Sistemas de Distribución Variable: Tipos y Funcionamiento

Sistemas de Distribución Variable

La distribución de válvulas variable es un sistema que modifica el tiempo de apertura y cierre de las válvulas de admisión de aire (o escape de gases) en un motor de combustión interna alternativo, especialmente de ciclo Otto, en función del régimen y la carga del motor. El objetivo es optimizar la renovación de la carga y mejorar el rendimiento volumétrico.

El tiempo, la duración y la elevación del ciclo de apertura y cierre de la válvula impactan significativamente en el rendimiento del motor. Sin sincronización o elevación variable de válvulas, la sincronización debe ser la misma para todas las velocidades y condiciones del motor. Un sistema de sincronización variable de válvulas libera al motor de esta restricción, mejorando su rendimiento.

En bajas rpm, un cruce reducido favorece un ralentí estable y bajas emisiones. En altas RPM, el poco tiempo disponible requiere un mayor cruce, especialmente con elevada carga motor.

Tipos

Sistema de Distribución Variable con Variador de Fase Mediante Tensor Hidráulico

Este sistema varía la fase del árbol de levas de admisión usando un tensor hidráulico. Sus elementos básicos son:

• Cadena cinemática de transmisión del movimiento: Mueve el árbol de levas de escape mediante correa dentada, y este al árbol de admisión mediante una cadena.
• Electroválvula: Gobierna la entrada y salida del aceite al sistema.
• Patín de empuje: Donde se desplaza la cadena que une los árboles de escape y admisión.
• Pistón hidráulico desplazable: Realiza el desfase en el árbol de admisión mediante presión de aceite.

El árbol de escape gira solidario al cigüeñal, siendo el árbol de admisión el único con grados de libertad. El movimiento del pistón hacia arriba o abajo provoca un giro del árbol de levas de admisión, adelantando o retrasando la leva sobre la válvula.

Componentes: 1) Electrovalvula, 2) Cámara inferior, 3) Muelle del pistón, 4) Patines de empuje, 5) Cadena de transmisión, 6) Pistón desplazable, 7) Muelle del tensor, 8) Muelle del tensor, 9) Corredera de la electroválvula, 10) Cámara superior

Electroválvula: Manguito, resorte, drenaje, presión de aceite, drenaje, bobina, émbolo buzo.

Rango de RPM:

• Hasta 1500 rpm: Las válvulas de admisión abren 7º después del PMS y cierran 52º después del PMI, logrando un giro uniforme a bajas rpm y bajas emisiones.
• Entre 1500 y 5500 rpm: El árbol de levas de admisión avanza 9º respecto al de escape, abriendo las válvulas de admisión 8º antes del PMS y cerrando 37º después del PMI. Esto mejora el llenado de los cilindros y aumenta el par motor.
• Por encima de 5500 rpm: El árbol de admisión vuelve a la posición inicial (apertura 7º después del PMS y cierre 52º después del PMI) para aprovechar la inercia de los gases de la mezcla a alta velocidad.

Sistema de Distribución Variable con Variador de Fase Mediante Pistón Hidráulico (VANOS)

Similar al anterior, este sistema varía la fase del árbol de levas de admisión. Un pistón hidráulico se desplaza axialmente a través de un estriado helicoidal, desfasando ambos árboles de levas.

Componentes del variador:

• Cilindro A: Solidario al árbol de levas de admisión, con un estriado helicoidal en su contorno.
• Cilindro B: Parte del piñón de la distribución, con un estriado helicoidal interno.
• Pistón intermedio C: Desplazable, unido a un muelle, con estriados helicoidales interiores y exteriores.

VANOS es el sistema de BMW que cambia los momentos de apertura/cierre de las válvulas según las RPM del motor, optimizando el sincronismo para un mejor rendimiento.

El movimiento del piñón C, impulsado por la presión de aceite, arrastra al piñón del árbol de levas, haciendo que la leva ataque antes o después a la válvula.

El sistema VANOS:

• Mejora la gestión de emisiones.
• Aumenta el rendimiento del par motor.
• Ofrece mejor calidad de ralentí.
• Economiza combustible.

Componentes: 1) Válvula de control, 2) Cubo, 3) Dentado recto, 4) Manguito de conmutación, 5) Muelle de contrapresión, 6) Dentado helicoidal, 7) Canal de entrada de aceite.

Funcionamiento:

• En reposo: Por encima de 4300 rpm, el cruce es mínimo para un ralentí estable. Al aumentar el RCA, se favorece el llenado por la inercia de los gases de admisión. La electroválvula y el pistón desplazable permanecen en reposo.
• En funcionamiento: Durante una aceleración, la ECU envía una señal a la electroválvula, que controla el paso de aceite al pistón. Este vence la fuerza del muelle, variando la posición del árbol de levas y adelantándolo unos 20º. Esto aumenta el cruce de válvulas y minimiza la pérdida de gases.

Sistema de Distribución Variable VANOS de BMW (Valvetronic)

Este sistema regula continuamente el alzado de la válvula de admisión, a diferencia de los anteriores que variaban el momento de apertura. Se combina con otro sistema de distribución, como el variador de aletas.

El árbol de levas de admisión no ataca directamente al balancín de la leva, sino a una palanca intermedia que define el alzado de la válvula según su posición respecto al árbol de levas.

Componentes: 1) Servomotor, 2) Muelle, 3) Carrera mínima, 4) Árbol de excéntrica, 5) Árbol de levas, 6) Palanca intermedia regulable, 7) Palanca de arrastre, 8) Carrera máxima

Otros componentes: 1) Motor eléctrico, 2) Eje excéntrico, 3) Palanca intermedia, 4) Semibalacín, 5) Compensador hidráulico, 6) Rueda dentada

Funcionamiento: Permite un alzado variable continuo. Combinado con el variador de fase de aletas, también varía la fase.

El árbol de levas mueve una palanca intermedia cuya posición la regula la excéntrica. Esta se une a un árbol con el sector dentado, movido por un servomotor.

• La ECU envía una señal PWM al servomotor.
• El servomotor mueve el sector dentado.
• El árbol con la excéntrica coloca la palanca intermedia en una posición determinada.
• El árbol de levas empuja la palanca intermedia, que a su vez mueve la palanca basculante, abriendo la admisión con un alzado mayor o menor.

Sistema de Distribución Variable con Variador Celular de Aletas

Compuesto por dos variadores celulares de aletas en los árboles de levas de admisión y escape, conectados al circuito de lubricación del motor.

Las electroválvulas, controladas por la ECU, regulan el paso de aceite al sistema. La señal depende de las RPM del motor, registradas por sensores que informan a la ECU.

El sistema capta la posición, velocidad de giro y posición del cigüeñal. Tiene cuatro modos de funcionamiento:

• Ralentí: La admisión abre y cierra tarde, el escape abre y cierra pronto, favoreciendo el ralentí. No hay cruce de válvulas.
• Par: Se busca mejorar el llenado de los cilindros aumentando el cruce de válvulas, adelantando la apertura de la admisión y retrasando el cierre del escape. Se evita la pérdida de gases frescos.
• Potencia: Se retrasa la apertura del escape para mantener los gases quemados a alta presión dentro del cilindro el mayor tiempo posible. También se retrasa el cierre de la admisión para aprovechar la inercia de los gases frescos.

Nota: Las señales que gobiernan las electroválvulas se generan según la información de los sensores Hall de posición de los árboles de levas y del volante motor, que capta la velocidad de giro y posición del cigüeñal.

Sistema de Distribución Variable Valvetronic

Este sistema varía el alzado o la fase de la válvula usando levas de distinto perfil en un mismo árbol de levas.

Componentes:

• Electroválvula: Componente eléctrico que selecciona el modo de funcionamiento mediante una señal eléctrica y un vástago o aguja.
• Cilindro o manguito desplazable: Cilindro hueco donde se monta el sistema de levas y movimiento.
• Árbol estriado: Se monta dentro del cilindro desplazable y permite su movimiento. El estriado puede ser recto (solo varía el alzado) o helicoidal (varía alzado y fase).
• Leva de selección: Leva redonda en el cilindro desplazable, con un surco helicoidal donde se desplaza la aguja de la electroválvula, moviendo el manguito.
• Levas de accionamiento: Dos levas con diferente perfil (bajo y alto) que varían el alzado de la válvula según las RPM. Si el estriado es helicoidal, también varía el diagrama de distribución.

Una variante de este sistema permite la desconexión de cilindros en situaciones de baja demanda de potencia. El manguito desplazable se sitúa sobre una leva redonda, impidiendo la apertura de la válvula.

Funcionamiento:

Para la desconexión de cilindros, Audi desarrolló el sistema Valvelift. En este, las válvulas de los cilindros 2 y 3 se mantienen cerradas, y el encendido e inyección se desconectan.

• La presión del colector se regula a un nivel bajo para evitar oscilaciones de par.
• En el llenado, el encendido se retrasa para mantener el par neutro.
• Al alcanzar el llenado teórico, se desactivan las válvulas de escape y luego las de admisión de los cilindros 2 y 3.
• Tras el último cierre de escape, no hay inyección, quedando aire de la última admisión en la cámara de combustión.
• En la compresión, las presiones en la cámara son más bajas, haciendo más confortables los intercambios de conexión y desconexión de cilindros.
• En los cilindros activos (1 y 4), se adapta el tiempo de inyección y encendido para un rendimiento óptimo durante la desconexión, y la regulación lambda trabaja con normalidad.
• El funcionamiento sin estrangulamientos reduce las pérdidas por cambio de carga y mejora la combustión.
• Para activar los cilindros 2 y 3, se sigue el orden inverso a la desactivación.

Modo de desactivación de cilindros:

Basado en el downspeeding, se utiliza principalmente en la fase de par:

• 1250 rpm: Mínimo para funcionamiento en 2 cilindros.
• 4000 rpm: Máximo para proteger los elementos de los árboles de levas.
• En 3ª velocidad, la desconexión inicia a los 30 km/h; en 5ª y 6ª, termina a los 130 km/h aproximadamente.
• El par máximo en desactivación de cilindros es de 75 a 100 Nm, dependiendo de las RPM.

En pares más altos, la desconexión no logra el consumo óptimo debido a los límites de picado y la modificación del ángulo de encendido. Para minimizar el consumo, la desconexión se activa en carga parcial y deceleraciones. Al reducir la retención del motor, se prolonga la fase de utilización del cut-off.

Solo al frenar en deceleración o al bajar pendientes, información enviada por el ABS (sensor de inclinación), se activan los cilindros para aprovechar el freno motor.

Sistema de Distribución Variable MultiAir

Funcionamiento / Componentes:

• Árbol de levas de escape: Con dos levas de escape y una tercera que empuja un rodillo de un empujador.
• Cilindro principal: Pequeño pistón con muelle que, al recibir el empuje de la tercera leva del árbol de escape, envía presión de aceite a una electroválvula.
• Electroválvula: Controlada por pulsos eléctricos, permite el retorno del aceite o lo dirige a la válvula de admisión. Si está abierta, el aceite del cilindro principal retorna al circuito de lubricación. Si la ECU la cierra, el aceite pasa al empujador de la válvula para abrirla.
• Tercera leva: En el árbol de escape, gira solidaria a este y comprime el cilindro principal mediante el patín empujador de rodillos.

El sistema tiene tantos conductos como válvulas de admisión por cilindro. Su posición variable a lo largo del recorrido modifica la presión que llega al empujador de la válvula, variando así su alzado.

Al igual que el alzado, el momento de apertura y el tiempo que la válvula permanece abierta modifican el cruce de válvulas, logrando multitud de combinaciones de alzado y cruce.