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1 INSTITUTO NACIONAL DE APRENDIZAJE PROCESO DE GESTION TECNOLOGICA Proyectos de Investigaci n NUCLEO MECANICA DE VEHICULOS SUBSECTOR PRODUCTIVO: VEHICULOS LIVIANOS AREA FUNCIONAL: ELECTRONICA APLICADA AL VEH CULO LIVIANO Nuevas tecnolog as utilizadas en los sistemas de distribuci n valvular en los motores a gasolina para veh culos livianos. INA La Uruca, San Jos Octubre del 2007 2 FICHA DE CREDITOS Elaborado por: Marvin Lepiz Ugalde Asesor a metodol gica: Javier Bonilla Herrera Nombre REVISION Javier Bonilla Herrera Proceso de Gesti n Tecnol gica .. Firma .. Fecha y sello APROBACION Rafael Murillo L pez Jefatura del N cleo de Formaci n .. Firma .. Fecha y sello 3 INDICE P gina Distribuci n 5 Sincronizaci n de V lvulas 6 Cruce de v lvulas 7 Distribuci n Variable 8 Desplazamiento del rbol de Levas 11 Sistema VANOS 15 Sistema VarioCam 17 Sistema VALVETRONIC 21 Sistema VarioCam PLUS Sistema VVT Toyota 26 30 Alzada de levas Variable 33 Sistema VTEC Honda Sistema VVT Toyota 33 36 Conclusi n 39 Bibliograf a 40

2 4 INTRODUCCI N Los cambios en los sistemas automotrices son constantes y la aplicaci n de la electr nica para compensar y mejorar las t cnicas existentes es una de las principales causas por los cuales los mec nicos deben de buscar alternativas de capacitaci n e informaci n acerca de esos cambios. La presente investigaci n consiste en estudiar los diferentes sistemas de distribuci n variable m s comunes que tienen los veh culos actuales y las caracter sticas que existen en cada una de las marcas automotrices que hay en nuestro entorno. 5 Distribuci n Fundamentalmente, cuanto mayor es la cantidad de aire que penetra en el cilindro, mayor ser la potencia que desarrolla el motor, por eso es fundamental el sistema de distribuci n que es el encargado regular los tiempos del funcionamiento del motor. La distribuci n (respiraci n) del motor va estar controlada por el rbol de levas que es el elemento fundamental junto con las v lvulas.

3 Cuanto m s r pido gira un motor, m s dif cil resulta llenar los cilindros, puesto que las v lvulas abren y cierran mucho m s deprisa. Lo ideal es que la v lvula de admisi n se abra un poco antes del inicio de la carrera de admisi n, y la de escape un poco antes de iniciarse la carrera de escape, para ayudar as al vaciado y llenado de los cilindros. El inconveniente proviene de que el momento ptimo de apertura de las v lvulas es diferente para cada r gimen del motor, por lo que resulta imprescindible sacrificar rendimiento en todos los reg menes de giro para obtener un resultado aceptable tambi n en todos los reg menes de giro. Lo que hace la distribuci n variable es precisamente cambiar el momento de apertura y cierre de las v lvulas en funci n del r gimen del motor. Los sistemas m s sofisticados tambi n pueden controlar el tiempo durante el que la v lvula permanece abierta. A la hora de cambiar los tiempos de distribuci n tenemos que hacer una serie de consideraciones sobre los sistemas de distribuci n en general: Sincronizaci n de las v lvulas Hay que destacar los siguientes puntos: - La v lvula de admisi n debe abrirse antes del , es decir, antes de que el pist n empiece a descender en el tiempo de admisi n.

4 6 - La v lvula de admisi n permanece abierta mucho despu s del , (en plena fase de compresi n) para aprovechar la velocidad de los gases entrantes, lo cual ayuda a introducir una cantidad adicional de la mezcla de aire y combustible en el cilindro. - La v lvula de admisi n regula el rango de revoluciones del motor. Si esta se cierra mas tarde, entra mas combustible en el cilindro y, por lo tanto, las revoluciones aumentan. - El punto de cierre de la v lvula de admisi n tambi n determina la relaci n de compresi n efectiva, opuesto a lo que ocurre con la relaci n de compresi n est tica. Si la v lvula se cierra mas tarde, la compresi n real del motor ser menor -La v lvula de escape debe abrirse mucho antes de que termine el tiempo de explosi n para liberar la presi n de los gases en expansi n que est n en el cilindro antes de que el pist n suba en el tiempo de escape. La potencia del motor no se ve afectada por el hecho de que las v lvulas de escape se abran en ese punto, ya que la mayor parte de la potencia de los gases en explosi n ha sido transmitida al pist n durante el tiempo de explosi n.

5 La v lvula de escape debe estar casi totalmente abierta en el momento en el que pist n alcance la velocidad m xima. De esta manera, no hay resistencia al movimiento causada por la presi n del gas de admisi n, la cual producir a una perdida de bombeo. 7 Cruce de v lvulas El periodo de cruce de v lvulas tiene lugar en el inicio del tiempo de admisi n, cuando la v lvula de admisi n ya esta abierta y la de escape no se ha cerrado por completo. Los motores de serie tienen un cruce de v lvulas de 15 a 30 grados de giro del cig e al. En el ejemplo de la figura superior la magnitud del cruce es de 20 grados. Los rboles de levas de los veh culos de carreras tienen cruces de v lvulas que van de 60 a 100 grados. Un cruce adicional proporciona un llenado de cilindro m s eficaz a altas revoluciones, pero produce un vac o en el motor mas bajo, as como una mayor pobreza en el rendimiento en los bajos reg menes, en la calidad de marcha en ralent y en la econom a de combustible a baja velocidad.

6 Si la v lvula de admisi n se abre demasiado pronto, la calidad de marcha en ralent se deteriora, mientras que el rendimiento en reg menes elevados no mejora demasiado. La velocidad m xima del pist n en el tiempo de admisi n se alcanza antes de la apertura m xima de v lvula, por lo que s la v lvula se abre antes, podr a mejorar la respiraci n del motor. El factor del cruce de v lvulas que afecta al rendimiento en reg menes elevados es el cierre de la v lvula de escape. De hecho, aumentar el tama o de la v lvula de escape y su orificio correspondiente no suele considerarse demasiado adecuado para la obtenci n de mas potencia, ya que la v lvula de escape limita en mayor medida el flujo procedente del cilindro a medida que se cierra. Un cruce elevado de v lvulas puede generar problemas de holguras entre la v lvula y el pist n, es decir, que podr an llegar a tocarse. La elevada alzada de las v lvulas no causa este problema, ya que el pist n esta en una posici n baja dentro del cilindro cuando la v lvula se abre al m ximo.

7 8 Un cruce v lvulas mas reducido aumenta la presi n en el cilindro a revoluciones m s bajas. Los dise adores de rboles de levas intentan minimizar el cruce de v lvulas al tiempo que procuran maximizar el rendimiento en reg menes elevados. Distribuci n variable Cuando el motor funciona al ralent la v lvula de obturaci n se encuentra totalmente cerrada, por lo que se genera un gran vaci en el m ltiple de admisi n. Por lo tanto en un motor sin VVT cuando se produce el traslape valvular, cierta cantidad de gases quemados ingresan al m ltiple de admisi n, creando en este un empobrecimiento de la mezcla que llenara los cilindros durante la carrera de admisi n y a la vez tenemos un ralent inestable. Para corregir esta deficiencia lo que se hace en los motores convencionales es aumentar las RPM del motor enriqueciendo la mezcla en ralent , por lo que obtiene un mayor consumo de combustible.

8 9 Con el uso del VVT lo que se consigue es retrasar la apertura de las v lvulas de admisi n y as evitar que los gases quemados ingresen al m ltiple de admisi n y a la vez se evita enriquecer la mezcla durante el ralent . Es entonces donde encontramos la primera ventaja del VVT que es m s econom a de combustible ya que el motor puede funcionar a muy bajas RPM. Cuando se acelera el motor para hacer una salida, el VVT adelanta el tiempo de apertura de las v lvulas de admisi n en un grado mayor del que se establece en un motor sin VVT. En ese momento se puede pensar que la entrada de los gases de escape afectaran es rendimiento del motor, pero no es as , ya que las RPM del motor aumentaran, y m s bien los gases de escape pueden dar ciertas ventajas tales como: Reducci n del esfuerzo de los pistones cuando viajan del PMS al PMI, permitiendo un mejor llenado de los cilindros. Los gases que no se han quemado aun en el escape(CO y HC) retornan al m ltiple de admisi n por lo que la contaminaci n por CO y HC se reduce obteniendo emisiones m s limpias.

9 Adem s de lo anterior, los gases de escape al regresar por el cilindro, provocan que la c mara de combusti n se enfri evitando la producci n de Nox, obteniendo tambi n emisiones m s limpias. Es as como aparece la segunda ventaja del VVT que es la producci n de emisiones m s limpias. Cuando el motor funciona a altas RPM, los pistones viajan a una velocidad mayor, como por ejemplo cuando se adelanta a otro veh culo. 10 En un motor convencional ese tiempo esta preestablecido limitando el llenado de los cilindros durante la carrera de admisi n. En un sistema con VVT se consigue que el adelanto de la apertura de las v lvulas de admisi n sea mayor permitiendo un mejor llenado de los cilindros. Si bien es cierto con el adelanto de apertura de las v lvulas se con sigue tambi n el adelanto de cierre de estas, pero ocurre que a pesar de ese adelanto de cierre, los cilindros ya se han llenado por completo. Aparte de esto cuando el motor gira a altas velocidades en el escape se genera vac o, el cual evita que los gases de escape ingresen al m ltiple de admisi n, por lo que se consigue que los cilindros se llenen con una mezcla favorable de aire y combustible, dando como resultado una generaci n de potencia m xima que es la tercera ventaja del VVT Estos sistemas permiten utilizar el tiempo ptimo de apertura y cierre de las v lvulas a cualquier r gimen de giro del motor.

10 Seg n el fabricante del sistema se utilizan diferentes soluciones que modifican el calado de los rboles de levas, hacen actuar otra leva a altas revoluciones o modifican por medio de exc ntricas la posici n del rbol de levas sobre sus apoyos. Hay dos sistemas fundamentales a la hora de variar la distribuci n. 1. Variaci n de la alzada de v lvula, con ello se consigue modificar simult neamente el avance y cierre de la v lvula, adem s de disminuir el rea de paso de los gases frescos. 2. Desplazamiento del rbol de levas con respecto al cig e al. 11 De la combinaci n de estos dos movimientos es posible ajustar cada uno de los ngulos de manera independiente al valor deseado. Desplazamiento del rbol de levas Convertidores de fase Es posible adaptar el diagrama de distribuci n de un motor para conseguir un buen compromiso entre las exigencias de empuje a bajos reg menes y elevado rendimiento volum trico (buen llenado de la c mara) a altos reg menes utilizando un variador de fase.