrir la válvula, el sentido de desplazamiento de la placa (302; 502) se invierte de modo que la placa (302; 502) se aleja del segundo electroimán (506) para volver hacia el primer electroimán (504).
Description
Accionador electromecánico de válvulas para
motor de combustión interna y motor de combustión interna dotado de
dicho accionador.
La presente invención se refiere a accionadores
electromecánicos de válvulas para motores de combustión interna y
hace referencia asimismo a un motor de combustión interna dotado de
un accionador de este tipo.
Un accionador (100) electromecánico (figura 1)
de válvula (110) comprende medios mecánicos, tales como unos
resortes (102) y (104), y medios electromagnéticos, tales como unos
electroimanes (106) y (108), para controlar la posición de la
válvula (110) por medio de señales eléctricas.
A este efecto, el vástago de la válvula (110)
está aplicado contra la varilla (112) de una placa magnética (114)
situada entre los dos electroimanes (106) y (108).
Cuando circula una corriente por la bobina (109)
del electroimán (108), se activa este último y atrae la placa
magnética (114), que llega a contactar en la posición llamada
"superior".
El desplazamiento simultáneo de la varilla (112)
permite que el resorte (102) coloque la válvula (110) en la
posición cerrada, llegando la cabeza de la válvula (110) contra su
asiento (111) e impidiendo los intercambios de gas entre el
interior y el exterior del cilindro (117).
De manera análoga (no representada), cuando
circula una corriente por la bobina (107) del electroimán (106),
(estando desactivado el electroimán -108-), se activa este último y
atrae la placa (114), que llega a contactar con la varilla (112) y
la desplaza, comprimiendo el resorte (102), con la ayuda del resorte
(104), de tal modo que esta varilla (112) actúa sobre la válvula
(110) y coloca esta última en posición abierta, estando alejada la
cabeza de la válvula de su asiento (111) para permitir, por ejemplo,
una admisión de gas o una inyección del mismo en el cilindro (117).
La válvula está entonces en la posición llamada inferior.
De esta manera, la válvula (110) y la placa
(114) alternan las posiciones fijas, llamadas conmutadas, con los
desplazamientos transitorios entre estas dos posiciones.
Por otra parte, el accionador (100) puede estar
dotado de imanes (118) (electroimán -108-) y (116) (electroimán
-106-) destinados a reducir la energía necesaria para mantener la
placa (114) en una posición conmutada, es decir, en contacto con
uno de los electroimanes. Dichos electroimanes se denominan, en lo
que sigue, electroimanes de imán o electroimanes polarizados.
Los accionadores conocidos presentan el
inconveniente de necesitar una energía importante para mantener la
válvula en una posición conmutada, incluso aunque este mantenimiento
no suministre ninguna energía de propulsión al vehículo.
Además, los mismos generan un ruido de
funcionamiento importante debido al contacto de la placa contra el
electroimán.
El documento U.S.A. Nº 6.198.370 describe un
accionador electromecánico de válvulas para motores de combustión
interna. Este accionador comprende una placa magnética, susceptible
de desplazarse entre un electroimán superior y un electroimán
inferior.
El accionador, según el documento U.S.A. Nº
6.198.370, comprende medios para que los desplazamientos de la
placa sean controlados de manera clásica por los dos electroimanes y
por las acciones mecánicas de retorno de los resortes sobre la
placa (ver col. 3 línea 66 - col. 4 línea 9). Los desplazamientos de
la placa, por lo tanto, no están "controlados únicamente por el
primer electroimán y la acción mecánica de retorno, de tal modo que
la placa efectúa desplazamientos y retornos a partir de la posición
distante".
Además, en el documento U.S.A. Nº 6.198.370,
cuando la placa ha alcanzado una posición conmutada, la velocidad
de la misma llega a ser nula. Sin embargo, el sentido de
desplazamiento de la placa no se invierte desde que se ha alcanzado
esta posición conmutada.
La presente invención soluciona al menos uno de
estos inconvenientes. La invención resulta de la constatación de
que la acción ejercida sobre una placa por un electroimán se puede
controlar de manera más precisa, y con un alcance superior, cuando
este electroimán está polarizado, tal como se explica a continuación
con la ayuda de la figura 2.
En esta figura 2 están representadas las fuerzas
F (eje de las ordenadas -200-, en newtons) ejercidas sobre una
placa magnética por un electroimán polarizado (curva -202_{1}-) y
por un electroimán no polarizado (curva -206-), alimentados por una
misma corriente, en función del entrehierro e (eje de abscisas
-208-, en mm) que separa el electroimán de la placa.
Se observa que la fuerza F ejercida por el
electroimán no polarizado (curva -206-), alimentado por una
corriente (i), disminuye fuertemente en función del
entrehierro.
De hecho, la fuerza ejercida por un electroimán
no polarizado no es lineal, a saber, inversamente proporcional al
cuadrado del entrehierro y proporcional al cuadrado de la intensidad
de la corriente que alimenta el electroimán.
Al contrario, en el caso de un electroimán
polarizado, alimentado por una corriente (i) (curva -202_{1}-)
idéntica a la corriente anteriormente utilizada, la fuerza ejercida
por el accionador disminuye menos rápidamente en función del
entrehierro e.
De esta manera, la variación de la fuerza
ejercida por el electroimán polarizado es más lineal que la
variación de la fuerza ejercida por el electroimán no polarizado,
lo que permite un mayor control de esta fuerza en el transcurso del
desplazamiento de la placa.
Conviene observar que, si la placa está saturada
por el campo magnético que sale del electroimán, la fuerza ejercida
por este último aumenta con menos intensidad cuando el entrehierro
disminuye, tal como se representa por la curva (202_{1}') de la
curva (202_{1}).
La presente invención resulta también de la
constatación de que la fuerza ejercida por un electroimán polarizado
sobre una placa magnética puede compensar la fuerza mecánica de
retorno a la que está sometida esta última, incluso aunque esta
placa esté distante del electroimán.
A este efecto, se determina la fuerza ejercida
por el electroimán para diferentes corrientes de alimentación
decrecientes (curvas -202_{2}-, -202_{3}- y -202_{4}-), así
como la fuerza mecánica, ejercida por los resortes, sufrida por la
placa (curva -210-) en función de la distancia o entrehierro que
separa esta última del electroimán.
Parece que, si el entrehierro tiene un valor tal
que el vástago de válvula está distante del extremo de la varilla
de la placa magnética, la fuerza ejercida por el electroimán
polarizado no debe ser igual a la acción mecánica ejercida por el
resorte de retorno solidario con la placa, al estar bloqueado el
resorte, solidario con el vástago de válvula, por la posición
conmutada de este último.
Por ejemplo, al alimentar el electroimán según
una corriente correspondiente a la curva (202_{3}), la fuerza
ejercida por este electroimán es igual a la fuerza mecánica para un
entrehierro inferior al valor del juego de la distribución.
Finalmente, la invención resulta de la
constatación de que el mantenimiento en posición conmutada de una
válvula requiere una alimentación importante, incluso aunque este
mantenimiento no sea necesario para accionar las etapas de admisión
y/o de escape del gas con respecto al cilindro.
Ello es la razón por la que la presente
invención se refiere a un accionador electromecánico de válvula para
motor de combustión interna, dotado de un electroimán polarizado
que ejerce una acción magnética sobre una placa magnética, sometida
a una acción mecánica de retorno, pudiéndose compensar esta acción
con la acción mecánica y mantener la placa en una posición distante
del electroimán, caracterizado porque el accionador comprende
medios para que los desplazamientos de la placa estén controlados
únicamente por este electroimán y la acción mecánica de retorno, de
tal modo que la placa efectúa desplazamientos y retornos a partir de
la posición distante.
Gracias a la invención, se suprimen los
contactos entre la placa y el electroimán, y el funcionamiento del
accionador provoca un ruido muy reducido.
Además, al controlar el desplazamiento de la
placa con la ayuda de un único electroimán, se reduce el consumo
eléctrico del accionador.
Según una realización, el accionador comprende
medios para que la posición distante de la placa corresponda a una
posición abierta de la válvula.
En una realización, el accionador comprende
medios para alejar la placa distante del electroimán, al anular el
sentido de la corriente que alimenta este último o al invertir dicho
sentido.
En una realización, la placa se mantiene a una
distancia tal que la varilla de la válvula está distante de una
varilla de la placa que controla esta válvula.
En una realización tal que el electroimán tiene
una forma en E, dotado de un ramal central y de dos ramales
extremos, la placa es de sección inferior a la sección de los
ramales extremos y/o inferior a la mitad de la sección del ramal
central.
Según una realización, al tener el electroimán
forma de E, un imán está fijado, en el extremo de uno de estos
ramales, con respecto a la placa.
En una realización, la acción mecánica de
retorno está generada al menos por un resorte.
La invención está relacionada también con un
motor de combustión interna, dotado de un accionador electromecánico
de válvula de motor de combustión interna que comprende un
electroimán polarizado y una placa magnética móvil, sometidos a una
acción mecánica de retorno. Conforme a la invención, el accionador
es según una de las realizaciones precedentes.
Otras características y ventajas de la invención
serán evidentes con la descripción de modos de realización de la
invención efectuada en lo que sigue, a título de ejemplo no
limitativo, al hacer referencia a las figuras adjuntas, en las
que:
- la figura 1, ya descrita, representa un
accionador conocido,
- la figura 2 es un diagrama de las acciones
ejercidas sobre una placa magnética por diferentes accionadores,
- la figura 3 representa un accionador que puede
ser controlado conforme a la invención,
- las figuras 4a a 4d son unos diagramas
relativos a diferentes funcionamientos del accionador representado
en la figura 3, y
- las figuras 5a y 5b representan dos posiciones
de un accionador según la invención.
En la realización de la invención, mostrada en
la figura 3, un accionador (301) comprende un electroimán (300), en
forma de E, y una placa magnética (302) móvil cerca del electroimán
(300).
Un circuito magnético está formado, por un lado,
por el ramal central (304), de sección (S_{c}), y por los ramales
de extremo (306), de sección (S_{c/2}), del electroimán (300) y,
por otro lado, por la placa (302), de sección (S_{p}).
Sin embargo, para aumentar el esfuerzo ejercido
por el electroimán polarizado sobre la placa, se puede concentrar
el flujo magnético que genera, reduciendo la sección de sus ramales
extremos (306) de tal modo que la sección (S_{c}) central del
electroimán sea superior al doble de la sección (S_{c}) de los
extremos.
Dicha concentración de flujo permite obtener
inducciones importantes en el entrehierro con la utilización de
imanes de campo remanente reducido, tales como imanes formados por
ferrita o por materiales compuestos.
Por otra parte, la sección (S_{p}) de la placa
es igual a la sección (S_{c/2}) del circuito magnético, de manera
que se reduce la masa de la placa.
De esta manera, unos resortes (no representados)
de rigidez reducida se pueden utilizar para controlar una placa de
masa limitada. Por lo tanto, se disminuye el consumo eléctrico
requerido para desplazar la placa.
Como corolario, se aumenta el control ejercido
sobre la placa por el electroimán mediante el campo generado,
puesto que la acción mecánica opuesta a esta acción magnética
disminuye en intensidad.
Dicha mejora del control de la placa permite,
por ejemplo, controlar la velocidad de aproximación de la misma con
respecto al electroimán o modificar los tiempos de conmutación de la
placa.
Finalmente, el volumen del electroimán ya no
está impuesto, en términos de altura, por la sección del imán.
Se representan en las figuras 4a, 4b, 4c y 4d
diferentes medidas relativas al funcionamiento de un accionador
dotado de dos electroimanes, tales como el electroimán (300) y una
placa magnética, tal como la placa (302), según que este modo de
funcionamiento esté de acuerdo con la invención (figuras 4b y 4d) o
que no lo esté (figuras 4a y 4c).
Un primer modo de funcionamiento, llamado de
conmutación con acercamiento, se describe con la ayuda de la figura
4a. Según este modo, la placa está situada entre dos electroimanes
activados sucesivamente a fin de mantener esta placa con su
contacto.
La posición x (eje -406-, en mm) de la placa se
representa, en la figura 4a, en función de la cronología (eje de
abscisas -404-, en ms) del desplazamiento de la placa medido con
relación a su posición equidistante (x=0) entre los dos
electroimanes (posición media).
Se observa que la placa conmuta entre una
primera posición (x_{b}) mínima y una segunda posición (x_{h})
máxima correspondientes, respectivamente, a la posición de la placa
en contacto con el electroimán inferior y a la posición de la placa
en contacto con el electroimán superior.
La velocidad v de la placa (eje -408-) varía de
acuerdo con este desplazamiento de tal modo que, al contacto con el
electroimán inferior o con el electroimán superior, esta velocidad
es nula, mientras que es máxima cuando la placa es sensiblemente
equidistante de estos dos electroimanes.
Finalmente, según el eje (410) se representa el
valor de la corriente (ib) que circula en la bobina del electroimán
inferior y el valor de la corriente (ih) que circula en la bobina
del electroimán superior. Se observa así que, para mantener la
placa con su contacto, cada electroimán es alimentado por una
corriente (im) de mantenimiento.
Un segundo modo de funcionamiento del accionador
se describe con la ayuda de la figura 4b. Según este modo, el
control de la placa anteriormente descrito se efectúa por medio de
activaciones sucesivas de los electroimanes, tal como se describe
por medio de la figura 4a, pero la placa se mantiene distante de los
electroimanes conforme a la invención. En lo que sigue, la placa
que se mantiene distante por un electroimán se denomina en
levitación.
De hecho, se observa que la posición (x'_{b})
mínima de la placa tiene un valor superior al valor (x_{b}) que
tenía la placa cuando esta última entró en contacto con el
electroimán inferior. En otros términos, el electroimán inferior
mantiene en levitación la placa conmutada distante.
De manera análoga, el electroimán superior
mantiene distante la placa a su alrededor, de tal modo que la
posición (x'_{h}) máxima tiene un valor inferior al valor
(x_{h}) de la placa cuando esta última entró en contacto con el
electroimán superior (figura 4a).
En este segundo modo de funcionamiento, la
velocidad v de la placa (eje -408'-) alcanza también un valor
extremo cuando la placa está sensiblemente en su posición
equidistante (x=0) entre las dos posiciones conmutadas, mientras
que la intensidad (eje -410'-) de las corrientes (i'b) o (i'h) que
alimentan, respectivamente, el electroimán inferior y el
electroimán superior del accionador, crece cuando la placa se
aproxima al electroimán para atraer y estabilizar este último.
Esta corriente disminuye fuertemente a medida
que la placa tiende hacia el electroimán, puesto que el campo
magnético creado por el imán asegura, parcial o totalmente, el
mantenimiento en levitación de la placa.
Un tercer modo de funcionamiento, llamado
balístico con acercamiento, se describe con la ayuda de la figura
4c. Según este tercer modo, los desplazamientos de la placa situados
entre dos electroimanes no son controlados más que por la
activación de sólo uno de estos electroimanes, tal como se explica a
continuación.
La posición x (eje -420-, en mm) de la placa
varía en función del tiempo (eje de abscisas (422), en ms) a partir
de su primera posición (x_{h}) máxima hacia una segunda posición
(x_{b}) mínima correspondientes, respectivamente, a la posición
de la placa en contacto con el electroimán superior y a la posición
más próxima de la placa con respecto al electroimán inferior.
De hecho, la placa efectúa una ida y vuelta a
partir del electroimán superior, de tal modo que su velocidad v
(eje -424-) aumenta cuando tiende hacia el electroimán inferior,
invirtiéndose luego cuando la placa se aleja de este electroimán
inferior para volver hacia el electroimán superior.
Dicho modo de control balístico permite, por lo
tanto, tal como se muestra según el eje (426), que no se requiera
la alimentación de corriente (ih) del electroimán superior para
controlar la placa.
Según un cuarto modo de funcionamiento, de
acuerdo con la invención, el control balístico de la placa está
combinado con una levitación de esta última gracias al electroimán
superior.
De hecho, se observa que la posición (x'_{h})
(figura 4d) máxima de la placa tiene un valor inferior al valor
(x_{h}) de la placa, si esta última entrara en contacto con el
electroimán superior (figura 4c).
En este cuarto modo de funcionamiento, la
velocidad v de la placa (eje -408'-) alcanza también un valor
extremo cuando la placa atraviesa su posición equidistante (x=0)
entre las dos posiciones conmutadas, mientras que la intensidad
(eje -410'-) de las corrientes (i'b) o (i'h) que alimentan,
respectivamente, el electroimán inferior y el electroimán superior
del accionador, crece cuando la placa se aproxima al electroimán
para atraer y estabilizar este último.
Esta corriente disminuye fuertemente a medida
que la placa tiende hacia el electroimán, puesto que, conforme a la
invención, el campo magnético creado por el imán asegura, al menos
parcialmente, el mantenimiento en levitación de la placa.
Las medidas representadas en las figuras 4a, 4b,
4c y 4d son representativas de una pluralidad de medidas efectuadas
con respecto a cada modo. Se señala entonces que la posición de la
placa varía poco entre los diversos ensayos. En otros términos, la
exactitud del control de la placa y, por tanto, de la válvula, es
particularmente precisa en un motor de acuerdo con la
invención.
Dicha exactitud del control se puede utilizar
para reducir los choques entre la varilla de la placa y la varilla
de la válvula, tal como se ha explicado con la ayuda de las figuras
5a y 5b, que representan el funcionamiento de un accionador (500)
de acuerdo con la invención, al mantenerse la placa (502) distante
de los electroimanes (504) y (506) en su posición conmutada
superior (figura 5a) o inferior (figura 5b).
En estas realizaciones, el juego (509) entre la
varilla (508) de la placa y la varilla (510) de la válvula se
mantiene a un valor reducido gracias al electroimán superior (504),
que mantiene en levitación la placa. De esta manera, cuando la
placa conmuta hacia el electroimán inferior, el contacto entre la
varilla de válvula y la varilla de la placa se produce a una
velocidad más reducida que si la placa entrara en contacto con el
electroimán, lo que reduciría el ruido de este contacto.
La presente invención es susceptible de
numerosas variantes. Por ejemplo, es posible disponer un imán sobre
la placa de manera que este último genere un campo que mantenga la
placa distante del electroimán.
Por otra parte, la utilización de la invención
permite usar un accionador de válvula de admisión distinto de un
accionador de válvula de escape.
De hecho, se sabe que una válvula de admisión
requiere un accionador de potencia menor que una válvula de
escape.
No obstante, el funcionamiento de un accionador
de válvula de admisión en frío, es decir, para las primeras
conmutaciones, necesita una potencia comparable a la requerida por
un accionador de válvula de escape. En efecto, el mantenimiento de
la válvula en las posiciones conmutadas es más difícil para estas
primeras conmutaciones en frío por problemas de
adhesión de la placa sobre el electroimán.
adhesión de la placa sobre el electroimán.
Ahora bien, gracias a la invención, se puede
dimensionar un accionador de válvula de admisión para suministrar
una potencia de mantenimiento estándar, dado que el mantenimiento en
frío de la válvula está asegurado por la supresión de este
mantenimiento.
En otros términos, se pueden reducir las
dimensiones del accionador de admisión, reduciendo de esta manera
la masa y las dimensiones del motor.
Claims (7)
1. Accionador (301; 500) electromecánico de
válvulas para motores de combustión interna, que comprende una
placa magnética (302; 502) susceptible de desplazarse entre un
primer electroimán polarizado (300; 504) y un segundo electroimán
polarizado (506),
- estando cerrada la válvula cuando la placa
(302; 502) se encuentra próxima al primer electroimán (504) y
abierta cuando la placa (302; 502) se encuentra próxima al segundo
electroimán (506),
- ejerciendo el primer electroimán (504; 506)
una acción magnética sobre la placa magnética (302; 502), sometida
a una acción mecánica de retorno ejercida por un resorte,
- pudiéndose compensar esta acción magnética con
la acción mecánica y mantener la placa (302; 502) en una posición
en la que se encuentra en levitación con relación al primer
electroimán, estando la placa (302; 502) muy próxima a este primer
electroimán, sin entrar en contacto con el mismo, sin embargo,
cuando está en levitación con relación a este electroimán,
caracterizado porque:
- el accionador comprende medios para que los
desplazamientos de la placa (302; 502) estén controlados únicamente
por el primer electroimán (504) y la acción mecánica de retorno, de
tal modo que la placa (302; 502) efectúa desplazamientos y retornos
a partir de la posición en la que la placa (302; 502) está en
levitación con relación al primer electroimán,
- al ser la corriente que atraviesa el primer
electroimán y la constante de rigidez del resorte tales que la
velocidad (v) de la placa (302; 502) aumenta cuando esta placa
tiende hacia el segundo electroimán (506) y, en cuanto la placa
(302; 502) está bastante próxima al segundo electroimán (506) para
abrir la válvula, el sentido de desplazamiento de la placa (302;
502) se invierte de modo que la placa (302; 502) se aleja del
segundo electroimán (506) para volver hacia el primer electroimán
(504).
2. Accionador, según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque comprende medios para
alejar la placa (302; 502), que se encuentra en levitación con
relación al primer electroimán (300; 504; 506), al anular el
sentido de la corriente que alimenta este último o al invertir dicho
sentido.
3. Accionador, según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la placa (302; 502) se
mantiene a una distancia tal que la varilla (510) de la válvula está
distante de una varilla (508) de la placa que controla esta
válvula.
4. Accionador, según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque, al tener el electroimán
(300; 504; 506) una forma en E, dotado de una ramal central (304) y
de dos ramales extremos, la placa es de sección (Sp) inferior a la
sección (Sc/2) de los ramales extremos y/o inferior a la mitad de la
sección (Sc) del ramal central.
5. Accionador, según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque, al tener el electroimán
forma de E, un imán está fijado, en el extremo de uno de estos
ramales, con respecto a la placa.
6. Accionador, según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la acción mecánica de
retorno está generada al menos por un resorte.
7. Motor de combustión interna, dotado de un
accionador electromecánico de válvula que comprende un electroimán
polarizado (300; 504; 506) y una placa magnética (302; 502) móvil,
sometidos a una acción mecánica de retorno, caracterizado
porque el accionador está de acuerdo con una de las reivindicaciones
precedentes.
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