MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EN AUTOMOCIÓN (PARTE XX)

Hola a todos

Seguimos con los artículos dedicados al sistema de distribución del motor, que como ya sabeis es el encargado de gobernar la apertura y cierre de válvulas de manera correcta. También vimos los elementos que lo componen y los tipos de distribución usados, con especial mención a la distribición desmodrómica, recordad que era aquella que no usaba muelles para cerrar la válvula. Para todos aquellos que aún no hayan leido los anteriores artículos les invito a ver los elementos de la distribución pinchando aquí y ver los tipos de sistemas de distribucion pinchando aquí .

El artículo de hoy versará sobre los sistemas de distribución variable, que son aquellos encargados de variar los ángulos de apertura de las válvulas en función del régimen de funcionamiento del motor. ¿Para qué hacemos esto? Para conseguir un llenado y vaciado óptimos del cilindro, sea cual sea el régimen de revoluciones del motor. Como expliqué en el anterior artículo, las distribuciones fijas tienen el inconveniente de que hay que diseñarlas y montarlas de manera que se obtenga un compromiso entre funcionamiento en bajas revoluciones y en altas revoluciones. El problema viene porque las válvulas a regímenes altos de revoluciones no cierran correctamente debido a que el muelle no puede absorver los golpeteos de la leva y no conseguimos un llenado y vaciado óptimos, por lo que el rendimiento del motor se ve mermado. 
Como sabeis, la técnica ha avanzado muchísimo en estos últimos 10-15 años y a la par que se desarrollaban sistemas de admisión variable y sistemas de alimentación electrónicos, se desarrollaron los sistemas de distribución variable. 
Hay dos tipos fundamentales de este sistema de distribución, distribución variable por alzada de válvula variable y distribución variable por desplazamiento del árbol de levas con respecto al cigüeñal. Un esquema a continuación para aclarar conceptos:

Antes de entrar en materia, os explicaré que es un diagrama de distribución del motor; esto debia haberlo explicado anteriormente pero lo hago ahora. Este diagrama nos indica como es la sincronización entre el cigüeñal y ls válvulas, es decir a que ángulos de cigüeñal corresponden la parteura y cierre de válvulas:

Aquí teneis un diagrama de distribución simplificado. En el vemos los 4 tiempos o fases del motor de combustión de 4 tiempos (valga la redundancia) y otras letras que os explico:

1. AAA: Avance de apertura de admisión, que se refiere a la apertura de la válvula de admisión antes de que acabe el ciclo de escape. Esto se hace así para llenar el cilindro aprovechando el barrido de los gases de escape por parte del aire fresco.
2. RCE: Retraso del cierre del escape, que se refiere al retraso del cierre de la válvula de escape, el cual se produce en pleno tiempo de admisión del motor. Así vaciamos mejor el cilindro y la combustión será más eficiente.
3. RCA: Retraso del cierre de admisión, y que hace que la válvula de admisión siga abierta en pleno tiempo de compresión del motor (cuando el pistón está subiendo). Así nos aseguramos que se llene con la mayor cantidad de aire posible.
4. AE: Adelanto del encendido que se produce antes de que el pistón llegue a su PMS (punto muerto superior), ya que la combustión tarda un poco en suceder. Si el motor fuera Diésel se denominaria AI o adelanto de inyección.
5. AAE: Avance de apertura del escape, que se refiere a la apertura de la válvula de escape antes de que termine el tiempo de explosión. El pistón aún no ha llegado al PMI (punto muerto inferior) y abrimos la válvula para que sea más fácil barrer los gases de escape en el siguiente tiempo.

Además en el gráfico observareis un detalle en la parte superior. El AAA y el RCE se solapan, es decir mientras se abre la válvula de admisión, la válvula de escape sigue cerrándose (no está completamente cerrada). A esto se le denomina cruce de válvulas y no ocurre en todos los motores pero es bueno que lo sepais. 

Y aquí teneis un ejemplo particular de calado de la distribución, que es la operación que se realiza para sincronizar los ángulos del cigüeñal con la aperturas y cierres de válvulas. 
Bien, pero todo esto es para distribuciones fijas en las cuales buscamos un compromiso entre funcionamiento en bajas, medias y altas rpms.
Pero si queremos un funcionamiento con el mayor rendimiento en toda la gama de revoluciones recurrimos a la distribución variable, que automáticamente varia esos ángulos que acabamos de ver, es decir varia los adelantos y retrasos en las aperturas y cierre de válvulas para llenar mejor el cilindro y vaciar más eficazmente.
Para conseguir variar los ángulos de apertura y cierre de válvulas, esos denominados AAA, RCA, AAE, RCE hay que valerse de una serie de dispositivos para desplazar el árbol de levas los grados necesarios, tanto a izquierdas como a derechas:

• Convertidores de fase: Utilizamos un variador de fase para modificar el diagrama de distribución del motor y conseguir un buen rendimiento en bajas revoluciones y un buen llenado de cámara en altas revoluciones. Los hay de varios tipos, pero el más común es aquel que varia la posición del árbol de levas de admisión (si existen dos árboles de levas) con respecto al engranaje que lo arrastra (engranaje impulsor). Todo está comandado por la centralita del motor, y según las rpm a las que funcionemos, desacopla los grados necesarios el giro del árbol de levas con respecto al cigüeñal. Se ha demostrado con la experiencia, que con sólo modificar los ángulos del árbol de levas de admisión es suficiente, ya que la modificación del escae no tiene consecuencias notorias en el rendimiento.

En el esquema observamos como la corona exterior que impulsa al árbol de levas, arrastra además todo el conjunto interior (el engranaje de dientes rectos, y el interior de dientes helicoidales). Cuando la electroválvula (1) actua, deja pasar el aceite al interior que empuja al engranaje de dientes rectos interior (3) y acopla el sistema que ahora varia un ángulo determinado (este proceso es similar a cuando cambiamos de marcha en nuestro coche). Al introducirse el engranaje (3) hace que se produzca una torsión que genera un desfase, medido por el ángulo a. Este desfase produce un retraso o avance de la apertura y cierre de la válvula de admisión.

 
Aquí observamos el funcionamiento del convertidor de fase, en un esuqema de una sección transversal. Al empujar el émbolo la rueda de dentado helicoidal, varia la transmisión del movimiento, ya que se introduce el eje estriado (dientes rectos) dentro del manguito estriado, produciéndose una torsión que origina un cambio del ángulo de la leva. Al cesar el empuje del émbolo, nuestra rueda dentada vuelve hacia atrás, y deja de producir esa torsión.
He dicho anteriormente que se suele utilizar en motores de dos árboles de levas en cabeza (DOHC), pero la primera vez que se usó este sistema fué en un motor Alfa Romeo denominado Twin Spark de 2000 cc de cilindrada. El rendimiento era muy bueno, ofreciendo 150 CV, que en motores multiválvulas (más de 2 por cilindro) es una cifra no difícil de obtener para un 2000 cc de gasolina, pero en el motor que nos ocupa era todo un logro. Más tarde también Alfa Romeo introdujo la culata multiválvulas (4 válvulas por cilindro y distribución DOHC).

El motor del Alfa Romeo, con variador de fase de regulación gradual. La actuación del sistema hace que la válvula electrohidráulica (comandada por el microprocesador) actue para que el cruce de válvulas (ya sabeis, momento en el cual las válvulas de admisión y escape están abiertas al mismo tiempo) sea el mínimo posible en regímenes bajos y medio-bajos de revoluciones. A altas rpms se intenta que este cruce de válvulas sea máximo, es decir aumenta el tiempo (el ángulo que forman sería mayor en el diagrama de distribución).

Aquí un esquema en el cual vemos el variador de fase, y el porque de denominar al motor Twin Spark. Esto es así ya que además del variador de fase, el motor tiene un sistema de doble encendido (doble bujía o spark en inglés). Esto se hacía así para mejorar la combustión a altos regímenes de motor, y de nuevo comandado por la centralita. ¿Porqué decimos que el variador de fase es gradual? Porque sólo actua a partir de las 4300 rpm (en el caso de este motor) para modificar el ángulo de fase del árbol de levas de admisión (si es DOHC) o el árbol de levas (si es SOHC). A partir de esas revoluciones aumentamos el cruce de válvulas obteniendo un mejor llenado del cilindro, hasta las 7300 rpm de corte de inyección.
Uno de los inconvenientes de este sistema, es que la alzada de válvula quedaba intacta, sin modificar (la alzada de válvula es la distancia que recorre la válvula en su apertura y cierre). Bien, se introdujeron levas cónicas, como las del ejemplo queos pongo a continuación, para conseguir variar en cierta medida esa alzada de válvula.

Como veis, al ser el perfil de la leva (transversalmente) distinto, ahora la válvula baja más o menos según actue o no el convertidor de fase.

• Sistema VANOS de BMW: Que no deja de ser un convertidor de fase, sólo que su actuación es continua, es decir recibe en todo momento presión de aceite del engrase del propio motor.

Fotografía del motor del BMW M3 que incorporaba el sistema VANOS (del alemán Variable Nockenwellen Steuereung o separación variable del árbol de levas). En la foto podemos verlo al frente del motor, esa joroba que vemos situada detrás del ventilador, por la parte superior del motor.

Y aquí un esquema del sistema. En realidad vemos que es muy parecido al convertidor de fase visto anteriormente, y actuamos sobre la admisión (el árbol de levas de admisión) para variar el calaje del mismo y así aumentar el cruce de válvulas a regímenes altos de revoluciones. Todo esto siempre en connivencia con la centralita electrónica, que medira rpms, carga o solicitación del motor y temperatura del mismo. El aceite de engrase del motor es el encargado de impulsar el émbolo de la válvula electrohidráulica, y así acoplar el sistema VANOS. Se consiguen variaciones de fase de hasta 25º, aumentando el rendimiento del motor de manera sensible.

Este otro sistema, más complejo lo utilizaba BMW para su motor de 3000 cc.Este sistema permite cualquier posición del árbol de levas con una variación de unos 42º entre la mínima y máximas posible. Dispone de su propio circuito de aceite y de una bomba de 100 bares de presión, además es el encargado de modificar el decalaje para que el vehículo no supere los 250 Km/h (junto al corte de inyección). La bomba de aceite se acciona gracias al árbol de levas de escape, que acciona el sistema de regulación. Esta presión tan elevada de 100 bares es necesaria para que el pistón se mantenga en cualquier posición de manera segura, es decir que la torsión no lo devuelva a una posición no conveniente (podría dañar el motor).

Aquí una fotografía corte de un motor BMW V8 con sistema bi-VANOS, es decir con sistema converidor de fase tanto de árboles de levas de admisión y escape.

 
Y aquí un esquema del mismo sistema bi-VANOS. Al igual que el segundo VANOS que hemos visto, es un sistema de regulación continuo, con una gama amplia de distintos ángulos o fases de los árboles de levas. Se consigue aumentar mucho la potencia específica y el rendimiento general del motor (par motor y consumo). 

Por hoy vamos a dejarlo aquí, pero contunaré con más sistemas de distribución variable proximamente, como los Variocam de Porsche, V-TEC de Honda, VVT-i de Toyota y el Valvetronic de BMW.
Espero que os haya servido para comprender como funciona este sistema que cada vez más marcas, y sobre todo más motores, incorporan. Yo me despido hasta la prócima entrega, cualquier duda que tengais podeis dejarla en la página de facebook o comentandola aquí en el blog.

A continuación la bilbiografía consultada:

- http://www.cochesafondo.com/mejores-motores-mundo-2010-bmw-m-4-0-v8/
- http://www.bmwfaq.com/f16/estan-mal-todos-nuestros-vanos-gasolina-477516/index12.html
- http://www.oocities.org/alfa146website/castella/ts.htm
- http://www.miseat127.es/portal/viewtopic.php?p=146708
- http://professionalautomotive.wordpress.com/2011/09/15/diagramas-de-distribucion-relacionado-con-tema-de-distribucion-y-ciclos/
- http://www.teamcalibra026.es/foro/viewtopic.php?f=3&t=18139
- http://www.aficionadosalamecanica.net/distribucion_variable1.htm