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).
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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.
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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.
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- 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.
