El ciclo teórico de funcionamiento del motor de cuatro tiempos consta de la carrera de admisión, compresión, explosión y escape. En aras de la simplicidad, se utiliza el mismo ciclo teórico para todos los motores de automoción. Pero para garantizar que cada cilindro se llene y vacíe con los gases de la manera más eficiente posible en cada momento concreto (incluso a diferentes regímenes y con diferentes cargas), el ángulo al que se abren y se cierran las válvulas debe desviarse del ciclo teórico. Aquí es donde entran en acción el sistema VVT o sistema de sincronización variable de las válvulas y los solenoides del sistema VVT. Siga leyendo para conocer la función y la geometría de estos importantes componentes.
Retardo e inercia
Tal como se ha explicado en la introducción, los tiempos de apertura y cierre de la válvula deben diferir ligeramente del ciclo teórico para optimizar el proceso de entrada y salida de los gases del cilindro. Y esto, a su vez, se ve afectado por el retardo y la inercia:
- Retardo: Las válvulas no se abren de forma instantánea. Puede ser necesario girar el cigüeñal entre 20 y 30° para que se abran por completo. Sin acciones correctivas, esto causaría retrasos tanto en el ciclo de admisión como en el de escape:
- si, en el ciclo de admisión, el pistón empieza a descender y la válvula de admisión aún no está abierta debido al retardo mencionado anteriormente, se crea un vacío en el cilindro. Esto dificulta que el pistón inicie su carrera descendente y, por lo tanto, reduce el rendimiento del motor.
- A su vez, si el pistón inicia su movimiento ascendente en el ciclo de escape y la válvula no se abre debido al retardo, la presión en el cilindro se opone al movimiento de elevación del pistón, reduciendo de nuevo el rendimiento del motor.
- Inercia: Además, cuando se abre una válvula, a los gases les cuesta un poco empezar a desplazarse. Esto también genera un breve retardo en el inicio del proceso (el llenado o vaciado del cilindro).
Apertura estándar de la válvula sin un sistema VVT
En el siguiente gráfico se muestra la geometría fija de un vehículo sin sistema de sincronización variable de las válvulas (sistema VVT), donde PMS corresponde al punto muerto superior y PMI al punto muerto inferior:
Diagrama de la apertura estándar de la válvula sin sistema VVT
- AAA o Avance apertura de admisión (en azul) Para evitar un retardo y permitir así que los gases de admisión entren en el cilindro lo antes posible, la válvula de admisión se abre un poco antes de alcanzar la posición de PMS.
- RCA o Retardo cierrer de admisión (en azul)
La válvula de admisión se cierra un poco después de que el pistón haya pasado la posición de PMI. De esta forma, se aprovecha la inercia de los gases, optimizando así el proceso de llenado de los cilindros.
- AAE o Avance apertura de escape (en naranja) Al final de la carrera descedente, aunque la presión dentro del cilindro disminuye a medida que los gases empujan el pistón hacia abajo, para garantizar que el pistón no encuentre ninguna resistencia durante su carrera ascendente, la válvula de escape se abre antes del PMI.
- RCE o Retardo cierre de escape (en naranja) Para asegurarse de que se han expulsado todos los gases quemados y que el aire que queda en el cilindro es completamente fresco, el cierre de la válvula de escape se retrasa ligeramente.
Como se puede ver en el diagrama, hay un cruce de válvulas (en verde): un breve periodo durante el cual las válvulas de admisión y escape están abiertas al mismo tiempo.
Sistema VVT o sistema de sincronización variable de las válvulas
Función del sistema VVT
Dado que el régimen de los motores de automoción no es constante, lo ideal es que el diagrama de sincronización varíe con él. En otras palabras: los ángulos de cierre y apertura de la válvula deben adaptarse a unos valores que puedan maximizar los procesos de vaciado y llenado del cilindro, en función del régimen del motor.
El sistema VVT influye en la sincronización de las válvulas con la ayuda de un sincronizador de fases situado en el cabezal del árbol de levas. La unidad de control del motor activa este componente mediante el flujo de aceite controlado por la válvula solenoide.
Estas son las principales ventajas de este sistema:
- Reducción del consumo de combustible
- Aumento del par y la potencia
- Reducción de las emisiones
Principalmente en motores de gasolina
El sistema VVT se introdujo en los vehículos asiáticos y europeos a finales de los años 80 y principios de los 90. A mediados de la década de los 2000, este sistema se hizo más popular y empezó a ser utilizado por todos los grandes fabricantes de automóviles. En la actualidad, este sistema se instala normalmente en motores de gasolina (aunque no en todos), pero también se puede encontrar en algunos motores diésel. A pesar de que el nombre real utilizado para el sistema varía de un fabricante a otro, y aunque puede haber pequeñas diferencias, el principio de funcionamiento es prácticamente el mismo:
- Honda: VTEC
- Toyota: VVT-i
- BMW: VANOS
- Ford: Ti-VCT
- Kia-Hyundai: CVVT
- Porsche: VARIO CAM
- VAG: TGV
- …
Válvula solenoide y otros componentes del sistema VVT
Estos son los componentes principales de un sistema de sincronización variable de las válvulas:
Componentes principales de un sistema VVT
- ECU
- Sensores de revoluciones
- Variador de fase de levas
- Árboles de levas
- Válvulas solenoides
- Conducto de aceite
Vista detallada del Variador de fase de levas
El Variador de fase de levas adapta el ángulo de apertura de las válvulas. Consta de los siguientes componentes:
Componentes de un variador de fase de levas
- Rotor interior: esta pieza está acoplada al árbol de levas.
- Carcasa exterior: esta pieza está acoplada a la polea de sincronización del motor.
- Galerías: se llenan de forma activa con aceite en un lado o en el otro de las palas del rotor interior. Esto hace girar el rotor interior en relación con la carcasa exterior, lo que permite adelantar o retrasar los tiempos en los que se abren las válvulas.
Este flujo de aceite a un lado u otro de las galerías se controla mediante la válvula solenoide. Como veremos más adelante en este artículo, la válvula solenoide permite que el aceite fluya a través de las tuberías hasta las galerías de acuerdo con la señal modulada por ancho de impulsos (PWM) que recibe de la unidad de control.
Vista detallada de la válvula solenoide
La válvula solenoide, a su vez, consta de los siguientes componentes:
Componentes de la válvula solenoide
- Línea de suministro de aceite
- Retorno de aceite
- Conductos de aceite al árbol de levas
- Pistón
- Bobina solenoide
- Conector eléctrico
Válvula solenoide: posiciones
El sistema VVT se suele instalar para que trabaje con la al árbol de levas de admisión, aunque en algunos vehículos también se puede encontrar uno asociado al árbol de levas de escape. Los motores de alto rendimiento, por ejemplo, funcionan con sistemas más complejos capaces de variar la elevación de las levas. Por lo tanto, las válvulas solenoides pueden encontrarse en diferentes ubicaciones.
1. Solenoide en posición de «retardo»
El solenoide puede estar en la posición de «retardo»:
Solenoide en posición de retardo
Cuando el motor está al ralentí, la válvula solenoide desplaza su émbolo interno. Esto permite que el aceite fluya para llenar un lado de las galerías, al mismo tiempo que permite que el aceite regrese al cárter desde los otros lados. El resultado es que se abrirán un poco más tarde en el ciclo del motor.
Retrasar la apertura de la válvula de admisión evita que los gases quemados entren en el colector de admisión al ralentí. También permite ahorrar combustible: el motor puede seguir funcionando sin problemas, sin necesidad de aumentar el régimen de ralentí.
2. Solenoide en posición de «avance»
El solenoide también puede estar en la posición de «avance»:
[image6] Solenoide en posición de «avance»
Con regímenes de motor elevados, el solenoide se desplaza a la posición opuesta. Esto invierte el flujo de aceite y hace que el árbol de levas se desplace a su posición «avanzada» máxima.
Cuando el motor funciona a altas rpm, el cilindro tarda mucho menos tiempo en llenarse. Por lo tanto, si adelantamos la apertura de la válvula, nos aseguramos de que el gas de entrada empiece a entrar en el cilindro incluso antes de que el pistón haya alcanzado el PMS. Naturalmente, al adelantar la apertura, el cierre también se adelanta. Pero en este caso, debido al régimen del motor, el cilindro todavía tiene tiempo para llenarse lo suficiente, lo que garantiza un rendimiento óptimo y el aprovechamiento de la inercia de los gases que circulan a velocidades más altas.
3. Solenoide en posición «de espera»
Además, el solenoide también puede estar en posición «de espera»:
Solenoide en posición «de espera»
Los árboles de levas cuentan con sensores Hall. Estos sensores indican a la unidad de control su posición exacta con respecto al cigüeñal. De esta forma, la unidad de control puede determinar la posición de la válvula solenoide que se necesita en cada momento. Esto se calcula comparando las señales de entrada (como el régimen del motor, la posición de la mariposa, etc.) con los mapas memorizados. Cuando se alcanza el avance deseado, el solenoide se coloca en la posición de espera. De este modo, se bloquea el flujo de aceite en ambas direcciones y se mantiene el árbol de levas en un determinado ángulo en relación con la polea del árbol de levas.
Cuando el motor está funcionando a un régimen intermedio o en otras situaciones específicas, la unidad de control puede determinar una posición de «avance intermedio» del árbol de levas para un funcionamiento óptimo del motor en ese momento. Las posiciones intermedias ayudan a reducir los niveles de NOx y, por lo tanto, tienen un efecto similar en el motor, al igual que los sistemas de recirculación de gases de escape (instalados habitualmente en los motores diésel, las EGR devuelven parte de los gases de escape al colector. Cuando vuelven a entrar en la cámara de combustión, reducen la temperatura y esto provoca que se genere menos NOx).
Fallos del sistema VVT
Problemas de presión del aceite
El fallo hidráulico más común es la presión baja o la ausencia de presión. Esto suele deberse a que el aceite no se ha mantenido adecuadamente, por lo que transporta residuos y lodos. Cuando estas impurezas se depositan en el prefiltro del canal de alimentación de aceite de la válvula solenoide, restringen el flujo de aceite. Esto hace que el sistema funcione lentamente o que no funcione en absoluto. Además, las partículas pueden pasar a través del filtro, lo que hace que la válvula solenoide se agarrote en cualquiera de sus posiciones.
El problema de una presión demasiado baja puede agravarse si el aceite no tiene la viscosidad correcta, o en el caso de que haya otra fallo en el sistema de lubricación.
Problemas de presión del aceite
Fallos eléctricos
Las válvulas solenoides también pueden sufrir fallos eléctricos. La bobina puede fallar y provocar que la válvula deje de funcionar. Sin embargo, como siempre, comprobar los cables que llegan a la válvula es una buena práctica para evitar la sustitución innecesaria de un componente en buen estado.
La unidad de control del motor utiliza los sensores de posición del árbol de levas y el cigüeñal para evaluar el funcionamiento del sistema. En caso de que se detecte una anomalía, generará un código de avería y encenderá el testigo de diagnóstico del motor.
[image9] Testigo de diagnóstico del motor