MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EN AUTOMOCIÓN (PARTE XXI)

Hola a todos

Últimamente  ando escaso de tiempo y no actualizo contenidos con la velocidad que me gustaría, pero aqui os traigo la continuación del tema de las distribuciones variables, que empezamos a ver en el anterior artículo. En definitiva es ir viendo los distintos sistemas que aplican unas u otras marcas automovilísticas, porque básicamente son dos tipos de distribuciones variables ( recordad pinchando en el siguiente enlace ).


Seguimos con los sistemas de distribución variable nombrando uno que a muchos aficionados al automóvil les resultará muy familiar, me refiero al sistema VTEC de Honda, que se patentó en el año 1989. Todos, el que más o el que menos, habréis visto u oido hablar del sistema, aunque sea sólo de oidas. Bien, este sistema es del tipo alzada de leva variable y es usado para motores de combustión interna del tipo Otto (de gasolina). 

Cuando abrais el capó motor de un vehículo Honda con el sistema VTEC, os encontrareis algo muy parecido a esto. Bien, VTEC son las siglas de Variable Timing and Lift Electronic Control System (Sistema de control electrónico de tiempos de distribución y alzada variable). Toda esta parrafada simplemente viene a decir que este sistema es un control de apertura de válvulas y de su alzada variable, en función de las rpms del motor. Este sistema no es un convertidor de fase como podrían ser el VANOS de BMW o el Twin Spark de Alfa Romeo, ya que este sistema no aplica torsión sobre el árbol de levas, sino que es más ingenioso y singular. 

Aquí observareis un par de válvulas (pueden ser de admisión o de escape ya que el sistema puede ir en uno u otro árbol de levas), y no es casualidad que sean dos ya que el sistema VTEC se suele usar con motores de 4 válvulas por cilindro. ¿Porqué?, porque el sistema ajusta el funcionamiento del motor conforme a 3 regímenes de funcionamiento, y es perfecto para motores multiválvulas que necesitan de regímenes altos para funcionar correctamente. Como podeis ver para un sistema de 4 válvulas por cilindro necesitaremos 6 levas y sus correspondientes 6 balancines de palanca. Si, efectivamente el sistema se ayuda de 3 levas para comandar 2 vávulas, y todo controlado por la ECU del motor y accionado gracias al aceite de engrase del motor. El sistema siempre tiene accionadas las dos levas externas, que son de perfiles suaves y con menos recorrido que la leva central, que tiene los tiempos de distribución más largos y su carrera es mayor que las externas. Además contiene un muelle que evita que la leva central se accione, hasta que la presión de aceite del motor es la suficiente para vencer su resistencia, accionando la leva central. Esto ocurre entre unas 5000 - 6000 rpms y al ser la leva central más grande es la que manda a la hora de abrir o cerrar las válvulas. Con esto se consigue lo que siempre se persigue en altas revoluciones, un mejor llenado del cilindro para que la potencia y el par sean mayores en altas revoluciones.

Aquí teneis los 3 estados de funcinamiento del sistema VTEC:

1. El estado 1 va desde el ralentí hasta las 2500 rpms aprox. (siempre depende de la carga del motor y de su temperatura). En este momento la ECU desenclava los 3 balancines, por lo que el balancín de la izquierda estará apoyado sobre un anillo mecánizado en el árbol de levas y no sobre su leva correspondiente, dando por resultado que el balancín no acciona la válvula, esta permanece cerrada. En este momento el motor puede funcionar como si tuviera 3 válvulas por cilindro. El balancín de la derecha acciona la válvula con el perfil de leva suave (la pequeña) y la válvula abre pero poco, así obtenemos un motor con un buen rendimiento de la combustión.
2. El estado 2 va desde las 2500 rpms hasta las 5000 - 6000 rpms (dependerá mucho de la posición del acelerador). Aquí la presión sobre el acelerador acciona el sistema, que manda aceite y presiona el bulón superior (seguid la línea roja del estado 2 del gráfico). Esto hace a los dos balancines exteriores solidarios, accionando cada uno las levas suaves correspondientes. Aquí las dos válvulas funcionan al unísono y consiguen un motor de funcionamiento muy progresivo y sin sobresaltos.
3. El estado 3 va desde las 5000 - 6000 rpms hasta el corte de inyección (los últimos VTEC cortan a las 8000 rpms aprox.). Ahora la ECU manda presión de aceite al bulón inferior (el de la leva grande) y acciona el tercer balancín. Esto hace que la leva central sea la que comanda los tiempos, que serán mayores debido a su perfil de mayor tamaño. El resultado es que el rendimiento mejora debido a dos sucesos, uno que la leva central obliga a las válvulas a abrir antes y cerrar después (cambia el diagrama de la distribución) y dos, que las válvulas a su vez tienen una alzada mayor, por lo que ahora mejoramos la potencia obtenida en altas revoluciones ya que entra más aire y se expulsan gases de combustión más eficazmente.

Por último aquí teneis un esquema y un corte transversal de una culata de un motor Honda VTEC, el cual ha ido sufriendo variaciones con el tiempo, pero que el funcionamiento básico sigue siendo el mismo.
Y ahora vamos al sistema que Porsche patentó a principios de los años 90 del siglo pasado, el sistema Variocam, y su sucesor el Variocam Plus. Este sistema además fué adoptado por el grupo VAG (Volkswagen - Audi) para sus motores de gasolina atmosféricos multiválvulas. 

La fotografía de arriba corresponde a la cadena de distribución y a los árboles de levas de admisión y escape de una bancada de cilindros. En el esquema de abajo se observa un corte de la culata, y señalados los árboles de levas y unos patines que en la foto superior observareis que están pintados en rojo granate. Estos patines van comandados por un actuador electrohidráulico que usa el aceite de engrase del motor para su accionamiento.

Aquí tenemos el funcionamiento del actuador, esquematizado. Como es lógico, la cadena describe un recorrido que está deteminado por los diamétros de las ruedas dentadas que accionan los árboles de levas, por la posición de los patines donde apoya y por la distancia del centro de una rueda a otra. Bien la primera y la última son dimensiones fijas, pero la posición de los patines si se puede variar, por lo que variará el recorrido de la cadena, siendo mayor o menor según el regímen de rpms a las que el motor funciona y, por consiguiente, cambiando el diagrama de distribución del motor.

En este diagrama se observa la diferencia de tener accionado el sistema a no tenerlo. La válvula de admisión y la de escape no llegan a cruzarse si el sistema no está accionado, sin embargo si se acciona si que hay un cruce de válvulas, ya que la AAA se adelanta con una diferencia de 15º. Con esto se busca, como siempre, aumentar el rendimiento en cualquier condición de funcionamiento.
La casa alemana Audi adoptó este sistema con una variación importante, le añadió un convertidor de fase en el árbol de levas de escape. Acordaos de como funcionaba un convertidor de fase leyendo el anterior artículo (el XIX), pero básicamente os diré que es un sistema que funciona igual que el Variocam, sólo que tiene 3 estados de funcionamiento en vez de dos.

En este esquema simplificado (una vista superior) vemos que al árbol de levas de escape de cada bancada (es un motor el V) se le coloca un convertidor de fase.

Y aquí un esquema del variador de fase Audi, como veis una copia más tecnificada del Variocam de Porsche. 

Un esquema de funcionamiento del sistema de Audi. En reposo, no se varía el ángulo de apertura de las válvulas de admisión. A partir de las 1500 rpm se acciona el pistón actuador y el patín se mueve hacía abajo, adelantando la apertura de admisión. A partir de las 5000 rpms se vuelve a recoger el patín y el árbol de admisión vuelve a tener sus tiempos de apertura y cierre como en reposo, pero el variador de fase aplica torsión al árbol de escape, proporcionando mayor retraso en el cierre y facilitando el llenado y expulsión de gases correctos en el cilindro. 
Y sin cambiar de país, seguimos en Alemania para ver un sistema un tanto peculiar. Me refiero al Valvetronic de BMW.

Aquí observareis un esquema de colocación del sistema Valvetronic de BMW en el árbol de levas de admisión, ya que en combinación con el sistema Bi-VANOS consiguen aumentar mucho el rendimiento de los motores atmosféricos de gasolina. 
 

Este es un corte de una culata con el sistema Valvetronic instalado. Os pongo otro esquema para que lo veais mejor, pero quería enseñaros la posición de los componentes dentro de una culata real.

Bien, como veis intervienen varios elementos. Los más importantes los veis en rojo, que son el mecanismo de excéntrica y la palanca intermedia regulable. El sistema simplemente hace girar el tornillo sin fin comandado por el motor, para que la excéntrica varie su posición. Al variar la excéntrica, varia también la palanca que transmite el movimiento de la leva de admisión a la palanca de arrastre de rodamiento. Esta última es la responsable final de que la válvula abra y cierre, pero con alzadas diferentes en todo momento. La gran ventaja de este Valvetronic es que la regulación es continua, en todo momento comandada por un procesador de 32 bits independiente de la ECU y que en teoría eliminaria toda conexión física entre el pedal del acelerador y la válvula de mariposa, pero que en la práctica se mantiene por razones de seguridad.

Un último esquema para que veais (con diferente color) como varia la alzada de leva en función de la posición de la excéntrica.
Por último hoy vamos a ver un sistema muy parecido al VTEC de Honda, pero esta vez de la marca Toyota. El sistema es el VVT-i, que viene del inglés Variable Valve Timing and Lift - Intelligent (Tiempos de distribución y alzada variables inteligente).

Para los que alguna vez lo hayais visto, tanto en el plástico que cubre la culata, como en la parte trasera del vehículo, las siglas VVT-i.

En realidad es un sistema muy parecido al VTEC de Honda, ya que utiliza dos perfiles de leva distintos, uno suave para funcionar a bajas y medias rpms y otro agresivo para altas rpms. El mecanismo sin embargo consta de un sólo balancin, que es accionado por una u otra leva. Cuando el motor se encuentra en regímenes medios o bajos de funcionamiento, el aceite motor no acciona el tope donde la leva agresiva se apoya y su bulón se libera, por lo que la leva suave se encarga de la apertura y cierre de válvulas. 

A altos regímenes, el aceite motor ahora si que acciona el tope, su bulón se bloquea y la leva agresiva comanda ahora la operación de apertura y cierre de válvulas. A diferencia del VTEC de Honda, este sistema es más sencillo y contiene menos piezas, por lo que es menos suceptible de fallar al cabo de mucho tiempo.
Bien hasta aquí lo que se daba sobre los sistemas de distribución variables en coches de calle, pero os hablaré en el prócimo artículo del accionamiento de las válvulas en competición, especialmente en Fórmula 1.
Espero que os haya gustado y por mi parte procuraré entregaros antes el próximo artículo, hasta pronto.

A continuación, la bibliografia consultada:

- http://www.todoautos.com.pe/f103/el-sistema-vvt-i-de-toyota-121398.html
- http://www.formula1-dictionary.net/camshaft_VVT.html
- http://www.bmwforums.info/general-guides-how-tos/4638-bmw-valvetronic-what-why.html
- http://www.forocoches.com/foro/showthread.php?t=953373
- http://sapolander.wordpress.com/valvulas-en-motores-de-cuatro-tiempos/
- http://www.hibridosyelectricos.com/articulo/tecnologia/los-motores-de-honda/20100413152122001078.html
- http://www.aficionadosalamecanica.net/distribucion_variable-vtec.htm