La sincronización variable de válvulas ( VVT ) es el proceso de alterar la sincronización de un evento de elevación de válvulas en un motor de combustión interna y, a menudo, se utiliza para mejorar el rendimiento, la economía de combustible o las emisiones. Se utiliza cada vez más en combinación con sistemas de elevación de válvulas variables . Hay muchas formas de lograr esto, desde dispositivos mecánicos hasta sistemas electrohidráulicos y sin levas . Las regulaciones de emisiones cada vez más estrictas están provocando que [1] muchos fabricantes de automóviles utilicen sistemas VVT.
Los motores de dos tiempos utilizan un sistema de válvulas de potencia para obtener resultados similares al VVT.
Las válvulas dentro de un motor de combustión interna se utilizan para controlar el flujo de los gases de admisión y escape dentro y fuera de la cámara de combustión . El momento, la duración y la elevación de estos eventos de válvulas tienen un impacto significativo en el rendimiento del motor. Sin sincronización variable de válvulas o elevación variable de válvulas , la sincronización de válvulas es la misma para todas las velocidades y condiciones del motor, por lo que es necesario hacer concesiones. [2] Un motor equipado con un sistema de actuación de sincronización variable de válvulas se libera de esta restricción, lo que permite mejorar el rendimiento en todo el rango de funcionamiento del motor.
Los motores de pistón normalmente utilizan válvulas impulsadas por árboles de levas . Las levas abren ( levantan ) las válvulas durante un cierto período de tiempo ( duración ) durante cada ciclo de admisión y escape. El momento de apertura y cierre de la válvula, en relación con la posición del cigüeñal, es importante. El árbol de levas es accionado por el cigüeñal a través de correas , engranajes o cadenas de distribución .
Un motor requiere grandes cantidades de aire cuando funciona a altas velocidades. Sin embargo, las válvulas de admisión pueden cerrarse antes de que haya entrado suficiente aire en cada cámara de combustión, lo que reduce el rendimiento. Por otro lado, si el árbol de levas mantiene las válvulas abiertas durante períodos de tiempo más largos, como ocurre con una leva de carreras, los problemas comienzan a ocurrir a velocidades más bajas del motor. Abrir la válvula de admisión mientras la válvula de escape aún está abierta puede hacer que salga combustible no quemado del motor, lo que reduce el rendimiento del motor y aumenta las emisiones. Según el libro del ingeniero David Vizard "Building Horsepower", cuando tanto la admisión como el escape están abiertos simultáneamente, el escape de presión mucho más alta empuja la carga de admisión hacia atrás, fuera del cilindro, contaminando el colector de admisión con escape, en el peor de los casos. .
Los primeros sistemas de sincronización variable de válvulas utilizaban un ajuste discreto (escalonado). Por ejemplo, una sincronización se usaría por debajo de 3500 rpm y otra por encima de 3500 rpm.
Los sistemas más avanzados de "sincronización variable continua" ofrecen un ajuste continuo (infinito) de la sincronización de 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 la fase de levas , mediante la cual el ángulo de fase del árbol de levas gira hacia adelante o hacia atrás con respecto al cigüeñal. Así las válvulas se abren y cierran más temprano o más tarde; sin embargo, la elevación y la duración del árbol de levas no se pueden modificar únicamente con un sistema de sincronización de levas.
Lograr una duración variable en un sistema VVT requiere un sistema complejo, como múltiples perfiles de leva o levas oscilantes.
Cierre tardío de la válvula de admisión (LIVC) La primera variación de la sincronización variable continua de válvulas implica mantener la válvula de admisión abierta un poco más que un motor tradicional. Esto hace que el pistón realmente empuje el aire fuera del cilindro y lo regrese al colector de admisión durante la carrera de compresión. El aire que se expulsa llena el colector con mayor presión y en las siguientes carreras de admisión el aire que se aspira tiene mayor presión. Se ha demostrado que el cierre tardío de la válvula de admisión reduce las pérdidas de bombeo en un 40 % durante condiciones de carga parcial y disminuye las emisiones de óxido nítrico ( NOx ) en un 24 %. El par máximo del motor mostró sólo una disminución del 1% y las emisiones de hidrocarburos se mantuvieron sin cambios. [3]
Cierre temprano de la válvula de admisión (EIVC) Otra forma de disminuir las pérdidas de 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 mitad de la carrera de admisión. Las demandas de aire/combustible son muy 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 en gran medida las pérdidas de bombeo. [3] Los estudios han demostrado que el cierre temprano de la válvula de admisión reduce las pérdidas de 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]
Apertura temprana de la válvula de admisión La apertura temprana de la válvula de admisión es otra variación que tiene un potencial significativo para reducir las emisiones. En un motor tradicional, se utiliza un proceso llamado superposición de válvulas para ayudar a controlar la temperatura del cilindro. Al abrir la válvula de admisión anticipadamente, parte del gas de escape inerte/quemado saldrá 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 carrera de admisión posterior, lo que ayuda a controlar la temperatura del cilindro y las emisiones de óxido nítrico. También mejora la eficiencia volumétrica, porque hay menos gases de escape que expulsar en la carrera de escape. [3]
Cierre temprano/tardío de la válvula de escape El tiempo de cierre temprano y tardío de la válvula de escape se puede manipular para reducir las emisiones. Tradicionalmente, la válvula de escape se abre y el pistón empuja los gases de escape fuera del cilindro y hacia el colector de escape a medida que avanza hacia arriba. Al manipular la sincronización de la válvula de escape, los ingenieros pueden controlar cuánto gas de escape queda en el cilindro. Al mantener la válvula de escape abierta un poco más de tiempo, el cilindro se vacía más y está listo para llenarse con una mayor carga de aire/combustible en la carrera de admisión. Al cerrar la válvula un poco antes, quedan más gases de escape en el cilindro, lo que aumenta la eficiencia del combustible. Esto permite un funcionamiento más eficiente en todas las condiciones.
El factor principal que impide que esta tecnología se utilice ampliamente en los automóviles de producción es la capacidad de producir un medio rentable para controlar la sincronización de válvulas en las condiciones internas de un motor. [ cita necesaria ] Un motor que funciona a 3000 revoluciones por minuto girará el árbol de levas 25 veces por segundo, por lo que los eventos de sincronización de válvulas deben ocurrir en momentos precisos para ofrecer beneficios de rendimiento. Los actuadores de válvulas sin levas electromagnéticos y neumáticos ofrecen el mayor control de la sincronización precisa de las válvulas, pero, en 2016, no son rentables para los vehículos de producción. [ cita necesaria ]
La historia de la búsqueda de un método de duración variable de apertura de válvulas se remonta a la era de las máquinas de vapor , cuando la duración de apertura de la válvula se denominaba " corte de vapor ". El engranaje de válvulas Stephenson , tal como se utilizaba en las primeras locomotoras de vapor, apoyaba corte variable , es decir, cambia el tiempo en el que se corta la admisión de vapor a los cilindros durante la carrera de potencia.
Los primeros enfoques para el corte variable combinaron variaciones en el corte de admisión con variaciones en el corte de escape. El corte de admisión y escape se desacopló con el desarrollo de la válvula Corliss . Estos eran muy utilizados en motores estacionarios de carga variable y velocidad constante, con corte de admisión, y por tanto de par, controlados mecánicamente por un gobernador centrífugo y válvulas de disparo .
Cuando se empezaron a utilizar las válvulas de asiento , se empezó a utilizar un engranaje de válvulas simplificado que utilizaba un árbol de levas . Con tales motores, se podía lograr un corte variable con levas de perfil variable que el gobernador desplazaba a lo largo del árbol de levas. [4] Los vagones de vapor Serpollet producían vapor muy caliente a alta presión, requiriendo válvulas de asiento, y estos utilizaban un mecanismo de árbol de levas deslizante patentado, que no solo variaba el corte de la válvula de entrada sino que permitía invertir el motor. [5]
Uno de los primeros experimentos Clerget V-8 de 200 hp de la década de 1910 usaba un árbol de levas deslizante para cambiar la sincronización de las válvulas [ cita requerida ] . Algunas versiones del motor radial Bristol Júpiter de principios de la década de 1920 incorporaban engranajes de sincronización variable de válvulas, principalmente para variar la sincronización de las válvulas de entrada en relación con relaciones de compresión más altas. [6] El motor Lycoming R-7755 tenía un sistema de sincronización variable de válvulas que constaba de dos levas que el piloto podía seleccionar. Uno para despegar, perseguir y escapar, el otro para un crucero económico.
La conveniencia de poder variar la duración de apertura de la válvula para que coincida con la velocidad de rotación del motor se hizo evidente por primera vez en la década de 1920, cuando los límites máximos de RPM permitidos comenzaban a aumentar. Hasta aproximadamente ese momento, las RPM de ralentí de un motor y sus RPM de funcionamiento eran muy similares, lo que significaba que había poca necesidad de variar la duración de las válvulas. El primer uso de sincronización variable de válvulas fue en el Cadillac Runabout y Tonneau de 1903 creado por Alanson Partridge Brush Patente 767,794 “INLET VALVE GEAR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES” presentada el 3 de agosto de 1903 y concedida el 16 de agosto de 1904. [7] Algún tiempo antes Hasta 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 que se acoplaran 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 1.527.456 .
En 1958, Porsche presentó una solicitud de patente alemana, que también solicitó y publicó como patente británica GB861369 en 1959. La patente de Porsche utilizaba una leva oscilante para aumentar la elevación y la duración de la válvula. La leva desmodrómica accionada mediante una varilla de empuje/tracción desde un eje excéntrico o plato cíclico . Se desconoce si alguna vez se fabricó algún prototipo funcional.
Fiat fue el primer fabricante de automóviles en patentar un sistema funcional de sincronización variable de válvulas para automóviles 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 seguidores de leva (patente estadounidense 3.641.988). [9] La presión hidráulica cambió según la velocidad del motor y la presión de admisión. La variación de apertura típica fue del 37%.
Alfa Romeo fue el primer fabricante en utilizar un sistema de sincronización variable de válvulas en automóviles de producción (patente estadounidense 4.231.330). [10] Los modelos con inyección de combustible del Alfa Romeo Spider 2000 de 1980 tenían un sistema mecánico VVT. El sistema fue diseñado por el ingeniero Giampaolo Garcea en los años 1970. [11] Todos los modelos Alfa Romeo Spider a partir de 1983 utilizaban VVT electrónico. [12]
En 1989, Honda lanzó el sistema VTEC . [13] Mientras que el Nissan NVCS anterior altera la fase del árbol de levas, VTEC cambia a un perfil de leva separado a altas velocidades del motor para mejorar la potencia máxima. El primer motor VTEC que Honda produjo fue el B16A , que se instaló en los hatchback Integra , CRX y Civic disponibles en Japón y Europa. [ cita necesaria ]
En 1992, Porsche introdujo por primera vez VarioCam , que fue el primer sistema que proporcionó un ajuste continuo (todos los sistemas anteriores utilizaban un ajuste discreto). El sistema se lanzó en el Porsche 968 y funcionaba únicamente con las válvulas de admisión.
La sincronización variable de válvulas se ha aplicado a los motores de motocicletas, pero en 2004 se consideraba una "obra maestra tecnológica" inútil debido a la penalización de peso del sistema. [14] Desde entonces, entre las motocicletas que incluyen VVT se incluyen la Kawasaki 1400GTR/Concours 14 (2007), la Ducati Multistrada 1200 (2015), la BMW R1250GS (2019) y la Yamaha YZF-R15 V3.0 (2017), la Suzuki GSX-R1000R 2017 L7.
La sincronización variable de válvulas ha comenzado a llegar a los motores marinos. El motor marino VVT de Volvo Penta utiliza un sincronizador de levas, controlado por el ECM, que varía continuamente el avance o retraso de la sincronización del árbol de levas. [15]
En 2007, Caterpillar desarrolló los motores Acert C13 y C15 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. [16] [17]
En 2010, Mitsubishi desarrolló e inició la producción en masa de su 4N13 1,8 L DOHC I4, el primer motor diésel para turismos del mundo que cuenta con un sistema de sincronización variable de válvulas. [18] [19]
Los fabricantes utilizan muchos nombres diferentes para describir la implementación de los distintos tipos de sistemas de sincronización variable de válvulas. Estos nombres incluyen:
Este método utiliza dos perfiles de leva, con un actuador para intercambiar entre los perfiles (generalmente a una velocidad específica del motor). El cambio de leva también puede proporcionar una elevación de válvula variable y una duración variable; sin embargo, el ajuste es discreto en lugar de continuo.
El primer uso en producción de este sistema fue el sistema VTEC de Honda . VTEC cambia la presión hidráulica para accionar un pasador que bloquea el balancín de alta elevación y alta duración a un balancín adyacente de baja elevación y baja duración.
Muchos sistemas VVT de producción son del tipo de fase de levas , utilizando un dispositivo conocido como variador que cambia la fase (la fase se refiere a la sincronización relativa entre los árboles de levas de entrada y de escape, expresada como una medida angular) del árbol de levas y las válvulas. Esto permite un ajuste continuo de la sincronización de la leva (aunque muchos de los primeros sistemas solo usaban un ajuste discreto), sin embargo, la duración y la elevación no se pueden ajustar.
Estos diseños utilizan un movimiento oscilante o oscilante en un lóbulo de leva parcial, [ se necesita aclaración ] que actúa sobre un seguidor. Este seguidor luego abre y cierra la válvula. Algunos sistemas de levas oscilantes utilizan un lóbulo de leva convencional, mientras que otros utilizan un lóbulo de leva excéntrico y una biela. El principio es similar a las máquinas de vapor, donde la cantidad de vapor que ingresa al cilindro se regula mediante el punto de "corte" de vapor.
La ventaja de este diseño es 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 la elevación y la duración no se pueden ajustar por separado.
Los sistemas de levas oscilantes de BMW ( valvetronic ), Nissan ( VVEL ) y Toyota ( valvematic ) actúan únicamente sobre las válvulas de admisión.
Los sistemas de transmisión de levas excéntricas funcionan a través de un mecanismo de disco excéntrico que reduce y acelera la velocidad angular del lóbulo de la leva durante su rotación. Disponer el lóbulo para que se ralentice durante su período abierto equivale a alargar su duración.
La ventaja de este sistema es que la duración se puede variar independientemente de la elevación [21] (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 válvulas de escape), lo que aumenta la complejidad y el coste.
MG Rover es el único fabricante que ha lanzado motores que utilizan este sistema. [ cita necesaria ]
Este sistema consta de un lóbulo de leva que varía a lo largo de su longitud [22] (similar a la forma de un cono). Un extremo del lóbulo de leva tiene una duración corta/perfil de elevación reducido, y el otro extremo tiene una duración más larga/perfil de elevación mayor. En el medio, el lóbulo proporciona una transición suave entre estos dos perfiles. Al cambiar el área del lóbulo de la leva que está en contacto con el seguidor, la elevación y la duración se pueden alterar continuamente. Esto se logra moviendo el árbol de levas axialmente (deslizándolo a través del motor) de modo que un seguidor estacionario quede expuesto a un perfil de lóbulo variable para producir diferentes cantidades de elevación y duración. La desventaja de esta disposición es que los perfiles de leva y seguidor deben diseñarse cuidadosamente para minimizar la tensión de contacto (debido al perfil variable).
Ferrari se asocia comúnmente con este sistema, [23] [24] sin embargo se desconoce si algún modelo de producción hasta la fecha ha utilizado este sistema.
No se sabe que este sistema se utilice en ningún motor de producción.
Consta de dos árboles de levas paralelos (muy espaciados), con un seguidor pivotante que se extiende por ambos árboles de levas y sobre el que actúan dos lóbulos simultáneamente. Cada árbol de levas tiene 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 controla el cierre de la misma válvula, por lo que se logra una duración variable mediante el espaciamiento de estos dos eventos.
Los inconvenientes de este diseño incluyen:
No se sabe que este sistema se utilice en ningún motor de producción.
El principio operativo es que un seguidor abarca el par de lóbulos estrechamente espaciados. Hasta el límite angular del radio de la punta, el seguidor "ve" la superficie combinada de los dos lóbulos como una superficie continua y lisa. Cuando los lóbulos están exactamente alineados, la duración es mínima (e igual a la de cada lóbulo por sí solo) y cuando está en el extremo de su desalineación, la duración es máxima. La limitación básica del esquema es que sólo es posible una variación de la duración igual a la del radio verdadero de la punta del lóbulo (en grados del árbol de levas o el doble de este valor en grados del cigüeñal). En la práctica, este tipo de leva variable tiene un rango máximo de variación de duración de unos cuarenta grados del cigüeñal.
Este es el principio detrás de lo que parece ser la primera sugerencia de leva variable que aparece en los archivos de patentes de la USPTO en 1925 (1527456). El "árbol de levas Clemson" es de este tipo. [28]
También conocido como "perfil combinado coaxial de dos ejes combinado con movimiento helicoidal", no se sabe que este sistema se utilice en ningún motor de producción. [29] [30] [31] [32]
Tiene un principio similar al tipo anterior y puede utilizar el mismo perfil de lóbulo de duración base. Sin embargo, en lugar de rotación en un solo plano, el ajuste es tanto axial como rotacional, dando un aspecto helicoidal o tridimensional a su movimiento. Este movimiento supera el rango de duración restringido del tipo anterior. El rango de duración es teóricamente ilimitado pero típicamente sería del orden de cien grados del cigüeñal, lo cual es suficiente para cubrir la mayoría de situaciones.
Según se informa, la leva es difícil y costosa de producir, y requiere un mecanizado helicoidal muy preciso y un montaje cuidadoso.
Los diseños de motores que no dependen de un árbol de levas para operar las válvulas tienen mayor flexibilidad para lograr sincronización y elevación de válvulas variables . El único coche de producción que utiliza el diseño sin levas hasta el momento es el Koenigsegg Gemera .
Este sistema utiliza el aceite lubricante del motor para controlar el cierre de la válvula de entrada. El mecanismo de apertura de la válvula de admisión incorpora un empujador de válvula y un pistón dentro de una cámara. Hay una válvula solenoide controlada por el sistema de control del motor que se energiza y suministra aceite a través de una válvula de retención durante el tiempo de elevación de la leva y el aceite se llena en la cámara y el canal de retorno al sumidero está bloqueado por el empujador de la válvula. . Durante el movimiento descendente de la leva, en un instante particular, el conducto de retorno se abre y la presión del aceite se libera al cárter del motor.