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.
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).
