ES2252112T3 - Actuador piezoelectrico de auto-compensacion para una valvula de control. - Google Patents
Actuador piezoelectrico de auto-compensacion para una valvula de control.Info
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Abstract
Un dispositivo de actuador para una válvula de control, que comprende un miembro piezoeléctrico (12) de actuación para lograr el movimiento de un miembro (30) de cierre de la válvula entre una posición abierta y una posición de cierre, en el que el miembro (12) de actuación tiene una porción (20) de referencia para una conexión a una porción fija (26) del dispositivo y una porción libre (24) para una conexión al miembro (30) de cierre, siendo movible la porción libre (24) con relación a la porción (20) de referencia como resultado de deformaciones mecánicas producidas en el miembro (12) de actuación por el efecto piezoeléctrico; en el que la porción (20) de referencia del miembro (12) de actuación es controlable selectivamente entre una condición en la que está inmovilizada en una posición de referencia y está fijada firmemente a la porción fija (26) del dispositivo, y una condición libre en la que es movible con relación a la porción fija (26), y en el que el dispositivo de actuador comprende medios (34) para llevar el miembro (12) de actuación a una posición de referencia en reposo que corresponde a una condición de reposo de la válvula y con relación a la cual se definen las posiciones abierta y de cierre, y medios (50, 51, 54) para inmovilizar la porción (20) de referencia del miembro (12) de actuación en la posición de referencia alcanzada de este modo; caracterizado porque la porción (20) de referencia puede estar inmovilizada con relación a la porción fija (26) del dispositivo mediante fricción.
Description
Actuador piezoeléctrico de
auto-compensación para una válvula de control.
La presente invención se refiere a un dispositivo
de actuador para una válvula de control y, más particularmente, a
un dispositivo piezoeléctrico de actuador del tipo al que se hace
referencia en el preámbulo a la reivindicación 1.
La solución de hacer funcionar una válvula de
control, por ejemplo una válvula de control de inyección de
combustible, por medio de actuadores piezoeléctricos es conocida.
Estos dispositivos utilizan la deformación mecánica de un elemento
piezoeléctrico, y preferiblemente de un miembro más complejo tal
como una barra formada por una serie de tales elementos, para
lograr el funcionamiento de un miembro de cierre de válvula.
Convencionalmente, la deformación mecánica de la
barra piezoeléctrica consiste en un cambio "positivo" en su
longitud a lo largo de su eje longitudinal, esto es, en un
alargamiento de la barra con relación al resto de su dimensión
(con el fin de no causar de otro modo un desprendimiento mecánico
de los elementos "en serie"). Este alargamiento conduce a una
traslación lineal de un extremo libre de la barra, cuyo extremo
está conectado al miembro de cierre, con relación al cuerpo fijo de
válvula en el que se retiene el extremo opuesto de la barra, y
consecuentemente causa que el miembro de cierre se desplace entre
una posición abierta y una posición de cierre, con relación al
asiento de válvula.
La deformación mecánica debida al efecto
piezoeléctrico es normalmente muy pequeña, del orden de unas pocas
decenas de micras, y es de este modo comparable a las variaciones
dimensionales producidas por el intervalo de variación de
temperatura que se establece durante el funcionamiento de los
dispositivos con los que se asocia la válvula de control y a sus
tolerancias de fabricación.
Un problema adicional es el de asegurar un
funcionamiento eficiente del actuador tras la incidencia de un
inconveniente intrínseco a largo plazo, debido particularmente a los
componentes mecánicos asociados con el actuador, por ejemplo
debido al desgaste del asiento de válvula y del miembro de cierre,
que es también de una magnitud comparable a las deformaciones
debidas al efecto piezoeléctrico.
El documento US 4.750.706 divulga una válvula de
control, particularmente una válvula de inyección para sistemas de
inyección de combustible de motores de combustión interna, que
comprende un miembro piezoeléctrico de actuación que tiene el
extremo opuesto a la aguja de válvula conectado con un armazón
desplazable en la dirección axial, cuyo armazón está dispuesto
dentro de una horquilla magnética de modo que forma una disposición
electromagnética de detención. La disposición de detención está
encendida activamente por una bobina asociada de salida al menos
durante un cambio longitudinal del apilamiento piezoeléctrico para
la apertura de válvula de modo que el armazón está espacialmente
fijado con relación a un alojamiento de la válvula. En la condición
apagada, el dispositivo de detención no funciona y el armazón se
puede desplazar axialmente en la horquilla, compensando por ello
los cambios a largo plazo del apilamiento piezoeléctrico.
El propósito de la invención es proporcionar un
actuador piezoeléctrico para una válvula de control que no tenga
las desventajas de los dispositivos de la técnica anterior pero que
posibilite que el desplazamiento del miembro de cierre de válvula
sea controlado efectivamente, independientemente de las tolerancias
de fabricación implicadas y/o de alteraciones dimensionales falsas
del miembro piezoeléctrico de actuación que pueden ocurrir durante
el funcionamiento del dispositivo.
De acuerdo con la presente invención, este
propósito se consigue por medio de un actuador que tiene las
características enumeradas en la reivindicación 1.
En resumen, la presente invención está basada en
el principio de retener un extremo del miembro piezoeléctrico de
actuación de manera ajustable en el cuerpo fijo de referencia de la
válvula con relación al cual se definen las deformaciones
mecánicas del miembro y, por consiguiente, en la capacidad de
compensar las tolerancias iniciales y todas las posibles
variaciones dimensionales falsas que pueden ocurrir (deformaciones
térmicas, alteraciones dimensionales a largo plazo).
En otras palabras, el acoplamiento entre el
miembro piezoeléctrico de actuación y el cuerpo fijo de referencia
de la válvula está formado de una manera tal que es variable y
ajustable en funcionamiento, de modo que se puede decir que el
sistema es de auto-compensación.
La conexión ajustable se consigue mediante medios
piezoeléctricos, bien directamente o bien por medio de un miembro
intermedio, como se describirá en detalle posteriormente.
La invención estipula que un sistema electrónico
para ajustar la conexión entre el miembro piezoeléctrico de
actuación y el cuerpo fijo de referencia esté integrado con el
sistema electrónico de control del dispositivo de actuador,
directamente en el cuerpo de válvula; el control de temperatura
(básicamente enfriamiento) del mismo se puede conseguir por medio
del fluido controlado por la válvula, de acuerdo con una solución
conocida.
Ventajas y características adicionales de la
invención se explicarán con mayor detalle en la siguiente
descripción detallada de realizaciones preferidas de la misma, dada
a modo de ejemplo no limitante con referencia a los dibujos
adjuntos, en los que:
la figura 1 es una ilustración esquemática, en
corte longitudinal, de una primera realización de un dispositivo
de actuador para una válvula de control, en el que el acoplamiento
entre el miembro piezoeléctrico de actuación y el cuerpo fijo de
referencia de la válvula se consigue mediante medios
electromagnéticos,
la figura 2 es una ilustración esquemática, en
corte longitudinal, de una segunda realización de un dispositivo
de actuador, en el que el acoplamiento entre el miembro
piezoeléctrico de actuación y el cuerpo fijo de referencia de la
válvula se consigue mediante medios electromagnéticos,
la figura 3 muestra, en corte longitudinal, un
detalle de la realización del dispositivo de acuerdo con la
invención, en el que el acoplamiento entre el miembro piezoeléctrico
de actuación y el cuerpo fijo de referencia de la válvula se
consigue mediante medios piezoeléctricos,
la figura 3a es un corte transversal tomado en la
línea IIIa-IIIa del dispositivo de la figura 3,
la figura 4 es un diagrama de bloques de circuito
de un circuito de control para un dispositivo de actuador de
acuerdo con la invención, y
la figura 5 muestra una serie de gráficos de
tiempo que representan el funcionamiento del dispositivo de
actuador de acuerdo con la invención.
Un dispositivo piezoeléctrico de actuador se
muestra parcialmente y se indica como 10 en la figura 1. En este
ejemplo, se describe una posible aplicación a una válvula de control
de encendido-apagado para la inyección de
combustible o combustible diesel, pero este posible uso, que se
adopta aquí por sencillez en la exposición, se debe entender como
puramente indicativo.
El dispositivo 10 de actuador comprende un
miembro piezoeléctrico alargado 12 de actuación orientado a lo
largo de un eje longitudinal del dispositivo y compuesto de una
pluralidad (un apilamiento) de elementos dispuestos en sucesión
entre un par de electrodos 14, 16 de extremo.
Un primer extremo 20 del miembro piezoeléctrico
está fijado mecánicamente en un miembro movible 22 de soporte con
forma de copa y su segundo extremo 24 es libre con relación al
miembro 22 de soporte y, en particular, se puede trasladar
longitudinalmente como resultado de variaciones en la longitud del
miembro 12 de actuación debido a sus propiedades
piezoeléctricas.
El miembro 22 de soporte, que está hecho de
material ferromagnético, está alojado y se puede deslizar
axialmente con ligera fricción en un cuerpo fijo coaxial 26 de
referencia que también tiene forma de copa y está hecho de
material ferromagnético. El posible desplazamiento es pequeño y es
del orden de las tolerancias y de las variaciones dimensionales
que han de ser corregidas (unas pocas décimas de milímetro). El
deslizamiento está ventajosamente dispuesto para tener lugar
después de la lubricación de las partes por medio del fluido
controlado, que se hace que entre en esta región en una etapa de
"descarga".
El miembro 12 de actuación transporta, en su
extremo libre 24, un miembro 30 de cierre de la válvula que se
puede aplicar en un correspondiente asiento 32 con el fin de regular
el flujo del fluido bajo control.
El miembro 30 de cierre se mantiene normalmente
en la posición de cierre mediante la acción, en compresión, de un
muelle 34 dispuesto entre el extremo libre 24 del miembro 12 de
actuación y una pared 36 fijada firmemente al cuerpo fijo de la
válvula y que tiene un agujero axial de guía para el deslizamiento
del fuste del miembro de cierre. El miembro de cierre también se
mantiene cerrado por la presión del fluido que se ha de controlar,
indicada mediante las flechas en el dibujo.
El cuerpo fijo 26 de referencia también tiene, en
al menos una porción longitudinal de su pared lateral, un bobinado
eléctrico dispuesto de tal manera que forma un electroimán coaxial
40 de inmovilización para conseguir la conexión ajustable entre un
extremo del miembro piezoeléctrico 12 de actuación y el cuerpo fijo
26 de referencia mediante medios electromagnéticos.
Una segunda realización del dispositivo de
actuador con conexión ajustable conseguida mediante medios
electromagnéticos se muestra en la figura 2 en la que componentes o
elementos equivalentes funcionalmente o idénticos se indican
mediante los mismos números de referencia.
Como estará claro para una persona experta en la
técnica, la solución se consigue mediante una simple inversión de
la realización de la figura 1. En particular, se muestra una unidad
más sencilla de miembro de cierre, en la que el fuste no ocupa
parte de la abertura de salida de válvula. Sin embargo, además del
muelle 34 de compresión que actúa en el extremo libre 24 del
miembro piezoeléctrico 12 de actuación para mantener el miembro 30
de cierre en una posición de cierre de reposo, esta realización
proporciona el uso de un segundo muelle 42 de contacto para
controlar el desplazamiento del miembro 22 de soporte en el cuerpo
fijo 26 de referencia, manteniendo los discos piezoeléctricos del
"apilamiento" siempre "en contacto".
En contraste con la inmovilización
electromagnética conocida en la técnica anterior, la conexión entre
el miembro 12 de actuación y el cuerpo fijo 26 de referencia de la
válvula se consigue de acuerdo con la invención mediante medios
piezoeléctricos y se muestra en las figuras 3 y 3a, con particular
referencia a las diferencias con respecto a las soluciones
descritas anteriormente.
El miembro movible intermedio 22 de soporte en la
conexión entre el miembro piezoeléctrico 12 de actuación y el
cuerpo fijo 26 de referencia de la válvula, comprende un par de
bloques opuestos 50, 51 de deslizamiento dispuestos
longitudinalmente en al menos una porción del cuerpo 26 con forma de
copa. El miembro de soporte también comprende un elemento 52 de
conexión que conecta los bloques 50, 51 de deslizamiento entre sí y
a un primer extremo 20 del miembro piezoeléctrico 12.
De acuerdo con esta realización, la conexión
ajustable se consigue por medio de un miembro piezoeléctrico 54 de
inmovilización dispuesto diametralmente entre los bloques 50, 51 de
deslizamiento. Naturalmente, la deformación mecánica (el
"desplazamiento") del miembro 54 de inmovilización debida al
efecto piezoeléctrico debe ventajosamente ser mayor que la
distancia que separa los bloques de deslizamiento de la pared
lateral del cuerpo fijo 26, teniendo en cuenta las tolerancias
mecánicas, cualquier expansión térmica y la estabilidad
dimensional a largo plazo de los componentes mecánicos
implicados.
Como se entenderá a partir de los dibujos, el
miembro piezoeléctrico 54 de inmovilización siempre actúa en los
bloques 50, 51 en compresión, poniéndolos en contacto con la pared
interior del cuerpo fijo 26 y parando cualquier posible
deslizamiento del miembro 22 de soporte mediante fricción, como en
un sistema de frenado de tambor. Para facilitar el desplazamiento
de los bloques de deslizamiento durante operaciones de
inmovilización, el elemento 52 de conexión tiene ventajosamente una
estructura con flexibilidad radial conseguida, por ejemplo,
mediante la provisión de muescas longitudinales.
En la condición de reposo, el miembro 30 de
cierre está en la posición cerrada. El muelle 34 puede mantener el
miembro de cierre en esta posición incluso en ausencia de presión de
fluido, superando las fuerzas de fricción entre el miembro 22 de
soporte y el cuerpo fijo 26 de referencia de modo que asegura
márgenes razonables de seguridad. El miembro 22 de soporte es
libremente deslizable en el cuerpo fijo 26 de referencia. El
deslizamiento está ventajosamente dispuesto para tener lugar
después de la lubricación de las partes por medio del fluido
controlado, que se hace que entre en esta región en una etapa de
"descarga".
La posición de cierre definida por la acción del
muelle 34 y por la presión de fluido tiene en cuenta las
dimensiones reales del miembro piezoeléctrico y los componentes
mecánicos de la válvula en reposo, así como las tolerancias de
fabricación implicadas. Dependiendo de esta posición, el miembro 22
de soporte alcanza una primera posición de referencia en el cuerpo
fijo 26.
Cuando el dispositivo de actuador se activa, los
medios de inmovilización actúan para inmovilizar el miembro 22 de
soporte en su posición actual con relación al cuerpo 26 mediante
fricción y atracción radial. El miembro 22 de soporte está de este
modo sujeto firmemente al cuerpo fijo 26 de referencia.
La válvula se abre excitando eléctricamente el
miembro piezoeléctrico 12 por medio de los electrodos 14, 16 de
extremo de tal manera que logran una extensión axial del mismo, esto
es, hacen que su extremo libre 24 se traslade con relación al
extremo 20 que está fijado al cuerpo 26, superando la fuerza de
oposición del muelle 34 y por consiguiente -para resumir- moviendo
el miembro 30 de cierre lejos del asiento 32 y abriendo la
abertura de salida de la válvula.
El funcionamiento del actuador de acuerdo con la
invención está caracterizado por un alto grado de precisión ya que
las deformaciones en longitud del miembro piezoeléctrico 12 de
actuación se transmiten al miembro 30 de cierre de válvula como un
control útil para variar su posición con relación a su asiento 32 y
no para compensar también variaciones dimensionales falsas que
surgen en el dispositivo.
El miembro de cierre se puede devolver
rápidamente a la posición de cierre cancelando el control del
miembro 12 de actuación o incluso proporcionando un control
adecuado de signo opuesto sin inducir, sin embargo, deformaciones
sustanciales de contracción ya que no son tolerables, por ejemplo
por el material piezoeléctrico usado convencionalmente (una serie
de discos "apilados").
Esta última solución puede, sin embargo, ser
adoptada efectivamente en el dispositivo de acuerdo con la
invención ya que este dispositivo asegura prácticamente tolerancias
cero en cualquier momento de la vida operativa del
dispositivo.
Los medios de inmovilización ventajosamente no
requieren velocidades rápidas de respuesta y por lo tanto tienen
un consumo bajo de potencia.
Durante un funcionamiento continuo del
dispositivo de actuador, tiene lugar normalmente un calentamiento
progresivo, posiblemente causando variaciones dimensionales de los
componentes. Los medios de inmovilización se privan por lo tanto
de energía periódicamente de modo que permiten movimientos
relativos (micrométricos) entre el miembro 22 de soporte del
miembro piezoeléctrico 12 y el cuerpo fijo 26 de referencia tales
como para compensar las variaciones dimensionales falsas que
ocurren en el dispositivo.
Un ejemplo de los controles para el
funcionamiento y ajuste del dispositivo se muestra en los gráficos
de la figura 5. El gráfico superior muestra, en una escala de
tiempo, una porción de las señales de control para el miembro 12
de actuación en la que se pueden ver dos etapas sucesivas de
actuación (ON) de la válvula. El correspondiente gráfico inferior
muestra una porción de las señales de control (suministro de
energía y privación de energía) para los medios de inmovilización,
para el ajuste fino de la posición de referencia. La privación de
energía (OFF) se logra dependiendo de la dinámica del sistema, por
ejemplo cada 100 impulsos de control de válvula.
La capacidad de ajustar la posición de referencia
del miembro 12 de actuación con relación al cuerpo fijo de la
válvula periódicamente, incluso a frecuencias mayores que la
indicada, conduce a una ventaja adicional: esto es, el hecho de
que el miembro 12 puede estar hecho de materiales que tienen un
alto grado de deformación mecánica para voltajes pequeños de
control, pero que tienen características pobres de precisión,
estabilidad mecánica y expansión térmica. En particular, esta
solución abre el camino al uso de dispositivos de actuador del
tipo descrito, con desplazamiento relativamente grande, para
controlar la elevación de válvulas de motor.
En la realización anteriormente descrita, también
es importante la integración del control electrónico para el
ajuste de la conexión entre el miembro piezoeléctrico 12 de
actuación y el cuerpo fijo 26 de referencia con el control
electrónico del dispositivo de actuador.
La figura 4 es un diagrama funcional de bloques
de un circuito preferido de control. Los electrodos 14, 16 del
miembro piezoeléctrico 12 de actuación están indicados en el bloque
individual 60. La válvula se actúa por medio de excitaciones
eléctricas inducidas en los electrodos en forma de tren de impulsos
de anchura de impulso modulada producido por un generador 62
alimentado por un suministro eléctrico mediante la conexión
1_{1}. El generador 62 de impulsos está conectado al bloque 60 de
electrodo por medio de un conmutador 64 que se controla en una
entrada de accionamiento mediante un circuito de control de
inyección (no mostrado), mediante la conexión 1_{2}.
El bloque 66 indica el módulo de circuito para
inmovilizar la referencia para el miembro 12 de actuación de
acuerdo con la solución descrita (el miembro piezoeléctrico 54 de
inmovilización), estando alimentado también este módulo por el
suministro eléctrico, mediante la conexión 1_{1}.
La entrada del módulo 66 de circuito está
conectada a un circuito lógico 68 de inmovilización que recibe su
suministro mediante la conexión 1_{1} y es accionado mediante el
circuito de control de inyección (no mostrado) mediante la
conexión 1_{2}, en común con el conmutador 64.
De acuerdo con la solución preferida descrita, la
longitud de las conexiones eléctricas, particularmente de las
conexiones de alto voltaje, se reduce ventajosamente y se pueden
formar en un solo sustrato circuitos lógicos para controlar la
activación de la válvula y para el ajuste del sistema de referencia
para el miembro de actuación.
Naturalmente, permaneciendo igual el principio de
la invención, se pueden variar ampliamente las formas de
realización y detalles de construcción con respecto a los descritos
e ilustrados puramente a modo de ejemplo no limitante, sin salir
por ello del alcance de protección de la presente invención
definida por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (9)
1. Un dispositivo de actuador para una válvula de
control, que comprende un miembro piezoeléctrico (12) de actuación
para lograr el movimiento de un miembro (30) de cierre de la válvula
entre una posición abierta y una posición de cierre, en el que el
miembro (12) de actuación tiene una porción (20) de referencia para
una conexión a una porción fija (26) del dispositivo y una porción
libre (24) para una conexión al miembro (30) de cierre, siendo
movible la porción libre (24) con relación a la porción (20) de
referencia como resultado de deformaciones mecánicas producidas en
el miembro (12) de actuación por el efecto piezoeléctrico;
en el que la porción (20) de referencia del
miembro (12) de actuación es controlable selectivamente entre una
condición en la que está inmovilizada en una posición de referencia
y está fijada firmemente a la porción fija (26) del dispositivo, y
una condición libre en la que es movible con relación a la porción
fija (26), y
en el que el dispositivo de actuador comprende
medios (34) para llevar el miembro (12) de actuación a una
posición de referencia en reposo que corresponde a una condición de
reposo de la válvula y con relación a la cual se definen las
posiciones abierta y de cierre, y medios (50, 51, 54) para
inmovilizar la porción (20) de referencia del miembro (12) de
actuación en la posición de referencia alcanzada de este modo;
caracterizado porque la porción (20) de
referencia puede estar inmovilizada con relación a la porción fija
(26) del dispositivo mediante fricción.
2. Un dispositivo de actuador de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la porción (20) de
referencia del miembro (12) de actuación está sostenida en un
miembro (22) de soporte movible con relación a la porción fija
(26) del dispositivo.
3. Un dispositivo de actuador de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque la porción fija (26)
tiene una porción con forma de copa en cuya cavidad está dispuesto
axialmente el miembro (12) de actuación, y porque el miembro (22)
de soporte se puede deslizar axialmente en la cavidad.
4. Un dispositivo de actuador de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizado porque los medios de
inmovilización comprenden al menos un par de bloques opuestos (50,
51) de deslizamiento asociados con el miembro (22) de soporte y un
correspondiente miembro piezoeléctrico (54) de inmovilización
dispuesto diametralmente entre los bloques (50, 51) para apartar
los bloques (50, 51) de deslizamiento para ponerlos en contacto con
la porción fija (26) del dispositivo como resultado de
deformaciones mecánicas inducidas en el miembro (54) de
inmovilización por el efecto piezoeléctrico.
5. Un dispositivo de actuador de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque los medios para llevar el miembro (12)
de actuación a la posición de referencia comprenden un muelle (34)
de reacción asociado con la porción fija (36, 26) del dispositivo y
que actúa en la porción libre del miembro (12) cuando el miembro
(12) no está excitado eléctricamente.
6. Un dispositivo de actuador de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizado porque está dispuesto para
dirigir parte del fluido controlado por la válvula adentro de un
espacio proporcionado entre el miembro (22) de soporte y la
porción fija (26) del dispositivo, como para lubricar las porciones
(22, 26).
7. Un dispositivo de actuador de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que se puede
controlar por medio de un circuito electrónico
(60-64) de accionador, caracterizado porque
también comprende un circuito electrónico (66, 68) de control para
los medios (50, 51, 54) de inmovilización, integrado con el
circuito (60-64) de accionador del actuador.
8. Un dispositivo de actuador de acuerdo con la
reivindicación 7, caracterizado porque el circuito
electrónico (66, 68) de control está dispuesto para una activación
periódica de los medios (50, 51, 54) de inmovilización.
9. Un dispositivo de actuador de acuerdo con la
reivindicación 7 o la reivindicación 8, caracterizado porque
está dispuesto para dirigir parte del fluido controlado por la
válvula hacia los circuitos electrónicos (66, 68) de control de
los medios (50, 51, 54) de inmovilización y el circuito (60- 64) de
accionador del actuador, como para posibilitar que los circuitos
(60-64; 66, 68) se enfríen.
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