ES2346436T3 - Accionador electromecanico de mando de valvula para motor interno y motor de combustion interna provisto con tal accionador. - Google Patents

Abstract

Accionador electromecánico de mando de válvula para motor de combustión interna que comprende un electroimán (200, 300, 400, 500, 600, 700, 1006) con imán (202, 204, 206, 302, 402, 502, 702, 1001, 1002) y un plato (210, 310, 610, 710) magnético móvil que llega a la proximidad del electroimán, comprendiendo el electroimán (200, 300, 400, 500, 600, 700, 1006) un circuito magnético (206, 304, 404, 602, 704) en forma de E, caracterizado por que el imán (202, 204, 206, 302, 402, 502, 702, 1001, 1002) está situado en una superficie del electroimán (200, 300, 400, 500, 600, 700, 1006) situada enfrente del plato (210, 310, 610, 710), en la extremidad de un brazo de este circuito en forma de E.

Description

Accionador electromecánico de mando de válvula para motor interno y motor de combustión interna provisto con tal accionador.

La presente invención se refiere a un accionador electromecánico de mando de válvula para motor de combustión interna y a un motor de combustión interna provisto de un accionador de este tipo, tal como se describe por ejemplo en el documento EP-1174595.

Un accionador 100 electromagnético (véase la figura 1) de válvula 110 comprende medios mecánicos, tales como muelles 102 y 104, y medios electromagnéticos, tales como electroimanes 106 y 108, para mandar la posición de la válvula 110 por medio de señales eléctricas.

A tal efecto, la cola de la válvula 110 está aplicada contra el vástago 112 de un plato magnético 114, situado entre los dos electroimanes 106 y 108.

Cuando una corriente circula por la bobina 109 del electroimán 108, este último se activa y genera un campo magnético que atrae al plato 114 que entra en contacto con él.

El desplazamiento simultáneo del vástago 112 permite al muelle 102 colocar la válvula 110 en posición cerrada, yendo la cabeza de la válvula 110 contra el asiento 111 e impidiendo los intercambios de gases entre el interior y el exterior del cilindro 117.

De modo análogo (no representado), cuando una corriente circula por la bobina 107 del electroimán 106, estando el electroimán 108 desactivado, aquél se activa y atrae al plato 114 que entra en contacto con él y desplaza el vástago 112, con la ayuda del muelle 104, de tal modo que este vástago 112 actúa sobre la válvula 110 y coloca esta última en posición abierta, alejándose la cabeza de la válvula de su asiento 111 para permitir, por ejemplo, una admisión o una inyección de gases en el cilindro 117.

Así, la válvula 110 alterna posiciones abiertas o cerradas, denominadas conmutadas, con desplazamientos transitorios entre estas dos posiciones. En lo que sigue, se denominará "estado conmutado" al estado de una válvula abierta o cerrada.

Por otra parte, el accionador 100 puede estar provisto de imanes, 118, situado en el electroimán 108, y 116, situado en el electroimán 106, destinados a reducir la energía necesaria para el mantenimiento del plato 114 en su posición conmutada.

A tal efecto, cada imán está situado entre dos subelementos del electroimán al cual está asociado de modo que su campo magnético, eventualmente combinado con el campo creado por el electroimán, refuerza el mantenimiento en posición abierta o cerrada de la válvula 110. Por ejemplo, el imán 116 está comprendido entre dos subelementos 106a y 106b.

Gracias a la acción del imán sobre el plato magnético, un electroimán 106 o 108 de este tipo, denominado electroimán con imán o electroimán polarizado, requiere sensiblemente menos energía para controlar una válvula, representando el mantenimiento de una válvula en una posición conmutada un consumo importante de energía para el accionador.

La presente invención resulta de la constatación de que el accionador 100 presenta numerosos inconvenientes.

De hecho, este accionador requiere la utilización de dos subelementos 106a y 106b distintos para formar un electroimán 106. Así pues, son necesarias operaciones apropiadas para la fabricación y el almacenamiento de cada uno de estos subelementos, que aumentan la complejidad y el coste de fabricación del accionador.

Además, la operación de ensamblaje de estos subelementos 106a y 106b con el imán 116 aumenta el coste y la complejidad de fabricación del accionador, mientras que, durante este ensamblaje, los subelementos 106a y 106b y/o el imán 116 corren el riesgo de quedar mal ensamblados o deteriorados, lo que disminuiría el rendimiento del electroimán.

Un nuevo inconveniente reside en la dificultad de un eventual reemplazamiento de un imán 116 o 118. En efecto, para reemplazar un imán 116 defectuoso es necesario desmontar el conjunto del electroimán
106.

Otro inconveniente es el volumen importante que representa el accionador 100, especialmente debido a que su altura h viene impuesta por la sección S_{a} de los imanes 116 y 118. De hecho, esta sección S_{a} es importante con el fin de obtener un flujo magnético elevado a partir de estos imanes.

Además, un accionador de este tipo presenta fugas importantes debidas a la dispersión del flujo magnético en los entrehierros.

Por otra parte, el accionador 100 requiere la utilización de un plato 114 magnético de masa elevada, debida, especialmente, a su sección S_{p} importante. De hecho, esta sección es generalmente igual a la sección S_{e} de los brazos de los electroimanes para obtener un funcionamiento óptimo del accionador, formando los brazos del soporte del electroimán y el plato un circuito magnético de sección constante.

Sin embargo, la utilización de un plato 114 de sección importante, y por tanto de masa elevada, presenta numerosos inconvenientes descritos seguidamente.

En primer lugar, el accionador 100 requiere muelles de rigidez elevada para desplazar la masa importante del plato. Por lo tanto, la sensibilidad del control ejercido por los electroimanes sobre el plato por medio de la corriente que circula por las bobinas es reducida, mientras que el consumo requerido por los electroimanes para controlar el plato es elevado.

La utilización de muelles de rigidez elevada provoca, de modo corolario, que estos últimos formen, con los elementos móviles del accionador 100, un dispositivo oscilante caracterizado por un retardo de conmutación fijado sensiblemente por la rigidez k_{102} y k_{104} de los muelles 102 y 104 y por la masa m_{d} de los elementos de desplazamiento (plato 114, vástago 112, masa móvil de los muelles 102 y 104, y válvula 110).

En segundo lugar, la energía disipada, por ejemplo en forma de ruido de funcionamiento del accionador, debida al impacto del plato sobre un electroimán aumenta generalmente por un aumento de la masa del plato. Ahora bien, un aumento de la disipación de energía de este tipo provoca un menor rendimiento energético del accionador.

La presente invención pone remedio al menos a uno de los inconvenientes mencionados anteriormente. Ésta se refiere a un accionador electromecánico de mando de válvula para motor de combustión interna, que comprende un electroimán con imán y un plato magnético móvil que llega a la proximidad del electroimán, estando situado el imán en una superficie del electroimán situada enfrente del plato, caracterizado por que el electroimán comprende un circuito magnético en forma de E, y el imán está situado en la extremidad de un brazo de este circuito en forma de E.

Gracias a la invención, la fabricación y el ensamblaje de un electroimán polarizado son fáciles, puesto que el imán se fija a la superficie de este electroimán, mientras que no es necesario utilizar un electroimán formado por varios subelementos, simplificándose, así, las operaciones de fabricación, de logística y de ensamblaje del electroimán.

De acuerdo con una variante, siendo un vástago solidario del plato, este vástago es exterior al circuito en E.

En este caso, de acuerdo con una realización, diferentes brazos del soporte están provistos de un imán.

De acuerdo con una realización, al menos un imán es de sección superior a la sección del brazo en el cual está situado.

En una realización, el plato es de sección inferior la sección de los brazos terminales del soporte en E.

De acuerdo con una realización, la sección de un brazo terminal del soporte es inferior a la mitad de la sección del brazo central del soporte.

En una realización, la sección de la unión entre un brazo terminal del soporte y el brazo central del soporte en E es inferior a la mitad de la sección del brazo central del soporte.

Por otra parte, al fijar el imán al soporte del electroimán, se aumenta la acción de este imán sobre el plato con respecto a un imán análogo incorporado en el cuerpo del electroimán, es decir más distante del plato.

La invención se refiere también a un motor de combustión interna que comprende un accionador electromecánico de mando de válvula provisto de un electroimán y de un plato magnético móvil que llega a la proximidad del electroimán. De acuerdo con la invención, el accionador del motor es de acuerdo con una de las realizaciones de accionador descritas anteriormente.

Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto con la descripción efectuada a continuación, a título de ejemplo no limitativo, refiriéndose a las figuras adjuntas, en las cuales:

- la figura 1, ya descrita, representa un accionador polarizado conocido, y

- las figuras 2 a 8 representan accionadores con electroimanes polarizados de acuerdo con la invención,

- las figuras 9a y 9b representan diferentes imanes que pueden ser utilizados de acuerdo con la invención, y

- las figuras 10a, 10b y 10c representan variantes de la invención.

En la figura 2 está representado un electroimán 200 que comprende tres imanes 202, 204 y 206 situados, de acuerdo con la invención, en la superficie del soporte 208 situada enfrente del plato 210 del accionador.

De modo más preciso, los imanes 202, 204 y 206 están situados, respectivamente, en los brazos, central y terminales, del soporte 208 en forma de E.

Los imanes se disponen en función de su polaridad de modo que su campo magnético refuerce el campo magnético creado por el electroimán 200 cuando este último está activo y atrae al plato 210.

En el ejemplo dado, el polo Norte (N) del imán 202 y los polos Sur (S) de los imanes 204 y 206 están situados hacia el plato 210.

Un electroimán 200 de este tipo requiere por tanto un soporte 208 en forma de E, utilizado de modo clásico en accionadores no polarizados.

De hecho, la fabricación de un soporte en E de este tipo es fácil puesto que éste está formado por un solo bloque. Asimismo, se simplifica la fijación de los imanes 202, 204 y 206 al soporte 208 puesto que ésta solamente requiere el mantenimiento del imán en una superficie del soporte.

A tal efecto, conviene subrayar que un imán puede ser fijado a su soporte por pegado o sobremoldeado. En este caso, la imantación del imán puede ser realizada posteriormente al sobremoldeo con el fin de no correr el riesgo de la desmagnetización del imán durante este sobremoldeo.

Conviene indicar también que el imán puede ser de una sola pieza (véase la figura 9a) o estar formado por el ensamblaje de pequeños imanes 90 (véase la figura 9b) yuxtapuestos. En este último caso, cuando el imán es conductor, lo que es el caso con imanes de tierras raras, se reduce la intensidad de las corrientes inducidas en el imán durante el funcionamiento del accionador, aumentando, así, el rendimiento de este último.

De acuerdo con otra variante, el imán está compuesto por polvo de imán y un aglutinante. Éste presenta entonces una baja resistividad que reduce la intensidad de las corrientes inducidas durante el funcionamiento del accionador.

Al mantener un imán en la proximidad del plato magnético, se reducen las fugas de su flujo, mejorando, así, el funcionamiento del accionador.

En la figura 3 está representado un segundo electroimán 300 tal que un solo imán 302 está situado en la superficie de su soporte 304.

Este soporte 304 puede ser mecanizado de modo que permanezca un entrehierro residual e entre la superficie del imán y el plato 310 cuando este último entre en contacto con el soporte, eliminando, así, los choques entre el imán 302 y el plato. Un entrehierro de este tipo, que protege al imán, es tanto más ventajoso cuanto más frágil sea el imán, por ejemplo cuando éste esté realizado de tierras raras.

Como está representado en la figura 3, el flujo del campo magnético generado por el electroimán forma dos bucles 306 simétricos que se unen en la columna central 308. De hecho, para alcanzar un nivel de saturación idéntico en cualquier punto del circuito magnético formado por la columna central 308 y por las dos extremidades 312 del soporte 304, estos últimos tienen una sección S_{e} igual a la mitad de la sección 2S_{c} de la columna central.

En la figura 4 está representado un tercer electroimán 400, de acuerdo con la invención, que comprende un único imán 402 central de sección S_{a} superior a la sección S_{c} del circuito magnético formado por el plato magnético (no representado) y los brazos del soporte 404. Un imán de este tipo genera un campo magnético mayor que un imán de sección más pequeña.

En la figura 5 está representada otra variante de electroimán 500 que utiliza un imán 502 central de sección S_{a} mayor que la sección S_{c} del circuito magnético.

Esta configuración permite aumentar el flujo de polarización creado por el imán, en particular en el plato (no representado) y en las columnas terminales del circuito magnético.

Se ha establecido de modo empírico que, como está representado en la figura 8, una utilización óptima del imán requiere que el rebasamiento d del imán 502 con respecto a la sección S_{c} del circuito magnético sea inferior al espesor e_{a} del imán.

Cuando la inducción remanente de un imán sea más pequeña que la inducción con saturación del plato magnético, se puede reducir la sección de este último sin limitar la fuerza de atracción permanente ejercida por el dispositivo sobre este plato.

De modo empírico, se ha realizado una reducción de un factor 1,6 del espesor del plato cuando este último presentaba un umbral de saturación de 2 Teslas y se utilizaba un imán de campo remanente igual a 1,2 Teslas.

Dicha reducción de la masa del plato permite reducir la masa desplazada durante las conmutaciones de la válvula, lo que presenta numerosas ventajas.

Se reduce, así, la disipación de energía generada por los choques del plato contra el electroimán, mejorando el rendimiento del accionador.

Además, para controlar un plato de masa limitada pueden utilizarse muelles de pequeña rigidez. Por lo tanto, se disminuye el consumo eléctrico.

De modo corolario, el control ejercido sobre el plato por el electroimán por medio del campo generado por una bobina aumenta, puesto que el control ejercido por los muelles disminuye en intensidad. Una mejora del control de este tipo permite, por ejemplo, reducir la velocidad de impacto del plato sobre el soporte del electroimán.

Finalmente, el coste de fabricación del plato es reducido mientras que el volumen del electroimán no es impuesto en altura por la sección del imán.

Los electroimanes representados en las figuras 2, 3, 4 y 5, en forma de E, forman un circuito magnético que comprende un brazo central, de sección 2S_{c}, y dos brazos terminales de sección S_{c}.

Además, de acuerdo con una disposición óptima, el plato magnético tiene una sección S_{p} igual a esta sección S_{c} del circuito magnético, como está representado en la figura 3.

Sin embargo, se puede aumentar el esfuerzo ejercido por el electroimán polarizado sobre el plato concentrando el flujo magnético generado por este electroimán. Por ejemplo, se puede reducir la sección de los brazos 606 terminales del soporte 602 (véase la figura 6) de un electroimán 600 con imán 604.

En otras palabras, al disminuir la sección S_{e} < S_{c} de las extremidades mientras que se mantiene la sección 2S_{c} del brazo central, se aumenta la inducción magnética en estas extremidades, no debiendo dicho aumento saturar los brazos.

De modo empírico, se ha establecido que la inducción remanente de un imán, del orden de 1,2 a 1,4 Teslas para un imán de Neodimio-Hierro-Boro, era inferior a la inducción con saturación de las extremidades, del orden de 2 Teslas.

Por lo tanto, ha sido posible disminuir las secciones de las extremidades sin saturación de estas últimas.

La concentración del flujo permite obtener imantaciones importantes en el entrehierro con la utilización de imanes de inducción remanente pequeña, por ejemplo de ferrita o de materiales compuestos.

Cuando se utilizan imanes de Tierras Raras, el brazo exterior puede tener una sección inferior a un tercio de la sección del brazo (o columna) central.

Conviene señalar que, de modo análogo, es posible concentrar el flujo magnético generado por el electroimán 600 aumentando la sección S_{c} del brazo central del soporte y/o disminuyendo la sección S_{e} de los brazos terminales 606.

Para evitar los choques entre el plato 710 (véase la figura 7) y el imán 702 del electroimán 700, se puede utilizar un soporte 704 que asegure el mantenimiento de un entrehierro e entre el imán 702 y el plato 710 cuando este último entre en contacto con el soporte.

Además, como muestran las figuras 6 y 7, es también posible concentrar el flujo del campo magnético en el soporte 704 reduciendo la sección S_{e} de los brazos terminales del electroimán, siendo esta sección inferior a la mitad de la sección 2S_{c} de la columna central.

La presente invención es susceptible de numerosas variantes. De hecho, puede ser posible saturar magnéticamente el plato, disminuyendo su sección, si la acción experimentada por el plato es suficiente para asegurar su mantenimiento contra el electroimán.

De acuerdo con variantes de la invención representadas en las figuras 10a, 10b y 10c, imanes 1001 y 1002 pueden estar dispuestos en una superficie del plato 1004 móvil controlado por el electroimán 1006.

Por otra parte, la utilización de la invención permite utilizar un accionador de válvula de admisión distinto de un accionador de válvula de escape.

De hecho, es conocido que una válvula de admisión requiere un accionador de menor potencia que una válvula de escape.

Sin embargo, el funcionamiento de un accionador de válvula de admisión en frío, es decir en las primeras conmutaciones, necesita una potencia comparable a la requerida por un accionador de válvula de escape porque problemas de pegado del plato al electroimán hacen más difíciles las primeras conmutaciones en frío.

Ahora bien, un accionador de válvula de admisión de acuerdo con la invención es más rentable para los mantenimientos de la válvula en frío que un accionador clásico gracias a la acción optimizada del imán sobre el plato.

Por lo tanto, las dimensiones de un accionador de válvula de admisión pueden ser reducidas, lo que provoca una ganancia de espacio y de masa en el motor.

Claims (8)

1. Accionador electromecánico de mando de válvula para motor de combustión interna que comprende un electroimán (200, 300, 400, 500, 600, 700, 1006) con imán (202, 204, 206, 302, 402, 502, 702, 1001, 1002) y un plato (210, 310, 610, 710) magnético móvil que llega a la proximidad del electroimán, comprendiendo el electroimán (200, 300, 400, 500, 600, 700, 1006) un circuito magnético (206, 304, 404, 602, 704) en forma de E, caracterizado por que el imán (202, 204, 206, 302, 402, 502, 702, 1001, 1002) está situado en una superficie del electroimán (200, 300, 400, 500, 600, 700, 1006) situada enfrente del plato (210, 310, 610, 710), en la extremidad de un brazo de este circuito en forma de E.

2. Accionador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que, siendo un vástago solidario del plato, este vástago es exterior al circuito en E.

3. Accionador de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado por que varios brazos del circuito están provistos de un imán.

4. Accionador de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2 o 3 caracterizado por que al menos un imán es de sección (S_{a}) superior a la sección (2S_{c}) del brazo en el cual está situado.

5. Accionador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado por que el plato (610) es de sección (S_{p}) inferior a la sección (S_{e}) de los brazos (606) terminales del soporte en E.

6. Accionador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por que la sección (S_{e}) de un brazo terminal del soporte es inferior a la mitad de la sección (2S_{c}) del brazo central del soporte.

7. Accionador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado por que la sección (S_{e}) de la unión entre un brazo terminal del soporte y el brazo central del soporte en E es inferior a la mitad de la sección (2S_{c}) del brazo central del soporte.

8. Motor de combustión interna que comprende un accionador electromecánico de mando de válvula provisto de un electroimán con imán y de un plato magnético móvil que llega a la proximidad del electroimán, caracterizado por que el accionador es de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7.