Desempeño de los ajustes de afinación del motor con regulación de válvula variable

Debido a que las emisiones estándares se vuelven más estrictas, se han agregado más dispositivos a los vehículos para disminuir los contaminantes, que van desde el convertidor catalítico hasta la recirculación del gas de escape (EGR) y la regulación de la válvula variable (VVT). Muchas de estas innovaciones solamente se han enfocado en las emisiones; sin embargo, la regulación de la válvula variable ha proporcionado una manera de ayudar a controlar los mayores contaminantes mientras aumenta el torque y los caballos de fuerza a través de un control más fino de la operación del motor. (Fig. 1)

La cámara de combustión del motor a temperaturas arriba de 2500°F, el nitrógeno se mezcla con el oxígeno para formar óxidos de nitrógeno (NOx), la mayor causa de la contaminación. Debido a que cada cilindro experimenta temperaturas de combustión arriba de ese nivel, la meta de todos los fabricantes automotrices ha sido reducir las temperaturas de combustión.

El uso de una válvula EGR fue el primer método para reducir la formación de NOx. El gas de escape se vuelve a introducir al distribuidor de admisión a través de una válvula, diluyendo la carga de admisión y reduciendo de manera efectiva las temperaturas de la cámara de combustión y la formación de NOx. Un efecto secundario por introducir una EGR externa para reducir el NOx es que causa que aumenten los niveles de hidrocarburo (HC).

EGR interna

Un método más efectivo para controlar las emisiones es aumentar el traslape de la válvula de admisión y de escape, una versión de EGR interna. El traslape de la válvula se refiere a la cantidad de tiempo en que ambas válvulas de admisión y escape estén abiertas, en el caso de motor de cuatro ciclos. Una reversión ocurre en el cilindro mientras el pistón se está moviendo hacia abajo y ambas válvulas estén abiertas. El gas de escape se regresa al cilindro, simulando una función de EGR. Al controlar la duración de este evento, se puede disminuir el NOx sustancialmente. Los niveles de HC también se reducen al volver a quemar la cola del evento de escape que es rico en hidrocarburos. Sin embargo, si se colocan los árboles de leva en una posición de traslape permanentemente aumentada, podría afectar el desempeño de las rpm a ralentí y bajas. Mientras más grande sea el traslape, más bajos serán los niveles de vacío del distribuidor de admisión.

Los árboles de levas fijos ofrecen potencia a rpm altas, buen torque a rpm bajas, ralentí regular. Pero la regulación del árbol de levas variable atiende las algunas veces divergentes necesidades de potencia, maniobrabilidad, ahorro y control de emisiones.

La regulación variable de la válvula utiliza un sincronizador de fase de la leva para cambiar dinámicamente los eventos de regulación de la válvula relacionados a la regulación del pistón por medio del control del árbol de levas. Esto permite que se cambie la posición del árbol de levas, dependiendo de la necesidad. Con carga baja y a ralentí del motor, el traslape es mínimo, mejorando la calidad de ralentí. A mayor carga y velocidad del motor, se aumenta el traslape, lo que permite que disminuyan las emisiones.

El sincronizador de fase permite que el PCM cambie la relación del árbol de levas relativa al cigüeñal, permitiendo mejor control sobre las emisiones y rendimiento.

Sincronizador de fase ranurado

Los sincronizadores de fase ranurado anteriores utilizaban un pistón interno que conecta el árbol de levas y la rueda dentada del sincronizador de fase de la leva juntos por medio de ranuras helicoidales, formando una articulación mecánica ajustable. La acción del acoplador giratorio del sincronizador de fase de la leva (o actuador de posición del árbol de levas de escape) se cumple por medio de la presión de aceite aplicada por medio del solenoide de control en el pistón del actuador en el cubo de la rueda dentada del árbol de levas.

Una válvula de control comandada por el PCM administra la presión de aceite al pistón interno del sincronizador de fase de la leva. El pistón interno pasa a lo largo de las ranuras helicoidales, rotando el engranaje del sincronizador de fase de la leva y el árbol de levas opuestos uno al otro, cambiando la regulación de la leva. 

Un resorte dentro del sincronizador de fase de la leva sostiene el pistón en una posición avanzada (0°) cuando no se aplica presión de aceite. Esto permite que el motor arranque y funcione con la leva en la posición inicial. Cuando se desea la sincronización de la leva, el PCM puede retardar la posición de la leva hasta 25° (50º del ángulo del cigüeñal) al variar la presión de aceite al pistón a través de la válvula de control. (Fig. 2) 

Sincronizador de fase de alabes

Los sistemas VVT más recientes en algunos diseños de motor de doble leva utilizan un sincronizador de fase de alabes en cada árbol de levas. Dentro del ensamble del actuador estilo alabe se encuentra un rotor y un estator que no se articulan mecánicamente. En cambio, la presión de aceite es controlada en ambos lados de los alabes del rotor, proporcionando una articulación hidráulica al estator. La manera en la que se sincroniza la leva es al variar el balance de la presión de aceite en cada lado de los alabes.(Fig. 3) 

Al ralentí, las levas de escape funcionan con total avance, para un mínimo traslape de válvulas. El traslape óptimo de la válvula elimina la necesidad de una reacción de inyección de aire (AIR) y un sistema EGR separado.

Los árboles de levas son accionados por una cadena de rodillo. Un tensor accionado hidráulicamente mantiene la tensión apropiada en la cadena, incluso si se estira con el millaje (algo que normalmente ocurre en todas las cadenas), lo que elimina la necesidad de reemplazo o ajuste periódico. Las levas se accionan directamente en seguidores de dedo de rodillo, los cuales accionan las válvulas.

Un resorte de retorno se encuentra asentado debajo del reluctor del actuador para ayudar a mantenerlo en la posición 0º (inicial). El actuador contiene dos cavidades para que el aceite fluya para retardar o avanzar la leva. La válvula de control de aceite (OCV) del PWM de cuatro vías controla qué cavidades reciben el aceite presurizado. (Fig. 4) 

Los nuevos sistemas de sincronizador de fase de alabes presentan una bobina electromagnética ubicada en la válvula de control de aceite, montada directamente en la parte delantera del árbol de levas.

Árboles de levas de admisión 

Los beneficios del sincronizador de fase de leva son emisiones reducidas y mayor economía de combustible; sin embargo, el sincronizador de fase de leva proporciona un torque mínimo y potencia de alto nivel. (Fig. 5) 

En lugar de mover la leva de admisión para que afecte el traslape en la carrera del escape, se retrasa el cierre de la admisión en la parte inferior de la carrera de admisión. A velocidades más bajas, una válvula de admisión abierta, durante los primeros grados de compresión, puede causar que se salga el aire de la válvula de admisión, mientras que el pistón se mueve hacia arriba. Pero a velocidades más altas, la válvula de admisión abierta, permiten que el aire que se está moviendo hacia el cilindro, siga llegando bajo el impulso que la carga de aire haya adquirido. El resultado es un cilindro con mayor eficiencia volumétrica.