Sincronización variable de válvulas
Proceso de alteración del tiempo de un evento de elevación de válvula

Culata del Honda K20Z3 . Este motor utiliza distribución variable continua para las válvulas de admisión.

La sincronización variable de válvulas ( VVT ) es el proceso de alterar la sincronización de un evento de elevación de válvula en un motor de combustión interna y, a menudo, se utiliza para mejorar el rendimiento, el ahorro de combustible o las emisiones. Se utiliza cada vez más en combinación con sistemas de elevación variable de válvulas . Hay muchas formas de lograr esto, que van desde dispositivos mecánicos hasta sistemas electrohidráulicos y sin levas . Las regulaciones de emisiones cada vez más estrictas están haciendo que [1] muchos fabricantes de automóviles utilicen sistemas VVT.

Los motores de dos tiempos utilizan un sistema de válvula de potencia para obtener resultados similares a los VVT.

Teoría de fondo

Las válvulas de un motor de combustión interna se utilizan para controlar el flujo de los gases de admisión y escape que entran y salen de la cámara de combustión . La sincronización, la duración y la elevación de estas válvulas tienen un impacto significativo en el rendimiento del motor. Sin sincronización variable de válvulas o elevación variable de válvulas , la sincronización de válvulas es la misma para todas las velocidades y condiciones del motor, por lo tanto, es necesario hacer concesiones. [2] Un motor equipado con un sistema de actuación de sincronización variable de válvulas se libera de esta restricción, lo que permite mejorar el rendimiento en todo el rango operativo del motor.

Los motores de pistón normalmente utilizan válvulas que son accionadas por árboles de levas . Las levas abren ( levantan ) las válvulas durante un tiempo determinado ( duración ) durante cada ciclo de admisión y escape. El momento de la apertura y el cierre de la válvula, en relación con la posición del cigüeñal, es importante. El árbol de levas es accionado por el cigüeñal a través de correas de distribución , engranajes o cadenas .

Un motor necesita grandes cantidades de aire cuando funciona a altas velocidades. Sin embargo, las válvulas de admisión pueden cerrarse antes de que haya entrado suficiente aire en cada cámara de combustión, lo que reduce el rendimiento. Por otro lado, si el árbol de levas mantiene las válvulas abiertas durante períodos de tiempo más largos, como en el caso de una leva de carreras, comienzan a surgir problemas a las velocidades más bajas del motor. Abrir la válvula de admisión mientras la válvula de escape todavía está abierta puede provocar que salga combustible no quemado del motor, lo que conduce a un menor rendimiento del motor y a un aumento de las emisiones. Según el libro "Building Horsepower" del ingeniero David Vizard, cuando tanto la admisión como el escape están abiertos simultáneamente, el escape, a mucha mayor presión, empuja la carga de admisión hacia atrás, fuera del cilindro, contaminando el colector de admisión con el escape, en el peor de los casos.

Continuo versus discreto

Los primeros sistemas de sincronización variable de válvulas utilizaban un ajuste discreto (por pasos). Por ejemplo, se utilizaba una sincronización por debajo de las 3500 rpm y otra por encima de las 3500 rpm.

Los sistemas de "sincronización variable continua" más avanzados ofrecen un ajuste continuo (infinito) de la sincronización de válvulas. Por lo tanto, la sincronización se puede optimizar para adaptarse a todas las velocidades y condiciones del motor. [2] [3]

Fase de leva versus duración variable

La forma más simple de VVT ​​es el sistema de sincronización de levas , en el que el ángulo de fase del árbol de levas se gira hacia adelante o hacia atrás con respecto al cigüeñal. De esta manera, las válvulas se abren y se cierran antes o después; sin embargo, la elevación y la duración del árbol de levas no se pueden modificar únicamente con un sistema de sincronización de levas.

Para lograr una duración variable en un sistema VVT se requiere un sistema complejo, como múltiples perfiles de levas o levas oscilantes.

Efecto típico de los ajustes de sincronización

Cierre tardío de la válvula de admisión (LIVC) La primera variación de la sincronización variable continua de válvulas implica mantener la válvula de admisión abierta un poco más de tiempo que en un motor tradicional. Esto hace que el pistón empuje aire fuera del cilindro y de regreso al colector de admisión durante la carrera de compresión. El aire que se expulsa llena el colector con mayor presión y, en las carreras de admisión posteriores, el aire que se toma está a una presión más alta. Se ha demostrado que el cierre tardío de la válvula de admisión reduce las pérdidas de bombeo en un 40% durante las condiciones de carga parcial y disminuye las emisiones de óxido nítrico ( NOx ) en un 24%. El par máximo del motor mostró solo un descenso del 1% y las emisiones de hidrocarburos se mantuvieron sin cambios. [3]

Cierre temprano de la válvula de admisión (EIVC) Otra forma de disminuir las pérdidas de bombeo asociadas con la baja velocidad del motor y las condiciones de alto vacío es cerrar la válvula de admisión antes de lo normal. Esto implica cerrar la válvula de admisión a mitad de la carrera de admisión. Las demandas de aire/combustible son tan bajas en condiciones de baja carga y el trabajo requerido para llenar el cilindro es relativamente alto, por lo que el cierre temprano de la válvula de admisión reduce en gran medida las pérdidas de bombeo. [3] Los estudios han demostrado que el cierre temprano de la válvula de admisión reduce las pérdidas de bombeo en un 40% y aumenta el ahorro de combustible en un 7%. También redujo las emisiones de óxido nítrico en un 24% en condiciones de carga parcial. Una posible desventaja del cierre temprano de la válvula de admisión es que reduce significativamente la temperatura de la cámara de combustión, lo que puede aumentar las emisiones de hidrocarburos. [3]

Apertura temprana de la válvula de admisión La apertura temprana de la válvula de admisión es otra variación que tiene un potencial significativo para reducir las emisiones. En un motor tradicional, se utiliza un proceso llamado superposición de válvulas para ayudar a controlar la temperatura del cilindro. Al abrir la válvula de admisión antes de tiempo, parte del gas de escape inerte/combustido fluirá de regreso fuera del cilindro a través de la válvula de admisión, donde se enfría momentáneamente en el colector de admisión. Este gas inerte luego llena el cilindro en la carrera de admisión posterior, lo que ayuda a controlar la temperatura del cilindro y las emisiones de óxido nítrico. También mejora la eficiencia volumétrica, porque hay menos gas de escape para expulsar en la carrera de escape. [3]

Cierre temprano/tardío de la válvula de escape El tiempo de cierre temprano o tardío de la válvula de escape se puede manipular para reducir las emisiones. Tradicionalmente, la válvula de escape se abre y el gas de escape es expulsado del cilindro hacia el colector de escape por el pistón a medida que se desplaza hacia arriba. Al manipular el tiempo de la válvula de escape, los ingenieros pueden controlar la cantidad de gas de escape que queda en el cilindro. Al mantener la válvula de escape abierta un poco más, el cilindro se vacía más y está listo para llenarse con una mayor carga de aire/combustible en la carrera de admisión. Al cerrar la válvula un poco antes, queda más gas de escape en el cilindro, lo que aumenta la eficiencia del combustible. Esto permite un funcionamiento más eficiente en todas las condiciones.

Desafíos

El principal factor que impide que esta tecnología se utilice ampliamente en los automóviles de producción es la capacidad de producir un medio rentable para controlar la sincronización de las válvulas en las condiciones internas de un motor. [ cita requerida ] Un motor que funciona a 3000 revoluciones por minuto hará girar el árbol de levas 25 veces por segundo, por lo que los eventos de sincronización de las válvulas deben ocurrir en momentos precisos para ofrecer beneficios de rendimiento. Los actuadores de válvulas sin levas electromagnéticos y neumáticos ofrecen el mayor control de la sincronización precisa de las válvulas, pero, en 2016, no son rentables para los vehículos de producción. [ cita requerida ]

Historia

Máquinas de vapor

La historia de la búsqueda de un método de duración variable de apertura de válvulas se remonta a la era de las máquinas de vapor, cuando la duración de apertura de la válvula se denominaba " corte de vapor ". El mecanismo de válvulas Stephenson , tal como se usaba en las primeras locomotoras de vapor, admitía el corte variable , es decir, cambios en el momento en el que se corta la admisión de vapor a los cilindros durante la carrera de potencia.

Los primeros enfoques del corte variable acoplaban variaciones en el corte de admisión con variaciones en el corte de escape. El corte de admisión y de escape se desacoplaron con el desarrollo de la válvula Corliss . Estas se usaron ampliamente en motores estacionarios de carga variable de velocidad constante, con corte de admisión, y por lo tanto, par, controlado mecánicamente por un regulador centrífugo y válvulas de detención .

A medida que se empezaron a utilizar las válvulas de asiento , se empezó a utilizar un mecanismo de válvulas simplificado que utilizaba un árbol de levas . Con estos motores, se podía lograr un corte variable con levas de perfil variable que se desplazaban a lo largo del árbol de levas mediante el regulador. [4] Los vagones de vapor Serpollet producían vapor a alta presión muy caliente, lo que requería válvulas de asiento, y estas utilizaban un mecanismo patentado de árbol de levas deslizante, que no solo variaba el corte de la válvula de entrada, sino que permitía invertir el motor. [5]

Aeronave

Un Clerget V-8 experimental de 200 hp de la década de 1910 utilizó un árbol de levas deslizante para cambiar la sincronización de la válvula [ cita requerida ] . Algunas versiones del motor radial Bristol Jupiter de principios de la década de 1920 incorporaron un engranaje de sincronización variable de válvulas, principalmente para variar la sincronización de la válvula de entrada en relación con relaciones de compresión más altas. [6] El motor Lycoming R-7755 tenía un sistema de sincronización variable de válvulas que consistía en dos levas que el piloto podía seleccionar. Una para despegue, persecución y escape, la otra para crucero económico.

Automotor

La conveniencia de poder variar la duración de la apertura de la válvula para que coincida con la velocidad de rotación de un motor se hizo evidente por primera vez en la década de 1920, cuando los límites máximos permitidos de RPM generalmente comenzaban a aumentar. Hasta aproximadamente esta época, las RPM en ralentí de un motor y sus RPM de funcionamiento eran muy similares, lo que significa que había poca necesidad de una duración variable de la válvula. El primer uso de la sincronización variable de válvulas fue en el Cadillac Runabout and Tonneau de 1903 creado por Alanson Partridge Brush Patente 767,794 "ENGRANAJE DE VÁLVULA DE ADMISIÓN PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA" presentada el 3 de agosto de 1903 y concedida el 16 de agosto de 1904. [7] Algún tiempo antes de 1919, Lawrence Pomeroy, el diseñador jefe de Vauxhall, había diseñado un motor de 4,4 L para un reemplazo propuesto para el modelo 30-98 existente que se llamaría H-Type. [8] En este motor, el árbol de levas en cabeza único debía moverse longitudinalmente para permitir que se acoplaran diferentes lóbulos del árbol de levas. Fue en la década de 1920 cuando comenzaron a aparecer las primeras patentes para la apertura de válvulas de duración variable, por ejemplo, la patente estadounidense US 1,527,456 .

En 1958, Porsche solicitó una patente alemana, que también se solicitó y publicó como patente británica GB861369 en 1959. La patente de Porsche utilizaba una leva oscilante para aumentar la elevación y la duración de la válvula. La leva desmodrómica se accionaba mediante una varilla de empuje/tracción desde un eje excéntrico o un plato cíclico . Se desconoce si alguna vez se fabricó un prototipo funcional.

Fiat fue el primer fabricante de automóviles en patentar un sistema funcional de sincronización variable de válvulas para automóviles que incluía elevación variable. Desarrollado por Giovanni Torazza a fines de la década de 1960, el sistema utilizaba presión hidráulica para variar el punto de apoyo de los seguidores de leva (patente estadounidense 3.641.988). [9] La presión hidráulica cambiaba según la velocidad del motor y la presión de admisión. La variación de apertura típica era del 37 %.

Alfa Romeo fue el primer fabricante en utilizar un sistema de distribución variable de válvulas en los automóviles de producción (patente estadounidense 4.231.330). [10] Los modelos con inyección de combustible del Alfa Romeo Spider 2000 de 1980 tenían un sistema VVT mecánico. El sistema fue diseñado por el ingeniero Giampaolo Garcea en la década de 1970. [11] Todos los modelos Alfa Romeo Spider a partir de 1983 utilizaron VVT electrónico. [12]

En 1989, Honda lanzó el sistema VTEC . [13] Mientras que el anterior sistema NVCS de Nissan modifica la fase del árbol de levas, el VTEC cambia a un perfil de leva independiente a altas velocidades del motor para mejorar la potencia máxima. El primer motor VTEC que produjo Honda fue el B16A , que se instaló en los hatchbacks Integra , CRX y Civic disponibles en Japón y Europa. [ cita requerida ]

En 1992, Porsche presentó por primera vez el VarioCam , que fue el primer sistema que proporcionaba un ajuste continuo (todos los sistemas anteriores utilizaban un ajuste discreto). El sistema se lanzó en el Porsche 968 y funcionaba únicamente en las válvulas de admisión.

Motocicletas

La sincronización variable de válvulas se ha aplicado a los motores de motocicletas, pero se consideró una "obra maestra tecnológica" inútil hasta 2004 debido a la penalización de peso del sistema. [14] Desde entonces, las motocicletas que incluyen VVT incluyen la Kawasaki 1400GTR/Concours 14 (2007), la Ducati Multistrada 1200 (2015), la BMW R1250GS (2019) y la Yamaha YZF-R15 V3.0 (2017), la Suzuki GSX-R1000R 2017 L7.

Marina

La sincronización variable de válvulas ha comenzado a llegar a los motores marinos. El motor marino VVT de Volvo Penta utiliza un sincronizador de levas, controlado por el ECM, que varía continuamente el avance o el retraso de la sincronización del árbol de levas. [15]

Diesel

En 2007, Caterpillar desarrolló los motores C13 y C15 Acert que utilizaban tecnología VVT para reducir las emisiones de NOx, para evitar el uso de EGR después de los requisitos de la EPA de 2002. [16] [17]

En 2010, Mitsubishi desarrolló y comenzó la producción en masa de su 4N13 1.8 L DOHC I4, el primer motor diésel para automóviles de pasajeros del mundo que cuenta con un sistema de sincronización variable de válvulas. [18] [19]

Nomenclatura automotriz

Phasers hidráulicos de tipo paletas en un modelo recortado del motor Hyundai T-GDI

Los fabricantes utilizan muchos nombres diferentes para describir la implementación de los distintos tipos de sistemas de sincronización variable de válvulas. Estos nombres incluyen:

Métodos para implementar el control de válvulas variables (VVC)

Cambio de levas

Este método utiliza dos perfiles de levas, con un actuador para cambiar entre los perfiles (normalmente a una velocidad de motor específica). El cambio de levas también puede proporcionar una elevación de válvula variable y una duración variable, sin embargo, el ajuste es discreto en lugar de continuo.

El primer uso de este sistema en producción fue el sistema VTEC de Honda . El VTEC cambia la presión hidráulica para activar un pasador que fija el balancín de alta elevación y alta duración a uno o más balancines adyacentes de baja elevación y baja duración.

Fase de levas

Muchos sistemas VVT de producción son del tipo de sincronización de levas , que utilizan un dispositivo conocido como variador que cambia la fase (la fase se refiere a la sincronización relativa entre los árboles de levas de admisión y escape, expresada como una medida angular) del árbol de levas y las válvulas. Esto permite un ajuste continuo de la sincronización de levas (aunque muchos de los primeros sistemas solo utilizaban un ajuste discreto), sin embargo, la duración y la elevación no se pueden ajustar.

Leva oscilante

Estos diseños utilizan un movimiento oscilante o de balanceo en un lóbulo de leva parcial, [ aclaración necesaria ] que actúa sobre un seguidor. Este seguidor abre y cierra la válvula. Algunos sistemas de levas oscilantes utilizan un lóbulo de leva convencional, mientras que otros utilizan un lóbulo de leva excéntrico y una biela. El principio es similar al de las máquinas de vapor, donde la cantidad de vapor que entraba al cilindro se regulaba mediante el punto de "corte" del vapor.

La ventaja de este diseño es que el ajuste de la sustentación y la duración es continuo. Sin embargo, en estos sistemas, la sustentación es proporcional a la duración, por lo que la sustentación y la duración no se pueden ajustar por separado.

Los sistemas de levas oscilantes de BMW ( valvetronic ), [20] Nissan ( VVEL ) y Toyota ( valvematic ) actúan únicamente sobre las válvulas de admisión.

Accionamiento por leva excéntrica

Los sistemas de accionamiento por levas excéntricas funcionan mediante un mecanismo de disco excéntrico que reduce o acelera la velocidad angular del lóbulo de la leva durante su rotación. Organizar el lóbulo para que disminuya su velocidad durante su período abierto equivale a alargar su duración.

La ventaja de este sistema es que la duración puede variar independientemente de la sustentación [21] (sin embargo, este sistema no varía la sustentación). El inconveniente es que se necesitan dos controladores y accionamientos excéntricos para cada cilindro (uno para las válvulas de admisión y otro para las válvulas de escape), lo que aumenta la complejidad y el coste.

MG Rover es el único fabricante que ha lanzado motores que utilizan este sistema. [ cita requerida ]

Lóbulo de leva tridimensional

Este sistema consta de un lóbulo de leva que varía a lo largo de su longitud [22] (similar a una forma de cono). Un extremo del lóbulo de leva tiene un perfil de duración corta/elevación reducida, y el otro extremo tiene un perfil de duración más larga/elevación mayor. En el medio, el lóbulo proporciona una transición suave entre estos dos perfiles. Al cambiar el área del lóbulo de leva que está en contacto con el seguidor, la elevación y la duración se pueden alterar continuamente. Esto se logra moviendo el árbol de levas axialmente (deslizándolo a través del motor) de modo que un seguidor estacionario esté expuesto a un perfil de lóbulo variable para producir diferentes cantidades de elevación y duración. La desventaja de esta disposición es que los perfiles de leva y seguidor deben diseñarse cuidadosamente para minimizar la tensión de contacto (debido al perfil variable).

Ferrari se asocia comúnmente con este sistema, [23] [24] sin embargo se desconoce si algún modelo de producción hasta la fecha ha utilizado este sistema.

Perfil de lóbulo de leva combinado de dos ejes

No se tiene conocimiento de que este sistema se utilice en ningún motor de producción.

Consiste en dos árboles de levas paralelos (muy próximos entre sí), con un seguidor pivotante que abarca ambos árboles de levas y que es accionado por dos lóbulos simultáneamente. Cada árbol de levas tiene un mecanismo de sincronización que permite ajustar su posición angular con respecto al cigüeñal del motor. Un lóbulo controla la apertura de una válvula y el otro controla el cierre de la misma válvula, por lo que se logra una duración variable a través del espaciamiento de estos dos eventos.

Las desventajas de este diseño incluyen:

  • En configuraciones de larga duración, un lóbulo puede comenzar a reducir su sustentación mientras el otro sigue aumentando. Esto tiene el efecto de disminuir la sustentación general y posiblemente causar problemas dinámicos. Una empresa afirma haber resuelto el problema de la velocidad desigual de apertura de la válvula hasta cierto punto, lo que permite una larga duración con sustentación completa. [25] [26] [27]
  • Tamaño del sistema, debido a los ejes paralelos, los seguidores más grandes, etc.

Perfil de lóbulo de leva combinado de dos ejes coaxiales

No se tiene conocimiento de que este sistema se utilice en ningún motor de producción.

El principio de funcionamiento es que un seguidor abarca el par de lóbulos estrechamente espaciados. Hasta el límite angular del radio de la punta, el seguidor "ve" la superficie combinada de los dos lóbulos como una superficie continua y lisa. Cuando los lóbulos están exactamente alineados, la duración es mínima (e igual a la de cada lóbulo por separado) y cuando están en el extremo de su desalineación, la duración es máxima. La limitación básica del esquema es que solo es posible una variación de duración igual a la del radio real de la punta del lóbulo (en grados del árbol de levas o el doble de este valor en grados del cigüeñal). En la práctica, este tipo de leva variable tiene un rango máximo de variación de duración de unos cuarenta grados del cigüeñal.

Este es el principio que subyace a lo que parece ser la primera sugerencia de árbol de levas variable que aparece en los archivos de patentes de la USPTO en 1925 (1527456). El "árbol de levas Clemson" es de este tipo. [28]

Árbol de levas helicoidal

También conocido como "perfil combinado coaxial de dos ejes con movimiento helicoidal", no se sabe que este sistema se utilice en ningún motor de producción. [29] [30] [31] [32]

Tiene un principio similar al tipo anterior y puede utilizar el mismo perfil de lóbulo de duración base. Sin embargo, en lugar de rotación en un solo plano, el ajuste es tanto axial como rotacional, lo que le da un aspecto helicoidal o tridimensional a su movimiento. Este movimiento supera el rango de duración restringido del tipo anterior. El rango de duración es teóricamente ilimitado, pero normalmente sería del orden de cien grados de cigüeñal, lo que es suficiente para cubrir la mayoría de las situaciones.

Se dice que la leva es difícil y costosa de producir y requiere un mecanizado helicoidal muy preciso y un ensamblaje cuidadoso.

Motores sin levas

Los diseños de motores que no dependen de un árbol de levas para operar las válvulas tienen una mayor flexibilidad para lograr una sincronización variable de las válvulas y una elevación variable de las válvulas . El único automóvil de producción que utiliza el diseño sin levas hasta ahora es el Koenigsegg Gemera .

Sistema hidráulico

Este sistema utiliza el aceite lubricante del motor para controlar el cierre de la válvula de admisión. El mecanismo de apertura de la válvula de admisión incorpora un taqué de válvula y un pistón dentro de una cámara. Hay una válvula solenoide controlada por el sistema de control del motor que se activa y suministra aceite a través de una válvula antirretorno durante el tiempo de elevación de la leva y el aceite se llena en la cámara y el canal de retorno al cárter se bloquea mediante el taqué de la válvula. Durante el movimiento descendente de la leva, en un instante determinado, el paso de retorno se abre y la presión del aceite se libera al cárter del motor.

Referencias

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  • Libro ilustrado de tecnología de Honda, VTEC
  • Phasers de leva variable Delphi (VCP)
  • Artículo sobre la CVVT de Volvo
  • Artículo sobre el MG Rover VVC
  • Artículo sobre el MG Rover VVC (de sandmuseum.com)
  • Sistemas Mechadyne VVA
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