Introducción
Fundamentalmente, cuanto mayor es la cantidad de aire que penetra en el cilindro, mayor será la potencia que desarrolla el motor, por eso es fundamental el sistema de distribución que es el encargado regular los tiempos del funcionamiento del motor. La distribución (respiración) del motor va estar controlada por el árbol de levas que es el elemento fundamental junto con las válvulas.
Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que las válvulas abren y cierran mucho más deprisa. Lo ideal es que la válvula de admisión se abra un poco antes del inicio de la carrera de admisión, y la de escape un poco antes de iniciarse la carrera de escape, para ayudar así al vaciado y llenado de los cilindros. El inconveniente proviene de que el momento óptimo de apertura de las válvulas es diferente para cada régimen del motor, por lo que resulta imprescindible sacrificar rendimiento en todos los regímenes de giro para obtener un resultado aceptable también en todos los regímenes de giro. Lo que hace la distribución variable es precisamente cambiar el momento de apertura y cierre de las válvulas en función del régimen del motor. Los sistemas más sofisticados también pueden controlar el tiempo durante el que la válvula permanece abierta
A la hora de cambiar los tiempos de distribución tenemos que hacer una serie de consideraciones sobre los sistemas de distribución en general:
Sincronización de las válvulas
En la figura inferior se ilustra un diagrama de distribución así como la apertura de las válvulas y el llamado "cruce de válvulas". Hay que destacar los siguientes puntos:
La válvula de admisión debe abrirse antes del P.M.S., es decir, antes de que el pistón empiece a descender en el tiempo de admisión.
La válvula de admisión permanece abierta mucho después del P.M.I., (en plena fase de compresión) para aprovechar la velocidad de los gases entrantes, lo cual ayuda a introducir una cantidad adicional de la mezcla de aire y combustible en el cilindro.
La válvula de admisión regula el rango de revoluciones del motor. Si esta se cierra mas tarde, entra mas combustible en el cilindro y, por lo tanto, las revoluciones aumentan.
El punto de cierre de la válvula de admisión también determina la relación de compresión efectiva, opuesto a lo que ocurre con la relación de compresión estática. Si la válvula se cierra mas tarde, la compresión real del motor será menor.
La válvula de escape debe abrirse mucho antes de que termine el tiempo de explosión para liberar la presión de los gases en expansión que están en el cilindro antes de que el pistón suba en el tiempo de escape. La potencia del motor no se ve afectada por el hecho de que las válvulas de escape se abran en ese punto, ya que la mayor parte de la potencia de los gases en explosión ha sido transmitida al pistón durante el tiempo de explosión. La válvula de escape debe estar casi totalmente abierta en el momento en el que pistón alcance la velocidad máxima. De esta manera, no hay resistencia al movimiento causada por la presión del gas de admisión, la cual produciría una perdida de bombeo.
La leva mantiene abierta la válvula de escape pasado el P.M.S. En regímenes elevados, la inercia del gas que sale del cilindro crea un vacío tras de si, absorbiendo más mezcla de admisión. Al vaciar al máximo el cilindro de gases de escape, aumenta la capacidad para alojar la mezcla fresca de aire y combustible, aumentado así la potencia del motor.
Cruce de válvulas
El periodo de cruce de válvulas tiene lugar en el inicio del tiempo de admisión, cuando la válvula de admisión ya esta abierta y la de escape no se ha cerrado por completo. Los motores de serie tienen un cruce de válvulas de 15 a 30 grados de giro del cigüeñal. En el ejemplo de la figura superior la magnitud del cruce es de 20 grados. Los árboles de levas de los vehículos de carreras tienen cruces de válvulas que van de 60 a 100 grados. Un cruce adicional proporciona un llenado de cilindro mas eficaz a altas revoluciones, pero produce un vacío en el motor mas bajo, así como una mayor pobreza en el rendimiento en los bajos regímenes, en la calidad de marcha en ralentí y en la economía de combustible a baja velocidad.
Si la válvula de admisión se abre demasiado pronto, la calidad de marcha en ralentí se deteriora, mientras que el rendimiento en regímenes elevados no mejora demasiado. La velocidad máxima del pistón en el tiempo de admisión se alcanza antes de la apertura máxima de válvula, por lo que si la válvula se abre antes, podría mejorar la respiración del motor. El factor del cruce de válvulas que afecta al rendimiento en regímenes elevados es el cierre de la válvula de escape. De hecho, aumentar el tamaño de la válvula de escape y su orificio correspondiente no suele considerarse demasiado adecuado para la obtención de mas potencia, ya que la válvula de escape limita en mayor medida el flujo procedente del cilindro a medida que se cierra.
Un cruce elevado de válvulas puede generar problemas de holguras entre la válvula y el pistón, es decir, que podrían llegar a tocarse. La elevada alzada de las válvulas no causa este problema, ya que el pistón esta en una posición baja dentro del cilindro cuando la válvula se abre al máximo.
Un cruce válvulas mas reducido aumenta la presión en el cilindro a revoluciones mas bajas.
Los diseñadores de árboles de levas intentan minimizar el cruce de válvulas al tiempo que procuran maximizar el rendimiento en regímenes elevados.
Forma de levas
Las levas están formadas por un circulo base y una cresta que esta flanqueada por dos costados mas o menos rectos. Las levas tienen un contorno preciso. Su forma constituye una solución de compromiso, ya que el perfil de leva que mejora el rendimiento a altas revoluciones impide un funcionamiento optimo a bajas revoluciones. Esto se debe a la inercia de los gases. La inyección de aire mas grande tiene lugar cuando la velocidad del pistón alcanza su nivel máximo, que ocurre cuando el diferencial de presión entre el interior y el exterior llega a su máximo.
Los dos factores que caracterizan el contorno de la leva son la alzada y el ángulo de apertura. La alzada es la altura a la que la leva eleva el taqué, mientras que el ángulo de apertura es el numero de grados del giro del cigüeñal durante los cuales la válvula esta fuera de su asiento.
La mayor parte de los árboles de levas están diseñados para dividir el cruce de válvulas, es decir, mantener la misma apertura de las válvulas de admisión y de escape en el P.M.S. Si la válvula de admisión está mas abierta en el P.M.S. que la de escape, se dice que el árbol de levas esta "adelantado", mientras que si esta ultima es la que esta mas abierta que la primera, el árbol de levas esta "retrasado". Un árbol de levas de patrón único tiene levas con la misma forma en ambos costados (flanco de cierre y flanco de apertura). Un diseñador de arboles de levas puede efectuar un ajuste fino en el funcionamiento del motor cambiando el punto en el que se abre o se cierra una válvula. Las levas cuyos flancos presentan formas distintas se consideran "asimétricas".
Arboles de levas de alto rendimiento
Se instalan arboles de levas de alto rendimiento sin tener en cuenta que esto conlleva otras modificaciones necesarias. Estos árboles de levas deben ir acompañados de muelles mas fuertes para que los componentes de las válvulas se mantengan en contacto en regímenes elevados (para evitar el fenómeno de "válvula flotante". Tenga cuidado de no llegar a la compresión total del muelle, en el caso de que el árbol de levas nuevo produzca una alzada de válvula demasiado elevada para la altura del muelle. En tal caso, lo mas conveniente será utilizar doble muelle (uno interno y otro externo). Cuando se alcanza al nivel máximo de la alzada de válvula, debe haber una holgura mínima entre las espiras del muelle de 0,25 a 0,30 milímetros. Otro inconveniente que puede haber es que la alzada de la válvula esta limitada por la parte superior de la guía de válvula y la holgura entre las válvulas y la parte superior del pistón, hay que evitar que lleguen a tocarse, si se produce este hecho, habría que rectificar dichos elementos.
Nota: cuando instale calces para los muelles de válvula o un árbol de levas con alzada aumentada (alto rendimiento), verifique que los muelles no se comprimen al máximo..
El cambio del árbol de levas por otro de alto rendimiento suele ir acompañado de modificaciones o cambios en el colector de admisión, escape y sistema de alimentación de combustible (carburador, inyección).
Sistema que permite modificar los ángulos de apertura de las válvulas para aumentar el tiempo de llenado y vaciado del cilindro cuando el motor gira alto de vueltas y el tiempo disponible para ello es menor. Estos sistemas permiten utilizar el tiempo óptimo de apertura y cierre de las válvulas a cualquier régimen de giro del motor. Según el fabricante del sistema se utilizan diferentes soluciones que modifican el calado de los árboles de levas, hacen actuar otra leva a altas revoluciones o modifican por medio de excéntricas la posición del árbol de levas sobre sus apoyos.
Hay dos sistemas fundamentales a la hora de variar la distribución.
1.- Variación de la alzada de válvula, con ello se consigue modificar simultáneamente el avance y cierre de la válvula, además de disminuir el área de paso de los gases frescos.
2.- Desplazamiento del árbol de levas con respecto al cigüeñal.
De la combinación de estos dos movimientos es posible ajustar cada uno de los ángulos de manera independiente al valor deseado.
Convertidores de fase
Es posible adaptar el diagrama de distribución de un motor para conseguir un buen compromiso entre las exigencias de empuje a bajos regímenes y elevado rendimiento volumétrico (buen llenado de la cámara) a altos regímenes utilizando un variador de fase. Los hay de varios tipos, pero el más utilizado es el que controla la admisión variando la posición angular del árbol de levas respecto al engranaje que lo arrastra. Esta variación se controla a través de un accionador electromagnético comandado por la centralita del motor, de forma que la presión del aceite en el mecanismo variador de fase permite ese desacoplamiento de unos grados en el árbol. Los perfiles de las levas (alzada) propiamente dichos y, con ello, también la carrera de la válvula no se modifican.
Para un rendimiento eficaz de este sistema basta con modificar los tiempos de distribución de las válvulas de admisión. Los ensayos realizados han demostrado que una modificación de los tiempos de distribución de las válvulas de escape no aportan una mejora significativa.
La utilización de convertidores de fase, normalmente, solo se hace en motores con dos árboles de levas en cabeza (DOCH), tal y como los encontramos en motores multivalvulas. Sin embargo. la primera regulación de árboles de este tipo, fabricada en serie, se introdujo en un motor de 2 válvulas por cilindro de Alfa Romeo en el modelo Twin Spark de 2,0 litros, el cual también dispone de 2 árboles de levas en cabeza. Este motor gracias al convertidor de fase y a un doble encendido, da unos valores de rendimiento de 150 CV que, normalmente, solo los alcanzan motores multiválvulas y, por tanto, demuestra como a pesar de usar un motor de 2 válvulas se consigue unos valores de potencia elevados.
El elemento mas importante del "variador de fase"es el actuador electro-hidráulico acoplado al engranaje que arrastra en rotación al árbol de levas de las válvulas de admisión. Este actuador permite dar al mismo árbol dos posiciones angulares diversas y, por lo tanto, variar los tiempos de apertura de las válvulas de admisión. Su regulación está dirigida por el microprocesador del sistema electrónico de gestión del motor y que en este caso es la centralita que gestiona tanto el sistema de inyección como de encendido BOSCH Motronic.
La lógica de actuación de la variación de fase se establece de antemano, de manera tal que el cruce de válvulas -es decir, esa fracción del ciclo de funcionamiento del motor durante la cual están abiertas de manera simultánea las válvulas de admisión y de escape- se reduzca a los regímenes bajos y con poca carga, y aumente en los regímenes altos y en caso de fuerte solicitación de potencia.
De ese modo se obtienen los siguientes resultados:
- En los regímenes altos y medio-altos y en caso de fuerte demanda de potencia (puesta en fase normal), llenado óptimo de los cilindros y, por lo tanto, máximo de la potencia y del par.
- En los regímenes bajos y medio-bajos y con reducidas cargas (puesta en fase atrasada), regularidad óptima de funcionamiento y reducción de los consumos específicos.
- En todos los regímenes, reducción al mínimo de las emisiones que contaminan.
En el convertidor de fase normalmente se regulan hacia adelante o hacia atrás los árboles de levas de admisión durante el funcionamiento alrededor de 10º a 20º con respecto al ángulo entre árboles de levas (que corresponde a 20 - 40º del ángulo de calado respecto al cigüeñal). Para la construcción de tales mecanismos de regulación solo son adecuados aquellos mandos del árbol de levas en los que las cadenas de distribución (o correa de distribución) discurra a lo largo de los 2 árboles de levas o bien solo se accione el árbol de levas de escape. Entre la rueda de propulsión de accionamiento del árbol de levas y el árbol de levas de admisión se instala un mecanismo electrohidráulico de torsión, que lleva a cabo la torsión relativa deseada y que es gestionada electrónicamente.
Durante la torsión del árbol de levas de admisión se modifican simultáneamente 4 parámetros importantes del diagrama de distribución.
- El cruce de válvulas
- El inicio de la apertura de admisión
- El fin del cierre de la válvula de admisión
Estos parámetros tienen una influencia esencial sobre la potencia y el par motor, pero también sobre la calidad de la marcha en vacío, del comportamiento de los gases de escape y del consumo.
Hay dos procedimientos de regulación que se utilizan hoy en día en los convertidores de fase que dependen de la carga y del numero de revoluciones. Vamos a explicar todo esto tomando el ejemplo del motor V6 de 24 válvulas de Mercedes.
- En la marcha en vacío y para la zona inferir de la carga parcial, el árbol de levas de admisión esta atrasado, lo cual da como resultado una calidad elevada de la marcha en vacío y un buen comportamiento de respuesta.
- Como muy tarde a 2000 r.p.m. se produce la posición adelantada del árbol de levas de admisión a 34º del ángulo de calado respecto al cigüeñal, para conseguir el incremento deseado del par motor.
- Algo por encima de 5000 r.p.m. se produce la posición atrasada del árbol de levas de admisión, para mantener la potencia elevada hasta el régimen de revoluciones máximo (7000).
En el motor V8 de 5 litros de Mercedes se utiliza la regulación del árbol de levas, incluso, para la limitación de la potencia, dependiendo de la velocidad de conducción: a una velocidad de 250 km/h pasan ambos arboles de levas de admisión de nuevo a la posición adelantada.
La desventaja que muestran los convertidores de fase sencillos es que los perfiles de levas y, por tanto, las curvas de elevación de las válvulas se mantienen. Se han realizado diferentes ensayos para tratar de eliminar este defecto por medio de perfiles cónicos de levas (figura inferior). La utilización de levas cónicas en el árbol de levas requieren debido a la forma de las levas, de un segmento de ajuste entre el fondo del empujador y la leva. La torsión del árbol de levas se produce por medio de un dentado helicoidal entre el árbol de levas y su corona de arrastre. La distribución de la presión del aceite para el desplazamiento del árbol de levas la proporciona un regulador que actúa debido a la fuerza centrifuga.
Sistema VANOS
Este sistema no deja de ser un convertidor de fase aunque tenga una denominación distinta. VANOS son las siglas de Variable Nockenwellen Steuerung (separación variable del árbol de levas) que es un sistema de distribución variable empleado por la marca BMW. Consiste en desplazar el calado del árbol de levas utilizando la presión del aceite del sistema de engrase. El sistema aumenta el cruce de válvulas cuando el motor gira a altas revoluciones. El adelanto o retraso del árbol de levas con respecto al cigüeñal dependerá de las condiciones de funcionamiento del motor (carga, r.p.m. y temperatura).
Por medio de una gestión electrónica del motor y también de un electroimán se conecta una válvula distribuidora 4-2 (4 vías, 2 posiciones), para lo cual un pistón hidráulico admite alternativamente presión del aceite del motor y se mantiene en sus dos posiciones iniciales posibles por medio de topes mecánicos. En el pistón se encuentra un eje dentado montado sobre rodamientos de baja fricción, que transforma la carrera del pistón por medio de un dentado helicoidal en un giro del árbol de levas con relación a la rueda dentada accionadora. El margen de ajuste es de 25º del ángulo de calado con respecto al cigüeñal. Gracias al sistema VANOS se ha logrado reducir el tiempo de apertura de las levas de admisión de 240º a 228º, sin reducir por eso el rendimiento máximo del motor. Esta medida tiene, ante todo una ventaja con respecto a la calidad en marcha en vacío.
Un sistema mas complejo utilizado por BMW para motores de 3 litros de cilindrada, es el que permite cualquier posición intermedia del árbol de levas de admisión dentro de un ámbito total de regulación de 42º. La regulación del vehículo para una velocidad máxima de 250 km/h también se produce por medio de este sistema.
El sistema de accionamiento que utiliza el aceite a presión para su funcionamiento cuenta con un sistema propio que trabaja con una presión de 100 bar y también dispone de un depósito de aceite. La bomba de aceite de alta presión esta integrada en la unidad de regulación y se acciona por medio del árbol de levas de escape. La presión elevada del aceite es necesaria, para mantener el pistón regulador, que realiza la torsión de la rueda dentada hacia el árbol de levas de admisión por medio de un dentado helicoidal, en cualquier posición intermedia con seguridad. Para ello se requieren también 2 válvulas de mando electromagnéticas, así como 2 ruedas con marcas para la posición de los árboles de levas con sus correspondientes indicadores de posición. La información necesaria para la regulación procede de un mecanismo de mando propio del motor.
Con el paso del tiempo BMW incorpora la tecnología del sistema de decalador variable a los dos arboles de levas, es decir, al de admisión y también al de escape. Se regulan en continuo los árboles de levas de admisión y de escape dentro de un campo amplio, lo que provoca una elevada potencia especifica y al desarrollo homogéneo del par motor. El sistema VANOS doble o también denominado Bi-VANOS es la denominación que se da al sistema que acabamos de explicar con regulación en ambos arboles de levas (admisión, escape).
Porsche: utilizo en sus modelos 968 y en las primeras series del 996 Carrera un sistema (Variocam) para variar los tiempos de distribución un tanto peculiar. El mecanismo hidráulico controlado por la unidad electrónica de control según el régimen de vueltas del motor empuja con dos patines y abre la cadena, que mueve los árboles de levas, provocando su desplazamiento y por lo tanto se produce un reajuste del los tiempos de apertura y cierre de las válvulas de admisión. Al reducir el número de vueltas del motor los muelles repliegan el mecanismo de empuje de la cadena a su posición inicial. Este dispositivo se monta sobre una distribución de 4 válvulas por cilindro y se complementa con un sistema de distribución variable.
Este sistema de distribución variable es controlado por una señal eléctrica que envia la centralita de inyección (ECU) hacia un actuador que empuja unos patines que tensan la cadena de distribución. La regulación de la distribución se hace siguiendo unos parametros:
Para regimenes inferiores a 1500 rpm, las válvulas de admisión abren 7º despues del PMS y cierra 52º después del PMI. Con estos parametros, el motor funciona con un giro uniforme a bajas rpm, y la emisión gases sin quemar es muy baja debido a que no existe cruce de válvulas.
Para regimenes comprendidos entre 1500 y 5500 rpm, el árbol de levas de admisión recibe un avance de 9º respecto al de escape. Esto significa que las válvulas de admisión abre 8º antes del PMS y cierran 37º después del PMI. Con este diagrama se consigue un buen llenado de los cilindros y un aumento del par motor.
A partir de 5500 rpm, el árbol de admisión vuelve a la posición inicial, es decir, apertura 7º después del PMS y cierra 52º despues del PMI. Como vemos esto es una contrariedad, pero es debido a que la alta velocidad de entrada de los gases de la mezcla necesitan un mayor retraso al cierre de admisión. para aprovechar su inercia y lograr que entre mas cantidad de mezcla en los cilindros.
Este sistema de distribución cambia el momento en que abren y cierran las válvulas de admisión pero el ángulo total de apertura permanece invariable. Las valvulas de escape cuyos tiempos de distribucion permanecen constantes, tienen un adelanta a la apertura de escape (AAE) de 31º y un retraso al cierre de escape (RCE) de 1º.
Audi A3 1.8l 5V y 2.8 V6: este motor utiliza un sistema parecido al anterior donde se varian los tiempos de distribución actuando sobre el árbol de levas de admisión.
En la posición de reposo la "linea de control A" esta abierta y el aceite a presión actua sobre el "pistón actuador" por debajo del "pistón actuador", por lo tanto no hay variacion en la apertura de las válvulas de admisión..
Por encima de las 1300 rpm la "linea de control B" esta abierta y el aceite a presión actua por encima del "pistón actuador" que empuja los patines hacia abajo, con lo que se adelanta la apertura de las válvulas de admisión.
A partir de 5000 rpm, el árbol de admisión vuelve a la posición inicial, es decir se retrasa la apertura de las válvulas de admisión. Esto se debe a que la alta velocidad de entrada de los gases necesita de un mayor retraso al cierre de admisión, para aprovechar su inercia y lograr que entre mas cantidad de mezcla en los cilindros. Este variador de los tiempos de distribución cambia el momento de apertura y cierre de las válvulas de admisión pero el ángulo total de apertura permanece invariable.
Siglas de Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System. Honda presento en el año 1989 un sistema para la variación de los tiempos de distribución, en el cual los arboles de levas no se torsionan. No solo se regula la fase de apertura, sino el también el tiempo y la sección de la misma. El objetivo de esta medida son leyes creadas a medida para la apertura de la válvulas para regímenes de revoluciones diferentes. Para un numero de revoluciones medio, los tiempos de apertura mas cortos y una carrera de válvula menor elevan la velocidad de gas y, por tanto, también el llenado y el par motor dentro de este margen. Para un numero de revoluciones superior, los tiempos de apertura mas largos y una carrera de válvula mas grande intensifican la respiración del motor, lo cual, a su vez, tiene un efecto sobre la potencia.
El método por el cual puede conseguirse este efecto, requiere para 4 válvulas por cilindro, 6 levas y 6 balancines de palanca. Las levas externas, que están asignadas directamente a las válvulas, portan perfiles suaves y la leva central tiene los tiempos de distribución mas largos y la carrera de la leva mas grande. En el régimen de revoluciones bajo, solo están activas las levas externas, mientras que la leva central se acciona, por decirlo de alguna forma, en vacío, es decir, no tiene efecto alguno sobre las válvulas de los balancines de palanca centrales. Un muelle adicional evita que se pierda el contacto entre la leva y el balancín de palanca. Existen unos pasadores que se pueden desplazar de forma hidráulica y que entre 5000 y 6000 r.p.m. realizan una conexión mecánica entre los 3 balancines de palanca. Desde ese momento es la leva central mas grande la que señala la apertura de la válvula. La presión de distribución necesaria para el desplazamiento la proporciona el circuito de aceite lubricante del motor. Para que el acoplamiento de los balancines de palanca funcione bien, es necesario que los círculos de base de todas las levas sean igual, de modo que cuando las válvulas estén cerradas los alojamientos y los pasadores estén alineados.
Honda ha demostrado la capacidad de rendimiento del sistema VTEC (DOCH) que tiene dos árboles de levas situados en la parte superior
Resumiendo el sistema de distribución variable empleado por Honda en sus automóviles se basa en una tercera leva en cada cilindro que entra en funcionamiento a altas revoluciones. El balancín de esta leva no actúa a bajas revoluciones, mientras que al acelerar, la presión del aceite desplaza un vástago entre los balancines de las otras levas y el de la leva central, quedando todo el conjunto unido. En este momento los balancines son abiertos por la leva con mayor perfil (que es la central) y se incrementa el alzado de las válvulas y su momento de apertura y de cierre. Cuando el motor reduce el régimen de giro, el vástago se recoge y el balancín central queda suelto. El perfil que ahora actúa es el de las levas exteriores. Este sistema se acopla a las válvulas de admisión y escape en los motores de doble árbol de levas (DOCH) y solamente a las válvulas de admisión en los motores de un árbol de levas (SOCH).
Dependiendo del enclavamiento de los pernos o bulones se pueden obtener los siguientes estados de funcionamiento.
Estado 1. Por debajo de las 2500 rpm y con el motor con poca carga, los tres bulones están desenclavados con lo que los balancines pueden girar unos con respecto a los otros. El de más a la izquierda está apoyado sobre un anillo mecanizado en el árbol de levas, con lo que la alzada de la válvula correspondiente será nula, permaneciendo cerrada. El motor pues, estará funcionando en modo 12 válvulas (3 válvulas por cilindro). El balancín intermedio por no estar enclavado no acciona ninguna válvula.
El balancín de la derecha es accionado por la leva de perfil más suavizado, accionando su correspondiente válvula, con lo que se obtiene un diagrama de distribución propio de un motor elástico con un rendimiento de la combustión alto.
Estado 2. Al sobrepasar las 2500 r.p.m. o acelerar, se introduce presión al bulón superior, enclavándolo, con lo que los balancines extremos se hacen solidarios. Con ello las dos válvulas de admisión son accionadas por el perfil de leva más suave, funcionando el motor en modo 16 válvulas. El motor opera en este estado desde alrededor de la 2500 r.p.m. hasta las 6000.
Estado 3. Cuando el motor sobrepasa las 6000 r.p.m. se manda presión al bulón inferior, haciendo solidarios los tres balancines, con lo que pasan a ser accionados por el perfil de leva de mayor alzada. Con ello se consigue una mayor potencia, propia de un motor rápido.
Una variante del VTEC es el VTEC-E, la "E" viene de "Econony", este sistema se adapta al funcionamiento de un motor con mezcla pobre. El objetivo de este motor esta en la reducción del consumo de combustible y de las emisiones de los gases de escape. Para el primer VTEC-E Honda utilizo como base el conocido motor Civic de 4 cilindros y 1,5 litros. Para la desconexión de las válvulas se utiliza el VTEC-SOCH desarrollado con tan solo un árbol de levas situado en la parte superior.
El VTEC-E no actúa sobre las válvulas de escape teniendo estas una distribución fija. El sistema solo actúa sobre las válvulas de admisión, a bajas r.p.m. solo abre una de las válvulas y altas r.p.m. abren las dos. De esta manera se aprovechan las ventajas de los motores de dos válvulas por cilindro en unos momentos determinados y en otros momentos las ventajas de los motores de 4 válvulas por cilindro.
El funcionamiento de este sistema se puede dividir en dos estados:
Balancines sin acoplar: por debajo de de 2500 r.p.m. las balancines primario y secundario actúan independientemente y son movidos por las levas (1), de 8 mm de alzada, y (2), de 0,65 mm de alzada. Esta pequeña abertura evita la acumulación no deseable de la mezcla en el segundo conducto de admisión. El uso de una sola entrada para la mezcla provoca un fuerte turbulencia dentro del cilindro que permite realizar una combustión mas eficaz, incluso con mezclas pobres. Con la apertura de una sola válvula el llenado del cilindro mejora a bajas r.p.m. por lo que aumenta el par motor. La válvula de admisión que se mantiene inactiva se acciona durante esta fase, también por motivos de refrigeración, por medio de una leva muy plana con una carrera de tan solo 0,65 mm, mientras que la válvula que trabaja realiza toda la carrera de la válvula que es de 8 mm.
Balancines acoplados: a partir de 2500 r.p.m., el calculador de la inyección envía una señal al actuador hidráulico que da paso a la presión que desplaza los pistones que acoplan los balancines. Es la leva de mas alzada (8 mm) la que mueve las dos válvulas de admisión con la misma elevación y los mismo tiempos de distribución. En estas condiciones aumenta la potencia al aumentar el numero de r.p.m..
El colector de admisión dispone ademas de un sistema de admisión variable, que selecciona el conducto de admisión mas favorable teniendo en cuenta el numero de r.p.m. del motor.
Fundamentalmente, cuanto mayor es la cantidad de aire que penetra en el cilindro, mayor será la potencia que desarrolla el motor, por eso es fundamental el sistema de distribución que es el encargado regular los tiempos del funcionamiento del motor. La distribución (respiración) del motor va estar controlada por el árbol de levas que es el elemento fundamental junto con las válvulas.
Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que las válvulas abren y cierran mucho más deprisa. Lo ideal es que la válvula de admisión se abra un poco antes del inicio de la carrera de admisión, y la de escape un poco antes de iniciarse la carrera de escape, para ayudar así al vaciado y llenado de los cilindros. El inconveniente proviene de que el momento óptimo de apertura de las válvulas es diferente para cada régimen del motor, por lo que resulta imprescindible sacrificar rendimiento en todos los regímenes de giro para obtener un resultado aceptable también en todos los regímenes de giro. Lo que hace la distribución variable es precisamente cambiar el momento de apertura y cierre de las válvulas en función del régimen del motor. Los sistemas más sofisticados también pueden controlar el tiempo durante el que la válvula permanece abierta
A la hora de cambiar los tiempos de distribución tenemos que hacer una serie de consideraciones sobre los sistemas de distribución en general:
Sincronización de las válvulas
En la figura inferior se ilustra un diagrama de distribución así como la apertura de las válvulas y el llamado "cruce de válvulas". Hay que destacar los siguientes puntos:
La válvula de admisión debe abrirse antes del P.M.S., es decir, antes de que el pistón empiece a descender en el tiempo de admisión.
La válvula de admisión permanece abierta mucho después del P.M.I., (en plena fase de compresión) para aprovechar la velocidad de los gases entrantes, lo cual ayuda a introducir una cantidad adicional de la mezcla de aire y combustible en el cilindro.
La válvula de admisión regula el rango de revoluciones del motor. Si esta se cierra mas tarde, entra mas combustible en el cilindro y, por lo tanto, las revoluciones aumentan.
El punto de cierre de la válvula de admisión también determina la relación de compresión efectiva, opuesto a lo que ocurre con la relación de compresión estática. Si la válvula se cierra mas tarde, la compresión real del motor será menor.
La válvula de escape debe abrirse mucho antes de que termine el tiempo de explosión para liberar la presión de los gases en expansión que están en el cilindro antes de que el pistón suba en el tiempo de escape. La potencia del motor no se ve afectada por el hecho de que las válvulas de escape se abran en ese punto, ya que la mayor parte de la potencia de los gases en explosión ha sido transmitida al pistón durante el tiempo de explosión. La válvula de escape debe estar casi totalmente abierta en el momento en el que pistón alcance la velocidad máxima. De esta manera, no hay resistencia al movimiento causada por la presión del gas de admisión, la cual produciría una perdida de bombeo.
La leva mantiene abierta la válvula de escape pasado el P.M.S. En regímenes elevados, la inercia del gas que sale del cilindro crea un vacío tras de si, absorbiendo más mezcla de admisión. Al vaciar al máximo el cilindro de gases de escape, aumenta la capacidad para alojar la mezcla fresca de aire y combustible, aumentado así la potencia del motor.
Cruce de válvulas
El periodo de cruce de válvulas tiene lugar en el inicio del tiempo de admisión, cuando la válvula de admisión ya esta abierta y la de escape no se ha cerrado por completo. Los motores de serie tienen un cruce de válvulas de 15 a 30 grados de giro del cigüeñal. En el ejemplo de la figura superior la magnitud del cruce es de 20 grados. Los árboles de levas de los vehículos de carreras tienen cruces de válvulas que van de 60 a 100 grados. Un cruce adicional proporciona un llenado de cilindro mas eficaz a altas revoluciones, pero produce un vacío en el motor mas bajo, así como una mayor pobreza en el rendimiento en los bajos regímenes, en la calidad de marcha en ralentí y en la economía de combustible a baja velocidad.
Si la válvula de admisión se abre demasiado pronto, la calidad de marcha en ralentí se deteriora, mientras que el rendimiento en regímenes elevados no mejora demasiado. La velocidad máxima del pistón en el tiempo de admisión se alcanza antes de la apertura máxima de válvula, por lo que si la válvula se abre antes, podría mejorar la respiración del motor. El factor del cruce de válvulas que afecta al rendimiento en regímenes elevados es el cierre de la válvula de escape. De hecho, aumentar el tamaño de la válvula de escape y su orificio correspondiente no suele considerarse demasiado adecuado para la obtención de mas potencia, ya que la válvula de escape limita en mayor medida el flujo procedente del cilindro a medida que se cierra.
Un cruce elevado de válvulas puede generar problemas de holguras entre la válvula y el pistón, es decir, que podrían llegar a tocarse. La elevada alzada de las válvulas no causa este problema, ya que el pistón esta en una posición baja dentro del cilindro cuando la válvula se abre al máximo.
Un cruce válvulas mas reducido aumenta la presión en el cilindro a revoluciones mas bajas.
Los diseñadores de árboles de levas intentan minimizar el cruce de válvulas al tiempo que procuran maximizar el rendimiento en regímenes elevados.
Forma de levas
Las levas están formadas por un circulo base y una cresta que esta flanqueada por dos costados mas o menos rectos. Las levas tienen un contorno preciso. Su forma constituye una solución de compromiso, ya que el perfil de leva que mejora el rendimiento a altas revoluciones impide un funcionamiento optimo a bajas revoluciones. Esto se debe a la inercia de los gases. La inyección de aire mas grande tiene lugar cuando la velocidad del pistón alcanza su nivel máximo, que ocurre cuando el diferencial de presión entre el interior y el exterior llega a su máximo.
Los dos factores que caracterizan el contorno de la leva son la alzada y el ángulo de apertura. La alzada es la altura a la que la leva eleva el taqué, mientras que el ángulo de apertura es el numero de grados del giro del cigüeñal durante los cuales la válvula esta fuera de su asiento.
La mayor parte de los árboles de levas están diseñados para dividir el cruce de válvulas, es decir, mantener la misma apertura de las válvulas de admisión y de escape en el P.M.S. Si la válvula de admisión está mas abierta en el P.M.S. que la de escape, se dice que el árbol de levas esta "adelantado", mientras que si esta ultima es la que esta mas abierta que la primera, el árbol de levas esta "retrasado". Un árbol de levas de patrón único tiene levas con la misma forma en ambos costados (flanco de cierre y flanco de apertura). Un diseñador de arboles de levas puede efectuar un ajuste fino en el funcionamiento del motor cambiando el punto en el que se abre o se cierra una válvula. Las levas cuyos flancos presentan formas distintas se consideran "asimétricas".
Arboles de levas de alto rendimiento
Se instalan arboles de levas de alto rendimiento sin tener en cuenta que esto conlleva otras modificaciones necesarias. Estos árboles de levas deben ir acompañados de muelles mas fuertes para que los componentes de las válvulas se mantengan en contacto en regímenes elevados (para evitar el fenómeno de "válvula flotante". Tenga cuidado de no llegar a la compresión total del muelle, en el caso de que el árbol de levas nuevo produzca una alzada de válvula demasiado elevada para la altura del muelle. En tal caso, lo mas conveniente será utilizar doble muelle (uno interno y otro externo). Cuando se alcanza al nivel máximo de la alzada de válvula, debe haber una holgura mínima entre las espiras del muelle de 0,25 a 0,30 milímetros. Otro inconveniente que puede haber es que la alzada de la válvula esta limitada por la parte superior de la guía de válvula y la holgura entre las válvulas y la parte superior del pistón, hay que evitar que lleguen a tocarse, si se produce este hecho, habría que rectificar dichos elementos.
Nota: cuando instale calces para los muelles de válvula o un árbol de levas con alzada aumentada (alto rendimiento), verifique que los muelles no se comprimen al máximo..
El cambio del árbol de levas por otro de alto rendimiento suele ir acompañado de modificaciones o cambios en el colector de admisión, escape y sistema de alimentación de combustible (carburador, inyección).
Distribución variable
Sistema que permite modificar los ángulos de apertura de las válvulas para aumentar el tiempo de llenado y vaciado del cilindro cuando el motor gira alto de vueltas y el tiempo disponible para ello es menor. Estos sistemas permiten utilizar el tiempo óptimo de apertura y cierre de las válvulas a cualquier régimen de giro del motor. Según el fabricante del sistema se utilizan diferentes soluciones que modifican el calado de los árboles de levas, hacen actuar otra leva a altas revoluciones o modifican por medio de excéntricas la posición del árbol de levas sobre sus apoyos.
Hay dos sistemas fundamentales a la hora de variar la distribución.
1.- Variación de la alzada de válvula, con ello se consigue modificar simultáneamente el avance y cierre de la válvula, además de disminuir el área de paso de los gases frescos.
2.- Desplazamiento del árbol de levas con respecto al cigüeñal.
De la combinación de estos dos movimientos es posible ajustar cada uno de los ángulos de manera independiente al valor deseado.
Convertidores de fase
Es posible adaptar el diagrama de distribución de un motor para conseguir un buen compromiso entre las exigencias de empuje a bajos regímenes y elevado rendimiento volumétrico (buen llenado de la cámara) a altos regímenes utilizando un variador de fase. Los hay de varios tipos, pero el más utilizado es el que controla la admisión variando la posición angular del árbol de levas respecto al engranaje que lo arrastra. Esta variación se controla a través de un accionador electromagnético comandado por la centralita del motor, de forma que la presión del aceite en el mecanismo variador de fase permite ese desacoplamiento de unos grados en el árbol. Los perfiles de las levas (alzada) propiamente dichos y, con ello, también la carrera de la válvula no se modifican.
Para un rendimiento eficaz de este sistema basta con modificar los tiempos de distribución de las válvulas de admisión. Los ensayos realizados han demostrado que una modificación de los tiempos de distribución de las válvulas de escape no aportan una mejora significativa.
La utilización de convertidores de fase, normalmente, solo se hace en motores con dos árboles de levas en cabeza (DOCH), tal y como los encontramos en motores multivalvulas. Sin embargo. la primera regulación de árboles de este tipo, fabricada en serie, se introdujo en un motor de 2 válvulas por cilindro de Alfa Romeo en el modelo Twin Spark de 2,0 litros, el cual también dispone de 2 árboles de levas en cabeza. Este motor gracias al convertidor de fase y a un doble encendido, da unos valores de rendimiento de 150 CV que, normalmente, solo los alcanzan motores multiválvulas y, por tanto, demuestra como a pesar de usar un motor de 2 válvulas se consigue unos valores de potencia elevados.
El elemento mas importante del "variador de fase"es el actuador electro-hidráulico acoplado al engranaje que arrastra en rotación al árbol de levas de las válvulas de admisión. Este actuador permite dar al mismo árbol dos posiciones angulares diversas y, por lo tanto, variar los tiempos de apertura de las válvulas de admisión. Su regulación está dirigida por el microprocesador del sistema electrónico de gestión del motor y que en este caso es la centralita que gestiona tanto el sistema de inyección como de encendido BOSCH Motronic.
La lógica de actuación de la variación de fase se establece de antemano, de manera tal que el cruce de válvulas -es decir, esa fracción del ciclo de funcionamiento del motor durante la cual están abiertas de manera simultánea las válvulas de admisión y de escape- se reduzca a los regímenes bajos y con poca carga, y aumente en los regímenes altos y en caso de fuerte solicitación de potencia.
De ese modo se obtienen los siguientes resultados:
- En los regímenes altos y medio-altos y en caso de fuerte demanda de potencia (puesta en fase normal), llenado óptimo de los cilindros y, por lo tanto, máximo de la potencia y del par.
- En los regímenes bajos y medio-bajos y con reducidas cargas (puesta en fase atrasada), regularidad óptima de funcionamiento y reducción de los consumos específicos.
- En todos los regímenes, reducción al mínimo de las emisiones que contaminan.
En el convertidor de fase normalmente se regulan hacia adelante o hacia atrás los árboles de levas de admisión durante el funcionamiento alrededor de 10º a 20º con respecto al ángulo entre árboles de levas (que corresponde a 20 - 40º del ángulo de calado respecto al cigüeñal). Para la construcción de tales mecanismos de regulación solo son adecuados aquellos mandos del árbol de levas en los que las cadenas de distribución (o correa de distribución) discurra a lo largo de los 2 árboles de levas o bien solo se accione el árbol de levas de escape. Entre la rueda de propulsión de accionamiento del árbol de levas y el árbol de levas de admisión se instala un mecanismo electrohidráulico de torsión, que lleva a cabo la torsión relativa deseada y que es gestionada electrónicamente.
Durante la torsión del árbol de levas de admisión se modifican simultáneamente 4 parámetros importantes del diagrama de distribución.
- El cruce de válvulas
- El inicio de la apertura de admisión
- El fin del cierre de la válvula de admisión
Estos parámetros tienen una influencia esencial sobre la potencia y el par motor, pero también sobre la calidad de la marcha en vacío, del comportamiento de los gases de escape y del consumo.
Hay dos procedimientos de regulación que se utilizan hoy en día en los convertidores de fase que dependen de la carga y del numero de revoluciones. Vamos a explicar todo esto tomando el ejemplo del motor V6 de 24 válvulas de Mercedes.
- En la marcha en vacío y para la zona inferir de la carga parcial, el árbol de levas de admisión esta atrasado, lo cual da como resultado una calidad elevada de la marcha en vacío y un buen comportamiento de respuesta.
- Como muy tarde a 2000 r.p.m. se produce la posición adelantada del árbol de levas de admisión a 34º del ángulo de calado respecto al cigüeñal, para conseguir el incremento deseado del par motor.
- Algo por encima de 5000 r.p.m. se produce la posición atrasada del árbol de levas de admisión, para mantener la potencia elevada hasta el régimen de revoluciones máximo (7000).
En el motor V8 de 5 litros de Mercedes se utiliza la regulación del árbol de levas, incluso, para la limitación de la potencia, dependiendo de la velocidad de conducción: a una velocidad de 250 km/h pasan ambos arboles de levas de admisión de nuevo a la posición adelantada.
La desventaja que muestran los convertidores de fase sencillos es que los perfiles de levas y, por tanto, las curvas de elevación de las válvulas se mantienen. Se han realizado diferentes ensayos para tratar de eliminar este defecto por medio de perfiles cónicos de levas (figura inferior). La utilización de levas cónicas en el árbol de levas requieren debido a la forma de las levas, de un segmento de ajuste entre el fondo del empujador y la leva. La torsión del árbol de levas se produce por medio de un dentado helicoidal entre el árbol de levas y su corona de arrastre. La distribución de la presión del aceite para el desplazamiento del árbol de levas la proporciona un regulador que actúa debido a la fuerza centrifuga.
Sistema VANOS
Este sistema no deja de ser un convertidor de fase aunque tenga una denominación distinta. VANOS son las siglas de Variable Nockenwellen Steuerung (separación variable del árbol de levas) que es un sistema de distribución variable empleado por la marca BMW. Consiste en desplazar el calado del árbol de levas utilizando la presión del aceite del sistema de engrase. El sistema aumenta el cruce de válvulas cuando el motor gira a altas revoluciones. El adelanto o retraso del árbol de levas con respecto al cigüeñal dependerá de las condiciones de funcionamiento del motor (carga, r.p.m. y temperatura).
Por medio de una gestión electrónica del motor y también de un electroimán se conecta una válvula distribuidora 4-2 (4 vías, 2 posiciones), para lo cual un pistón hidráulico admite alternativamente presión del aceite del motor y se mantiene en sus dos posiciones iniciales posibles por medio de topes mecánicos. En el pistón se encuentra un eje dentado montado sobre rodamientos de baja fricción, que transforma la carrera del pistón por medio de un dentado helicoidal en un giro del árbol de levas con relación a la rueda dentada accionadora. El margen de ajuste es de 25º del ángulo de calado con respecto al cigüeñal. Gracias al sistema VANOS se ha logrado reducir el tiempo de apertura de las levas de admisión de 240º a 228º, sin reducir por eso el rendimiento máximo del motor. Esta medida tiene, ante todo una ventaja con respecto a la calidad en marcha en vacío.
Un sistema mas complejo utilizado por BMW para motores de 3 litros de cilindrada, es el que permite cualquier posición intermedia del árbol de levas de admisión dentro de un ámbito total de regulación de 42º. La regulación del vehículo para una velocidad máxima de 250 km/h también se produce por medio de este sistema.
El sistema de accionamiento que utiliza el aceite a presión para su funcionamiento cuenta con un sistema propio que trabaja con una presión de 100 bar y también dispone de un depósito de aceite. La bomba de aceite de alta presión esta integrada en la unidad de regulación y se acciona por medio del árbol de levas de escape. La presión elevada del aceite es necesaria, para mantener el pistón regulador, que realiza la torsión de la rueda dentada hacia el árbol de levas de admisión por medio de un dentado helicoidal, en cualquier posición intermedia con seguridad. Para ello se requieren también 2 válvulas de mando electromagnéticas, así como 2 ruedas con marcas para la posición de los árboles de levas con sus correspondientes indicadores de posición. La información necesaria para la regulación procede de un mecanismo de mando propio del motor.
Con el paso del tiempo BMW incorpora la tecnología del sistema de decalador variable a los dos arboles de levas, es decir, al de admisión y también al de escape. Se regulan en continuo los árboles de levas de admisión y de escape dentro de un campo amplio, lo que provoca una elevada potencia especifica y al desarrollo homogéneo del par motor. El sistema VANOS doble o también denominado Bi-VANOS es la denominación que se da al sistema que acabamos de explicar con regulación en ambos arboles de levas (admisión, escape).
Porsche: utilizo en sus modelos 968 y en las primeras series del 996 Carrera un sistema (Variocam) para variar los tiempos de distribución un tanto peculiar. El mecanismo hidráulico controlado por la unidad electrónica de control según el régimen de vueltas del motor empuja con dos patines y abre la cadena, que mueve los árboles de levas, provocando su desplazamiento y por lo tanto se produce un reajuste del los tiempos de apertura y cierre de las válvulas de admisión. Al reducir el número de vueltas del motor los muelles repliegan el mecanismo de empuje de la cadena a su posición inicial. Este dispositivo se monta sobre una distribución de 4 válvulas por cilindro y se complementa con un sistema de distribución variable.
Este sistema de distribución variable es controlado por una señal eléctrica que envia la centralita de inyección (ECU) hacia un actuador que empuja unos patines que tensan la cadena de distribución. La regulación de la distribución se hace siguiendo unos parametros:
Para regimenes inferiores a 1500 rpm, las válvulas de admisión abren 7º despues del PMS y cierra 52º después del PMI. Con estos parametros, el motor funciona con un giro uniforme a bajas rpm, y la emisión gases sin quemar es muy baja debido a que no existe cruce de válvulas.
Para regimenes comprendidos entre 1500 y 5500 rpm, el árbol de levas de admisión recibe un avance de 9º respecto al de escape. Esto significa que las válvulas de admisión abre 8º antes del PMS y cierran 37º después del PMI. Con este diagrama se consigue un buen llenado de los cilindros y un aumento del par motor.
A partir de 5500 rpm, el árbol de admisión vuelve a la posición inicial, es decir, apertura 7º después del PMS y cierra 52º despues del PMI. Como vemos esto es una contrariedad, pero es debido a que la alta velocidad de entrada de los gases de la mezcla necesitan un mayor retraso al cierre de admisión. para aprovechar su inercia y lograr que entre mas cantidad de mezcla en los cilindros.
Este sistema de distribución cambia el momento en que abren y cierran las válvulas de admisión pero el ángulo total de apertura permanece invariable. Las valvulas de escape cuyos tiempos de distribucion permanecen constantes, tienen un adelanta a la apertura de escape (AAE) de 31º y un retraso al cierre de escape (RCE) de 1º.
Audi A3 1.8l 5V y 2.8 V6: este motor utiliza un sistema parecido al anterior donde se varian los tiempos de distribución actuando sobre el árbol de levas de admisión.
En la posición de reposo la "linea de control A" esta abierta y el aceite a presión actua sobre el "pistón actuador" por debajo del "pistón actuador", por lo tanto no hay variacion en la apertura de las válvulas de admisión..
Por encima de las 1300 rpm la "linea de control B" esta abierta y el aceite a presión actua por encima del "pistón actuador" que empuja los patines hacia abajo, con lo que se adelanta la apertura de las válvulas de admisión.
A partir de 5000 rpm, el árbol de admisión vuelve a la posición inicial, es decir se retrasa la apertura de las válvulas de admisión. Esto se debe a que la alta velocidad de entrada de los gases necesita de un mayor retraso al cierre de admisión, para aprovechar su inercia y lograr que entre mas cantidad de mezcla en los cilindros. Este variador de los tiempos de distribución cambia el momento de apertura y cierre de las válvulas de admisión pero el ángulo total de apertura permanece invariable.
Sistema VTEC de Honda
Siglas de Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System. Honda presento en el año 1989 un sistema para la variación de los tiempos de distribución, en el cual los arboles de levas no se torsionan. No solo se regula la fase de apertura, sino el también el tiempo y la sección de la misma. El objetivo de esta medida son leyes creadas a medida para la apertura de la válvulas para regímenes de revoluciones diferentes. Para un numero de revoluciones medio, los tiempos de apertura mas cortos y una carrera de válvula menor elevan la velocidad de gas y, por tanto, también el llenado y el par motor dentro de este margen. Para un numero de revoluciones superior, los tiempos de apertura mas largos y una carrera de válvula mas grande intensifican la respiración del motor, lo cual, a su vez, tiene un efecto sobre la potencia.
El método por el cual puede conseguirse este efecto, requiere para 4 válvulas por cilindro, 6 levas y 6 balancines de palanca. Las levas externas, que están asignadas directamente a las válvulas, portan perfiles suaves y la leva central tiene los tiempos de distribución mas largos y la carrera de la leva mas grande. En el régimen de revoluciones bajo, solo están activas las levas externas, mientras que la leva central se acciona, por decirlo de alguna forma, en vacío, es decir, no tiene efecto alguno sobre las válvulas de los balancines de palanca centrales. Un muelle adicional evita que se pierda el contacto entre la leva y el balancín de palanca. Existen unos pasadores que se pueden desplazar de forma hidráulica y que entre 5000 y 6000 r.p.m. realizan una conexión mecánica entre los 3 balancines de palanca. Desde ese momento es la leva central mas grande la que señala la apertura de la válvula. La presión de distribución necesaria para el desplazamiento la proporciona el circuito de aceite lubricante del motor. Para que el acoplamiento de los balancines de palanca funcione bien, es necesario que los círculos de base de todas las levas sean igual, de modo que cuando las válvulas estén cerradas los alojamientos y los pasadores estén alineados.
Honda ha demostrado la capacidad de rendimiento del sistema VTEC (DOCH) que tiene dos árboles de levas situados en la parte superior
Resumiendo el sistema de distribución variable empleado por Honda en sus automóviles se basa en una tercera leva en cada cilindro que entra en funcionamiento a altas revoluciones. El balancín de esta leva no actúa a bajas revoluciones, mientras que al acelerar, la presión del aceite desplaza un vástago entre los balancines de las otras levas y el de la leva central, quedando todo el conjunto unido. En este momento los balancines son abiertos por la leva con mayor perfil (que es la central) y se incrementa el alzado de las válvulas y su momento de apertura y de cierre. Cuando el motor reduce el régimen de giro, el vástago se recoge y el balancín central queda suelto. El perfil que ahora actúa es el de las levas exteriores. Este sistema se acopla a las válvulas de admisión y escape en los motores de doble árbol de levas (DOCH) y solamente a las válvulas de admisión en los motores de un árbol de levas (SOCH).
Dependiendo del enclavamiento de los pernos o bulones se pueden obtener los siguientes estados de funcionamiento.
Estado 1. Por debajo de las 2500 rpm y con el motor con poca carga, los tres bulones están desenclavados con lo que los balancines pueden girar unos con respecto a los otros. El de más a la izquierda está apoyado sobre un anillo mecanizado en el árbol de levas, con lo que la alzada de la válvula correspondiente será nula, permaneciendo cerrada. El motor pues, estará funcionando en modo 12 válvulas (3 válvulas por cilindro). El balancín intermedio por no estar enclavado no acciona ninguna válvula.
El balancín de la derecha es accionado por la leva de perfil más suavizado, accionando su correspondiente válvula, con lo que se obtiene un diagrama de distribución propio de un motor elástico con un rendimiento de la combustión alto.
Estado 2. Al sobrepasar las 2500 r.p.m. o acelerar, se introduce presión al bulón superior, enclavándolo, con lo que los balancines extremos se hacen solidarios. Con ello las dos válvulas de admisión son accionadas por el perfil de leva más suave, funcionando el motor en modo 16 válvulas. El motor opera en este estado desde alrededor de la 2500 r.p.m. hasta las 6000.
Estado 3. Cuando el motor sobrepasa las 6000 r.p.m. se manda presión al bulón inferior, haciendo solidarios los tres balancines, con lo que pasan a ser accionados por el perfil de leva de mayor alzada. Con ello se consigue una mayor potencia, propia de un motor rápido.
Una variante del VTEC es el VTEC-E, la "E" viene de "Econony", este sistema se adapta al funcionamiento de un motor con mezcla pobre. El objetivo de este motor esta en la reducción del consumo de combustible y de las emisiones de los gases de escape. Para el primer VTEC-E Honda utilizo como base el conocido motor Civic de 4 cilindros y 1,5 litros. Para la desconexión de las válvulas se utiliza el VTEC-SOCH desarrollado con tan solo un árbol de levas situado en la parte superior.
El VTEC-E no actúa sobre las válvulas de escape teniendo estas una distribución fija. El sistema solo actúa sobre las válvulas de admisión, a bajas r.p.m. solo abre una de las válvulas y altas r.p.m. abren las dos. De esta manera se aprovechan las ventajas de los motores de dos válvulas por cilindro en unos momentos determinados y en otros momentos las ventajas de los motores de 4 válvulas por cilindro.
El funcionamiento de este sistema se puede dividir en dos estados:
Balancines sin acoplar: por debajo de de 2500 r.p.m. las balancines primario y secundario actúan independientemente y son movidos por las levas (1), de 8 mm de alzada, y (2), de 0,65 mm de alzada. Esta pequeña abertura evita la acumulación no deseable de la mezcla en el segundo conducto de admisión. El uso de una sola entrada para la mezcla provoca un fuerte turbulencia dentro del cilindro que permite realizar una combustión mas eficaz, incluso con mezclas pobres. Con la apertura de una sola válvula el llenado del cilindro mejora a bajas r.p.m. por lo que aumenta el par motor. La válvula de admisión que se mantiene inactiva se acciona durante esta fase, también por motivos de refrigeración, por medio de una leva muy plana con una carrera de tan solo 0,65 mm, mientras que la válvula que trabaja realiza toda la carrera de la válvula que es de 8 mm.
Balancines acoplados: a partir de 2500 r.p.m., el calculador de la inyección envía una señal al actuador hidráulico que da paso a la presión que desplaza los pistones que acoplan los balancines. Es la leva de mas alzada (8 mm) la que mueve las dos válvulas de admisión con la misma elevación y los mismo tiempos de distribución. En estas condiciones aumenta la potencia al aumentar el numero de r.p.m..
El colector de admisión dispone ademas de un sistema de admisión variable, que selecciona el conducto de admisión mas favorable teniendo en cuenta el numero de r.p.m. del motor.
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