ES2281479T3 - Motor de varios cilindros con accionamiento de valvulas variable, y dispositivo de frenado de valvula mejorado para el mismo. - Google Patents

Abstract

Motor de combustión interna de varios cilindros, que comprende: - por lo menos una válvula de admisión (7) y por lo menos una válvula de escape (27) para cada cilindro, estando provista cada válvula de unos respectivos medios de retorno elásticos (9), que empujan la válvula (7) hacia una posición cerrada para controlar los respectivos tubos de admisión (4, 5) y de escape (6); y - por lo menos un árbol de levas (11), para accionar las válvulas de admisión (7) y las válvulas de escape de los cilindros del motor por medio de unos respectivos balancines; - en el que cada válvula de admisión (7) se regula por medio del respectivo balancín (16) contra la acción de los medios de retorno elásticos (9) anteriormente mencionados mediante la interposición de unos medios hidráulicos que incluyen una cámara hidráulica a presión (C); - estando diseñada dicha cámara hidráulica a presión (C) para ser conectada por medio de una válvula de solenoide (24) a un canal de escape (23) con el fin de desacoplar laválvula (7) del respectivo balancín (15, 16) y realizar un cierre rápido de la válvula (7) como resultado de los respectivos medios de retorno elásticos (9).

Description

Motor de varios cilindros con accionamiento de válvulas variable, y dispositivo de frenado de válvula mejorado para el mismo.

La presente invención se refiere a motores de combustión interna de varios cilindros del tipo que comprende:

- por lo menos una válvula de admisión y por lo menos una válvula de escape para cada cilindro, estando provista cada válvula de unos respectivos medios de retorno, que empujan la válvula hacia una posición cerrada para controlar los respectivos tubos de admisión y de escape; y

- por lo menos un árbol de levas, para accionar las válvulas de admisión y de escape de los cilindros del motor por medio de unos respectivos balancines;

- en los que cada válvula de admisión se regula por medio del respectivo balancín contra la acción de los medios de retorno elásticos anteriormente mencionados mediante la interposición de unos medios hidráulicos que incluyen una cámara hidráulica a presión;

- estando diseñada dicha cámara hidráulica a presión para estar conectada por medio de una válvula de solenoide a un canal de escape con el fin de desacoplar la válvula del respectivo balancín y realizar un cierre rápido de la válvula en virtud de los respectivos medios de retorno elásticos;

- unos medios de control electrónicos para regular cada válvula de solenoide para variar el tiempo y la carrera de apertura de la respectiva válvula de admisión según uno o más parámetros de funcionamiento del motor;

- en los que asociado con cada válvula de admisión o de escape está dispuesto un pistón de mando montado de manera que puede deslizarse en un casquillo de guiado;

- en los que cada pistón de mando se enfrenta a una cámara con volumen variable que comunica con la cámara hidráulica a presión tanto mediante unos primeros medios de comunicación regulados por una válvula de retención, que permiten únicamente el paso de fluido de la cámara hidráulica a presión a la cámara de volumen variable, y por medio de unos segundos medios de comunicación, que permiten el paso de fluido entre las dos cámaras en ambas direcciones;

- comprendiendo dicho dispositivo además unos medios de frenado hidráulicos diseñados para provocar una restricción de dichos segundos medios de comunicación en la fase final de cierre de la válvula del motor.

Un motor del tipo determinado anteriormente se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente europea
EP-A-0 803 642 a nombre del mismo solicitante. También, el documento EP 0939 205 describe un motor de este tipo.

El objetivo de la presente invención consiste en mejorar más el dispositivo anteriormente descrito.

A la vista de alcanzar el objetivo mencionado, el objeto de la presente invención es un motor de varios cilindros que presenta todas las características anteriormente mencionadas y que comprende además las características que forman el objeto de la parte caracterizadora de la reivindicación adjunta 1.

En las reivindicaciones subordinadas se especifican otras características y ventajas de la invención.

A continuación se describirá la presente invención, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, que se proporcionan únicamente a título de ejemplo no limitativo, en los que:

- La figura 1 es una vista en sección transversal de un motor según la técnica conocida, del tipo descrito en la solicitud de patente europea EP-A-0 803 642 a nombre del presente solicitante;

- la figura 2 es una vista en sección transversal a una escala ampliada del balancín de una válvula de admisión de un motor según la presente invención;

- la figura 3 es una vista en perspectiva de un detalle de la figura 2; y

- las figuras 4 y 5 son una vista en sección transversal esquemática y una vista en perspectiva parcial de una variante del detalle de la figura 3.

Haciendo referencia a la figura 1, el motor de combustión interna descrito en la solicitud de patente europea anteriormente mencionada EP-A-0 803 642 a nombre del presente solicitante es un motor de varios cilindros, por ejemplo, un motor de cuatro cilindros en línea que comprende una culata 1. Dicha culata 1 comprende, para cada cilindro, una cavidad 2 formada en la superficie de base 3 de la culata 1, que determina la cámara de combustión, y en la que salen dos tubos de admisión 4, 5 y dos tubos de escape 6. La comunicación de los tubos de admisión 4, 5 con la cámara de combustión 2 se regula mediante dos válvulas de admisión 7 del tipo tradicional de varilla o asiento cónico, comprendiendo cada una de ellas un vástago 8 montado de manera que puede deslizarse en el cuerpo de la culata 1. Se hace que cada válvula 7 vuelva a la posición de cierre mediante unos muelles 9 dispuestos entre una superficie interior de la culata 1 y una copa o celda extrema 10 de la válvula. La apertura de la válvula de admisión 7 se regula de la manera que se describe a continuación, mediante un árbol de levas 11, que está montado de manera que pueda girar alrededor de un eje 12 dentro de unos soportes de la culata 1 y que comprende una pluralidad de levas 14 para el accionamiento de las válvulas.

Cada leva 14 para regular una válvula de admisión 7 coopera con la copa 15 de un balancín 16 montado de manera que puede deslizarse a lo largo de un eje 17, que, en el caso del ejemplo ilustrado en el documento anteriormente mencionado, se montó en una dirección sustancialmente a 90º con respecto al eje de la válvula 7. El balancín 16 está montado de manera que puede deslizarse dentro de un casquillo 18 soportado por un cuerpo 19 de una unidad montada previamente 20, que incorpora todos los dispositivos eléctricos e hidráulicos asociados con el funcionamiento de las válvulas de admisión, según la exposición que se describe en detalle a continuación. La varilla 16 puede transmitir un empuje al vástago 8 de la válvula 7 para producir la apertura de esta última contra la acción de los medios elásticos 9 por medio de fluidos a presión (generalmente aceite que proviene del circuito de lubricación del motor), que está presente en una cámara C, y un pistón 21 montado de manera que puede deslizarse en un cuerpo cilíndrico que consiste en un casquillo 22, que también está soportado por el cuerpo 19 del subconjunto 20. De nuevo en la solución conocida ilustrada en la figura 1, la cámara hidráulica a presión C, asociada con cada válvula de admisión 7, puede disponerse en comunicación con un canal de salida 23 por medio de una válvula de solenoide 24. Dicha válvula de solenoide 24, que puede ser de cualquier tipo conocido adecuado para la función ilustrada en la presente memoria, se regula mediante unos medios de control electrónicos, designados en conjunto mediante el número de referencia 25, según las señales S que indican parámetros de funcionamiento del motor, tales como la posición del acelerador y las revoluciones por minuto del motor. Cuando la válvula de solenoide 24 se abre, la cámara C entra en comunicación con el canal 23, de manera que el fluido a presión presente en la cámara C circula hacia el canal 23 y se obtiene un desacoplamiento del balancín 16 de la respectiva válvula de admisión 7, que vuelve rápidamente a su posición de cierre bajo la acción del muelle de retorno 9. Regulando la comunicación entre la cámara C y el canal de salida 23, es posible, por lo tanto, variar el tiempo y la carrera de apertura de cada válvula de admisión 7 según se desee.

Los canales de salida 23 de las diversas válvulas de solenoide 24 distribuyen todos en uno y mismo canal longitudinal 26, que comunica con cuatro acumuladores de presión 27, pudiéndose apreciar únicamente uno de ellos en la figura 1. Todos los balancines 16 con los casquillos asociados 18, los pistones 21 con los casquillos asociados 22, las válvulas de solenoide 24 y los correspondientes canales 23, 26 están soportados y se extienden por el cuerpo anteriormente mencionado 19 de la unidad montada previamente 20, con la ventaja de la rapidez y facilidad de montaje del motor.

Las válvulas de escape 27 asociadas con cada cilindro se regulan, en la forma de realización ilustrada en la figura 1, de manera tradicional, mediante un árbol de levas 28 por medio de unos respectivos balancines 29, aunque, en principio, no se descarta, tanto en el caso del documento mencionado anteriormente como en el caso de la presente invención, una aplicación del sistema para un accionamiento variable de las válvulas también bajo control de las válvulas de escape.

Una vez más haciendo referencia a la figura 1, la cámara de volumen variable determinada en el interior del casquillo 22 del pistón 21, que, en el caso de la figura 1, se ilustra en su estado de mínimo volumen, estando el pistón 21 en su posición de fin de carrera superior, comunica con la cámara hidráulica a presión C por medio de una abertura 30 realizada en una pared extrema del casquillo 22. A dicha abertura 30 se acopla una punta extrema 31 del pistón 21, para proporcionar un frenado hidráulico del movimiento de la válvula 7 durante el cierre, cuando la válvula 7 está próxima a la posición cerrada, en la medida en que el aceite presente en la cámara de volumen variable es forzado a circular hacia la cámara hidráulica a presión C pasando por el huelgo existente entre la punta extrema 31 y la pared de la abertura 30 acoplada de este modo. Además de la comunicación constituida por la abertura 30, la cámara hidráulica a presión C y la cámara de volumen variable del pistón 21 comunican entre sí a través de unos pasos interiores realizados en el cuerpo del pistón 21 y controlados por una válvula sin retorno 32, que permite únicamente el paso de fluido de la cámara hidráulica a presión C a la cámara de volumen variable del pistón.

Durante el funcionamiento normal del motor conocido ilustrado en la figura 1, cuando la válvula de solenoide 24 cierra la comunicación entre la cámara hidráulica a presión C y el canal de escape 23, el aceite presente en dicha cámara transmite el movimiento del balancín 16 impartido por la leva 14 al pistón 21, que regula la apertura de la válvula 7. En la fase inicial del movimiento de apertura de la válvula, el fluido que proviene de la cámara C alcanza la cámara de volumen variable del pistón 21, pasando por un orificio axial realizado en el resalte 30, la válvula de retención 32 y otros pasos que determinan la cavidad interior del pistón 21, que presenta una conformación tubular, en comunicación con la cámara de volumen variable. Tras un primer desplazamiento del pistón 21, la punta 31 sale de la abertura 30, de manera que el fluido que proviene de la cámara C puede pasar directamente a la cámara de volumen variable por la abertura 30, que está ahora libre. En el movimiento inverso de cierre de la válvula, tal como ya se ha mencionado, durante la fase final, la punta 31 entra en la abertura 30, produciendo el frenado hidráulico de la válvula, para prevenir cualquier impacto del cuerpo de la válvula contra su asiento.

La figura 2 ilustra cómo puede modificarse el dispositivo descrito según una posible forma de realización de la presente invención.

En la figura 2, las piezas en común con las de la figura 1 se designan utilizando los mismos números de referencia.

Una primera diferencia evidente del dispositivo ilustrado en la figura 2, en comparación con el que se ilustra en la figura 1, radica en el hecho de que, en el caso de la figura 2, el balancín 16, el pistón 21, y el vástago 8 de la válvula están alineados entre sí según un eje 40. Esta diferencia en ningún caso cae dentro del alcance de la invención puesto que ya es conocida en la técnica anterior. Asimismo, la invención se aplicaría también en el caso en que los ejes del balancín 16 y del vástago 8 formaran un ángulo entre sí.

Como en el caso de la solución conocida, el balancín 16, con la correspondiente copa 15 que coopera con la leva del árbol de levas 11 está montado de manera que puede deslizarse en un casquillo 18. En el caso de la figura 2, el casquillo 18 se enrosca dentro de un asiento cilíndrico roscado 18a realizado en el cuerpo de metal 19 de la unidad montada previamente 20. Entre la pared inferior del casquillo 18 y la pared inferior del asiento 18a se dispone una junta tórica 18b. Un muelle 18c lleva la copa 15 a entrar en contacto con la leva del árbol de levas 11.

Tal como en el caso de la figura 1, también en el caso de la figura 2 el pistón 21 está montado de manera que puede deslizarse en un casquillo 22, que se recibe en una cavidad cilíndrica 57 realizada en el cuerpo de metal 19, con interposición de unas juntas tóricas. El casquillo 22 se retiene en el estado montado mediante una tuerca redonda roscada 33, que se enrosca en una parte extrema roscada de la cavidad 57 y que presiona una brida anular 34 del cuerpo del pistón 22 contra una superficie de oposición 35 de la cavidad 57. Entre la tuerca redonda de cierre 33 y la brida 34 está dispuesta una arandela Belleville 36 con el objeto de garantizar una carga axial controlada que compensará cualquier expansión térmica diferencial entre los distintos materiales que componen el cuerpo 19 del casquillo 22.

La principal diferencia entre la solución ilustrada en la figura 2 y la solución conocida de la figura 1 radica en el hecho de que, en este caso, la válvula de retorno 32, que permite el paso del fluido bajo presión desde la cámara C a la cámara del pistón 21 no está soportada por el pistón 21 sino por un elemento independiente 37 que es fijo con respecto al cuerpo 19 y cierra, en la parte superior, la cavidad del casquillo 22, dentro del cual está montado de manera que puede deslizarse el pistón 21. Además, el pistón 21 no presenta la complicada conformación de la figura 1, con la punta extrema 31, sino que presenta la forma de un elemento cilíndrico sencillo conformado como una copa, con una pared inferior enfrentada a la cámara de volumen variable que recibe fluido bajo presión de la cámara C por medio de la válvula de retención 32.

El elemento 37 se representa mediante una placa anular que se fija en su posición, entre una superficie de oposición del cuerpo 19 y la superficie extrema del casquillo 22, tras el apriete de la tuerca redonda de cierre 33. La placa anular presenta un resalte central cilíndrico que actúa como una envoltura para la válvula de retención 32 y que presenta un orificio central para el paso del fluido. También en el caso de la figura 2, la cámara C y la cámara de volumen variable delimitada por el pistón 21 comunican entre sí, aparte de mediante la válvula de retención 32, también por medio de otro paso que consiste en una cavidad lateral 38 realizada en el cuerpo 19, una cavidad periférica 39 determinada por una zona aplanada 40 (véase la figura 3) de la superficie exterior del casquillo 22 así como mediante una abertura 41 de mayores dimensiones y mediante un orificio 42 de menores dimensiones (véase la figura 3), que están realizados radialmente en la pared del casquillo 22. Los orificios 41, 42 están formados y dispuestos uno con respecto al otro para proporcionar el funcionamiento con freno hidráulico en la fase final del cierre de la válvula, en la medida en que, cuando el pistón 21 ha obstruido la abertura 41, el orificio 42, que cierra un hueco extremo periférico determinado por una ranura circunferencial extrema del pistón 21 queda libre. Con el fin de garantizar que las aberturas 41, 42 cierren el paso fijo 38 correctamente, el casquillo 34 debe montarse en una posición angular precisa, que se garantiza mediante un pasador axial 44. Se prefiere esta solución en comparación a la disposición de un hueco circunferencial en la superficie exterior del casquillo 22, en que esta última implicaría un aumento en los volúmenes de aceite implicados, con los consiguientes inconvenientes en términos de funcionamiento. Se prevé entonces un orificio calibrado 320 en el elemento 37, que pone en comunicación la cámara anular, determinada por el hueco 43, con la cámara C. Dicho orificio 320 garantiza un funcionamiento correcto a baja temperatura, cuando el fluido (aceite lubricante del motor) es muy viscoso.

En funcionamiento, cuando debe abrirse la válvula, el aceite bajo presión, empujado por el balancín 16, circula de la cámara C a la cámara del pistón 21, a modo de la válvula de retención 32. Tan pronto como el pistón 21 se ha separado de su posición de fin de carrera superior, el aceite puede circular entonces directamente a la cámara de volumen variable por el paso 38 y las aberturas 41, 42 evitando la válvula de retención 32. En el desplazamiento de retorno, cuando la válvula está próxima a su posición cerrada, el pistón 21 cierra en primer lugar la abertura 41 y a continuación la abertura 42, produciendo así el frenado hidráulico. También se prevé un orificio calibrado en la pared del elemento 37 para reducir el efecto de frenado a bajas temperaturas cuando la viscosidad del aceite conduciría a un retardo del movimiento de la válvula.

Tal como puede apreciarse, la diferencia principal en comparación con la solución conocida ilustrada en la figura 1 radica en el hecho de que las operaciones de fabricación del pistón 21 son más sencillas puesto que el pistón 21 presenta una conformación mucho menos complicada que la prevista en la técnica conocida. La solución según la invención también permite una reducción del volumen de aceite en la cámara asociada al pistón 21, que hace posible obtener un movimiento regular de cierre de la válvula, sin ningún rebote hidráulico, una reducción en el tiempo requerido para el cierre, un funcionamiento regular del balancín hidráulico sin ningún bombeo, una reducción en la fuerza en forma de impulso en los muelles de las válvulas de motor, y una reducción del ruido hidráulico.

Otra característica de la invención radica en la predisposición de un balancín hidráulico 400 entre el pistón 21 y el vástago 8 de la válvula. Dicho balancín 400 comprende dos casquillos deslizables concéntricos 401, 402. El casquillo interior 402 determina, con la cavidad interior del pistón 21, una cámara 403, que se alimenta con fluido bajo presión por medio de unos pasos 405, 406 en el cuerpo 19, un orificio 407 en el casquillo 22, y unos pasos 408, 409 en el casquillo 402 y en el pistón 21.

Una válvula de retención 410 regula un orificio central en una pared frontal soportada por el casquillo 402.

Las figuras 4 y 5 ilustran una variante en la que se sustituyen las aberturas 41, 42, respectivamente, por una ranura circunferencial 41a y una ranura abocardada 42a. El perfil de la parte abocardada 42a está calculado para garantizar una aceleración constante en la fase de frenado hidráulico con el fin de minimizar tanto la carrera de frenado como la duración del mismo. De esta manera, se obtiene una variación en la zona de fuga del aceite que es proporcional a la velocidad del pistón 21. La figura 4 es una ilustración esquemática de la válvula de retención 32 y el orificio calibrado 320 para el frenado a baja temperatura.

Tal como puede apreciarse, la anchura W (véase la figura 4) de la abertura de fuga 42a varía progresivamente en la dirección h de su altura. Con el fin de garantizar el estado al que se hace referencia anteriormente de una aceleración constante, se obtiene la siguiente expresión de W:

W(h) = B x h^{1/2}

en la que B es una constante de frenado que depende de la zona A del pistón 21, la densidad del aceite, el coeficiente de circulación c de la zona de constricción, la masa en movimiento m, la carga F del muelle y la aceleración de frenado según la siguiente relación:

B = A (rA)^{1/2} / (2c(F/a+m)^{1/2})

Los estudios y experimentos realizados por el solicitante han demostrado que el perfil anteriormente mencionado para la abertura de constricción 42a permite eficazmente la minimización de la fuerza de frenado y la duración del frenado.

Desde luego, sin perjuicio del principio de la invención, los detalles de construcción y las formas de realización pueden variar ampliamente con respecto a la exposición que se ha descrito e ilustrado únicamente a título de ejemplo, sin apartarse por ello del alcance de la presente invención.

El paso 320, si lo hay, puede sustituirse por una ranura realizada radialmente en el elemento 37.

Claims (9)

1. Motor de combustión interna de varios cilindros, que comprende:

- por lo menos una válvula de admisión (7) y por lo menos una válvula de escape (27) para cada cilindro, estando provista cada válvula de unos respectivos medios de retorno elásticos (9), que empujan la válvula (7) hacia una posición cerrada para controlar los respectivos tubos de admisión (4, 5) y de escape (6); y

- por lo menos un árbol de levas (11), para accionar las válvulas de admisión (7) y las válvulas de escape de los cilindros del motor por medio de unos respectivos balancines;

- en el que cada válvula de admisión (7) se regula por medio del respectivo balancín (16) contra la acción de los medios de retorno elásticos (9) anteriormente mencionados mediante la interposición de unos medios hidráulicos que incluyen una cámara hidráulica a presión (C);

- estando diseñada dicha cámara hidráulica a presión (C) para ser conectada por medio de una válvula de solenoide (24) a un canal de escape (23) con el fin de desacoplar la válvula (7) del respectivo balancín (15, 16) y realizar un cierre rápido de la válvula (7) como resultado de los respectivos medios de retorno elásticos (9);

- unos medios de control electrónicos (25) para regular cada válvula de solenoide (24) para variar el tiempo y la carrera de apertura de la respectiva válvula de admisión (7) según uno o más parámetros de funcionamiento del motor;

- en el que asociado con cada válvula de admisión o de escape está dispuesto un pistón de mando (21) montado de manera que puede deslizarse en un casquillo de guiado (22);

- en el que dicho pistón de mando (21) está enfrentado a una cámara con volumen variable que comunica con la cámara hidráulica a presión (C) tanto mediante unos primeros medios de comunicación regulados por una válvula de retención (32), que permiten únicamente el paso de fluido de la cámara hidráulica a presión (C) a la cámara de volumen variable, y por medio de unos segundos medios de comunicación (41, 42, 39, 38), que permiten el paso de fluido entre las dos cámaras en ambas direcciones;

- comprendiendo dicho dispositivo además unos medios de frenado hidráulicos (21, 31) diseñados para provocar una restricción de dichos segundos medios de comunicación en la fase final de cierre de la válvula del motor;

caracterizado porque la válvula de retención (32) que regula dichos primeros medios de comunicación está soportada por un elemento (37) que está separado del pistón de mando (21) anteriormente mencionado y está fijado con respecto al casquillo de guiado (22) del pistón (21).

2. Motor según la reivindicación 1, caracterizado porque el pistón de mando (21) presenta una conformación acopada cilíndrica con una pared inferior enfrentada a dicha cámara de volumen variable y un hueco circunferencial (43), que determina una cámara anular.

3. Motor según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos segundos medios de comunicación presentan un paso (38) realizado en el cuerpo fijo del dispositivo y comunica con dicha cámara hidráulica a presión (C), y un paso (41, 42; 41a, 42a) realizado radialmente en dicho casquillo de guiado (22), que comunica con dicho paso (38) realizado en el cuerpo fijo.

4. Motor según la reivindicación 3, caracterizado porque dichos pasos radiales comprenden dos orificios (41, 42) de distinto diámetro, formados y dispuestos de tal forma que, en la fase final de cierre de la válvula, la única comunicación entre la cámara de volumen variable y la cámara hidráulica a presión (C) está constituida por el orificio (42) anteriormente mencionado de menor diámetro.

5. Motor según la reivindicación 3, caracterizado porque dichos pasos radiales adicionales comprenden una ranura circunferencial (41a) y una ranura abocardada (42a) realizadas en el cuerpo del casquillo (22) y diseñadas para ser cerradas en sucesión mediante el pistón de mando (21) en la fase final de cierre de la válvula.

6. Motor según la reivindicación 5, caracterizado porque la ranura (42a) anteriormente mencionada presenta una anchura que varía progresivamente en la dirección del eje del casquillo de guiado (22) según la ley W(h) = B x h^{1/2}, en la que W es la anchura, h es la dirección axial, y B es una constante que depende de un conjunto de parámetros.

7. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el casquillo de guiado (22) está fijado en una asiento cilíndrico, realizado en el cuerpo del cabezal, mediante una tuerca redonda roscada (33), con la interposición de una arandela Belleville (36) con el fin de compensar la distinta expansión térmica debido a los distintos materiales que componen el casquillo de guiado (22) y el cuerpo en el que se recibe dicho casquillo de guiado.

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8. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque entre dicho pistón de mando (21) y el vástago (8) de la válvula está previsto un balancín hidráulico (400).

9. Motor según la reivindicación 2, caracterizado porque la cámara anular determinada por el hueco periférico extremo (43) mencionado anteriormente del pistón de mando (21) comunica con la cámara hidráulica a presión (C) directamente por medio de un orificio calibrado (320) o una ranura radial en el cuerpo del casquillo (22) con el fin de garantizar un funcionamiento correcto del dispositivo también a bajas temperaturas cuando la viscosidad del fluido es relativamente alta.