¿Qué es la sincronización de válvulas y cómo funcionan?

El diseño del motor de cuatro tiempos, que funciona según el principio de liberación de energía durante la combustión de una mezcla de combustible y combustible, incluye un mecanismo importante, sin el cual la unidad no puede funcionar. Este es un mecanismo de distribución de gas o sincronización.

En la mayoría de los motores estándar, se instala en la culata. Más detalles sobre la estructura del mecanismo se describen en artículo separado... Ahora nos centraremos en lo que es la sincronización de la válvula, así como en cómo su trabajo afecta los indicadores de potencia del motor y su eficiencia.

¿Qué es la sincronización de la válvula del motor?

Brevemente sobre el mecanismo de sincronización en sí. El cigüeñal a través de una transmisión por correa (en muchos motores de combustión interna modernos, se instala una cadena en lugar de una correa de goma) está conectado a árbol de levas. Cuando el conductor enciende el motor, el motor de arranque hace girar el volante. Ambos ejes comienzan a girar sincrónicamente, pero a diferentes velocidades (básicamente, en una revolución del árbol de levas, el cigüeñal da dos revoluciones).

Hay levas especiales en forma de gota en el árbol de levas. A medida que la estructura gira, la leva empuja contra el vástago de la válvula con resorte. La válvula se abre, permitiendo que la mezcla de aire / combustible ingrese al cilindro o descargue el escape hacia el colector de escape.

La fase de distribución de gas es precisamente el momento en que la válvula comienza a abrir la entrada / salida antes del momento en que se cierra por completo. Cada ingeniero que trabaja en el desarrollo de una unidad de potencia calcula cuál debe ser la altura de apertura de la válvula, así como cuánto tiempo permanecerá abierta.

Influencia de la sincronización de válvulas en el funcionamiento del motor

Dependiendo del modo en el que esté funcionando el motor, la distribución de gas debería comenzar antes o después. Esto afecta la eficiencia de la unidad, su economía y su par máximo. Esto se debe a que la apertura / cierre oportuno de los colectores de admisión y escape es clave para aprovechar al máximo la energía liberada durante la combustión del HVAC.

Si la válvula de admisión comienza a abrirse en un momento diferente cuando el pistón realiza la carrera de admisión, se producirá un llenado desigual de la cavidad del cilindro con una porción fresca de aire y el combustible se mezclará peor, lo que conducirá a una combustión incompleta de la mezcla.

En cuanto a la válvula de escape, también debe abrirse no antes de que el pistón alcance el punto muerto inferior, pero no más tarde de que comience su carrera ascendente. En el primer caso, la compresión caerá y con ella el motor perderá potencia. En el segundo, los productos de combustión con una válvula cerrada crearán resistencia para el pistón, que ha comenzado a subir. Esta es una carga adicional en el mecanismo de manivela, que puede dañar algunas de sus partes.

Para un funcionamiento adecuado de la unidad de potencia, se requiere una sincronización de válvulas diferente. Para un modo, es necesario que las válvulas se abran antes y se cierren más tarde, y para otros, viceversa. El parámetro de superposición también es de gran importancia: si ambas válvulas se abrirán simultáneamente.

La mayoría de los motores estándar tienen una sincronización fija. Tal motor, dependiendo del tipo de árbol de levas, tendrá la máxima eficiencia en modo deportivo o con conducción medida a bajas velocidades.

Hoy en día, muchos automóviles del segmento medio y premium están equipados con motores, cuyo sistema de distribución de gas puede cambiar algunos parámetros de la apertura de la válvula, por lo que el llenado y la ventilación de alta calidad de los cilindros se produce a diferentes velocidades del cigüeñal.

Así es como se debe realizar la sincronización a diferentes velocidades del motor:

1. El ralentí requiere las llamadas fases estrechas. Esto significa que las válvulas comienzan a abrirse más tarde, y el momento de su cierre, por el contrario, es temprano. No hay un estado abierto simultáneo en este modo (ambas válvulas no estarán abiertas al mismo tiempo). Cuando la rotación del cigüeñal es de poca importancia, cuando las fases se superponen, los gases de escape pueden ingresar al colector de admisión y un cierto volumen de VTS puede ingresar al escape.
2. El modo más poderoso: requiere amplias fases. Este es un modo en el que las válvulas tienen una posición abierta más corta debido a la alta velocidad. Esto lleva al hecho de que durante la conducción deportiva, el llenado y la ventilación de los cilindros se realizan de manera deficiente. Para remediar la situación, se debe cambiar la sincronización de las válvulas, es decir, las válvulas deben abrirse antes y su duración en esta posición debe aumentar.

Al desarrollar el diseño de motores con sincronización variable de válvulas, los ingenieros tienen en cuenta la dependencia del momento de apertura de la válvula de la velocidad del cigüeñal. Estos sofisticados sistemas permiten que el motor sea lo más versátil posible para diferentes estilos de conducción. Gracias a este desarrollo, la unidad muestra un amplio abanico de posibilidades:

• A bajas revoluciones, el motor debe ser fibroso;
• Cuando aumentan las revoluciones, no debe perder potencia;
• Independientemente del modo en el que esté funcionando el motor de combustión interna, el ahorro de combustible y, con él, el respeto por el medio ambiente del transporte, debería tener el nivel más alto posible para una unidad en particular.

Todos estos parámetros se pueden cambiar cambiando el diseño de los árboles de levas. Sin embargo, en este caso, la eficiencia del motor tendrá su límite solo en un modo. ¿Qué tal si el motor puede cambiar el perfil por sí solo dependiendo del número de revoluciones del cigüeñal?

Sincronización variable de válvulas

La idea en sí de cambiar el tiempo de apertura de la válvula durante el funcionamiento de la unidad de potencia no es nueva. Esta idea aparecía periódicamente en la mente de los ingenieros que aún estaban desarrollando máquinas de vapor.

Entonces, uno de estos desarrollos se llamó equipo Stevenson. El mecanismo cambió el tiempo de entrada de vapor al cilindro de trabajo. El régimen fue llamado "corte de vapor". Cuando se accionó el mecanismo, la presión se redirigió según el diseño del vehículo. Por esta razón, además del humo, las viejas locomotoras de vapor también emitían bocanadas de vapor cuando el tren se detenía.

También se trabajó con el cambio de sincronización de válvulas con unidades de aviones. Entonces, un modelo experimental del motor V-8 de la empresa Clerget-Blin con una capacidad de 200 caballos de fuerza podría cambiar este parámetro debido a que el diseño del mecanismo incluía un árbol de levas deslizante.

Y en el motor Lycoming XR-7755, se instalaron árboles de levas, en los que había dos levas diferentes para cada válvula. El dispositivo tenía un accionamiento mecánico y fue activado por el propio piloto. Podía elegir una de dos opciones dependiendo de si necesitaba tomar el avión en el cielo, alejarse de la persecución o simplemente volar económicamente.

En cuanto a la industria automotriz, los ingenieros comenzaron a pensar en la aplicación de esta idea allá por los años 20 del siglo pasado. La razón fue la aparición de motores de alta velocidad que se instalaron en autos deportivos. El aumento de potencia en tales unidades tenía un cierto límite, aunque la unidad podría desenrollarse aún más. Para que el vehículo tenga más potencia, al principio solo se aumentó el volumen del motor.

El primero en introducir la sincronización variable de válvulas fue Lawrence Pomeroy, quien trabajó como diseñador jefe para la compañía automotriz Vauxhall. Creó un motor en el que se instaló un árbol de levas especial en el mecanismo de distribución de gas. Varias de sus cámaras tenían varios conjuntos de perfiles.

El Tipo H de 4.4 litros, dependiendo de la velocidad del cigüeñal y la carga que experimenta, podría mover el árbol de levas a lo largo del eje longitudinal. Debido a esto, se cambiaron el tiempo y la altura de las válvulas. Dado que esta parte tenía limitaciones en el movimiento, el control de fase también tenía sus límites.

Porsche también participó en una idea similar. En 1959, se emitió una patente para las "levas oscilantes" del árbol de levas. Se suponía que este desarrollo cambiaría la elevación de la válvula y, al mismo tiempo, el tiempo de apertura. El desarrollo se mantuvo en la etapa de proyecto.

El primer mecanismo de control de sincronización de válvulas viable fue desarrollado por Fiat. El invento fue desarrollado por Giovanni Torazza a finales de los años 60. El mecanismo utilizó empujadores hidráulicos, que cambiaron el punto de pivote del empujador de la válvula. El dispositivo funcionó dependiendo de cuál era la velocidad del motor y la presión en el colector de admisión.

Sin embargo, el primer automóvil de producción con fases GR variables fue de Alfa Romeo. El modelo Spider de 1980 recibió un mecanismo electrónico que cambia de fase según los modos de funcionamiento del motor de combustión interna.

Formas de cambiar la duración y el ancho de la sincronización de la válvula

Hoy en día existen varios tipos de mecanismos que cambian el momento, el tiempo y la altura de apertura de la válvula:

1. En su forma más simple, este es un embrague especial que se instala en el accionamiento del mecanismo de distribución de gas (cambiador de fase). El control se realiza gracias al efecto hidráulico sobre el mecanismo ejecutivo, y el control lo realiza la electrónica. Cuando el motor está en ralentí, el árbol de levas está en su posición original. Tan pronto como aumentan las revoluciones, la electrónica reacciona a este parámetro y activa el sistema hidráulico, que hace girar el árbol de levas ligeramente con respecto a la posición inicial. Gracias a esto, las válvulas se abren un poco antes, lo que permite llenar rápidamente los cilindros con una nueva porción de BTC.
2. Cambio del perfil de la leva. Este es un desarrollo que los automovilistas han estado utilizando durante mucho tiempo. La instalación de un árbol de levas con levas no estándar puede hacer que la unidad funcione de manera más eficiente a mayores rpm. Sin embargo, estas actualizaciones deben ser realizadas por un mecánico experto, lo que genera muchos desperdicios. En motores con sistema VVTL-i, los árboles de levas tienen varios juegos de levas con diferentes perfiles. Cuando el motor de combustión interna está en ralentí, los elementos estándar cumplen su función. Tan pronto como las rpm del cigüeñal pasan de la marca de 6 mil, el árbol de levas se desplaza ligeramente, por lo que entra en funcionamiento otro conjunto de levas. Un proceso similar ocurre cuando el motor gira hasta 8.5 mil, y el tercer juego de levas comienza a funcionar, lo que hace que las fases sean aún más amplias.
3. Cambio en la altura de apertura de la válvula. Este desarrollo le permite cambiar simultáneamente los modos de funcionamiento de la sincronización, así como excluir la válvula de mariposa. En tales mecanismos, al presionar el pedal del acelerador se activa un dispositivo mecánico que influye en la fuerza de apertura de las válvulas de admisión. Este sistema reduce el consumo de combustible en aproximadamente un 15 por ciento y aumenta la potencia de la unidad en la misma cantidad. En motores más modernos, no se usa un análogo mecánico, sino electromagnético. La ventaja de la segunda opción es que la electrónica puede cambiar de manera más eficiente y suave los modos de apertura de la válvula. La altura de elevación puede ser casi ideal y los tiempos de apertura pueden ser más amplios que en versiones anteriores. Tal desarrollo por el bien de ahorrar combustible puede incluso apagar algunos cilindros (no abra algunas válvulas). Estos motores activan el sistema cuando el automóvil se detiene, pero no es necesario apagar el motor de combustión interna (por ejemplo, en un semáforo) o cuando el conductor reduce la velocidad del automóvil con el motor de combustión interna.

Por qué cambiar la sincronización de la válvula

El uso de mecanismos que cambian la sincronización de válvulas permite:

• Es más eficiente utilizar el recurso de la unidad de potencia en diferentes modos de funcionamiento;
• Aumente la potencia sin la necesidad de instalar un árbol de levas personalizado;
• Hacer el vehículo más económico;
• Proporcionar un llenado y ventilación efectivos de los cilindros a altas velocidades;
• Incrementar el respeto al medio ambiente del transporte debido a una combustión más eficiente de la mezcla de aire y combustible.

Dado que los diferentes modos de funcionamiento del motor de combustión interna requieren sus propios parámetros de sincronización de válvulas, utilizando los mecanismos para cambiar el FGR, la máquina puede corresponder a los parámetros ideales de potencia, par, respeto al medio ambiente y economía. El único problema que ningún fabricante ha podido resolver hasta ahora es el elevado coste del dispositivo. En comparación con un motor estándar, un análogo equipado con un mecanismo similar costará casi el doble.

Algunos automovilistas usan sistemas de sincronización variable de válvulas para aumentar la potencia del automóvil. Sin embargo, con la ayuda de una correa de distribución modificada, es imposible exprimir al máximo la unidad. Lea sobre otras posibilidades aquí.

En conclusión, ofrecemos una pequeña ayuda visual sobre el funcionamiento del sistema de sincronización variable de válvulas:

Sistema de sincronización variable de válvulas usando el ejemplo de CVVT

Preguntas y respuestas

¿Qué es la sincronización de válvulas? Este es el momento en que la válvula (entrada o salida) se abre / cierra. Este término se expresa en grados de rotación del cigüeñal del motor.

Ч¿Qué afecta la sincronización de la válvula? La sincronización de la válvula se ve afectada por el modo de funcionamiento del motor. Si no hay un cambio de fase en la sincronización, entonces el efecto máximo se logra solo en un cierto rango de revoluciones del motor.

¿Para qué sirve el diagrama de distribución de válvulas? Este diagrama muestra la eficiencia con la que se realiza el llenado, la combustión y la limpieza de los cilindros en un rango de RPM específico. Le permite seleccionar correctamente la sincronización de la válvula.