Distribución variable de válvulas

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

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

La forma más simple de VVT ​​es el cambio de fase del árbol de levas , mediante el cual 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 cierran antes o después; sin embargo, la elevación y la duración del árbol de levas no se pueden modificar únicamente con un sistema de cambio de fase.

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

La primera variante de la distribución variable continua implica mantener abierta la válvula de admisión durante un tiempo ligeramente superior al de un motor tradicional, emulando el ciclo Atkinson . Esto provoca que el pistón expulse aire del cilindro y lo introduzca de nuevo en el colector de admisión durante la carrera de compresión. El aire expulsado llena el colector a mayor presión, y en las siguientes carreras de admisión, el aire que entra también está a mayor presión. Se ha demostrado que el cierre tardío de la válvula de admisión reduce las pérdidas por bombeo en un 40 % en condiciones de carga parcial y disminuye las emisiones de óxido nítrico ( NOx ) en un 24 %. El par máximo del motor mostró una disminución de tan solo un 1 %, y las emisiones de hidrocarburos permanecieron inalteradas. ^{[ 3 ]}

Otra forma de disminuir las pérdidas por bombeo asociadas con condiciones de baja velocidad del motor y alto vacío es cerrando la válvula de admisión antes de lo normal. Esto implica cerrar la válvula de admisión a la 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 considerablemente las pérdidas por bombeo. ^{[ 3 ]} Los estudios han demostrado que el cierre temprano de la válvula de admisión reduce las pérdidas por bombeo en un 40% y aumenta la economía 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 ]} Esta es otra forma de emular el ciclo Atkinson y se usa comúnmente en motores de ciclo Miller con inducción forzada .

La apertura temprana de la válvula de admisión es otra variación con un potencial significativo para reducir las emisiones. En un motor tradicional, se utiliza un proceso llamado solapamiento 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/combustible regresa 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 siguiente carrera de admisión, 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 que expulsar en la carrera de escape. ^{[ 3 ]}

El momento de apertura y cierre de la válvula de escape puede manipularse para reducir las emisiones. Tradicionalmente, la válvula de escape se abre y el pistón, al ascender, expulsa los gases de escape del cilindro hacia el colector de escape. Al manipular el momento de apertura de la válvula de escape, los ingenieros pueden controlar la cantidad de gases de escape que quedan en el cilindro. Al mantener la válvula de escape abierta un poco más de tiempo, el cilindro se vacía más y queda listo para recibir una mayor mezcla de aire y combustible durante 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. En este modo de funcionamiento, se comporta de forma similar a una válvula EGR, y en algunos motores la reemplaza por completo. Esto permite un funcionamiento más eficiente en todas las condiciones.

La historia de la búsqueda de un método para variar la duración de la apertura de las válvulas se remonta a la época de las máquinas de vapor , cuando a dicha duración se la denominaba " corte de vapor ". El mecanismo de distribución Stephenson , utilizado en las primeras locomotoras de vapor, permitía un corte variable , es decir, cambios en el momento en que se interrumpía la admisión de vapor a los cilindros durante la carrera de potencia.

Los primeros enfoques para el corte variable acoplaban las variaciones en el corte de admisión con las variaciones en el corte de escape. El corte de admisión y escape se desacopló con el desarrollo de la válvula Corliss . Estas se utilizaron ampliamente en motores estacionarios de velocidad constante y carga variable, con el corte de admisión, y por lo tanto el par, controlados mecánicamente por un regulador centrífugo y válvulas de disparo .

Con la introducción de las válvulas de asiento , se empezó a utilizar un mecanismo de distribución simplificado mediante un árbol de levas . En 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 y muy caliente, lo que requería válvulas de asiento, y estas utilizaban un mecanismo de árbol de levas deslizante patentado, que no solo variaba el corte de la válvula de admisión, sino que también permitía invertir el sentido de giro del motor. ^{[ 5 ]}

Un motor experimental Clerget  V-8 de 200 hp de la década de 1910 utilizaba un árbol de levas deslizante para cambiar la sincronización de las válvulas . Algunas versiones del motor radial Bristol Jupiter de principios de la década de 1920 incorporaban un mecanismo de distribución variable, principalmente para variar la sincronización de las válvulas de admisión en relación con relaciones de compresión más altas. ^{[ 6 ]} El motor Lycoming R-7755 tenía un sistema de distribución variable de válvulas que constaba de dos levas que el piloto podía seleccionar. Una para el despegue, la persecución y la huida, y la otra para el crucero económico.

La conveniencia de poder variar la duración de 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 comenzaron a aumentar en general. Hasta aproximadamente ese momento, las RPM de ralentí y las RPM de funcionamiento de un motor eran muy similares, lo que significaba que había poca necesidad de duración variable de la válvula. El primer uso de la sincronización variable de válvulas fue en el Cadillac Runabout y Tonneau de 1903 creado por Alanson Partridge Brush Patente 767,794 “ENTRENAMIENTO DE VÁLVULAS DE ADMISIÓN PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA” presentado el 3 de agosto de 1903 y otorgado el 16 de agosto de 1904. ^{[ 7 ]} Algún tiempo antes de 1919, Lawrence Pomeroy, 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 único árbol de levas en cabeza debía moverse longitudinalmente para permitir el acoplamiento de 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 patent 1,527,456 .

En 1958, Porsche solicitó una patente alemana, que también fue solicitada y publicada como patente británica GB861369 ese mismo año. La patente de Porsche utilizaba una leva oscilante para aumentar la elevación y la duración de las válvulas. La leva desmodrómica era accionada mediante una varilla de empuje/tracción desde un eje excéntrico o plato oscilante . Se desconoce si se llegó a fabricar algún prototipo funcional.

Fiat fue el primer fabricante de automóviles en patentar un sistema funcional de distribución variable de válvulas que incluía elevación variable. Desarrollado por Giovanni Torazza a finales de la década de 1960, el sistema utilizaba presión hidráulica para variar el punto de apoyo de los taqués (Patente estadounidense 3,641,988). ^{[ 9 ]} La presión hidráulica variaba según la velocidad del motor y la presión de admisión. La variación típica de apertura era del 37 %.

Alfa Romeo fue el primer fabricante en utilizar un sistema de distribución variable de válvulas en automóviles de producción (Patente estadounidense 4,231,330). ^{[ 10 ] [ 11 ]} 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. ^{[ 12 ]} Todos los modelos Alfa Romeo Spider a partir de 1983 utilizaron VVT electrónico. ^{[ 13 ]}

En 1989, Honda lanzó el sistema VTEC . ^{[ 14 ]} Mientras que el sistema NVCS anterior de Nissan modificaba 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 modelos Integra , CRX y Civic hatchback disponibles en Japón y Europa.

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

La distribución variable de válvulas ha comenzado a implementarse en los motores marinos. El motor marino VVT de Volvo Penta utiliza un variador de fase de levas, controlado por la ECM, que varía continuamente el avance o el retraso de la sincronización del árbol de levas. ^{[ 16 ]}

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. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

En 2010, Mitsubishi desarrolló y comenzó la producción en masa de su motor 4N13 de 1.8 L DOHC I4, el primer motor diésel  para turismos del mundo que incorpora un sistema de distribución variable de válvulas. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Este método utiliza dos perfiles de leva, con un actuador para alternar entre ellos (normalmente a una velocidad específica del motor). La conmutación de levas también permite variar la elevación y la duración de la válvula; sin embargo, el ajuste es discreto, no continuo.

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

Muchos sistemas VVT de producción son del tipo de fase de levas , que utiliza 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 las levas (aunque muchos sistemas antiguos solo utilizaban un ajuste discreto); sin embargo, la duración y la elevación no se pueden ajustar.

Estos diseños emplean un movimiento oscilante o de balanceo en una leva parcial, que actúa sobre un seguidor. Este seguidor, a su vez, abre y cierra la válvula. Algunos sistemas de leva oscilante utilizan una leva convencional, mientras que otros emplean una leva excéntrica y una biela. El principio es similar al de las máquinas de vapor, donde la cantidad de vapor que entraba en el cilindro se regulaba mediante el punto de corte del vapor.

La ventaja de este diseño radica en que el ajuste de la elevación y la duración es continuo. Sin embargo, en estos sistemas, la elevación es proporcional a la duración, por lo que no es posible ajustarlas por separado.

Los sistemas de levas oscilantes BMW ( valvetronic ), ^{[ 21 ]} Nissan ( VVEL ) y Toyota ( valvematic ) actúan únicamente sobre las válvulas de admisión.

Los sistemas de accionamiento por leva excéntrica funcionan mediante un mecanismo de disco excéntrico que ralentiza y acelera la velocidad angular del lóbulo de la leva durante su rotación. Al ralentizar el lóbulo durante su período de apertura, se incrementa su duración.

La ventaja de este sistema es que la duración puede variar independientemente de la elevación ^{[ 22 ]} (sin embargo, este sistema no varía la elevación). El inconveniente es que se necesitan dos accionamientos excéntricos y controladores para cada cilindro (uno para las válvulas de admisión y otro para las de escape), lo que aumenta la complejidad y el costo.

MG Rover es el único fabricante que ha lanzado motores que utilizan este sistema.

Este sistema consta de una leva que varía a lo largo de su longitud ^{[ 23 ]} (similar a una forma de cono). Un extremo de la 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, la leva proporciona una transición suave entre estos dos perfiles. Al cambiar el área de la leva que está en contacto con el seguidor, la elevación y la duración se pueden modificar continuamente. Esto se logra moviendo el árbol de levas axialmente (deslizándolo a lo largo del motor) de manera que un seguidor fijo quede expuesto a un perfil de leva variable para producir diferentes cantidades de elevación y duración. La desventaja de esta configuración es que los perfiles de la leva y del seguidor deben diseñarse cuidadosamente para minimizar la tensión de contacto (debido al perfil variable).

Ferrari se asocia comúnmente con este sistema, ^{[ 24 ] [ 25 ]} sin embargo, se desconoce si algún modelo de producción hasta la fecha ha utilizado este sistema.

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

Consta de dos árboles de levas paralelos (muy próximos entre sí), con un seguidor pivotante que abarca ambos árboles y sobre el que actúan dos lóbulos simultáneamente. Cada árbol de levas dispone de un mecanismo de fase que permite ajustar su posición angular con respecto al cigüeñal del motor. Un lóbulo controla la apertura de una válvula y el otro, su cierre; por lo tanto, se consigue una duración variable mediante la sincronización de estos dos eventos.

Las desventajas de este diseño incluyen:

• En configuraciones de larga duración, un lóbulo puede comenzar a reducir su elevación mientras que el otro aún la aumenta. Esto tiene el efecto de disminuir la elevación total y posiblemente causar problemas dinámicos. Una empresa afirma haber resuelto en cierta medida el problema de la velocidad de apertura desigual de la válvula, lo que permite una larga duración con la elevación máxima. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}
• Tamaño del sistema, debido a los ejes paralelos, los seguidores más grandes, etc.

El principio de funcionamiento se basa en que un seguidor abarca el par de lóbulos muy próximos. Hasta el límite angular del radio de la punta, el seguidor recibe la acción de la superficie combinada de ambos lóbulos como una superficie continua y lisa. Cuando los lóbulos están perfectamente alineados, la duración es mínima (e igual a la de cada lóbulo por separado), y cuando se encuentra en el extremo de su desalineación, la duración es máxima. La limitación fundamental de este sistema es que solo es posible una variación de duración igual al radio real de la punta del lóbulo (en grados de árbol de levas o el doble de este valor en grados de cigüeñal). En la práctica, este tipo de leva variable tiene un rango máximo de variación de duración de aproximadamente cuarenta grados de 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. ^{[ 29 ]}

No se tiene constancia de que el sistema descrito anteriormente se utilice en ningún motor de producción, pero Mechadyne desarrolló una versión simplificada para el motor V10 del Viper del año modelo 2008. Este motor de varillas de empuje tenía dos válvulas por cilindro y un único árbol de levas. La sincronización de las válvulas de escape se ajustaba hasta 36° con respecto a las válvulas de admisión mediante un sistema de leva dentro de leva (la duración de la apertura de la válvula de escape no se modificaba). ^{[ 30 ]}

También conocido como "perfil combinado coaxial de dos ejes con movimiento helicoidal", no se tiene constancia de que este sistema se utilice en ningún motor de producción. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

Su principio de funcionamiento es similar al del modelo anterior y utiliza el mismo perfil de lóbulo de duración base. Sin embargo, en lugar de una rotación en un solo plano, el ajuste es tanto axial como rotacional, lo que confiere a su movimiento un aspecto helicoidal o tridimensional. Este movimiento supera la limitación de duración del modelo anterior. Si bien teóricamente el rango de duración es ilimitado, suele ser del orden de cien grados de cigüeñal, lo cual es suficiente para la mayoría de las situaciones.

Según se informa, la leva es difícil y costosa de producir, ya que requiere un mecanizado helicoidal de gran precisión y un montaje cuidadoso.

Los diseños de motores que no dependen de un árbol de levas para accionar las válvulas ofrecen mayor flexibilidad para lograr una distribución variable y una elevación variable de las válvulas . El único automóvil de producción que utiliza este diseño sin árbol de levas hasta la fecha es el Koenigsegg Gemera .

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 y un pistón dentro de una cámara. Una electroválvula, controlada por el sistema de control del motor, se activa y suministra aceite a través de una válvula antirretorno durante el movimiento de la leva. El aceite llena la cámara y el taqué bloquea el conducto de retorno al cárter. Durante el descenso de la leva, en un instante determinado, se abre el conducto de retorno y se libera la presión del aceite al cárter.