ES2318714T3 - Motor de combustion interna que presenta unas valvulas de admision con un accionamiento variable y un perfil de elevacion que incluye una parte de elevacion constante de arranque. - Google Patents
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Abstract
Motor de combustión interna multicilíndrico, que incluye: por lo menos una válvula de admisión (7) y por lo menos una válvula de escape para cada cilindro, estando provista cada una de las mismas de unos medios de precarga de resorte (9) respectivos, que precargan la válvula (7) hacia una posición cerrada, para controlar los conductos de entrada y de escape respectivos, por lo menos un árbol de levas para accionar las válvulas de admisión (7) y las válvulas de escape de los cilindros del motor por medio de unos taqués (15) respectivos, en el que por lo menos cada válvula de admisión (7) es del tipo de accionamiento variable gracias al control mediante el taqué (15) respectivo, contra la acción de dichos medios de precarga de resorte (9), mediante la interposición de unos medios hidráulicos que incluyen una cámara de fluido bajo presión (C) enfrentada a un pistón (16) de bombeo conectado al taqué (15) de la válvula, estando adaptada dicha cámara de fluido bajo presión (C) para su conexión por medio de una válvula solenoide (24) a un canal de descarga, con el fin de desacoplar la válvula de accionamiento variable (7) del taqué (15) respectivo y de provocar el cierre rápido de la válvula (7) bajo la acción de los medios de precarga de resorte (9) respectivos; y unos medios de control electrónico (25) para controlar cada válvula solenoide (24) de manera que varíe el tiempo y la extensión (elevación) de la abertura de la válvula de accionamiento variable como una función de uno o más parámetros de funcionamiento del motor, en el que la leva que controla cada válvula de admisión presenta una forma de manera que genere un perfil de elevación de válvula que incluya una parte de arranque (C2) con una elevación (H) sustancialmente constante, caracterizado porque dicho motor es un motor de gasolina sobrealimentado, en particular del tipo de inyección de gasolina directa, porque dicha parte de arranque (C2) de elevación sustancialmente constante (H) está prevista en la parte inicial del ciclo de elevación de la válvula de admisión, con anterioridad con respecto al punto muerto superior (PMS) del pistón del cilindro respectivo, porque dichos medios de control electrónico están adaptados para mantener dicha válvula solenoide (24) cerrada durante dicha parte inicial del ciclo de elevación de válvula de admisión, de tal manera que se haga efectiva dicha parte de arranque (C2) cuando la velocidad de giro del motor esté por debajo de un valor de umbral preseleccionado, y porque a velocidades de motor elevadas, los medios electrónicos que controlan la válvula solenoide pueden mantener dicha válvula solenoide abierta en la fase que precede al punto muerto superior (PMS), de tal manera que una parte del perfil de la leva quede inefectiva, y la válvula de admisión permanezca cerrada sustancialmente sobre el punto muerto superior (PMS).
Description
Motor de combustión interna que presenta unas
válvulas de admisión con un accionamiento variable y un perfil de
elevación que incluye una parte de elevación constante de
arranque.
La presente invención se refiere a motores de
combustión interna multicilíndricos del tipo que incluye:
por lo menos una válvula de admisión y por lo
menos una válvula de escape para cada uno de los cilindros, estando
provista cada una de las mismas de medios de precarga de resorte
respectivos, que precargan la válvula hacia una posición cerrada,
para controlar los conductos de entrada y de escape respectivos,
por lo menos un árbol de levas para accionar las
válvulas de admisión y las válvulas de escape de los cilindros del
motor por medio de taqués respectivos,
en el que por lo menos cada válvula de admisión
presenta un accionamiento variable gracias al control mediante el
taqué respectivo, contra la acción de dichos medios de precarga de
resorte, mediante la interposición de medios hidráulicos que
incluyen una cámara de fluido bajo presión enfrentada a un pistón de
bombeo conectado al taqué de la válvula,
estando adaptada dicha cámara de fluido bajo
presión para su conexión por medio de una válvula solenoide a un
canal de descarga, con el fin de desacoplar la válvula de
accionamiento variable del taqué respectivo y de provocar el cierre
rápido de dicha válvula bajo la acción de los medios de precarga de
resorte respectivos; y
unos medios de control electrónico para
controlar cada válvula solenoide de manera que varíe el tiempo y la
extensión de la abertura de la válvula de accionamiento variable
como una función de uno o más parámetros de funcionamiento del
motor.
El solicitante ha estado desarrollando
dispositivos hidráulicos controlados electrónicamente del tipo
especificado anteriormente para el accionamiento variable de las
válvulas de motor desde hace tiempo. El solicitante también
presenta diversas patentes y solicitudes de patente con relación a
motores provistos de sistemas de este tipo. Como referencia
indicativa, la Figura 1 de los dibujos adjuntos muestra en sección
transversal un motor de acuerdo con dicha tecnología, según se
describe en la patente europea número EP 0 803 642 B1 que pertenece
al solicitante.
Haciendo referencia a la Figura 1, el motor que
se muestra en la misma es un motor multicilíndrico, por ejemplo un
motor con cuatro cilindros en línea, que incluye un cabezal de
cilindro 1.
El cabezal 1 comprende, para cada uno de los
cilindros, una cavidad 2 formada en la superficie de la base 3 del
cabezal 1, definiendo la cámara de combustión, en cuyo interior se
abren dos conductos de entrada 4, 5 y dos conductos de escape. La
comunicación de los dos conductos de entrada 4, 5 con la cámara de
combustión 2 se controla mediante dos válvulas de admisión 7, del
tipo de seta convencional, comprendiendo cada una de las mismas un
vástago 8 montado de manera que se pueda deslizar en el cuerpo del
cabezal 1.
Cada una de las válvulas 7 está precargada hacia
la posición cerrada mediante resortes 9 interpuestos entre una
superficie interior del cabezal 1 y una copa de válvula 10. La
comunicación de los dos conductos de escape 6 con la cámara de
combustión 2 se controla mediante dos válvulas 70, una vez más del
tipo convencional, a las que se asocian unos resortes 9 para
precargarlas hacia la posición cerrada.
La abertura de cada una de las válvulas de
admisión 7 se controla, de un modo que se explicará a continuación,
mediante un árbol de levas 11 montado de manera que permita su giro
alrededor de un eje 12 en los soportes del cabezal 1, y que
comprende una pluralidad de levas 14 para accionar las válvulas de
admisión 7.
Cada una de las levas 14 que controla una
válvula de admisión 7 coopera con la placa 15 de un taqué 16 montado
de manera que se pueda deslizar a lo largo de un eje 17 que, en el
caso del ejemplo ilustrado en el documento mencionado
anteriormente, se encuentra sustancialmente 90º con respecto al eje
de la válvula 7. La placa 15 está precargada contra la leva 14 por
medio de un resorte asociado a la misma. El taqué 16 comprende un
pistón de bombeo 16 montado de manera que se pueda deslizar en un
casquillo 18 dispuesto en un cuerpo 19 de una unidad premontada 20,
que incorpora la totalidad de los dispositivos eléctricos e
hidráulicos asociados con el funcionamiento de las válvulas de
admisión, según se describirá más adelante.
El pistón de bombeo 16 puede transmitir una
fuerza al vástago de la válvula 7, de manera que provoque la
abertura de esta última contra la acción de los medios de resorte
9, por medio del fluido a presión (preferentemente aceite
procedente del circuito de lubricación del motor) presente en una
cámara de presión C enfrentada al pistón de bombeo 16, y por medio
de un pistón 21 montado de manera que se pueda deslizar en un cuerpo
cilíndrico que comprende un casquillo 22 que también se encuentra
dispuesto en el cuerpo 19 de la subunidad 20.
En la solución conocida que se ilustra en la
Figura 1, la cámara de fluido a presión C asociada a cada una de
las válvulas de admisión 7 se podría situar en comunicación con un
canal de descarga 23 a través de una válvula solenoide 24. Dicha
válvula solenoide 24, que puede ser de cualquier tipo conocido
adecuado para la función ilustrada en el presente documento, se
controla por medios de control electrónicos, ilustrados de forma
esquemática y designados con el número de referencia 25, en
dependencia de señales S indicativas de los parámetros de
funcionamiento del motor, como por ejemplo la posición del
acelerador y la cantidad de revoluciones del motor.
Cuando se abre la válvula solenoide 24, la
cámara C entra en comunicación con el canal 23, de manera que el
fluido a presión presente en la cámara C fluye en dicho canal y la
leva 14, así como el taqué respectivo 16 se desacoplan de la
válvula 7 que, de este modo, retorna rápidamente a su posición
cerrada bajo la acción del resorte de precarga 9. Controlando la
comunicación entre la cámara C y el canal de descarga 23 se puede
variar según se desee el tiempo y la extensión (elevación) de la
abertura de cada una de las válvulas de admisión 7.
Todos los canales de descarga 23 de las
distintas válvulas solenoide 24 llevan al mismo canal longitudinal
26 comunicándose con acumuladores a presión 27, de los que
únicamente se muestra uno en la Figura 1.
La totalidad de los taqués 16 con los casquillos
asociados 19, 18, el pistón 21 con los casquillos asociados 22, las
válvulas solenoide 24 y los canales respectivos 23, 26 están
dispuestos o formados en dicho cuerpo 19 de la unidad premontada
20, lo que representa una ventaja en términos de velocidad y
sencillez de montaje del motor.
Las válvulas de escape 70 asociadas con cada
cilindro se controlan, en la forma de realización que se muestra en
la Figura 1, del modo tradicional, mediante un árbol de levas 28
respectivo, por medio de unos taqués 29 respectivos, aunque, en
principio, en el caso del documento identificado anteriormente, no
se excluye una aplicación del sistema de funcionamiento hidráulico
también para controlar las válvulas de escape.
Otra vez haciendo referencia a la Figura 1, la
cámara de volumen variable definida en el interior del casquillo 22
y enfrentada al pistón 21 (que en la Figura 1 se muestra en su
condición de volumen mínimo, estando dicho pistón 21 en su posición
de final de carrera más elevada) se comunica con la cámara del
fluido a presión C a través de una abertura 30 formada en una pared
final del casquillo 22. Esta abertura 30 está acoplada mediante un
flanco final 31 del pistón 21 de manera que se consiga una acción de
frenado hidráulico del movimiento de la válvula 7 en la etapa de
cierre, cuando dicha válvula se encuentre próxima a la posición de
cerrada, dado que el aceite presente en la cámara de volumen
variable se ve forzado a fluir en la cámara de fluido a presión C
pasando a través del juego existente entre el flanco final 31 y la
pared de la abertura 30 acoplada por el mismo. Además de la
comunicación constituida por la abertura 30, la cámara de fluido a
presión C y la cámara de volumen variable del pistón 21 se
comunican entre sí a través de pasos internos obtenidos mediante
una válvula unidireccional 32 que permite el paso del fluido
únicamente desde la cámara a presión C a la cámara de volumen
variable del pistón 21.
Durante el funcionamiento normal del motor
conocido ilustrado en la Figura 1, cuando la válvula solenoide 24
excluye la comunicación de la cámara de fluido a presión C con el
canal de descarga 23, el aceite presente en dicha cámara transmite
el movimiento del pistón de bombeo 16, impartido mediante la leva
14, al pistón 21 que controla la abertura de la válvula 7. En la
fase inicial del movimiento de abertura de la válvula, el fluido
proveniente de la cámara C alcanza la cámara de volumen variable del
pistón 21 pasando a través de la válvula unidireccional 32 y otros
pasos que ponen la cavidad interna del pistón 21, que presenta una
forma tubular, en comunicación con la cámara de volumen variable.
Después de un primer desplazamiento del pistón 21, el flanco 31
sale de la abertura 30, de manera que el fluido proveniente de la
cámara C puede pasar directamente al interior de la cámara de
volumen variable a través de la abertura 30, ahora libre.
En el movimiento opuesto de cierre de la
válvula, tal como se ha mencionado anteriormente, durante la fase
final el flanco 31 entra en la abertura 30 provocando el frenado
hidráulico de la válvula, de modo que se evite el choque del cuerpo
de la válvula contra su asiento, por ejemplo debido a una abertura
de la válvula solenoide 24 que provoca el retorno inmediato de la
válvula 7 a la posición de cierre.
Como una alternativa al dispositivo de frenado
hidráulico que se muestra en la Figura 1, el solicitante ya ha
propuesto también (véase la solicitud de patente europea número EP 1
344 900 A2) una solución diferente en la que el pistón 21 que
controla la válvula de admisión del motor no presenta un flanco
final y la válvula unidireccional 32, en lugar de estar situada en
el cuerpo del pistón 21, se encuentra en una parte fija. Además,
uno o más pasos que se comunican directamente con la cámara de
presión C presentan sus salidas en la pared del casquillo en el que
el pistón 21 se monta de manera que se pueda deslizar. Estos pasos
presentan una forma y están dispuestos de tal manera, que son
interceptados progresivamente por el pistón 21 en la fase final de
cierre de la válvula del motor, con el fin de provocar una
restricción de la sección del paso de fluido, con un efecto de
frenado hidráulico posterior. Además, en la solución propuesta en la
solicitud de patente europea número EP 1 344 900 A2, se dispone un
taqué hidráulico auxiliar entre el pistón 21 que controla la
válvula del motor y el vástago de la válvula del motor.
Con el fin de ilustrar otro ejemplo
significativo de la aplicación, ya propuesta por el presente
solicitante, la Figura 2 de los dibujos adjuntos muestra la forma
de realización que forma el objetivo de la aplicación anterior para
la patente europea EP 1 653 057 A1 del mismo solicitante. En este
caso, el motor está provisto de un árbol de levas individual para
controlar tanto las válvulas de admisión como las válvulas de
escape.
Haciendo referencia a la Figura 2, todos los
elementos del dispositivo hidráulico controlado electrónicamente
están dispuestos en una estructura de "ladrillo" 200 que
presenta un plano inferior que, en la condición montada,
corresponde al plano que pasa a través de los dos ejes 11, 28. El
eje 11 es el único árbol de levas del motor y, por ello, está
provisto tanto de levas para controlar las válvulas de admisión como
de levas para controlar las válvulas de escape del motor, mientras
que el eje 28 es un eje sin levas, uno de cuyos extremos sobresale
del cabezal de cilindro soportando una salida de potencia que se
puede aprovechar para el funcionamiento de cualquier sistema
auxiliar.
De forma similar a un motor convencional, los
dos ejes 11, 28 prevén unos extremos igualmente exteriores al
cabezal de cilindro que soportan los engranajes 202, 203 previstos
para su acoplamiento con la cadena de engranajes que transmite el
movimiento desde el eje de accionamiento a los ejes 11, 28.
El eje 11, tal como se ha mencionado
anteriormente, está provisto tanto de levas para el funcionamiento
de las válvulas de admisión del motor como de levas para el
funcionamiento de las válvulas de escape. De acuerdo con una
solución ya propuesta en la patente EP 1555398 A1 del mismo
solicitante, las levas que controlan las válvulas de admisión las
controlan por medio de un dispositivo hidráulico controlado
electrónicamente de un tipo similar al que se ha descrito haciendo
referencia a la Figura 1. En la Figura 2, las partes de dicho
dispositivo se indican con los mismos números de referencia
utilizados en la Figura 1. Al contrario, las válvulas de escape
funcionan de forma mecánica por medio de las levas respectivas del
eje 11. Tal como se puede apreciar con claridad en la Figura 2, las
válvulas de escape funcionan mediante brazos de balancín 204,
presentando cada uno de los mismos un extremo 205 que pivota con
respecto a la estructura del cabezal de cilindro, con un rodillo
intermedio que hace contacto con la leva respectiva, y el extremo
opuesto 206 que hace funcionar la válvula de escape 70 respectiva.
Al contrario, el elemento de bombeo 16 asociado a cada una de las
válvulas de escape se controla mediante un brazo de balancín 207
que pivota en la estructura de "ladrillo" 200 y que presenta
partes que se acoplan respectivamente con la leva de control
dispuesta en el eje 11, y con el elemento de bombeo 16. La Figura 2
también muestra la bujía de encendido 208 (y la bobina 209
respectiva) asociada al cilindro del motor. Tal como ya se ha
mencionado, el "ladrillo" soporta todos los elementos que
forman parte del dispositivo hidráulico controlado electrónicamente
para el funcionamiento variable de la válvula de admisión 7, así
como todos los conductos del sistema hidráulico asociado a dicho
dispositivo.
A partir del documento WO 98/34014 del mismo
solicitante, se conoce un sistema según se indica en el preámbulo
de la reivindicación 1. Se conocen otros sistemas a partir de los
documentos US-A-6 810
866, US-A-4 424 790 y
US2005/0241611.
El objetivo de la presente invención es mejorar
los sistemas de funcionamiento de válvula propuestos con
anterioridad por el mismo solicitante, con el fin de permitir que
se consigan ventajas adicionales en términos de un mejor
funcionamiento del motor, particularmente un mejor rendimiento y/o
un menor consumo y/o una reducción de contaminantes en el escape,
tanto en el caso de motores de gasolina como en el caso de motores
diesel.
El objetivo anterior se alcanza mediante un
sistema según la reivindicación 1 o la reivindicación 4.
La característica principal de la invención
recae en el hecho de que la leva que controla cada una de las
válvulas de admisión presenta una forma de manera que genere un
perfil de elevación de la válvula de admisión que incluya una parte
de arranque con una elevación sustancialmente constante.
Tal como se pondrá de manifiesto a continuación,
la combinación de prever una leva que controle la válvula de
admisión provista de esta característica con un sistema de
funcionamiento variable de la válvula del tipo descrito
anteriormente abre el camino a una serie de mejoras significativas y
ventajas de funcionamiento tanto en el caso de motores de gasolina
como en el caso de motores diesel.
En el caso de un motor de gasolina, dicha parte
de arranque con una elevación sustancialmente constante en el
perfil de elevación de la válvula de admisión está provista en la
parte inicial del ciclo de elevación de la válvula de admisión, y
adelantada al punto muerto superior (PMS) del pistón del cilindro
respectivo. Además, en el caso de esta aplicación, los medios
electrónicos de control del sistema de funcionamiento de la válvula
de admisión están programados para mantener dicha válvula solenoide
cerrada cuando la velocidad de giro del motor se encuentre por
debajo de un valor preseleccionado.
De este modo, cuando la velocidad del motor sea
relativamente baja y, en cualquier caso, esté por debajo de dicho
valor preseleccionado, el perfil de elevación de la válvula de
admisión únicamente se determina por medio del perfil de su leva de
control. Tal como se indica, este perfil de la leva es tal, que
genera una parte de elevación de arranque sustancialmente constante
en el perfil de elevación de la válvula, con anterioridad al punto
muerto superior. Esto provoca un solapamiento de la fase de escape
con la posterior fase de entrada del motor, dado que la válvula de
admisión, que se abre antes del punto muerto superior, ya está
abierta en la parte final de la fase de escape
anterior.
anterior.
La abertura de la válvula de admisión en la
parte final de la fase de escape provoca una acción de
"barrido" de la cámara de combustión, dado que la mayor
presión que existe en el colector de entrada (especialmente en el
caso de un motor sobrecargado) con respecto a la presión que existe
en el colector de escape, provoca un incremento en la masa de aire
succionado al interior del cilindro.
La aplicación anterior de la invención está
indicada particularmente en el caso de un motor de gasolina
sobrealimentado con inyección directa de gasolina en el cilindro,
dado que la inyección directa evita el riesgo de que la gasolina no
quemada se envíe directamente al colector de escape durante la
abertura simultánea de las válvulas de admisión y de escape, sin
embargo, este riesgo no resulta despreciable en el caso de
combustible que se inserta en el colector de entrada.
Una vez más en el caso de la aplicación
anterior, a velocidades de motor elevadas, los medios electrónicos
que controlan la válvula solenoide pueden mantener dicha válvula
solenoide abierta en la fase que precede el PMS, de modo que la
primera parte del perfil de la leva se queda inefectiva y la válvula
de admisión permanece cerrada sustancialmente sobre el PMS. A unas
velocidades tan elevadas, además, un solapamiento extenso de las
fases de entrada y escape resulta desfavorable para las prestaciones
del motor.
También se deberá observar que ya se han
propuesto motores provistos de un primer árbol de levas para
controlar la válvula de admisión y de un segundo árbol de levas
para controlar las válvulas de escape, en los que se prevén medios
para variar la fase angular de cada árbol de levas con respecto al
eje de accionamiento, que hace que se pueda variar la extensión del
solapamiento de la fase de escape y de entrada como una función de
la velocidad del motor. Con respecto a dichos sistemas, el sistema
según la invención garantiza la ventaja de conseguir el mismo
resultado en un motor provisto de un único árbol de levas para
controlar las válvulas de admisión y de escape, como el que se
ilustra en la Figura 2.
Otra vez en el caso de la forma de realización
anterior de la invención aplicable a un motor de gasolina, el
arranque de elevación constante que comprende parte del perfil de
elevación de la válvula de admisión presenta una altura menor de un
cuarto de la elevación máxima de la válvula. Además, este arranque
de elevación constante se extiende en un ángulo que no es menor de
40º del giro del eje del motor antes del punto muerto superior
(PMS).
También se deberá observar que cuando en la
presente descripción y en las reivindicaciones adjuntas se utilice
la expresión "arranque de elevación sustancialmente constante"
se pretende incluir tanto el caso de una parte del ciclo de
elevación de la válvula en el que la altura de la válvula permanece
rigurosamente constante, como el caso en el que dicha altura no
varíe en ningún caso en más de 0,2 mm/rad.
A continuación, se mostrarán otras
características y ventajas de la forma de realización anterior de la
invención para su aplicación en un motor de gasolina.
En una segunda forma de realización de la
presente invención, que se aplicará a un motor diesel, dicho
arranque con una elevación sustancialmente constante se prevé en la
parte final del ciclo de elevación de la válvula de admisión,
después del PMI, y se extiende en un ángulo de giro del eje del
motor que no es menor de 40º y no es mayor de 100º después del
PMI.
Preferentemente, este arranque de elevación
constante presenta una altura que no es superior a 1/3 de la
elevación máxima de la válvula.
También en el caso de esta segunda forma de
realización, los medios de control electrónicos están programados
para mantener la válvula solenoide que controla la válvula de
admisión en una condición cerrada en condiciones específicas de
funcionamiento del motor, de manera que en estas condiciones, la
válvula de admisión presenta un perfil de elevación correspondiente
al perfil de su leva de control, estando dicho arranque de elevación
constante en la parte final del ciclo de abertura de la válvula. Al
contrario, en otras condiciones de funcionamiento del motor, los
medios electrónicos de control mantienen la válvula solenoide que
controla la abertura de la válvula de admisión, de manera que se
puede reducir el tiempo de dicha parte final con un arranque de
elevación constante, o excluir completamente, en cuyo caso el motor
funciona como un motor convencional.
La válvula solenoide se regula de tal manera,
que el arranque de elevación constante presenta una duración que
varía entre 40º y 100º después del PMI, en las zonas de carga
parcial del motor y a velocidades medias-bajas, en
las que las emisiones contaminantes presentan un peso mayor en la
utilización real del motor.
A mayores cargas del motor, la válvula solenoide
se regula de manera que excluya el arranque de elevación constante,
con el fin de maximizar el llenado del cilindro.
Cuando se activa el arranque de elevación
constante, se obtienen ventajas con respecto a la reducción de
contaminantes en el escape del motor. Además, extendiendo la parte
final del ciclo de abertura de la válvula de admisión con un
arranque de elevación constante provoca de forma acentuada el cierre
retardado de la válvula de admisión con respecto al punto muerto
inferior (PMI) del pistón del cilindro respectivo, que provoca,
durante la elevación del pistón, que una parte del aire succionado
durante la fase de entrada se empuje hacia afuera a través del
conducto de entrada. Esto da lugar a una reducción en la razón de
compresión efectiva, cuya consecuencia es una reducción en la
emisión de humo y óxidos de nitrógeno en el escape.
Resulta particularmente importante observar que
el perfil de la leva que controla la válvula de admisión según esta
segunda forma de realización de la invención, si se combina con un
control de válvula tradicional, daría lugar a importantes
desventajas en el funcionamiento del motor. Además, debido al
elevado reflujo de aire en el conducto de entrada, que siempre
estaría presente en su extensión máxima, se podría provocar una
dificultad al arrancar el motor, junto con una reducción drástica
en el rendimiento del motor y un incremento inaceptable de las
emisiones contaminantes en el escape. La combinación de una leva que
presente el perfil definido anteriormente, combinada con un sistema
de funcionamiento variable, también descrito anteriormente, permite
que la duración en tiempo del arranque de elevación constante en el
ciclo de abertura de la válvula de admisión, posterior al punto
muerto inferior, se pueda graduar desde cero hasta un valor
máximo.
En la descripción siguiente se ponen de
manifiesto otras características y ventajas de la segunda forma de
realización, así como las de la primera forma de realización,
haciendo referencia a los dibujos adjuntos proporcionados a título
de ejemplo no limitativo, en los que:
la Figura 1 muestra una sección transversal de
un motor según la técnica anterior, del tipo descrito por ejemplo
en la patente europea EP 0 803 642 B1 del solicitante, que aquí se
muestra para ilustrar los principios fundamentales de un sistema de
accionamiento de válvula variable del tipo ya propuesto por el
solicitante,
la Figura 2 muestra una sección transversal de
una aplicación adicional del sistema propuesto previamente por el
mismo solicitante, según se ilustra en la solicitud de patente
europea número EP 1 653 057 A1, caracterizado principalmente en que
proporciona un único árbol de levas para controlar las válvulas de
admisión y las válvulas de escape,
la Figura 3 muestra, en diagrama, la variación
en la elevación de las válvulas de admisión y de escape de un motor
tradicional con dos árboles de leva para controlar las válvulas de
admisión y las válvulas de salida, provisto de dispositivos de
variación de fase,
la Figura 4 muestra un ejemplo de una leva de
entrada provista en un motor según una primera forma de realización
de la presente invención,
la Figura 5 muestra, en diagrama, el principio
de funcionamiento de dicha primera forma de realización según la
invención,
la Figura 6 muestra, de forma esquemática, el
perfil de la leva que controla la válvula de admisión según se
prevé en la segunda forma de realización de la presente invención,
y
la Figura 7 muestra el principio de
funcionamiento de la segunda forma de realización de la
invención.
La Figura 3 de los dibujos adjuntos muestra,
como ejemplo, los diagramas de elevación de válvula de admisión y
de escape en un motor según la técnica anterior del tipo que incluye
un primer árbol de levas para controlar las válvulas de admisión,
un segundo árbol de levas para controlar las válvulas de escape, y
dispositivos de variación de fase de ambos árboles de leva que
permiten que se pueda variar el grado de solapamiento entre las
fases de entrada y de escape, en relación con la variación de la
velocidad del motor. En motores de ignición por chispa,
especialmente motores sobrealimentados y aquéllos que implican la
inyección directa de gasolina en la cámara de combustión, se sabe
que se pueden aprovechar zonas amplias de superposición entre la
elevación de la válvula de escape y la elevación de la válvula de
admisión (diagramas SI y A1 en la Figura 3), con el fin de obtener,
a velocidades del motor bajas y cargas elevadas, una masa de aire
succionado en el cilindro incrementada, aprovechando la diferencia
de presión favorable entre el colector de entrada y el colector de
escape, que en esas condiciones se ve favorecido por la sobrecarga,
de manera que se consigue un efecto de barrido. Tal como ya se ha
indicado, este modo de funcionamiento resulta particularmente
adecuado en motores con inyección directa de gasolina en el
cilindro, dado que evita que la gasolina no quemada se envíe al
colector de escape, lo que ocurriría en el caso de inyección en el
colector de entrada.
A mayores velocidades de motor, en las que el
solapado extensivo de las válvulas de admisión y de escape resulta
desfavorable para el rendimiento, se activan los dispositivos de
variación de fase (dispositivos que permiten que se regule la
posición angular del árbol de levas para la misma posición del eje
de accionamiento) de manera que se reduce la superposición de la
elevación de válvula (diagramas S2, A2 en la Figura 3).
En la primera forma de realización de la
presente invención, dicho efecto de "barrido", que se puede
conseguir también mediante motores convencionales, se consigue
gracias a la combinación de un sistema de accionamiento de válvula
variable del tipo descrito anteriormente, con el uso de levas que
controlen las válvulas de admisión, que presentan el perfil que se
muestra de forma esquemática en la Figura 4. En dicha Figura, el
perfil se ilustra con respecto a una dirección contraria al sentido
de las agujas del reloj del giro de la leva. Tal como se puede
apreciar, la parte C1 del perfil de la leva que provoca la elevación
de la válvula de admisión presenta una parte de arranque C2, con la
elevación de la válvula sustancialmente constante, en la parte
inicial del ciclo de elevación de válvula.
La Figura 5 de los dibujos adjuntos muestra, con
la referencia A, el perfil de elevación de la válvula de admisión
provocado por la leva ilustrada en la Figura 4. De acuerdo con la
invención, esta leva se utiliza en combinación con levas
tradicionales para accionar las válvulas de escape, que producen un
perfil tradicional de elevación para las válvulas de escape,
indicado con la referencia S en la Figura 5.
Tal como se puede apreciar con claridad en la
Figura 5, en el caso de la primera forma de realización de la
invención, el perfil de elevación A de la válvula de admisión
presenta en su parte inicial una parte de arranque C2 que se
extiende en un ángulo D antes de la posición del ángulo del motor
correspondiente al punto muerto superior (PMS) del pistón en su
cilindro respectivo.
Tal como ya se ha indicado anteriormente, a
velocidades de motor bajas y cargas elevadas, cuando se puede
aprovechar la diferencia de presión favorable entre la entrada y el
escape debido a la sobrealimentación, la válvula solenoide que
controla la válvula de admisión se mantiene cerrada, de manera que
se lleve a cabo el arranque C2 de la leva, creando así un solapado
de fase amplio con la válvula de escape que provoca el efecto de
"barrido" descrito anteriormente y el consecuente incremento en
la masa de aire introducido en el cilindro. La activación del
arranque C2 se consigue cerrando la válvula solenoide del sistema de
funcionamiento de válvula antes del punto P en el diagrama de la
Figura 5.
Obviamente, gracias a la predisposición del
sistema de accionamiento de válvula variable, la parte final del
ciclo de abertura de la válvula de admisión puede ser el que se
ilustra en el diagrama A, o puede terminar de forma avanzada, tal
como se ilustra con la línea B (todos los perfiles incluidos entre A
y B son posibles gracias al control adecuado de la válvula
solenoide que controla la válvula de admisión).
A velocidades mayores del motor, cuando un
solapado extensivo entre las válvulas de escape y de entrada
resultaría antiproductivo, se activa la elevación de la válvula de
entada indicada con la referencia C. Por lo tanto, en este caso, la
válvula solenoide se mantiene abierta a través del campo angular que
precede el PMS, de manera que se excluye completamente el arranque
de elevación constante C2.
Asimismo, también se puede mantener la válvula
solenoide abierta para un campo angular determinado posterior al
punto P en la Figura 5 y después cerrarla en cualquier caso con
anterioridad con respecto al PMS, de manera que tenga lugar, por
ejemplo, un perfil de elevación del tipo que se indica con la
referencia A1 en la Figura 5.
Obviamente, la geometría de la leva que se
muestra en la Figura 4 es la que determina la elevación H y la
duración D ilustradas en la Figura 5. Dicha geometría se ve mejorada
dependiendo de la aplicación. En cualquier caso, preferentemente, H
no es mayor que un cuarto de la elevación máxima de la válvula de
admisión (H_{max} en la Figura 2), y D no debe ser menor de 40º
del ángulo del motor, para permitir a la válvula solenoide el
tiempo suficiente para cerrarse en la zona de elevación constante a
velocidades del motor elevadas.
Tal como ya se ha mencionado, el arranque C2
puede ser de elevación H rigurosamente constante, o en cualquier
caso una variación de elevación que no sea superior a 0,2
mm/radio.
Sin embargo, en el control del motor descrito
anteriormente no resulta importante asegurar que la válvula
solenoide se cierra antes de la parte inclinada del perfil A, dado
que, de otro modo, a velocidades elevadas podrían aparecer marcados
los picos de presión en el fluido (típicamente el aceite de
lubricación del motor) en la cámara de presión del sistema de
control de la válvula. Estos picos (golpes de ariete) podrían dañar
el sistema y comprometer el control de la válvula.
Del mismo modo, resulta importante que la rampa
de acercamiento indicada con la referencia R en la Figura 5
presenta una pendiente de menos de 2 mm/rad., por dos motivos:
- -
- para limitar el vaciado por inercia de la cámara de presión del sistema de funcionamiento de la válvula a velocidades elevadas, cuando la válvula solenoide se cierra en la parte a una elevación constante de una duración D, para asegurar la regularidad de la elevación sucesiva C;
- -
- para controlar continuamente, a velocidades bajas, tanto la cantidad de aire atrapado durante el barrido a cargas elevadas, como la cantidad de gases quemados que se hacen recircular por inercia en cargas parciales (véase por ejemplo el cierre de la válvula solenoide en el punto Q y la consecuente elevación A_{1} en la Figura 5).
En una segunda forma de realización de la
invención, para su ampliación a un motor diesel, las levas que
controlan las válvulas de admisión presentan el perfil indicado de
forma de diagrama en la Figura 6 (haciendo referencia a un giro en
dirección contraria a la de las agujas del reloj del árbol de
levas), de manera que se genere un perfil de elevación de válvula
de admisión del tipo que se muestra en la Figura 7.
En motores de ignición de compresión modernos,
uno de los retos más significativos es el cumplimiento de las
regulaciones europeas cada vez más estrictas, que limitan la emisión
de sustancias contaminantes (EURO IV, EURO V). Estas normativas
limitan de forma severa las cantidades máximas permisibles de
partículas (humo) y óxidos de nitrógeno (NO_{x}) emitidos durante
un ciclo de ensayo aprobado y estándar. El combustible utilizado
para los motores diesel (gasóleo) es mucho menos volátil que la
gasolina y entra en la cámara de combustión hacia el final de la
fase de compresión. Así, tiene poco tiempo para vaporizarse y
mezclarse con el aire que ha sido succionado. La producción de humo
tiene lugar cuando algunas gotas de combustible (las gotas mayores)
no pueden vaporizarse por completo durante la combustión y entran en
el escape en forma de pequeñas partículas de carbón, o cuando las
condiciones de la mezcla de aire y combustible diesel, en la forma
de vapor, son localmente demasiado ricas. La producción de NO_{x}
es mayor cuando la combustión tiene lugar a temperaturas muy
elevadas.
Se han estudiado varios métodos para reducir
estos tipos de emisiones contaminantes: el uso de presiones de
inyección muy elevadas, para garantizar una mejor pulverización del
combustible, la recirculación de gas de escape (EGR) en la entrada
para reducir la temperatura de combustión, el uso de filtros de
partículas, la reducción de la razón de compresión geométrica, y
otros. Estos sistemas han obtenido buenos resultados, pero las
regulaciones serán incluso más rigurosas en el futuro y, por ello,
resulta necesario concebir nuevas estrategias para reducir aún más
las emisiones.
La segunda forma de realización de la invención
se desarrollo con esta idea, de manera que permita mejoras
remarcables en la limitación de la emisión de humo y NO_{x} y en
motores diesel. El concepto está basado en la reducción de la razón
de compresión efectiva utilizando una leva del tipo que se ilustra
en la Figura 6, en combinación con un sistema de funcionamiento
variable del tipo que ya ha propuesto el solicitante.
De acuerdo con esta segunda forma de
realización, la leva que controla las válvulas de admisión es tal,
que puede generar un arranque de elevación sustancialmente
constante en la parte final del ciclo de elevación de la válvula
(Figura 7), de manera que haga que las válvulas de admisión se
cierren con un retraso importante con respecto al punto muerto
inferior (PMI) del pistón en el cilindro respectivo. De este modo,
cuando se eleva el pistón, parte del aire succionado durante la
fase de entrada se empuja hacia afuera y se hace retornar al
conducto de entrada. Tal como se puede apreciar, la leva retrasa el
cierre de la válvula de admisión, manteniendo la elevación
prácticamente constante en un valor predeterminado, en una duración
mínima de 40º del ángulo del motor, hasta un valor máximo de 100º
del ángulo del motor. La investigación y los experimentos que el
solicitante ha llevado a cabo han demostrado que una duración por
encima de 100º no ofrece dichos beneficios.
En la Figura 7, el diagrama A indica el perfil
de elevación de válvula producido por una leva que presenta la
geometría ilustrada en la Figura 6, cuando la válvula solenoide del
sistema de funcionamiento de la válvula se mantiene cerrada. A
medida que varían las condiciones de funcionamiento del motor, se
puede reducir la duración de la parte del diagrama que comprende el
arranque C2 a una elevación constante (perfiles A1, A2, A3)
abriendo la válvula solenoide del sistema de funcionamiento en el
momento requerido, o se puede eliminar por completo (diagrama
A4).
Mientras mayor es el retraso del cierre de la
válvula, menor es la razón de compresión efectiva obtenida, y mayor
el reflujo de aire. Sin embargo, gracias al sistema de
funcionamiento de válvula variable, se puede graduar este efecto e
incluso retornar al perfil convencional A_{4} cuando se requiere
para un funcionamiento con una razón de compresión mayor.
Resulta importante observar que una leva como la
que se ilustra en la Figura 6 no se podría utilizar en un motor
provisto de un sistema de funcionamiento de válvula tradicional.
Asimismo, en ese caso existirían importantes desventajas para el
funcionamiento del motor, dado que, debido al elevado reflujo del
aire, siempre presente en su máxima extensión, resultaría difícil
el arranque del motor, se daría una reducción drástica en las
prestaciones del motor, y un incremento inaceptable de las
emisiones contaminantes. Al contrario, la combinación de una leva
del tipo ilustrado en la Figura 6 con un sistema de funcionamiento
de válvula variable del tipo descrito anteriormente, permite la
regulación adecuada del efecto de reflujo, de modo que se adapte a
las condiciones de funcionamiento del motor.
Tal como ya se ha indicado, debido al efecto del
cierre retrasado de la válvula de admisión, el aire que permanece
en el cilindro empieza a ser comprimido de forma efectiva únicamente
después de dicho cierre. Por lo tanto, se consigue una reducción en
la razón de compresión efectiva que conduce a una reducción de la
presión y a una reducción de la temperatura en el momento en el que
se inyecta el combustible, con respecto a las válvulas que se
podrían obtener en un motor convencional. La presión reducida y los
valores de temperatura provocan un incremento en el retraso de
ignición, que es un incremento en el intervalo de tiempo entre el
momento en el que se inyecta el combustible y el tiempo en el que
empieza a quemar. Por lo tanto, el combustible tiene más tiempo
disponible para vaporizarse y mezclarse con el aire, reduciendo la
emisión de humo en el escape.
De este modo, gracias a la reducción de la
emisión de partículas (que eleva el "límite de hollín" del
motor) se puede incrementar la extensión de la recirculación de gas
de escape (EGR) de manera que se reduzcan los óxidos de nitrógeno.
Los gases que se hacen recircular con el sistema EGR constituyen una
masa adicional que no toma parte en la combustión y que tiene el
efecto de provocar el aumento de la presión de combustión, aunque
provocando un descenso adicional de la temperatura media, dado que
el calor producido por el quemado del combustible se comparte a
través de una masa mayor. Este descenso de la temperatura media de
la combustión reduce la formación de óxidos de nitrógeno
(NO_{x}). En conclusión, el uso de una leva que presente el perfil
ilustrado en la Figura 6 en combinación con el sistema de
accionamiento de válvula variable permite los efectos beneficiosos
descritos anteriormente para la regulación de un modo óptimo según
el cambio de las condiciones de funcionamiento del motor, para
obtener la reducción máxima de la emisión de humo y de óxidos de
nitrógeno.
Claims (7)
1. Motor de combustión interna multicilíndrico,
que incluye:
por lo menos una válvula de admisión (7) y por
lo menos una válvula de escape para cada cilindro, estando provista
cada una de las mismas de unos medios de precarga de resorte (9)
respectivos, que precargan la válvula (7) hacia una posición
cerrada, para controlar los conductos de entrada y de escape
respectivos,
por lo menos un árbol de levas para accionar las
válvulas de admisión (7) y las válvulas de escape de los cilindros
del motor por medio de unos taqués (15) respectivos,
en el que por lo menos cada válvula de admisión
(7) es del tipo de accionamiento variable gracias al control
mediante el taqué (15) respectivo, contra la acción de dichos medios
de precarga de resorte (9), mediante la interposición de unos
medios hidráulicos que incluyen una cámara de fluido bajo presión
(C) enfrentada a un pistón (16) de bombeo conectado al taqué (15)
de la válvula,
estando adaptada dicha cámara de fluido bajo
presión (C) para su conexión por medio de una válvula solenoide
(24) a un canal de descarga, con el fin de desacoplar la válvula de
accionamiento variable (7) del taqué (15) respectivo y de provocar
el cierre rápido de la válvula (7) bajo la acción de los medios de
precarga de resorte (9) respectivos; y
unos medios de control electrónico (25) para
controlar cada válvula solenoide (24) de manera que varíe el tiempo
y la extensión (elevación) de la abertura de la válvula de
accionamiento variable como una función de uno o más parámetros de
funcionamiento del motor,
en el que la leva que controla cada válvula de
admisión presenta una forma de manera que genere un perfil de
elevación de válvula que incluya una parte de arranque (C2) con una
elevación (H) sustancialmente constante,
caracterizado porque dicho motor es un
motor de gasolina sobrealimentado, en particular del tipo de
inyección de gasolina directa,
porque dicha parte de arranque (C2) de elevación
sustancialmente constante (H) está prevista en la parte inicial del
ciclo de elevación de la válvula de admisión, con anterioridad con
respecto al punto muerto superior (PMS) del pistón del cilindro
respectivo,
porque dichos medios de control electrónico
están adaptados para mantener dicha válvula solenoide (24) cerrada
durante dicha parte inicial del ciclo de elevación de válvula de
admisión, de tal manera que se haga efectiva dicha parte de
arranque (C2) cuando la velocidad de giro del motor esté por debajo
de un valor de umbral preseleccionado, y
porque a velocidades de motor elevadas, los
medios electrónicos que controlan la válvula solenoide pueden
mantener dicha válvula solenoide abierta en la fase que precede al
punto muerto superior (PMS), de tal manera que una parte del perfil
de la leva quede inefectiva, y la válvula de admisión permanezca
cerrada sustancialmente sobre el punto muerto superior (PMS).
2. Motor según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha parte de arranque (C2) de
elevación constante (H) cubre un ángulo de por lo menos 40º del
giro del eje de accionamiento antes del PMS.
3. Motor según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha parte de arranque (C2) presenta
una variación de elevación inferior a 0,2 mm/rad.
4. Motor de combustión interna multicilíndrico,
que incluye:
por lo menos una válvula de admisión (7) y por
lo menos una válvula de escape para cada cilindro, estando provista
cada una de las mismas de unos medios de precarga de resorte (9)
respectivos, que precargan la válvula (7) hacia una posición
cerrada, para controlar los conductos de entrada y de escape
respectivos,
por lo menos un árbol de levas para accionar las
válvulas de admisión (7) y las válvulas de escape de los cilindros
del motor por medio de unos taqués (15) respectivos,
en el que por lo menos cada válvula de admisión
(7) es del tipo de accionamiento variable gracias al control
mediante el taqué (15) respectivo, contra la acción de dichos medios
de precarga de resorte (9), mediante la interposición de unos
medios hidráulicos que incluyen una cámara de fluido bajo presión
(C) enfrentada a un pistón (16) de bombeo conectado al taqué (15)
de la válvula,
estando adaptada dicha cámara de fluido bajo
presión (C) para su conexión por medio de una válvula solenoide
(24) a un canal de descarga, con el fin de desacoplar la válvula de
accionamiento variable (7) del taqué (15) respectivo y de provocar
el cierre rápido de dicha válvula (7) bajo la acción de los medios
de precarga de resorte (9) respectivos; y
unos medios de control electrónico (25) para
controlar cada válvula solenoide (24) de manera que varíe el tiempo
y la extensión (elevación) de la abertura de la válvula de
accionamiento variable como una función de uno o más parámetros de
funcionamiento del motor,
en el que la leva que controla cada válvula de
admisión presenta una forma para generar un perfil de elevación de
válvula que incluye una parte de arranque (C2) con una elevación (H)
sustancialmente constante,
caracterizado porque dicho motor es un
motor diesel,
porque dicha parte de arranque (C2) de elevación
sustancialmente constante (H) está prevista en la parte final del
ciclo de elevación de la válvula de admisión, después del punto
muerto inferior (PMI), y porque
dichos medios de control electrónico están
adaptados para controlar dicha válvula solenoide (24) de manera que
se reduzca la duración de dicha parte de arranque (C2) a una
elevación constante mediante la abertura de la válvula solenoide
(24) cuando se requiera para su funcionamiento con una razón de
compresión mayor.
5. Motor según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicha parte de arranque (C2) cubre un
ángulo de giro del eje de accionamiento no inferior a 40º y no
superior a 100º después de PMI.
6. Motor según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicha elevación constante (H) de dicha
parte de arranque (C2) no es superior a un tercio de la elevación
máxima de la válvula.
7. Motor según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicha parte de arranque (C2) presenta
una variación de elevación no inferior a 0,2 mm/rad.
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| EP06425851A EP1936132B1 (en) | 2006-12-20 | 2006-12-20 | Internal combustion engine with intake valves having a variable actuation and a lift profile including a constant lift boot portion |
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