BRPI0707024A2 - dispositivo para o controle do movimento de uma válvula , em particular de uma válvula de admissão , de um motor de combustão interna - Google Patents

Abstract

Dispositivo para o controle do movimento de uma válvula, em particular de uma válvula de admissão, de um motor de combustão interna. O dispositivo de controle da presente invenção compreende um eletro-imã (3) adaptado, quando energizado, para reter a válvula (1) na posição fechada retraida, uma primeira mola (7) associada com a válvula (1) e com a tendência de forçá-la em direção à posição aberta, e uma segunda mola (8) também associada com a válvula (1) e com a tendência de opor sua transição para a posição aberta. A disposição é tal que quando o eletro-imã (3) é desenergizado, a válvula (1) se move em aceleração em direção á posição aberta sob a ação da primeira mola (7) até que a ação dessa mola pare, e então a válvula (1) se move em desaceleração para a posição aberta sob a ação da segunda mola (8).

Description

Dispositivo para o controle do movimento de uma válvula, em particular de umaválvula de admissão, de um motor de combustão interna.

A presente invenção refere-se a um dispositivo para ocontrole do movimento de uma válvula, em particular de uma válvula de admissão, de ummotor de combustão interna

A invenção refere-se mais particularmente a um dispositivopara o controle do movimento de uma válvula compreendendo uma haste a qual estáadaptada para se mover em translação através de uma abertura de um corpo de guia ocoe a qual termina em uma cabeça em forma de um cogumelo cooperando, em operação,com um assento de válvula provido em uma parede da cabeça do motor, onde a válvulaestá adaptada para se mover em translação com relação ao corpo de guia oco entre umaposição retraída e uma posição avançada na qual a cabeça em forma de um cogumelorespectivamente fecha e abre o assento de válvula associado.

O objetivo da presente invenção é o de prover umdispositivo de controle o qual torna possível conseguir uma duração substancialmenteconsõtante do período de abertura efetiva da válvula independentemente da velocidadede rotação (r p m ) do motor.

Na prática, uma duração constante do período de aberturada válvula de admissão torna possível atingir diferentes valores de carga atuando-sesobre a distribuição de fases deste período. Quando este período monta o centro mortode fundo, onde a sub-pressão na câmara de combustão atinge um máximo, são obtidasas condições de carga plena. Entretanto, quanto maior o período de abertura da válvula,apropriadamente retardada, está parcialmente na fase de compressão, mais condiçõesde carga parcial são conseguidas. A abertura da válvula de admissão no centro morto defundo produz o assim chamado fenômeno de "martelo" o qual torna possível atingirvalores de alta eficiência volumétrica ( o efeito de super-carga ), provida que tenha sido aduração da abertura da válvula tal que seu fechamento seja garantido antes que ocorramas condições de refluxo.

Este e outros objetivos são atingidos pela invenção a qualse refere a um dispositivo de controle do tipo acima descrito, caracterizando-se pelo fatode compreender:

- um eletro-imã estacionário adaptado, quando energizado, para reter a válvula naposição fechada retraída;

- primeiros meios resilientes associados com a válvula e com a tendência de forçar aválvula em direção á posição aberta; e

- segundos meios resilientes associados com a válvula e com a tendência de opor suatransição à posição aberta;

a disposição sendo tal que quando o eletro-imã é des-energizado, a válvula se move comaceleração em direção à posição aberta sob a ação dos primeiros meios resilientes atéque a ação destes meios pare, e então a válvula se move com desaceleração para dentroda posição aberta sob a ação dos segundos meios resilientes.

De acordo com mais um aspecto característico, quando, emum dispositivo de controle da invenção, o eletro-imã é des-energizado, a cabeça emforma de um cogumelo, iniciando desde a posição fechada retraída, pode, sob a açãodos primeiros meios resilientes, mover em translação, substancialmente em uma maneirajusta, ou com uma folga limitada, dentro de um recesso da parede da cabeça do motorque fica de face para a câmara de combustão até que a ação exercida sobre a válvulapelos primeiros meios resilientes cesse; a disposição é então tal que quando o motor estádesligado a válvula é retida pelos primeiros e segundos meios resilientes em umaposição de equilíbrio na qual a cabeça em forma de um cogumelo não fica protuberantedeste recesso, para dentro da câmara de combustão, e está, preferentemente, dispostasubstancialmente rasante com esta parede.

Como será explicado abaixo, em maior detalhe, o dispositivode controle da invenção pode, junto com a própria válvula, ser formado como umaunidade fechada completa a qual pode ser inserida em um correspondente assentoprovido na cabeça do motor.

Outros aspectos característicos, e vantagens, da invençãosão revelados na descrição detalhada seguinte, dada puramente como um exemplo nãoIimitativo e feita com referência nos desenhos anexos, nos quais:

-a Figura 1 é uma vista diagramática em secção de uma válvula de admissão de ummotor de combustão interna associada com um dispositivo de controle da presenteinvenção, a válvula estando na posição fechada retraída;

-a Figura 2 é uma vista em secção similar àquela da fig. 1, mostrando a válvula e odispositivo de controle associado da invenção em uma condição de equilíbrio;

-a Figura 3 é uma vista em secção similar àquelas das Figuras precedentes, mostrandoa válvula na posição aberta;

-a Figura 4 é um diagrama cartesiano mostrando, como um função do tempo mostradona abscissa, a curva do levantamento de uma válvula associada com um dispositivo parao controle de movimento da presente invenção.

Nas fig. de 1 a 3 dos desenhos anexos, uma válvula de ummotor de combustão interna, ém particular uma válvula de admissão, é mostrada noglobal com o numerai de referência (1).

De uma maneira conhecida, a válvula (1) compreende umahaste (1a) a qual termina em uma extremidade com uma cabeça (1b) em forma de umcogumelo.

A haste (1a) da válvula (1) é montada para se mover emtranslação através de uma abertura (2a) em uma parede (2b) de extremidade de umsuporte oco e alojamento do tipo de uma guia mostrado no global com o numerai dereferência (2).

Sobre o lado oposto à parede (2b), um eletro-imã mostradono global com o numerai de referência (3) é alojado no alojamento (2). Na configuraçãomostrada, este eletro-imã compreende um circuito (4) magnético em forma de panelatendo uma projeção central ou expansão polar (4a) circundado por uma jaqueta (4b)substancialmente cilíndrica. O enrolamento (5) de excitação deste eletro-imã é dispostosobre a projeção (4a) dentro da jaqueta (4b). A extremidade (1a) da haste oposta àcabeça (1b) em forma de um cogumelo apóia um guardião (6) de material ferro-magnético que fica de face à porção central (4a) do circuito (4) magnético do eletro-imã(3).

Duas molas espirais, mostradas respectivamente pelosnumerais (7) e (8), são dispostas sobre a haste (1a) da válvula (1) no suporte e corpo dotipo de uma guia ou alojamento (2).

A mola superior (7) se estende entre o eletro-imã (3) e umprato (9) rígido com uma porção intermediária da haste (1a) da válvula.

A mola inferior (8) se estende entre o prato (9) e a parede deextremidade (2b) inferior do suporte e alojamento (2) do tipo de uma guia.

O conjunto formado pela válvula (1), pelo suporte ealojamento (2) do tipo de uma guia e pelos outros componentes descritos acima formasubstancialmente um tipo de "cartucho" independente, o qual pode assim ser pré-montado e prontamente montado em um correspondente assento (10) provido na cabeçado motor de combustão, este assento intersectando a porção de extremidade do duto deadmissão (11) com o qual a válvula (1) está associada.

A cabeça (1b) em forma de um cogumelo da válvula (1)coopera com um assento (12) de válvula provido na parede (13) da cabeça do motor decombustão interna.

Em operação, na maneira descrita abaixo, a válvula (1) podese mover em translação entre uma posição retraída (fig. 1 ) na qual a cabeça (1b) emforma de um cogumelo fecha o assento (12) de válvula e uma posição avançada (fig. 3 )na qual a cabeça (1b) em forma de um cogumelo fica protuberante para dentro dacâmara de combustão (14), provendo a abertura máxima.

Um recesso (15) adjacente ao assento (12) de válvula éprovido sobre o lado da parede (13) de face à câmara (14). A cabeça (1b) em forma deum cogumelo da válvula pode deslizar de modo muito justo ou com uma folga limitadaneste recesso.

Quando o enrolamento (5) é energizado, o eletro-imã (3)atrai o guardião (6) ferro-magnético e retém a válvula (1) na posição retraída fechada dafig. 1. Nesta condição, a mola superior (7), cuja constante elástica será mostrada abaixocomo ( K! ), é comprimida entre o prato (9) e o eletro-imã (3). A mola inferior (8), cujaconstante elástica será mostrada abaixo como ( K2), é, entretanto, descarregada.

Quando o enrolamento (5) do eletro-imã (3) é des-energizado, a válvula (1) não é mais retida eletro-magneticamente na posição retraídafechada, e sob a ação exercida sobre ela pela mola superior (7) ela se move na direçãopara baixo com um movimento de aceleração até que atinge uma posição de equilíbriomostrada na fig. 2; nesta condição, ambas as molas (7) e (8) são substancialmentedescarregadas e se equilibram uma com a outra e a válvula (1) é mantida em umaposição na qual a cabeça (1b) em forma de um cogumelo se estende novamente dentrodo recesso (15) sem se projetar para dentro da câmara de combustão (14),preferentemente com sua superfície de extremidade inferior substancialmente rasantecom a superfície inferior ou face da parede (13). Na fig. 1, o curso da válvula (1) entre aposição retraída fechada e a posição de equilíbrio mostrada na fig. 2 tem uma extensão (L 2 )· Esta extensão (. L 2 ) é substancialmente igual à extensão de pré-compressão damola (7) com a válvula (1) fechada.

Como resultado da presença do recesso (15) com extensão( L2), o diferencial de pressão entre o duto de admissão (11) e a câmara de combustão(14), no momento no qual é desejado que a válvula se abra, ajuda a imprimir umaquantidade de movimento a esta válvula (1). Similarmente, durante a fase de ainda maiorfechamento da válvula, quando o pistão associado do motor à combustão está subindonovamente, o diferencial de pressão ( desta vez com sinal oposto ) tende a forçar acabeça (1b) em forma de um cogumelo da válvula (1) para dentro do recesso (15),promovendo o fechamento da válvula.

Na prática, o trabalho mecânico executado como resultadodos diferenciais de pressão acima é útil na compensação da energia dissipada comoresultado das forças de atrito.

Uma equação do movimento da válvula (1) durante a fasede abertura será agora descrita.

Quando o eletro-imã (3) é des-energizado, a válvula (1) ésubmetida aos esforços concorrentes exercidos pela mola superior (7) e pela pressão doar no duto e admissão (11).

Usando um eixo de coordenada χ orientado na direção parabaixo [ na fig. 1, onde χ = 0 corresponde à posição fechada da válvula (1) ], a força F air aqual o diferencial de pressão Δ ρ entre o duto de admissão (11) e a câmara decombustão (14) se exerce sobre o cogumelo (1b) da válvula pode ser expressa comouma função do curso χ pela relação:Fair(X) = Δ ρ (χ) χ Sonde S é a superfície exposta da válvula.

Para simplicidade, e como uma aproximação grosseira, asseguintes suposições podem ser feitas considerando-se o diferencial de pressão Δ ρ (χ):*. . .durante a fase de abertura da válvula, tanto quanto a válvula é mantida fechadaenquanto está se movendo no recesso (15), pode se assumir que o diferencial depressão-positivo, ou seja, com uma sub-pressão na câmara (14)-é:

Δ ρ (χ) = po, onde χ < L2 e d x/d t> 0*. . .durante a fase de abertura real (x > L2), se assume que Δρ(χ)έ zero :Δ ρ (χ) = 0, onde χ > L2;

* . .durante a fase de fechamento da válvula, quando a válvula retorna ao recesso (15),se assume que o diferencial de pressão é invertido :

Δ ρ (χ) =-p o , onde χ < L2 e d x/d t < 0 ;As forças das molas (7) e (8) então atuam sobre a válvula (1);Mola superior: esta mola exerce a força

F 1 (X)=Ku (L2-X) e F 2 (x) = 0 , onde χ < L2Mola inferior: esta mola exerce a força

F 2 (x) = Oe F 2(x) = K 2- (L2-X), onde χ > L2

Finalmente, as forças de atrito entre a haste (1a) da válvulae a guia de abertura (2a), e, entre o prato e a parede circundante do suporte e a guia dealojamento (2), também tomam parte. Em relação a estas forças de atrito, pode serassumido que elas podem ser descritas por um termo constante, de sinal oposto àqueleda velocidade da válvula, como resultado da pressão dos membros de selagem-presentes, mas não mostrados nos desenhos-e por um termo proporcional ao módulo davelocidade de abertura da válvula (1):

Ff =-[(a/[ d x/d t ])+ b] χ dx/dtna qual a e b são coeficientes de amortecimento.

Isto fornece a seguinte equação do movimento:m χ Q. = Δ ρ (χ) χ S + F ή (x) + F 2 (x)-{[{a/[d x/d f\) + b]x d x/d t} + m χ gonde Q = d2 x/d t2

Com base na equação do movimento dada acima, épossível calcular os valores de alguns parâmetros do dispositivo para o controle demovimento da válvula.

Vamos assumir, por exemplo, que seja desejado conseguirum tempo global de abertura real da válvula - ou seja, o tempo durante o qual o cogumelo(1b) está disposto externamente ao recesso (15) - de entre 5 e 6 ms

Os valores que seguem são os assumidos para a área e amassa da válvula (1);<formula>formula see original document page 7</formula>

Valores razoáveis para os coeficientes de amortecimentosão, por exemplo, como os que seguem:<formula>formula see original document page 7</formula>

Com base nos dados numéricos acima, um tempo deabertura real da ordem de 5 a 6 ms é obtido com os seguintes valores dos parâmetros L2,KieK2:

<formula>formula see original document page 7</formula>

Para se evitar a dita "batida" na fase de fechamento daválvula, que ocorre quando o trabalho devido ao diferencial de pressão excede a energiaperdida por atrito, pode ser vantajoso prover um freio pneumático na última pare do cursode fechamento da válvula (1), entre o guardião (6) magnético e o eletro-imã (3). Comessa finalidade, uma provisão pode ser feita para o movimento do guardião (6) paraacontecer substancialmente em uma maneira muito justa em relação às expansõespolares do circuito (4) magnético.

Com base nos dados numéricos fornecidos acima, o perfildo levantamento da válvula (1) como uma unção do valor assumido para ρ o-diferencialde pressão na fase de movimento da cabeça (1b) em forma de um cogumelo dentro dorecesso (15)-é mostrado na fig. 4.

Como pode ser visto nesta figura, o levantamento máximoda válvula é igual a 12 mm com um tempo de abertura real de 5 ms.

Os valores da força de retenção a qual o eletro-imã (3) temque exercer para os três valores de ρ o aos quais os gráficos da fig. 4 se referem são osseguintes:

<formula>formula see original document page 7</formula>

Caso a força magnética exercida sobre o guardião (6) sejadescrita pela expressão F = s. B 2/( 2 μ 0) e caso seja assumido que s = 3 cm2 ( área daseção da porção (4a) do circuito (4) magnético do eletro-imã ), é obtido o seguinte valorpara a indução magnética B:

<formula>formula see original document page 7</formula>

Em operação, o dispositivo de controle da válvula é iniciadoquando a primeira compressão ocorre no cilindro associado do motor: a pressão nacâmara de combustão (14) provoca o fechamento completo da válvula (1) até que oguardião (6) seja "guinchado" pelo eletro-imã (3) energizado.

Associando os respectivos dispositivos, para controlar omovimento, da presente invenção com as válvulas de admissão de um motor decombustão interna torna possível se conseguir a abertura destas válvulas em um tempofixado, independente do número de rotações por unidade de tempo do motor.

As válvulas de exaustão podem ser tradicionalmentecontroladas, por exemplo, por um eixo de câmes, ou por dispositivos para o controle demovimento, associados, do tipo acima descrito, obviamente acionados com umacomposição de fases diferente.

Sem prejuízo ao princípio da invenção, suas configurações edetalhes podem obviamente ser grandemente variados com relação àquilo que foidescrito e mostrado puramente como exemplo não limitativo, sem, por isso, fugir-se doescopo da invenção como firmada nas reivindicações anexas.

Claims (8)

1. Dispositivo para o controle do movimento de uma válvula(1), em particular de uma válvula de admissão (1) de um motor de combustão interna,compreendendo uma haste (1a) adaptada para se mover em translação através de umaabertura (2a) de um corpo de guia oco (2) e a qual termina em uma cabeça (1b) emforma de um cogumelo cooperando em operação com um assento (12) de válvula providoem uma parede (13) da cabeça do motor, onde a válvula (1) está adaptada para semover em translação com relação ao corpo de guia oco (2) entre uma posição retraída euma posição avançada na qual a cabeça (1b) em forma de um cogumelorespectivamente fecha e abre o assento (12) de válvula associado, o dispositivo decontrole sendo caracterizado pelo fato de compreender:-um eletro-imã (3) adaptado, quando energizado, para reter a válvula (1) na posiçãofechada retraída,-primeiros meios resilientes (7) associados com a válvula (1) e com a tendência de forçá-la em direção à posição aberta, e-segundos meios resilientes (8) também associados com a válvula (1) e com a tendênciade opor sua transição para a posição aberta,a disposição sendo tal que, quando o eletro-imã (3) é des-energizado, a válvula (1) semove em aceleração em direção à posição aberta sob a ação dos primeiros meiosresilientes (7) até que a ação desses primeiros meios resilientes cesse, e então a válvula(1) se move em desaceleração para a posição aberta sob a ação dos segundos meiosresilientes (8).

2.Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de, quando o eletro-imã (3) é des-energizado, a cabeça (1b) emforma de um cogumelo, iniciando na posição fechada retraída, pode, sob a ação dosprimeiros meios resilientes (7), se mover em translação, substancialmente de umamaneira firme, ou com uma folga limitada, dentro de um recesso (15) da parede (13) dacabeça do motor que fica de face à câmara de combustão (14) com a qual a válvula estáassociada, até que a ação exercida sobre a válvula (1) pelos primeiros meios resilientes(7) cesse, a disposição sendo tal que quando o motor está desligado a válvula (1) estáretida pelos primeiros e segundos meios resilientes (7, 8) em uma posição de equilíbriona qual a cabeça (1b) em forma de um cogumelo não fica protuberante a partir desterecesso (15) para dentro da câmara de combustão (14) e é preferentemente dispostasubstancialmente rasante com esta parede (13).

3. Dispositivo, de acordo com uma das reivindicações 1 ou-2, caracterizado pelo fato dos primeiros e segundos meios resilientes (7, 8)compreenderem uma primeira e uma segunda molas (7, 8) helicoidais respectivasdispostas na haste (1a) da válvula (1) no corpo de guia oco (2) e atuando sobre ladosopostos sobre uma formação (9) que se projeta transversalmente da haste (1a) daválvula (1).

4. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de um guardião (6) ferro-magnéticocooperando com o eletro-imã (3) estar conectado à extremidade da haste (1a) da válvula(1) oposta à cabeça (1b) em forma de um cogumelo.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato do eletro-imã (3) compreender um circuito (4) magnético emforma de panela tendo uma projeção central, ou expansão (4a), de face para o guardião(6) e sobre o qual está disposto um enrolamento (5) de excitação.

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 4 ou 5,caracterizado pelo fato do guardião (6) poder deslizar de uma maneira substancialmentejusta (sem folgas) dentro de uma passagem definida no circuito (4) magnético do eletro-imã (3).

7.

Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato do corpo de guia (2) formar umalojamento no qual o eletro-imã (3), a válvula (1) e os primeiro e segundo meiosresilientes (7, 8) estão pré-montados para formar uma única unidade global ou cartuchopré-montado.