ITBO20010570A1

ITBO20010570A1 - ELECTROMAGNETIC SYSTEM FOR THE CONTROL OF THE VALVES OF A MOTOR

Info

Publication number: ITBO20010570A1
Application number: IT2001BO000570A
Authority: IT
Inventors: Marcello Cristiani; Nicola Morelli
Original assignee: Magneti Marelli Powertrain Spa
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2003-03-20
Also published as: EP1296025A1; ITBO20010570A0; BR0204163A; US20030056743A1

Description

D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION

del brevetto per invenzione industriale of the patent for industrial invention

La presente invenzione si riferisce ad un sistema elettromagnetico per il comando delle valvole di un motore . The present invention refers to an electromagnetic system for controlling the valves of an engine.

Come è noto, sono attualmente in fase di sperimentazione motori a combustione interna, in cui la movimentazione delle valvole di aspirazione e di scarico è effettuata da attuatori elettromagnetici (del tipo di quelli descritti nella domanda di brevetto europeo EP1087110. Tali attuatori elettromagnetici presentano indubbi vantaggi, in quanto permettono di comandare ciascuna valvola secondo una legge ottimizzata per qualunque condizione operativa del motore, mentre i tradizionali attuatori meccanici (tipicamente alberi a camme) richiedono la definizione di un profilo jii alzata delle valvole che rappresenti un compromesso accettabile per tutte le possibili condizioni di funzionamento del motore. As is known, internal combustion engines are currently being tested, in which the movement of the intake and exhaust valves is carried out by electromagnetic actuators (of the type described in the European patent application EP1087110. These electromagnetic actuators have undoubted advantages , as they allow each valve to be controlled according to a law optimized for any operating condition of the engine, while traditional mechanical actuators (typically camshafts) require the definition of a valve lift profile which represents an acceptable compromise for all possible conditions engine operation.

Un attuatore elettromagnetico per una valvola di un motore a combustione interna del tipo di quello sopra descritto normalmente comprende un corpo attuatore, il quale è collegato allo stelo della valvola ed in condizioni di riposo viene mantenuto da almeno una molla in una posizione intermedia tra due elettromagneti diseccitati; in uso, gli elettromagneti vengono comandati da una unità di controllo in modo tale da esercitare alternativamente una forza di attrazione di origine magnetica sul corpo attuatore per spostare il corpo attuatore stesso tra le due posizioni limite di battuta, le quali corrispondono ad una posizione di massima apertura e di chiusura della rispettiva valvola. An electromagnetic actuator for a valve of an internal combustion engine of the type described above normally comprises an actuator body, which is connected to the valve stem and in rest conditions is maintained by at least one spring in an intermediate position between two electromagnets de-energized; in use, the electromagnets are controlled by a control unit in such a way as to alternatively exert an attraction force of magnetic origin on the actuator body to move the actuator body itself between the two limit stop positions, which correspond to a maximum position opening and closing of the respective valve.

Scopo della presente invenzione è di realizzare un sistema elettromagnetico per il comando delle valvole di un motore, il quale presenti un collegamento elettrico tra l'unità di controllo e ciascun elettromagnete che sia di facile ed economica realizzazione . The object of the present invention is to provide an electromagnetic system for controlling the valves of an engine, which has an electrical connection between the control unit and each electromagnet which is easy and economical to produce.

In accordo con la presente invenzione viene realizzato un sistema elettromagnetico per il comando delle valvole di un motore e comprendente una unità di controllo e per ciascuna valvola un rispettivo l'attuatore elettromagnetico provvisto di una coppia di elettromagneti, di un corpo attuatore, il quale è meccanicamente collegato alla rispettiva valvola ed è montato mobile tra i due elettromagneti per spostarsi sotto l'azione degli elettromagneti stessi, e di almeno un corpo elastico, il quale è collegato al corpo attuatore per mantenere il corpo attuatore stesso in una posizione di riposo intermedia tra i due elettromagneti; ciascun elettromagnete comprendendo un nucleo magnetico, un avvolgimento, il quale è accoppiato al nucleo magnetico ed è provvisto di una bobina di potenza ed una bobina ausiliaria di misura, ed un cavo di collegamento, il quale è atto a collegare elettricamente l'avvolgimento alla unità di controllo; il sistema elettromagnetico essendo caratterizzato dal fatto che ciascun detto elettromagnete comprendere un rispettivo cavo di collegamento flessibile, il quale è direttamente integrato nel rispettivo avvolgimento per collegare elettricamente senza ulteriori interposizioni il rispettivo avvolgimento alla unità di controllo. In accordance with the present invention, an electromagnetic system is provided for controlling the valves of an engine and comprising a control unit and for each valve a respective electromagnetic actuator provided with a pair of electromagnets, with an actuator body, which is mechanically connected to the respective valve and mounted movably between the two electromagnets to move under the action of the electromagnets themselves, and of at least one elastic body, which is connected to the actuator body to keep the actuator body in an intermediate rest position between the two electromagnets; each electromagnet comprising a magnetic core, a winding, which is coupled to the magnetic core and is provided with a power coil and an auxiliary measuring coil, and a connection cable, which is adapted to electrically connect the winding to the unit control; the electromagnetic system being characterized in that each said electromagnet comprises a respective flexible connection cable, which is directly integrated in the respective winding to electrically connect the respective winding to the control unit without further interpositions.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui: The present invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate a non-limiting example of embodiment, in which:

- la figura 1 è una vista schematica, in elevazione laterale e parzialmente sezionata di una valvola di un motore e di un relativo attuatore elettromagnetico; Figure 1 is a schematic view, in lateral elevation and partially sectioned, of a valve of an engine and of a relative electromagnetic actuator;

- la figura 2 illustra schematicamente un circuito elettromagnetico dell'attuatore della figura 1; e la figura 3 è una vista in sezione di una struttura di supporto contenente una coppia di attuatori elettromagnetici realizzati in accordo con la presente invenzione. Figure 2 schematically illustrates an electromagnetic circuit of the actuator of Figure 1; and Figure 3 is a sectional view of a support structure containing a pair of electromagnetic actuators made in accordance with the present invention.

Nella figura 1, con 1 è indicato nel suo complesso un attuatore elettromagnetico (del tipo di quello descritto nella domanda di brevetto EP1087110) accoppiato ad una valvola 2 di aspirazione o di scarico di un motore a combustione interna di tipo noto per spostare la valvola 2 stessa lungo un asse 3 longitudinale della valvola tra una posizione di chiusura (nota e non illustrata) ed una posizione di massima apertura (nota e non illustrata). In figure 1, 1 indicates as a whole an electromagnetic actuator (of the type described in patent application EP1087110) coupled to an intake or exhaust valve 2 of an internal combustion engine of a known type to move the valve 2 along a longitudinal axis 3 of the valve between a closed position (known and not illustrated) and a maximum opening position (known and not illustrated).

L'attuatore 1 elettromagnetico comprende un braccetto 4 oscillante realizzato almeno parzialmente in materiale ferromagnetico, il quale presenta una prima estremità incernierata ad un supporto 5 in modo tale da poter oscillare attorno ad un asse 6 di rotazione trasversale all'asse 3 longitudinale della valvola 2, ed una seconda estremità collegata tramite una cerniera 7 ad un'estremità superiore della valvola 2. L'attuatore 1 elettromagnetico comprende, inoltre, due elettromagneti 8 portati in posizione fissa dal supporto 5 in modo da risultare disposti da bande opposte del braccetto 4 oscillante, ed una molla 9 accoppiata alla valvola 2 ed atta mantenere il braccetto 4 oscillante in una posizione intermedia (illustrata nella figura 1) in cui il braccetto 4 oscillante stesso risulta equidistante dalle espansioni 10 polari dei due elettromagneti 8. Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, la molla 9 accoppiata alla valvola 2 viene affiancata o sostituita da una molla a barra di torsione accoppiata alla cerniera presente tra il supporto 5 ed il braccetto 4 oscillante . The electromagnetic actuator 1 comprises an oscillating arm 4 made at least partially of ferromagnetic material, which has a first end hinged to a support 5 in such a way as to be able to oscillate around a rotation axis 6 transversal to the longitudinal axis 3 of the valve 2 , and a second end connected by means of a hinge 7 to an upper end of the valve 2. The electromagnetic actuator 1 also comprises two electromagnets 8 carried in a fixed position by the support 5 so as to be arranged on opposite bands of the oscillating arm 4 , and a spring 9 coupled to the valve 2 and able to keep the oscillating arm 4 in an intermediate position (illustrated in Figure 1) in which the oscillating arm 4 itself is equidistant from the pole expansions 10 of the two electromagnets 8. According to a different embodiment not shown, the spring 9 coupled to the valve 2 is flanked or replaced by a spring b torsion frame coupled to the hinge present between the support 5 and the oscillating arm 4.

In uso, un'unità 11 di controllo controlla in retroazione ed in modo sostanzialmente noto la posizione del braccetto 4 oscillante, cioè la posizione della valvola 2, in base alle condizioni di funzionamento del motore; in particolare l'unità 11 di controllo eccita gli elettromagneti 8 con una rispettiva corrente i(t) elettrica per esercitare alternativamente o simultaneamente una forza di attrazione di origine magnetica sul braccetto 4 oscillante in modo da fare ruotare il braccetto 4 oscillante stesso attorno all'asse 6 di rotazione spostando, di conseguenza, la valvola 2 lungo il rispettivo asse 3 longitudinale e tra le citate posizioni di massima apertura e di chiusura (non illustrate) . In use, a control unit 11 controls in feedback and in a substantially known manner the position of the oscillating arm 4, ie the position of the valve 2, according to the operating conditions of the motor; in particular, the control unit 11 excites the electromagnets 8 with a respective electric current i (t) to alternately or simultaneously exert an attraction force of magnetic origin on the oscillating arm 4 so as to rotate the oscillating arm 4 itself around the axis 6 of rotation, consequently moving the valve 2 along the respective longitudinal axis 3 and between the aforementioned positions of maximum opening and closing (not shown).

Secondo quanto illustrato nella figura 1, la valvola 2 si trova nella citata posizione di chiusura (non illustrata) quando il braccetto 4 oscillante è in battuta sull'elettromagnete 8 superiore eccitato, si trova nella citata posizione di massima apertura (non illustrata) quando il braccetto 4 oscillante è in battuta sull'elettromagnete 8 inferiore eccitato, e si trova in una posizione di apertura parziale quando i due elettromagneti 8 sono entrambi disalimentati ed il braccetto 4 oscillante è nella citata posizione intermedia (illustrata nella figura 1) per effetto della forza esercitata dalla molla 9. As shown in Figure 1, the valve 2 is in the aforementioned closed position (not shown) when the oscillating arm 4 abuts against the energized upper electromagnet 8, it is in the aforementioned maximum opening position (not shown) when the The oscillating arm 4 abuts against the lower energized electromagnet 8, and is in a partial opening position when the two electromagnets 8 are both disconnected and the oscillating arm 4 is in the aforementioned intermediate position (illustrated in Figure 1) due to the effect of the force exerted by the spring 9.

Secondo quanto illustrato nella figura 2, ciascun elettromagnete 8 comprende un rispettivo nucleo 12 magnetico accoppiato ad una corrispondente bobina 13, la quale viene alimentata dall'unità 11 di controllo con una corrente i(t) variabile nel tempo per generare un flusso q>(t) attraverso un rispettivo circuito 14 magnetico accoppiato alla bobina 13. In particolare ciascun circuito 14 magnetico è composto dal relativo nucleo 12 di materiale ferromagnetico, dal braccetto 4 oscillante di materiale ferromagnetico e dal traferro 15 esistente tra il relativo nucleo 12 ed il braccetto 4 oscillante. As shown in Figure 2, each electromagnet 8 comprises a respective magnetic core 12 coupled to a corresponding coil 13, which is powered by the control unit 11 with a time-varying current i (t) to generate a flux q> ( t) through a respective magnetic circuit 14 coupled to the coil 13. In particular, each magnetic circuit 14 is composed of the relative core 12 of ferromagnetic material, the oscillating arm 4 of ferromagnetic material and the air gap 15 existing between the relative core 12 and the arm 4 swinging.

A ciascun nucleo 12 magnetico è accoppiata una ulteriore bobina 16 ausiliaria (composta da almeno una spira e provvista di un numero Na di spire) collegata ad un circuito di misura (noto e non illustrato) dell'unità 11 di controllo, il quale è atto a misurare in tempo reale il valore del flusso cp(t) attraversante il corrispondente circuito 14 magnetico. A further auxiliary coil 16 is coupled to each magnetic core 12 (composed of at least one turn and provided with a number Na of turns) connected to a measurement circuit (known and not illustrated) of the control unit 11, which is to measure in real time the value of the flux cp (t) passing through the corresponding magnetic circuit 14.

In particolare, ai morsetti della bobina 16 ausiliaria viene collegato un voltmetro; essendo i morsetti della bobina 16 ausiliaria sostanzialmente aperti (la resistenza interna del voltmetro è così elevata da potersi ritenere infinita senza per questo introdurre errori apprezzabili), la bobina 16 ausiliaria non è percorsa da corrente e la tensione ai suoi morsetti dipende unicamente dalla derivata del flusso (p(t) nel tempo, da cui si può ricavare il valore del flusso cp(t) mediante una operazione di integrazione. In particular, a voltmeter is connected to the terminals of the auxiliary coil 16; since the terminals of the auxiliary coil 16 are substantially open (the internal resistance of the voltmeter is so high that it can be considered infinite without introducing appreciable errors), the auxiliary coil 16 is not traversed by current and the voltage at its terminals depends solely on the derivative of the flow (p (t) over time, from which the value of flow cp (t) can be obtained by means of an integration operation.

Nella realizzazione pratica, in un elettromagnete 8 la rispettiva bobina 13 e la rispettiva bobina 16 ausiliaria vengono avvolte insieme in un unico avvolgimento 17 per semplificare sia la realizzazione delle bobine 13 e 16 stesse, sia il loro accoppiamento con il relativo nucleo 12 magnetico. Inoltre, ciascun elettromagnete 8, o meglio ciascun avvolgimento 17, deve venire collegato all'unità 11 di controllo mediante un rispettivo cavo 18 di collegamento provvisto di quattro conduttori 19 elettrici indipendenti (due per la circolazione della corrente i (t), due per la misura della tensione ai capi della bobina 16 ausiliaria). In the practical embodiment, in an electromagnet 8 the respective coil 13 and the respective auxiliary coil 16 are wound together in a single winding 17 to simplify both the construction of the coils 13 and 16 themselves, and their coupling with the relative magnetic core 12. Furthermore, each electromagnet 8, or rather each winding 17, must be connected to the control unit 11 by means of a respective connection cable 18 provided with four independent electrical conductors 19 (two for the circulation of the current i (t), two for the measurement of the voltage across the auxiliary coil 16).

Secondo quanto illustrato nella figura 3, per installare gli attuatori 1 elettromagnetici del tipo di quelli sopra descritti viene preferibilmente utilizzato un corpo 20 scatolato, il quale alloggia due attuatori 1 elettromagneti atti a comandare rispettive valvole 2. In particolare, il corpo 20 scatolato viene preferibilmente utilizzato per comandare le due valvole 2 di scarico o di aspirazione di uno stesso cilindro (non illustrato) in un motore a combustione interna avente quattro valvole per cilindro, in quanto in tali motori le due valvole 2 di scarico o di aspirazione di uno stesso cilindro sono disposte in posizioni tra loro relativamente molto ravvicinate. According to what is illustrated in Figure 3, to install the electromagnetic actuators 1 of the type described above, a boxed body 20 is preferably used, which houses two electromagnetic actuators 1 adapted to control respective valves 2. In particular, the boxed body 20 is preferably used to control the two exhaust or intake valves 2 of the same cylinder (not shown) in an internal combustion engine having four valves per cylinder, since in such engines the two exhaust or intake valves 2 of the same cylinder they are arranged in relatively very close positions.

Ciascun avvolgimento 17 comprende un rispettivo cavo 18 di collegamento flessibile, il quale è direttamente integrato nell'avvolgimento 17 stesso e comprende quattro conduttori 19 elettrici inseriti in una stessa guaina 21 isolante. In particolare, il cavo 18 di collegamento non viene aggiunto all'avvolgimento 17 dopo la realizzazione dell'avvolgimento 17 stesso, ma viene formato durante la realizzazione dell'avvolgimento 17 utilizzando come conduttori 19 elettrici gli stessi conduttori utilizzati per la realizzazione dell'avvolgimento 17 (evitando, quindi, di eseguire giunzioni elettriche) . Eventualmente, ai conduttori 19 elettrici all'interno della guaina 21 possono venire aggiunti ulteriori isolamenti, in particolare per separare i due conduttori 19 elettrici di potenza (attraverso i quali circola la corrente i(t)) dai due conduttori 19 elettrici di segnale (attraverso i quali viene misurata la tensione ai capi della bobina 16 ausiliaria). Each winding 17 comprises a respective flexible connection cable 18, which is directly integrated in the winding 17 itself and comprises four electrical conductors 19 inserted in the same insulating sheath 21. In particular, the connection cable 18 is not added to the winding 17 after the construction of the winding 17 itself, but is formed during the construction of the winding 17 using the same conductors used for the construction of the winding 17 as electrical conductors 19. (thus avoiding to perform electrical joints). Optionally, further insulations can be added to the electrical conductors 19 inside the sheath 21, in particular to separate the two electrical power conductors 19 (through which the current i (t) circulates) from the two electrical signal conductors 19 (through which the voltage across the auxiliary coil 16 is measured).

Per ciascun elettromagnete 8, il corpo 20 scatolato comprende un rispettivo foro 22 passante, attraverso il quale viene fatto passare il rispettivo cavo 18 di collegamento, in modo da permettere la connessione del cavo 18 di collegamento stesso all'unità 11 di controllo. For each electromagnet 8, the boxed body 20 comprises a respective through hole 22, through which the respective connection cable 18 is made to pass, so as to allow the connection of the connection cable 18 itself to the control unit 11.

Per collegare elettricamente il cavo 18 all'unità 11 di controllo, le porzioni terminali dei rispettivi conduttori 19 elettrici possono venire inserite in morsetti di collegamento (non illustrati) dell'unità 11 di controllo, oppure le porzioni terminali dei rispettivi conduttori 19 elettrici possono venire inserite in un connettore (noto e non illustrato) sganciabile per consentire un collegamento/scoilegamento rapido con l'unità 11 di controllo. To electrically connect the cable 18 to the control unit 11, the terminal portions of the respective electrical conductors 19 can be inserted into connection terminals (not shown) of the control unit 11, or the terminal portions of the respective electrical conductors 19 can be inserted inserted in a connector (known and not illustrated) which can be released to allow quick connection / disconnection with the control unit 11.

Il fatto di utilizzare per ciascun elettromagnete 8 un rispettivo unico cavo 18 di collegamento direttamente integrato nel corrispondente avvolgimento 17 permette di realizzare la connessione dell'elettromagnete 8 all'unità 11 di controllo in modo semplice (semplificando sia la costruzione, sia il montaggio degli attuatori 1 elettromagnetici), economico e con una riduzione dei problemi di collegamento elettrico (in quanto il cavo 18 di collegamento essendo flessibile sia adatta a molteplici percorsi). The fact of using for each electromagnet 8 a respective single connection cable 18 directly integrated in the corresponding winding 17 allows to make the connection of the electromagnet 8 to the control unit 11 in a simple way (simplifying both the construction and the assembly of the actuators 1 electromagnetic), economical and with a reduction of electrical connection problems (since the connection cable 18 being flexible is suitable for multiple paths).

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1) Electromagnetic system for controlling the valves (2) of an engine and comprising a control unit (11) and for each valve (2) a respective electromagnetic actuator (1) equipped with a pair of electromagnets (8), a actuator body (4), which is mechanically connected to the respective valve (2) and is mounted movably between the two electromagnets (8) to move under the action of the electromagnets (8) themselves, and of at least one elastic body (9) , which is connected to the actuator body (4) to keep the actuator body (4) itself in an intermediate rest position between the two electromagnets (8); each electromagnet (8) comprising a magnetic core (12), a winding (17), which is coupled to the magnetic core (12) and is provided with a power coil (13) and an auxiliary measuring coil (16) , and a connecting cable (18), which is adapted to electrically connect the winding (17) to the control unit (11); the electromagnetic system being characterized by the fact that each said electromagnet (8) comprises a respective flexible connection cable (18), which is directly integrated in the respective winding (17) to electrically connect the winding (17) itself to the control unit (11).

2) System according to claim 1, wherein each said connection cable (18) comprises four electrical conductors (19) inserted in the same insulating sheath (21) to electrically connect both the respective power coil (13) and the respective auxiliary measurement coil (16) to said control unit (11).

3) System according to claim 2, in which said four electrical conductors (19) of the same connection cable (18) are the same electrical conductors used for the construction of the power coil (13) and of the auxiliary coil (16) of the respective winding (17).

4) System according to claim 3, in each said connection cable (18) it comprises further electrical insulations housed inside the respective sheath (21).

5) System according to one of claims 1 to 4, and comprising a box-shaped body (20) suitable for housing a pair of said electromagnetic actuators (1) for controlling two respective said valves (2); the said box-like body (20) having four through holes for the passage of the corresponding said connection cables (18).

6) Electromagnetic actuator for controlling the valve (2) of a motor; The electromagnetic actuator (1) comprising a pair of electromagnets (8), an actuator body (4), which is mechanically connected to the valve (2) and is mounted movably between the two electromagnets (8) to move under the action of the electromagnets (8) themselves, and at least one elastic body (9), which is connected to the actuator body (4) to keep the actuator body (4) itself in an intermediate rest position between the two electromagnets (8); each electromagnet (8) comprising a magnetic core (12), a winding (17), which is coupled to the magnetic core (12) and is provided with a power coil (13) and an auxiliary measuring coil (16) , and a connection cable (18), which is adapted to electrically connect the winding (17) to a control unit (11); The electromagnetic actuator (1) being characterized in that each said electromagnet (8) comprises a respective flexible connection cable (18), which is directly integrated into the respective winding (17) to electrically connect the winding ( 17) itself to the control unit (11).