ES2341315T3 - Accionador de valvulas de motores de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Accionador electromagnético de válvula de motor de combustión interna que comprende dos electroimanes que comprenden, cada uno, una bobina de alimentación (3a), una paleta magnética (8a) dispuesta entre los dos electroimanes, unida a un órgano de arrastre de la válvula en contra de la acción de al menos un muelle de almacenamiento de energía de conmutación de la citada válvula, un imán permanente (12a), cuya imantación se combina con el campo generado en el citado cuerpo por la bobina de alimentación (3a), que está interpuesto en el campo magnético (2a) de al menos un electroimán, caracterizado por que el cuerpo (2a) de cada electroimán comprende un brazo central (9a) y dos brazos laterales (10a, 11a), estando dispuesta la bobina de alimentación (3a) alrededor del brazo central y estando colocado el imán permanente (12a) en el citado brazo central del cuerpo (2a).
Description
Accionador de válvulas de motores de combustión
interna.
La presente invención es relativa a los
accionadores de válvulas de motores de combustión interna.
Un accionador de válvula del tipo antes citado
comprende generalmente dos electroimanes entre los cuales está
dispuesto un entrehierro.
En el entrehierro está montada una paleta
magnética unida a la válvula que hay que accionar, desplazable por
los electroimanes en contra de muelles de almacenamiento de
energía.
La disposición así constituida forma un
oscilador armónico en el cual el almacenamiento de la energía
necesaria para una conmutación rápida está asegurado por los
muelles y el cambio de posición es controlado con la ayuda de los
electroimanes.
Este sistema es simple en apariencia, pero
presenta limitaciones técnicas.
El control de la posición de la válvula está
asegurado por medio de dos bobinas de los electroimanes por
aplicación de corriente que genera un campo magnético que produce
una fuerza F.
En la fase de saturación, esta fuerza es
constante y no controlable por la corriente.
Fuera de la saturación, esta fuerza es
proporcional al cuadrado de la corriente inyectada en las bobinas e
inversamente proporcional al cuadrado del entrehierro.
Esta doble no linealidad hace muy difícil el
control de la válvula por los electroimanes.
En efecto, a gran distancia, es decir a una
distancia igual a 3 mm a 4 mm, la fuerza aplicada a la paleta es
muy pequeña, lo que disminuye el intervalo de utilización y plantea
un problema en lo que concierne a la inicialización del
accionador.
A distancia intermedia comprendida entre 1 mm y
3 mm, la fuerza es difícilmente controlable por la corriente en
razón de la dependencia cuadrática antes citada.
A pequeña distancia, por ejemplo cuando la
válvula se aproxima a su asiento, la fuerza aumenta muy rápidamente,
prácticamente sin control posible por la corriente. Se produce un
efecto de embalamiento responsable del ruido de impacto. Este
fenómeno es totalmente comparable al chasquido producido por el
electroimán de una puerta de armario.
La fuerza ejercida sobre la paleta es siempre
positiva en razón de su proporcionalidad al cuadrado de la corriente
del imán de las bobinas.
Por consiguiente, no se puede disminuir la
velocidad de la válvula si se constata una velocidad demasiado
elevada.
A este problema relativo a la fuerza, se añade
la presencia importante de corrientes de Foucault, que atenúan y
retardan el efecto de las bobinas.
Con el fin de remediar estos inconvenientes, se
estaba obligado hasta ahora, a hacer más complejo el dispositivo de
control de válvulas, con la ayuda de sensores de de posición de la
válvula de alta calidad, de una electrónica de control preciso y
rápido, de una estrategia de software compleja y a recurrir
eventualmente a un amortiguador mecánico.
A pesar del incremento de la complejidad de los
medios de mando y de control, las prestaciones esperadas en término
de velocidad de impacto corren el riesgo de continuar siendo
insuficientes, obligando a poner en práctica medios suplementarios
de aislamiento acústico.
En la admisión, el accionador debe ser capaz de
aportar la energía necesaria para la conmutación. Se trata de
compensar las pérdidas por rozamiento que se elevan a 0,2 J
aproximadamente para una carrera o recorrido de 8 mm de la válvula,
y por consiguiente de la paleta de los electroimanes.
La energía aportada por un electroimán en el
conjunto de la carrera antes citada, es igual a la integral de la
fuerza.
Esta energía es relativamente pequeña en razón
de la gran disminución de la fuerza para los grandes valores de
entrehierro.
Por ejemplo, a una velocidad de rotación del
motor de 6000 v/min, en un ciclo de dos tiempos, que optimizaría la
utilización del accionador, la potencia útil sería de 20 W, la cual
es pequeña en relación con su masa, del orden de 1 kg y de su gran
volumen.
Para un motor térmico de 500 cm^{3} de
cilindrada unitaria pueden satisfacerse tales dimensiones aunque
éstas siguen siendo una circunstancia desfavorable.
Por el contrario, estás dimensiones no son
compatibles con cilindradas unitarias más pequeñas.
En el escape, la energía que hay que facilitar
es del orden de 1,4 J para luchar contra la presión en la cámara
del cilindro durante la apertura de la válvula.
Los accionadores actuales presentan una altura
relativamente grande en razón del apilamiento de muelles, de dos
electroimanes y de un plato de accionamiento o paleta.
En estacionamiento, en los motores de los
vehículos actuales, hay siempre un cilindro en compresión.
El motor asegura así un freno de aparcamiento
complementario que ciertos usuarios explotan como freno adicional
al freno de mano, especialmente en las pendientes.
Cuando se utilizan los accionadores
electromagnéticos, las válvulas están en posición de equilibrio en
la parte central, de modo que todas las cámaras del motor están a
la presión atmosférica y ya no hay frenado complementario
posible.
Finalmente, el propio accionador es
relativamente barato en razón de su simplicidad, pero la electrónica
de mando asociada, así como el sensor de posición de la válvula,
son complejos y por tanto caros.
La invención pretende poner remedio a los
inconvenientes de los accionadores electromagnéticos de válvulas
clásicas, creando un accionador, que al tiempo que sea de precio de
coste relativamente poco elevado, presente prestaciones mejoradas
en el conjunto de los ámbitos citados anteriormente.
La invención tiene por objeto un
perfeccionamiento del accionador electromagnético de válvula de
motor de combustión interna conocido por la solicitud de patente
EP-1010866A, cuyos elementos conocidos están
recogidos en el preámbulo de la reivindicación 1, consistiendo este
perfeccionamiento en que el cuerpo de cada electroimán comprende un
brazo central y dos brazos laterales, en que la bobina de
alimentación está dispuesta alrededor del brazo central y en que el
imán permanente está colocado en el citado brazo central del
cuerpo.
De acuerdo con otras características:
- -
- definiendo entre sí los cuerpos magnéticos de los dos electroimanes un entrehierro en el cual la citada paleta está montada desplazable en contra de al menos un muelle antagonista de almacenamiento de energía de conmutación, un imán permanente está interpuesto en el cuerpo magnético de cada electroimán;
- -
- el imán permanente está interpuesto en el cuerpo magnético del electroimán superior;
- -
- el imán permanente está dispuesto en el cuerpo del electroimán de manera que la imantación del imán permanente sea paralela al campo generado en el citado cuerpo por la bobina de alimentación correspondiente.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención se comprenderá mejor con la lectura
de la descripción que sigue, dada únicamente a título de ejemplo y
hecha refiriéndose a los dibujos anejos, en los cuales:
- la Fig. 1 es una vista esquemática de un
accionador electromagnético de dos electroimanes de acuerdo con la
invención;
- la Fig. 1a es una vista esquemática parcial de
un accionador de acuerdo con la invención;
- la Fig 2 es una vista esquemática en corte de
otro accionador electromagnético de válvula de dos electroimanes de
acuerdo con la invención;
- la Fig. 3 es una vista esquemática en corte de
todavía otro accionador electromagnético de válvula, y
- la Fig. 4 es un gráfico comparativo de la
fuerza ejercida sobre la paleta de un accionador provisto o no de
un imán permanente.
El accionador electromagnético de válvula
representado en la figura 1, comprende dos electroimanes 1, 2 que
comprenden, cada uno, un cuerpo 3, 4 de chapa magnética laminada que
llevan una respectiva bobina de alimentación 5, 6. Las caras de los
electroimanes 1, 2 vueltas una hacia la otra, definen entre ellas un
entrehierro 7 de un valor correspondiente al recorrido de una
paleta 8 de material magnético fijada a una extremidad de un
vástago 9 de accionamiento de una válvula 10 de motor de combustión
interna.
\newpage
El vástago 9 atraviesa el cuerpo 4 de uno de los
electroimanes 2 entre el cual y un alojamiento 12 dispuesto en la
pared de la culata C de un motor, están dispuestos dos muelles
antagonistas 13, 14 de almacenamiento de energía que rodean al
vástago de arrastre 9 y a la cola 15 de la válvula que hay que
accionar.
El muelle 13 se apoya, por una parte, en el
cuerpo 4 del electroimán 2 y, por otra, en una pieza de unión 16
del vástago 9 con la cola 15 de la válvula 10. El muelle 14 se apoya
entre la citada pieza de unión 16 y el fondo del alojamiento 12
dispuesto en la pared de la culata C.
- -
- De acuerdo con la invención, los cuerpos 3 y 4 de los electroimanes 1 y 2 comprenden, cada uno, dos piezas polares 18, 19, 20, 21 entre las cuales están insertados respectivos imanes permanentes 22, 23.
Las bobinas de alimentación 5, 6 están
enrolladas alrededor de los brazos de las piezas polares 18, 19, 20,
21 entre las cuales están interpuestos los respectivos imanes 22,
23.
Las piezas polares 18 a 21 comprenden,
respectivamente, brazos 24, 25, 26, 27 que definen dos a dos el
entrehierro 7 en el cual está montada desplazable la paleta 8 del
accionador.
La adición de un imán en serie en el circuito
magnético de cada bobina 5, 6 permite, cuando la válvula está en
posición cerrada o abierta, disponer de una fuerza de mantenimiento
permanente importante sin consumo de corriente.
Siendo Sa la sección de un imán y siendo Se la
sección del entrehierro, la utilización de una sección Sa superior
a Se permite amplificar el campo creado por el imán permanente. Se
puede, así, utilizar, si se desea, un imán de ferrita relativamente
barato.
El espesor del imán medido en el sentido de su
imantación, es en principio bastante reducido con el fin de que los
bobinados 5 y 6 se mantengan eficaces para el gobierno del
sistema.
De acuerdo con una variante no representada, se
coloca solamente un imán en el electroimán de cierre que es el más
utilizado.
En el transcurso de la fase de aproximación a un
tope, se aprovecha igualmente la fuerza del imán
correspondiente.
Para el despegue, es lo contrario, porque hay
que aplicar una corriente negativa para reducir o anular el campo
creado por el imán correspondiente.
En la figura 4, se ha representado un gráfico de
la fuerza F_{1} que es posible obtener en función del entrehierro
e1 entre un electroimán y la paleta móvil para un electroimán no
polarizado y para un electroimán polarizado de acuerdo con la
invención.
La curva en trazo completo representa la
variación de la fuerza en función del entrehierro para un
electroimán polarizado, es decir provisto de un imán permanente,
mientras que la curva en línea de puntos representa la variación de
la fuerza en función del entrehierro para un electroimán no
polarizado.
La fuerza ejercida sobre el plato por el
electroimán viene dada por la relación:
con
J = imantación del imán
Sa = Sección del imán
Se = Sección del entrehierro
la = anchura del imán/espesor
S = Sección del plato sobre la cual se aplica la
fuerza
e = entrehierro.
Para atraer el plato o la paleta, la fuerza a
gran distancia, es decir para un entrehierro importante, es mayor.
La zona de control es por tanto:
\vskip1.000000\baselineskip
más
amplia.
\vskip1.000000\baselineskip
Para entrehierros inferiores al milímetro, el
accionador polarizado es menos sensible a la saturación y por tanto
más fácil de controlar.
El control de la fuerza por la corriente es
mucho más fácil porque ésta varía en (Bala +
\mu_{0}\cdotnl)^{2}.
En esta relación:
- -
- Ba = campo creado por el imán permanente,
- -
- la = anchura del imán
- -
- n = número de espiras de la bobina de alimentación.
\vskip1.000000\baselineskip
Cuando l es demasiado grande, una variación dl
se traduce en una variación lineal de la fuerza en
2\cdotBa\cdotla\cdot\mu_{0}\cdotn\cdotdl.
Asimismo, en lugar de ser proporcional a
3 siendo e el entrehierro, la fuerza varía
4 Se = sección del entrehierro, Sa = sección del
imán.
La sensibilidad en el entrehierro es por tanto
muy reducida.
El accionador polarizado es más fácilmente
gobernable y debe permitir alcanzar mucho más fácilmente velocidades
de impacto muy pequeñas.
La potencia útil de un accionador polarizado con
respecto a su volumen puede ser multiplicada por un factor igual al
menos a 2 con respecto a la de un accionador no polarizado.
En lo que concierne al consumo eléctrico, el
rendimiento del accionador polarizado mejora mucho con respecto al
de un accionador no polarizado.
Se reduce fácilmente el consumo un 30% a 6000
v/min y un 60% a 1500 v/min en razón de la ausencia de consumo de
mantenimiento.
El accionador polarizado presenta un volumen
próximo al de un accionador desprovisto de imán permanente en su
circuito magnético.
El accionador de acuerdo con la invención
representado parcialmente en la Fig. 1a, comprende dos
electroimanes, tales como el electroimán 1a, que comprenden
respectivamente cuerpos tales como 2a de chapa magnética, vueltos
uno hacia el otro, que llevan, cada uno, una bobina de alimentación
tal como la bobina 3a. Una paleta magnética 8a está montada
desplazable entre los cuerpos de chapa magnética de los
electroimanes.
La bobina de alimentación tal como la bobina 3a,
es llevada por un brazo central 9a del cuerpo 2a que comprende
además dos brazos laterales 10a, 11a. En el brazo central 9a está
colocado un imán permanente 12a. El segundo electroimán de esta
variante de accionador es similar al descrito refiriéndose a la
figura 1a y el resto del accionador es similar al de la Fig. 1.
El accionador electromagnético representado en
la figura 2, es del tipo que comprende igualmente dos electroimanes
30, 31 cuyos respectivos cuerpos 32, 33 de material magnético, por
ejemplo de chapa laminada, están provistos, cada uno, de una bobina
de alimentación 34, 35.
Los electroimanes 30, 31 montados, cada uno, en
piezas de mantenimiento terminales 36, 37 de material amagnético,
definen entre ellas un entrehierro 38 cuyo valor corresponde al
recorrido de una paleta o un plato magnético 39 llevados por un
vástago 40 de arrastre de una válvula 41. El vástago 40 atraviesa
los cuerpos 32, 33 de los electroimanes 30, 31 así como las piezas
de mantenimiento terminales 36, 37 que comprenden, cada una, un
manguito ciego 42, 43 fileteado exteriormente y que contiene un
muelle 44, 45 correspondiente de almacenamiento de
energía.
energía.
Cada muelle 44, 45 se apoya, por una parte,
contra el fondo del manguito ciego 42, 43 correspondiente y, por
otra, sobre un disco 46, 47 en contacto por su cara opuesta al
muelle con una extremidad correspondiente del vástago 40 de
arrastre de la válvula 41.
La válvula 41 comprende una cola 49 que se apoya
sobre la cara del disco 47 opuesta al vástago 40, que está rodeada
por el muelle 45 y que atraviesa el fondo del manguito ciego 43,
cooperando la cabeza 50 de la citada válvula con un asiento de
válvula de una culata de motor (no representada).
Como en la figura 1, cada uno de los cuerpos
magnéticos 32, 33 de los electroimanes 30, 31 comprenden
respectivamente dos piezas polares 51, 52, 53, 54, entre las cuales
están dispuestos imanes permanentes 55, 56 cuya función es análoga
a la de los imanes permanentes 22, 23 del modo de realización de la
figura 1.
Se ve que las direcciones de las imantaciones de
los imanes permanentes 55, 56 son paralelas a los campos magnéticos
generados por las bobinas de accionamiento 34, 35 llevadas por los
cuerpos 32, 33 de los electroimanes 30, 31.
El accionador electromagnético representado
esquemáticamente en la figura 3 comprende dos electroimanes 60, 61
cuyos cuerpos de material magnético, por ejemplo de chapas
laminadas, llevan, cada uno, una bobina de alimentación 63, 64.
El cuerpo de cada electroimán comprende dos
piezas polares 65, 66 y 67, 68 unidas entre sí por un respectivo
imán permanente 69, 70 rodeado por la bobina de alimentación
correspondiente 63, 64.
Cada uno de los imanes permanentes 69, 70 está
montado en un brazo central correspondiente 71, 72 formado por
porciones correspondientes de las piezas polares 65, 66 y 67, 68.
Éste está dispuesto en el brazo central de su circuito magnético de
modo inclinado, de tal manera que su imantación es inclinada con
respecto al campo electromagnético generado por la bobina de
alimentación 63, 64 correspondiente y así se combina con este
último.
El ángulo de inclinación del campo magnético de
cada imán permanente 69, 70 con respecto al campo generado por la
bobina 63, 64 correspondiente, se elige ventajosamente de manera que
la extremidad de su lado longitudinal interior más separada de los
brazos laterales de las piezas polares 65, 66, 67, 68 se encuentre a
una distancia d de estos brazos igual a la anchura de estos.
El montaje de cada imán permanente 69, 70 en el
cuerpo del electroimán correspondiente se realiza recortando las
chapas de las piezas polares 65, 66 y 67, 68 de manera que formen,
por una parte entre las piezas polares 65, 66 y por otra 67 y 68,
alojamientos que reciben los respectivos imanes 69, 70.
Las caras de los electroimanes 60, 61 vueltas
una hacia la otra, definen entre ellas un entrehierro 74 de un
valor correspondiente al recorrido de una paleta 75 de un material
magnético, fijada a una extremidad de un vástago 76 de
accionamiento de una válvula 77 de motor de combustión interna.
Como en el modo de realización representado en
la figura 1, el vástago 76 atraviesa el cuerpo del electroimán 61
entre el cual y un alojamiento 78 dispuesto en la pared de la culata
C de un motor, están dispuestos dos muelles 79, 80 de
almacenamiento de energía que rodean al vástago de arrastre 76 y a
la cola 81 de la válvula que hay que
accionar.
accionar.
La función de un imán en serie en el circuito
magnético de cada bobina 63, 64 asegura, en el modo de realización
de la figura 3, el mismo efecto que en los modos de realización
precedentes.
Además, el hecho de inclinar los imanes 69, 70
con respecto a la dirección de los campos generados por las bobinas
de alimentación 63, 64 permite reducir considerablemente la altura
de los circuitos magnéticos de los electroimanes 60, 61.
Así pues, se puede reducir el volumen general
del accionador, en particular en lo que se refiere a su dimensión
en altura, lo que facilita su colocación en la culata de un motor de
combustión interna.
La disposición representada parcialmente en la
figura 1a que acaba de describirse presenta con respecto al estado
de la técnica, las ventajas siguientes.
\newpage
Ésta permite un mejor control de la válvula
gracias a la linealidad relativa de la fuerza en función del
entrehierro, lo que permite obtener una ganancia en bruto.
El consumo eléctrico de mantenimiento de la
válvula en posición es nulo o muy limitado.
El consumo eléctrico de conmutación es reducido
por disminución de pérdidas por efecto Joule.
El accionador polarizado es globalmente más
potente y por ello está mejor adaptado para una utilización en
válvulas de escape o en un motor de menor cilindrada unitaria.
Claims (4)
1. Accionador electromagnético de válvula de
motor de combustión interna que comprende dos electroimanes que
comprenden, cada uno, una bobina de alimentación (3a), una paleta
magnética (8a) dispuesta entre los dos electroimanes, unida a un
órgano de arrastre de la válvula en contra de la acción de al menos
un muelle de almacenamiento de energía de conmutación de la citada
válvula, un imán permanente (12a), cuya imantación se combina con el
campo generado en el citado cuerpo por la bobina de alimentación
(3a), que está interpuesto en el campo magnético (2a) de al menos
un electroimán, caracterizado por que el cuerpo (2a) de cada
electroimán comprende un brazo central (9a) y dos brazos laterales
(10a, 11a), estando dispuesta la bobina de alimentación (3a)
alrededor del brazo central y estando colocado el imán permanente
(12a) en el citado brazo central del cuerpo (2a).
2. Accionador electromagnético de acuerdo con la
reivindicación 1, en el cual los cuerpos magnéticos de los dos
electroimanes definen entre sí un entrehierro en el cual la citada
paleta está montada desplazable en contra de un muelle antagonista
de almacenamiento de energía de conmutación, caracterizado
por que un imán permanente (12a) está interpuesto en el cuerpo
magnético de cada electroimán.
3. Accionador electromagnético de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado por que el imán permanente
está interpuesto en el cuerpo magnético del electroimán de
cierre.
4. Accionador electromagnético de acuerdo con
una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado por que el imán permanente está dispuesto en
el cuerpo del electroimán de manera que la alimentación del imán
permanente (12a) sea paralela al campo generado en el citado cuerpo
por la bobina de alimentación (3a) correspondiente.
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