El sistema de sincronización variable de válvulas ( VVT ) en los motores de combustión interna está diseñado para cambiar el tiempo de apertura de la válvula y, a menudo, se usa para mejorar la eficiencia, la economía y la toxicidad. El sistema se utiliza cada vez más junto con un sistema de elevación de válvula variable. La sincronización variable de válvulas se puede lograr de varias maneras: diseño de motores totalmente mecánico, electrohidráulico y sin levas. Una de las razones de la introducción de sistemas de sincronización variable de válvulas por parte de los fabricantes de automóviles es el endurecimiento legislativo de los estándares de toxicidad.
Las válvulas en los motores de combustión interna se utilizan para controlar el flujo de gases que entran y salen de la cámara de combustión . La sincronización del cambio de estado de la válvula (apertura o cierre), la duración del tiempo en un estado y la altura de elevación de estas válvulas tienen un gran impacto en la eficiencia del motor . Sin instalar un sistema de cambio de sincronización de válvulas o un sistema de cambio de carrera de válvulas, el momento de cambiar el estado de estas válvulas será independiente de la velocidad y condiciones de operación del motor, lo que implica un ajuste promedio de tales parámetros [1 ] . El sistema de sincronización variable de válvulas elimina esta limitación, lo que permite mejorar la eficiencia en todo el rango operativo del motor.
En los motores de pistón , las válvulas se accionan normalmente por medio de un árbol de levas . Las levas abren ( suben ) las válvulas durante un tiempo determinado ( duración ) durante cada ciclo de admisión y escape. El momento de apertura y cierre de las válvulas es importante y depende de la posición del cigüeñal . El árbol de levas es impulsado desde el cigüeñal por una correa de transmisión, cadena o tren de engranajes.
Para operar a altas velocidades, el motor requiere un gran volumen de aire. Sin embargo, en este caso, las válvulas de admisión pueden cerrarse antes de que entre la cantidad de aire requerida en la cámara de combustión, lo que reduce la eficiencia. Por otro lado, si el motor está equipado con un árbol de levas que permite que las válvulas permanezcan abiertas por más tiempo, como las modificaciones de levas deportivas, el motor experimentará problemas cuando funcione a bajas velocidades. Abrir las válvulas de admisión antes de cerrar las válvulas de escape puede provocar que el combustible no quemado sea expulsado del motor, lo que reduce la eficiencia del motor y aumenta las emisiones.
Los primeros sistemas de sincronización variable de válvulas tenían un principio de operación discreto (escalonado). Por ejemplo, una configuración para abrir y cerrar las válvulas cuando el motor funciona a una velocidad inferior a 3500 min - 1 , la segunda configuración, cuando el motor funciona a una velocidad superior a 3500 min- 1 . Los sistemas más modernos producen un ajuste suave (continuo) del momento de apertura y cierre de las válvulas. Dichos sistemas permiten un ajuste óptimo del mecanismo de distribución de gas para cualquier velocidad y condición de funcionamiento del motor [1] [2] .
Una de las implementaciones más simples de un sistema de sincronización variable de válvulas es un sistema de cambio de fase, en el que el árbol de levas se puede girar en algún ángulo hacia adelante o hacia atrás en relación con la posición del cigüeñal. Al mismo tiempo, las válvulas (válvulas :))) se cierran y abren antes o después, sin embargo, la altura de las válvulas y la duración de la apertura y el cierre permanecen sin cambios. Para poder ajustar la duración en el sistema de sincronización variable de válvulas, se requiere la introducción de mecanismos más complejos que incluyen, por ejemplo, varios perfiles de levas o levas oscilantes.
Cierre tardío de la válvula de admisión ( ing. cierre tardío de la válvula de admisión, LIVC ). Las primeras implementaciones de sincronización variable de cierre de válvulas fueron sistemas que permitían dejar la válvula abierta más tiempo que en un motor no equipado con dicho sistema. El resultado fue el efecto de empujar el aire fuera del cilindro hacia el colector de admisión durante el ciclo de compresión. El aire expulsado del cilindro aumenta la presión en el colector de admisión, como resultado, la próxima vez que se abra la válvula de admisión, se suministrará aire al cilindro a una presión más alta. Como resultado de la introducción del cierre tardío de las válvulas de escape, se consigue una reducción de pérdidas de hasta un 40% en el tracto de admisión, así como una reducción de las emisiones de óxidos de nitrógeno ( NOx ) de hasta un 24%. El par máximo del motor se reduce así en aproximadamente un 1% y las emisiones de hidrocarburos no cambian [2] .
Cierre anticipado de las válvulas de admisión ( ing. cierre temprano de la válvula de admisión, EIVC ). Otra forma de reducir las pérdidas en el tracto de admisión, aplicable a bajas velocidades del motor, es crear un alto vacío en el colector de admisión mediante el cierre temprano de las válvulas de admisión. Para lograr esto, las válvulas de admisión deben cerrarse durante el ciclo de admisión. Con una carga baja, las necesidades del motor para la mezcla de aire y combustible son pequeñas, pero los requisitos para llenar los cilindros con ella son bastante altos, lo que se puede lograr introduciendo el cierre temprano de las válvulas de admisión [2] . Los estudios han demostrado que en los motores con cierre temprano de las válvulas de admisión, hay una disminución de las pérdidas en el tracto de admisión de hasta un 40 %, así como un aumento de la eficiencia de hasta un 7 %. También hay una reducción de las emisiones de óxido de nitrógeno de hasta un 24% en los modos de carga parcial. Un posible lado negativo de la introducción del cierre anticipado de las válvulas de admisión es una disminución significativa de la temperatura en la cámara de combustión, lo que puede provocar un aumento de las emisiones de hidrocarburos [2] .
Apertura anticipada de las válvulas de admisión ( ing. apertura anticipada de las válvulas de admisión ). Abrir las válvulas de admisión antes es una forma de reducir significativamente la toxicidad. Un motor tradicional utiliza un proceso conocido como superposición de válvulas para controlar la temperatura dentro del cilindro. Cuando las válvulas de admisión se abren antes de tiempo, parte de los gases de escape que fluyen a través de la válvula de admisión ingresan al colector de admisión, donde se enfrían rápidamente. Tras la admisión, los gases de escape inertes llenarán el cilindro en gran medida, reduciendo así la temperatura en el cilindro y reduciendo las emisiones de óxidos de nitrógeno. Además, la apertura temprana de las válvulas de admisión mejora la eficiencia volumétrica, ya que el volumen de los gases de escape se reduce durante el ciclo de escape [2] .
Cierre temprano y tardío de las válvulas de escape ( inglés early/late exhaust valve closure ). La introducción de estos sistemas permite conseguir una reducción de la toxicidad. En un motor convencional, durante el ciclo de escape, el movimiento del pistón empuja los gases de escape hacia el colector de escape y más hacia el sistema de escape. Cerrando las válvulas de escape antes y después, es posible controlar la cantidad de gases de escape que quedan en el cilindro. Al dejar la válvula abierta más tiempo de lo habitual, se limpia más completamente de los gases de escape y el cilindro se llena con un volumen mayor de mezcla de aire y combustible nueva. Al cerrar las válvulas de escape antes de tiempo, quedan más gases de escape en el cilindro, lo que aumenta la economía. El sistema permite que el motor mantenga la eficiencia en todos los modos de funcionamiento.
El principal factor que obstaculiza la implementación generalizada del sistema en la industria automotriz es la creación de soluciones rentables para controlar la sincronización de válvulas, según las condiciones del motor. En un motor que funciona a 3000 rpm , el árbol de levas debe girar a 25 s − 1 , por lo que la sincronización de apertura y cierre de la válvula debe ser muy precisa para obtener beneficios. Los sistemas de solenoide y neumáticos que no usan levas para accionar las válvulas permiten la máxima precisión en el control de la apertura y el cierre de las válvulas; sin embargo, a partir de 2016, no existen implementaciones rentables para los fabricantes de vehículos masivos.
La historia de encontrar métodos para cambiar la duración de la apertura de las válvulas se remonta a los días de las máquinas de vapor , donde cambiar la duración de la apertura de las válvulas se conoce como "corte de vapor". En las primeras locomotoras de vapor, se usaba la llamada caja de cambios Stevenson, que realizaba el cambio de "corte", es decir, el cambio en el tiempo después del cual se detuvo el flujo de vapor hacia el cilindro de trabajo.
Los primeros sistemas de cambio de "corte" combinaban el "corte" del vapor entrante con diferentes implementaciones del corte del vapor de escape. El desacoplamiento de estos sistemas se produjo con el desarrollo de la máquina de vapor de Corliss. Su principio ha sido ampliamente utilizado en motores estacionarios que funcionan a velocidad constante con cargas variables. En ellos, el control del "corte" del vapor entrante y, en consecuencia, del par, se realizaba mediante un regulador centrífugo y válvulas de cierre.
Después de la difusión de las válvulas de asiento , se introdujo un sistema simplificado de accionamiento de válvulas por medio de un árbol de levas . En tales motores, se podría lograr un cambio en el "corte" mediante un perfil diferente de las levas, que se movían a lo largo del árbol de levas con un regulador [3] .
En uno de los primeros motores V8 experimentales desarrollados por Clerget-Blin , que desarrollaba 200 hp. con., para cambiar el momento de apertura y cierre de la válvula, se utilizó un árbol de levas deslizante . Algunos motores radiales Bristol Jupiter de principios de la década de 1920 también tienen sincronización variable de válvulas, que se usaba principalmente en las válvulas de admisión para lograr una mayor compresión [4] . El motor Lycoming XR-7755 estaba equipado con un sistema de sincronización variable de válvulas, que constaba de dos levas que el piloto podía seleccionar: una para el despegue, evitando persecución y persecución, la otra para vuelos económicos.
La conveniencia de tener un sistema que pudiera variar la duración de la apertura de la válvula para igualar la velocidad del motor se hizo evidente en la década de 1920 cuando el límite de la velocidad máxima alcanzable del motor comenzó a aumentar. En ese momento, la velocidad del motor al ralentí y cuando estaba cargado no diferían significativamente, por lo que no hubo necesidad de cambiar la duración de la apertura de las válvulas. Poco antes de 1919, Lawrence Pomeroy , jefe de diseño de Vauxhall , desarrolló el motor 4.4 L H-Type, diseñado para reemplazar el modelo 30-98 que existía en ese momento [5] . En él, un solo árbol de levas podía moverse longitudinalmente, lo que permitía utilizar varios perfiles en él. Las primeras patentes para sistemas de distribución de válvulas se emitieron en 1920, como la patente estadounidense 1.527.456 .
En 1958 , Porsche solicitó una patente en Alemania y también en el Reino Unido , que se publicó con el número GB861369 en 1959. La patente de Porsche describía un sistema con levas oscilantes que se usa para aumentar la elevación de la válvula y el tiempo de apertura de la válvula. Las válvulas desmodrómicas son accionadas por una varilla que sube y baja conectada a un eje excéntrico o mecanismo de arandela . No se sabe si se hizo algún prototipo funcional.
Fiat fue la primera empresa en patentar un sistema para cambiar la sincronización de apertura y cierre de válvulas, que incluía un sistema para cambiar la altura de elevación de válvulas, prácticamente implementado en los automóviles . Un sistema desarrollado por Giovanni Torazza ( italiano: Giovanni Torazza ) a fines de la década de 1960 utilizó presión hidráulica para cambiar el punto de apoyo de los levantaválvulas ( Patente de EE. UU. 3.641.988 ) [6] . La presión hidráulica varía con la velocidad del motor y la presión del aire en el conducto de admisión. El cambio típico en el tiempo de apertura fue del 37%.
Alfa Romeo ( patente de EE. UU. 4 231 330 ) [7] fue la primera empresa en comenzar a instalar sincronización variable de apertura y cierre de válvulas en automóviles producidos en masa . Los automóviles con un sistema de inyección de combustible del modelo Alfa Romeo Spider en la década de 1980 estaban equipados con un sistema mecánico de sincronización variable de válvulas. Fue desarrollado por Giampaolo Garcea (en italiano: Giampaolo Garcea ) en la década de 1970 [8] . Los modelos Alfa Romeo Spider, a partir de 1983, están equipados con un sistema electrónico de sincronización variable de válvulas [9] .
En 1987, Nissan presentó su sistema de sincronización de válvulas N-VCT para sus motores VG20DET y VG30DE. . En 1989 , Honda también presentó su sistema VTEC [10] . Mientras que los primeros sistemas N-VCT de Nissan cambiaban exclusivamente la sincronización de válvulas, VTEC cambia a un perfil de leva diferente a altas velocidades del motor para aumentar la potencia máxima del motor. El primer motor VTEC de Honda fue el B16A , que se instaló en los hatchbacks Integra , CR-X y Civic enviados a Europa y Japón. .
En 1992, Porsche introdujo el sistema VarioCam, que fue el primer sistema con sincronización variable suave de válvulas (todos los sistemas anteriores estaban escalonados). El sistema comenzó a instalarse en los automóviles Porsche 968 y funcionaba solo en las válvulas de admisión.
Los sistemas de sincronización variable de válvulas se instalaron en motores de motocicletas, pero se consideraron "muestras técnicas" inútiles a fines de 2004 debido al aumento de peso durante la instalación del sistema [11] . Después de eso, se lanzaron las siguientes motocicletas con sistemas de sincronización variable de válvulas: Kawasaki 1400GTR / Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015) y BMW R1250GS (2019).
Los sistemas de sincronización variable de válvulas no se usan mucho en los motores de los barcos. Los motores marinos de Volvo Penta desde 2004 están equipados con un sistema de sincronización de levas controlado por la ECU del motor , que cambia suavemente la sincronización del árbol de levas [12] .
En 2007, Caterpillar desarrolló los motores de las series Acert C13 y C15, que utilizan sincronización variable de válvulas para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a fin de evitar el uso de un sistema de recirculación de gases de escape después de la introducción de los requisitos de la EPA en 2002 [13] .
En 2009, Mitsubishi desarrolló y comenzó la producción en masa de los motores 4N13 I4 con dos árboles de levas de 1,8 litros. Este motor se convirtió en el primer motor diésel del mundo para turismos con sincronización variable de válvulas [14] .
Cada fabricante de motores tiene su propio nombre para esta tecnología.
Esta implementación utiliza diferentes perfiles de leva. En un momento determinado (generalmente a una determinada velocidad del motor), la unidad cambia entre perfiles. Con este método de implementar un cambio en la sincronización de las válvulas, también es posible cambiar la elevación de la válvula y cambiar la duración de la apertura de las válvulas, sin embargo, este cambio siempre ocurre en pasos y no puede ser suave. El sistema VTEC de Honda fue el primer representante en serie de tales sistemas . En un sistema VTEC, un cambio en la presión hidráulica acciona un pasador que bloquea un balancín responsable de una elevación alta de la válvula y tiempos de apertura largos, con un balancín cercano responsable de una elevación baja de la válvula y tiempos de apertura cortos.
Muchos sistemas de sincronización variable de válvulas fabricados funcionan como la fase de levas a través de dispositivos conocidos como jargs. desfasadores ( ing. variador ). Esto permite un ajuste suave, sin embargo, muchos de los primeros sistemas de este tipo solo podían realizar un ajuste escalonado. Sin embargo, no es posible ajustar el tiempo de apertura y la altura de elevación.
Esta implementación utiliza movimientos oscilantes u oscilantes de las partes de la leva. que actúan como empujadores. A su vez, los taqués abren y cierran las válvulas. Algunas implementaciones de tales sistemas utilizan tanto un perfil de leva tradicional como perfiles excéntricos y tirantes. El principio de su funcionamiento es similar a una máquina de vapor, donde el volumen de vapor que ingresa al cilindro de trabajo está controlado por el momento de "corte" del vapor. La ventaja de tales sistemas radica en la suavidad de la regulación de la altura de las válvulas y la duración de la apertura. La desventaja es que la elevación de la válvula es proporcional a la duración de la apertura, y su ajuste independiente no es posible.
Ejemplos de tales sistemas son Valvetronic ( BMW ) [15] , VVEL ( Nissan ) y Valvematic ( Toyota ), en los que los sistemas de levas oscilantes están instalados solo en las válvulas de admisión.
Los sistemas de accionamiento de leva excéntrica funcionan por medio de un mecanismo de disco excéntrico que disminuye y aumenta la velocidad angular del perfil de la leva a medida que gira. Disminuir esta velocidad mientras la válvula está abierta corresponde a aumentar la duración de la apertura de la válvula. La ventaja de un sistema de este tipo es la capacidad de ajustar de forma independiente la duración de la apertura de las válvulas y la altura de la elevación [16] (sin embargo, no se pueden ajustar para la elevación). Las desventajas de estos sistemas incluyen su complejidad (es necesario instalar dos unidades excéntricas y dos de sus controladores para cada cilindro, un par de dispositivos para válvulas de admisión y escape), lo que aumenta el costo del sistema.
El único fabricante que implementó tal sistema fue MG Rover .
En estos sistemas, las levas tienen un perfil que también varía a lo largo de su longitud en una forma [17] similar a un cono. En un extremo de la leva hay un perfil con carrera de válvula baja y tiempo de apertura corto, en el otro extremo hay un perfil con carrera de válvula alta y tiempo de apertura prolongado. En la parte media de la longitud de la leva hay una transición suave entre estos perfiles. El ajuste suave de la altura de elevación de la válvula y la duración de la apertura se puede realizar cambiando el punto de contacto del levantaválvulas con el perfil de la leva. Esto se logra moviendo el árbol de levas axialmente ("deslizándose" a lo largo del motor), de modo que el levantaválvulas fijo haga contacto con diferentes secciones del perfil de la leva, lo que da como resultado diferentes elevaciones de válvulas y tiempos de apertura. La desventaja de estos sistemas es que el perfil de las levas es extremadamente difícil de diseñar, ya que el diseño debe garantizar las mínimas tensiones de contacto derivadas de los cambios de perfil.
Por lo general, se dice que Ferrari usa un sistema de este tipo [18] [19] , sin embargo, se desconoce si tales sistemas se usan en sus modelos de producción.
No hay información sobre el uso de estos sistemas en motores de serie.
El sistema consta de dos árboles de levas muy próximos entre sí y un taqué giratorio accionado por ambos árboles de levas. El movimiento de este empujador transmite el movimiento de los perfiles de leva de ambos árboles de levas simultáneamente. Cada árbol de levas está equipado con su propio sistema de sincronización variable de válvulas, que le permite cambiar la posición angular de los árboles de levas en relación con el cigüeñal. El perfil de leva de un árbol de levas controla el cierre de las válvulas, y el perfil de leva del otro árbol de levas controla el cierre de las mismas válvulas. Así, el ajuste de la duración de la apertura de las válvulas está controlado por el intervalo entre estos eventos.
Entre las desventajas de tales sistemas se encuentran:
No hay información sobre el uso de estos sistemas en motores de serie.
El principio de funcionamiento del sistema también es que una varilla de empuje es impulsada por perfiles de leva ubicados en dos árboles de levas diferentes. Hasta el límite angular impuesto por el radio del extremo del empujador, el empujador "siente" la combinación de superficies de los dos perfiles de leva como una superficie lisa y continua. Cuando la rotación de las levas está lo más alineada posible, la duración de la apertura de la válvula es mínima y corresponde al perfil de cada leva individualmente. Por el contrario, cuando el ángulo entre las levas durante la rotación es máximo, la duración de la apertura de la válvula es máxima. La principal limitación de tales sistemas es que sólo es posible ajustar la duración de la apertura de las válvulas, igual (en grados de movimiento del árbol de levas) al redondeo del perfil de la punta de la leva.
Un principio similar formó la base de lo que probablemente fue el primer sistema de cambio de leva patentado en 1925 por la Oficina de Marcas y Patentes de EE. UU. ( Patente de EE. UU. 1,527,456 ). También de este tipo es el llamado "árbol de levas Clemson" [23] .
También "Perfil de leva combinado de dos ejes con ejes coaxiales y movimiento helicoidal", no hay información sobre el uso de estos sistemas en motores de serie.
El principio es similar al discutido anteriormente, puede usar el mismo perfil de duración. Sin embargo, en lugar de una simple rotación plana de las levas, se usa una combinación de movimientos axiales y rotacionales para el ajuste, que es un movimiento helicoidal tridimensional. Mediante tal movimiento se superan las limitaciones asociadas a la duración en el sistema previamente considerado. La duración de la apertura de la válvula es teóricamente ilimitada, pero por lo general no supera los 100 grados de movimiento del árbol de levas, que es suficiente para funcionar en la mayoría de las situaciones.
Según se informa, las levas para dichos sistemas son difíciles y costosas de fabricar, requieren una precisión muy alta en la fabricación de los elementos de espiral y deben montarse con cuidado.
Estos motores incluyen aquellos motores que no requieren un árbol de levas para operar las válvulas. Las válvulas en estos sistemas tienen un alto grado de flexibilidad para ajustar la sincronización y la elevación de la válvula. Sin embargo, a partir de 2019, no hay sistemas similares disponibles para vehículos de vías públicas.
Existen los siguientes tipos de motores sin levas: