9 Sistemas para mejorar la carga del cilindro Vamos a conocer... 1. Rendimiento volumétrico 2. Distribución multiválvulas 3. Admisión variable 4. Sistema de distribución variable PRÁCTICA PROFESIONAL RESUELTA 1 Funcionamiento del sistema de admisión variable AVAV de Citroën PRÁCTICA PROFESIONAL RESUELTA 2 Comprobación del reglaje del variador cecular de aletas PRÁCTICA PROFESIONAL PROPUESTA Sustitución de las chapaletas en el colector de un motor diésel Y al finalizar esta unidad Conocerás los factores que determinan el rendimiento volumétrico. Analizarás las características de los sistemas de distribución multiválvulas. Conocerás el funcionamiento de los sistemas de admisión variable y distribución variable.
Sistemas para mejorar la carga del cilindro 1. Rendimiento volumétrico Los motores que actualmente se fabrican para los automóviles tienen que reunir ciertas cualidades. Entre ellas pueden destacarse: Alta potencia específica. Suficiente grado de elasticidad. Bajo consumo. Gases de escape poco contaminantes. Para conseguirlo se necesita obtener un buen rendimiento volumétrico del motor (η v ). La eficacia de llenado de los cilindros se calcula comparando la masa de gas (M a ), que realmente es introducida en el cilindro, con la cantidad máxima (M c ) que podría entrar (véase epígrafe 1 de la unidad didáctica 3). Figura 9.1. Distribución multiválvulas. El coeficiente de llenado en los motores atmosféricos (no sobrealimentados) es siempre inferior a 1. η v Ma = < 1 M Esto se debe principalmente a las pérdidas de carga que se producen en los conductos de admisión, a las variaciones de densidad del aire y al espacio ocupado por los gases quemados que permanecen en el cilindro después del escape. La cantidad de masa gaseosa admitida (M a ) está en función de la sección de paso de admisión (A) y de la velocidad del gas (v a ). M a c = A v A = M a Ma va = v A a La velocidad de entrada del gas en el cilindro depende también de la velocidad del pistón. v a a 2 D = d v 2 Siendo: v a = velocidad del gas d = diámetro del conducto de admisión D = diámetro del pistón v m = velocidad media del pistón La mejora en el llenado de los cilindros proporciona al motor mayor potencia específica (kw/l), ya que se consigue quemar más cantidad de mezcla en cada ciclo. Además, trae consigo un aumento de par motor y de potencia, una disminución del consumo específico de combustible y una reducción de los gases contaminantes. Los sistemas que hoy se emplean para mejorar la carga de los cilindros en los motores atmosféricos son: Distribución multiválvulas. Admisión variable. Distribución variable. m 167
Unidad 9 2. Distribución multiválvulas La carga del cilindro mejora aumentando la sección de paso de los gases, con ello se reduce la resistencia y disminuyen las pérdidas de carga. Figura 9.2. Distribución con cuatro válvulas. En la distribución multiválvulas se disponen 4 válvulas por cilindro: dos de admisión y dos de escape (figura 9.2.). De esta forma se consigue un aumento de la sección de paso, se reduce el diámetro de cada válvula y se aprovecha mejor el espacio disponible en la cámara de combustión. Existen otras configuraciones con 3 o 5 válvulas; en estos casos de válvulas impares siempre hay una más de admisión (figura 9.1.). Las 4 válvulas por cilindro se montan sobre la culata en paralelo 2 a 2 y son mandadas habitualmente por 2 árboles de levas independientes, uno para admisión y otro para escape (figura 9.3). Las válvulas forman un ángulo entre sí que puede estar comprendido entre 50 o y 20 o, lo que permite diseñar una cámara de combustión compacta, con una relación superficie/volumen muy favorable. La bujía se coloca en el centro y el frente de llama se extiende uniformemente. Se pueden provocar fuertes turbulencias con facilidad. Todo esto hace que se pueda trabajar con relaciones de compresión más elevadas. Ventajas de la distribución multiválvulas La sección de entrada aumenta alrededor de un 30%. Permite optimizar el volumen y la forma de las cámaras de combustión. Las válvulas pesan menos, por lo que son menores los efectos de la inercia, lo que permite aperturas más rápidas. Los muelles pueden ser más suaves, evitando los efectos de rebote. El golpeteo contra los asientos es menor y, en general, el conjunto resulta menos ruidoso. El menor tamaño de las válvulas favorece su refrigeración. Tabla 9.1. Figura 9.3. Distribución multiválvulas con doble árbol de levas. El sistema multiválvulas La velocidad del gas que entra en el cilindro está en función de la rapidez con que el pistón realiza la carrera de admisión, es decir, del número de revoluciones por minuto. Con altos regímenes es necesario introducir un gran volumen de gas en un tiempo muy corto. La mayor sección de paso que ofrecen los sistemas multiválvulas reduce las pérdidas de carga en la admisión y consigue introducir en el cilindro más cantidad de masa gaseosa. El resultado es una mejora del rendimiento a altas revoluciones comparado con el sistema de dos válvulas por cilindro. La amplia sección de admisión del sistema multiválvulas tiene el inconveniente de que, cuando el motor funciona a bajas revoluciones, disminuye aún más la velocidad del flujo gaseoso. La carga es deficiente y la turbulencia dentro del cilindro es muy baja, dando como resultado una ligera pérdida de potencia y par a bajas revoluciones. Para mejorar el llenado a bajas y medias revoluciones se utilizan colectores de admisión variable cuyas dimensiones, en cuanto a longitud y diámetro, se adaptan para permitir a los gases alcanzar velocidades de carga adecuadas. 168
Sistemas para mejorar la carga del cilindro 3. Admisión variable La admisión variable consiste en modificar las características del colector de admisión para adaptarlas a los distintos regímenes de giro con el fin de mejorar el llenado de los cilindros, tanto con bajo como con alto número de revoluciones. Como consecuencia se obtiene un mayor par motor con cargas bajas y medias y una mejora de la potencia con cargas altas. Se utilizan dos técnicas diferentes: Técnicas de admisión admisible 10 4 6 La inercia de los gases. La resonancia acústica. Tabla 9.2. Aunque es habitual que en el diseño de estos dispositivos se combinen ambos métodos. 3.1. Inercia de los gases Las dimensiones del colector de admisión, referidas al diámetro y a la longitud de los conductos, determinan el régimen de giro en el que se consigue un mejor llenado de los cilindros. A medida que aumenta el régimen de giro debería de disminuir la longitud y aumentar el diámetro de los conductos, de manera que se mantenga la inercia de los gases sin producir pérdidas de carga. Para mejorar el llenado y, por tanto, el par motor a bajo régimen, se necesitan colectores largos y estrechos, mientras que para altas revoluciones se deben emplear conductos anchos y cortos. 3.2. Resonancia acústica Este método se basa en el estudio de las oscilaciones de la masa gaseosa que se producen en el interior del colector de admisión debido a la apertura y cierre de las válvulas de los diferentes cilindros. Las ondas de presión y de depresión se desplazan por el interior de los conductos con una velocidad constante (la velocidad del sonido), pero con una frecuencia que varía con el régimen del motor. Las dimensiones del colector de admisión determinan las características acústicas adecuadas, de forma que la frecuencia de las oscilaciones a cierto régimen produce un efecto de sobrealimentación por resonancia, debido a que la onda que recorre el conducto de admisión rebota en el fondo y retorna justo a tiempo para introducirse en el cilindro antes de que cierre la válvula de admisión. Si se incorpora un dispositivo que varíe tales dimensiones, se consigue mejorar el llenado a diferente número de revoluciones. 1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3 4 5 Colector de admisión Mariposa de carga Filtro de aire Cápsula de depresión Electroválvula Motor Captador de régimen Calculador Reserva de vacío de la bomba de vacío Trampillas Figura 9.4. Sistema de admisión variable. 9 7 8 Los sistemas de admisión variable mejoran el par a bajas revoluciones y aumentan la potencia con elevado régimen. 3.3. Sistema ACAV Existe una gran variedad de sistemas de admisión variable desarrollados por diferentes marcas de automóviles. Citroën utiliza, en algunos de sus motores con distribución multiválvulas, un sistema sencillo denominado ACAV (Admisión de Características Acústicas Variables), basado en la técnica de resonancia acústica de los conductos de admisión. 169
Unidad 9 Inyector «Pulmón» mando de trampillas Trampilla ACAV Mando acelerador A B Trampilla cerrada Trampilla abierta Circuito largo Figura 9.5. Conjunto de colector con el dispositivo ACAV. Circuito corto El colector de admisión se desdobla en dos conductos de longitud y sección diferentes, que se utilizan independiente o simultáneamente en función del régimen del motor (figura 9.6.). El dispositivo de admisión (figura 9.5.) comprende un repartidor en cuya entrada común se encuentra instalada la mariposa de gases. Para alimentar a cada cilindro, el repartidor cuenta con: Un circuito largo (A-figura 9.6.) de 650 mm de longitud y 36 mm de diámetro, que mejora el par a bajas y medias revoluciones. Se utiliza entre 1 800 r.p.m. y 5 080 r.p.m. Un circuito corto (B-figura 9.6.) de 370 mm de longitud y 54 mm de diámetro, que, unido al anterior, acorta el recorrido y aumenta el diámetro consiguiendo mayor potencia con elevado número de revoluciones. Se utiliza para regímenes inferiores a 1 800 r.p.m. y superiores a 5 080 r.p.m. Los circuitos largos disponen de paso libre, en cambio los circuitos cortos están controlados por cuatro mariposas, una por cilindro, accionadas de dos en dos por cápsulas neumáticas. La depresión necesaria para accionar las cápsulas es suministrada por una bomba de vacío, o bien se toma del colector de admisión. El calculador de la inyección selecciona los conductos de admisión por medio de una electroválvula (figura 9.7.) que permite la acción neumática de los pulmones en función del régimen del motor. Figura 9.6. Colector de longitud y sección variables en función del régimen. Trampilla Reserva de vacío Pulmón mando de trampillas Unidad de control Circuito largo Electroválvula Circuito corto Figura 9.7. Circuito de admisión. 170
Sistemas para mejorar la carga del cilindro 3.4. Sistemas de admisión para motores diésel Para motores diésel con cuatro válvulas se utilizan dos canales de admisión por cada cilindro, uno de llenado y otro de turbulencia. Con cargas bajas el canal de llenado está cerrado por una chapaleta y la carga se hace por el canal de turbulencia. El estrechamiento del conducto aumenta la velocidad de entrada provocando una alta turbulencia espiroidal (swirl) (figura 9.8.). Con cargas altas se abre la chapaleta, la mayor sección de paso permite un buen llenado de los cilindros (figura 9.9.). Las chapaletas (swirl flaps) van montadas en un eje común que es posicionado desde la unidad de control en función del régimen y la carga del motor (figura 9.10.). El accionamiento se realiza a través de una cápsula de vacío controlada por electroválvula. En otros casos, el eje es movido por un servomotor eléctrico. Cerrada Cápsula de vacío para activación de chapaletas Figura 9.8. Admisión con doble canal. Baja carga, chapaleta cerrada. Abierta Canal de llenado Chapaleta Canal de turbulencia Figura 9.10. Colector de admisión para motor diésel (Audi) de 4 válvulas con chapaletas de turbulencia. Otra técnica usada actualmente consiste en dividir los conductos desde la entrada de aire. Se usa una sola mariposa en el canal de llenado (figura 9.12.) que abre gradualmente para ajustar la turbulencia espiroidal en función del régimen y la carga del motor (figura 9.11.). 6 5 2 3 4 1 1. Entrada de aire 2. Válvula de turbulencia 3. Repartidor superior 4. Repartidor inferior 5. Conducto de turbulencia 6. Conducto de llenado Figura 9.9. Admisión con doble canal. Cargas altas, chapaleta abierta. Figura 9.11. Admisión con alta turbulencia (Renault). Figura 9.12. Admisión de doble conducto con una mariposa. 171
Unidad 9 4. Sistema de distribución variable El sistema de distribución convencional dispone de ángulos de apertura de las válvulas fijos, los cuales determinan el tiempo disponible para realizar la carga y el vaciado del cilindro. En estos motores se hace necesario elegir entre un diagrama que ofrezca un buen par a bajo régimen, o uno con buenas prestaciones a regímenes altos. Generalmente se opta por una solución intermedia. Los sistemas de distribución variable ofrecen la posibilidad de disponer de, al menos, dos diagramas de distribución diferentes, uno para regímenes bajos y medios, que permite mejorar el llenado de los cilindros para obtener un buen par desde bajas revoluciones, y un segundo diagrama, que proporciona altas prestaciones a regímenes elevados. Los motores equipados con estos sistemas son más elásticos, su curva de par tiene un valor alto desde bajas revoluciones y se mantiene al subir el régimen, debido a que mejoran la carga de los cilindros en toda la gama de revoluciones. Para conseguir que el sistema de distribución sea variable se utilizan fundamentalmente dos métodos: Variar el momento de apertura de las válvulas desplazando el árbol de levas respecto al cigüeñal (figura 9.13.). Avance mm Escape Admisión -240-220 -200-160 -120-80 -40 0 40 80 120 160 200 240 280 PMS Figura 9.13. Sistemas de distribución variable por desplazamiento del árbol de levas Variar la alzada de la válvula, con esta técnica se modifica el ángulo de apertura y la sección de paso (figura 9.14.). mm 12,0 10,0 8,0 6,0 Alzada de la válvula de admisión 4,0 2,0 0 PMS Ángulo de apertura Figura 9.14. Sistema de distribución variable por variación de la alzada de la válvula. 172
Sistemas para mejorar la carga del cilindro 4.1. Sistema Variocam Este dispositivo consigue variar el diagrama de la distribución mediante el tensor hidráulico de la cadena que transmite el giro entre los dos árboles de levas y actúa solamente sobre el árbol de admisión. Comportamiento del Variocamp en función de las r.p.m. Para un régimen inferior a 1 500 r.p.m., las válvulas de admisión abren 7 o después del PMS y cierran 52 o después del PMI. Con esta disposición, el motor tiene un giro uniforme a bajas revoluciones y la emisión de hidrocarburos sin quemar es muy baja debido a que no existe cruce de válvulas (figura 9.15.). Desde 1 500 r.p.m. y hasta 5 500 r.p.m., las válvulas de admisión abren 8 o antes del PMS y cierran 37 o después del PMI, con un cruce de válvulas de 9 o. Con este diagrama se consigue un buen llenado de los cilindros y un aumento de par uniforme. A partir de 5 500 r.p.m., el árbol de admisión vuelve a la posición inicial, es decir, apertura de 7 o después del PMS, y cierre a 52 o después del PMI. Esto se debe a que la alta velocidad de entrada de los gases requiere un mayor retraso al cierre de admisión, para aprovechar su inercia y lograr que entre más cantidad de gas en los cilindros. Tabla 9.3. El dispositivo varía solo las cotas de las válvulas de admisión (AAA y RCE), pero el ángulo total de apertura permanece invariable (225 o ). 4.1.1. Funcionamiento del sistema Variocam El cigüeñal acciona el árbol de levas de escape mediante una correa dentada, la transmisión entre ambos árboles de levas se hace mediante una cadena lo suficientemente larga para que el tensor pueda subir y bajar hidráulicamente sus eslabones entre los árboles de levas (figura 9.16.). Árbol de escape 1 PMS Escape cierra Admisión abre 7 Admisión cierra 52 Escape abre 31 Menos de 1500 r.p.m. PMS Admisión abre 9 Cruce 8 Escape cierra 1 Admisión Escape abre cierra 37 31 Entre 1500 y 5500 r.p.m. Figura 9.15. Diagramas del sistema Variocam. Cilindro hidráulico Válvula electromagnética Árbol de admisión Árbol de escape Árbol de admisión Tensor desplazable Tensor desplazable Figura 9.16. Dispositivo regulador de avance. El calculador de la inyección controla el sistema mediante una electroválvula. El dispositivo puede adoptar dos posiciones, una superior y otra inferior (figura 9.17.): Posición superior. La válvula electromagnética está sin corriente. El aceite, procedente del sistema de lubricación del motor, mantiene al pistón desplazable en su parte superior. Posición inferior. La válvula electromagnética está activada. Ahora, el aceite a presión empuja el pistón desplazándolo a su posición inferior. A. Posición superior 7,5 B. Posición inferior Figura 9.17. Posiciones del tensor desplazable. 173
Unidad 9 4.2. Sistema VTEC 1 2 3 El sistema de Distribución Variable y Control Electrónico de la Elevación (VTEC), de la marca Honda, se basa en la variación de la alzada de las válvulas y de su momento de apertura en función del número de revoluciones. Los motores de turismos se utilizan la mayor parte del tiempo a regímenes medios y bajos, en estas condiciones la velocidad del pistón es lenta, por lo que una reducción en la sección de paso de admisión proporciona mayor velocidad de entrada a los gases. Con altas revoluciones se incrementa la alzada de las válvulas, lo que supone una mayor sección de paso, a la vez que aumenta el tiempo de admisión. 7 4 5 Las válvulas de escape funcionan con una elevación y una distribución constantes, ya que el dispositivo solo interviene sobre las de admisión. A bajas revoluciones solamente abre una de las válvulas de admisión, y con altas revoluciones abren las dos. De esta forma se obtienen las ventajas de los motores de dos y de cuatro válvulas por cilindro. 6 El sistema dispone de dos balancines y dos levas para cada cilindro. Los balancines primario y secundario pueden estar acoplados o no mediante un dispositivo de pistón accionado hidráulicamente. 4.2.1. Funcionamiento del sistema VTEC 1 Palanca de sincronización 2 Balancín primario 3 Balancín secundario 4 Pistón de sincronización 5 Pistón de retorno 6 Válvulas de admisión 7 Eje de levas Figura 9.18. Sistema VTEC_E. Balancines sin acoplar (figura 9.19.), por debajo de 2 500 r.p.m. Los balancines primario y secundario actúan independientemente y son movidos por las levas A, de 8 mm de alzada, y B, de 0,65 mm de alzada. Cuando la válvula primaria está totalmente abierta, la elevación de la secundaria es solamente de 0,65 mm. Esta pequeña abertura evita la acumulación no deseable de la mezcla en el segundo conducto de admisión. El flujo de entrada por una sola válvula origina una fuerte turbulencia dentro del cilindro que permite realizar una combustión más eficiente, incluso con mezclas pobres. Con una sola válvula de admisión el llenado mejora a bajas revoluciones. 1 2 A B 8 6 4 Sin 5 7 presión Figura 9.19. Accionamiento de las válvulas para régimen < 2 500 r.p.m. 3 Elevación de las válvulas a velocidades bajas del motor Primaria Admisión Secundaria 1 Árbol de levas 2 Lóbulo de leva A (primario) 3 Lóbulo de leva B (secundario) 4 Balancín primario 5 Balancín secundario Escape Elevación de las válv. (mm) 8 0,65 6,5 6 Pistón de conexión hidráulica A 7 Pistón de conexión hidráulica B 8 Pasador de tope con muelle de retorno Distribución de las válvulas a velocidades bajas del motor Admisión abierta Admisión cerrada Escape abierto Escape cerrado P: 10 o después PMS S: 88 o después PMS P: 25 o después del PMI S: 10 o antes del PMI 30 o antes del PMS 20 o antes del PMS Tabla 9.4. Tabla 9.5. 174
Sistemas para mejorar la carga del cilindro Balancines conectados Cuando el motor supera las 2 500 r.p.m., el calculador de la inyección envía una señal que abre la válvula que da paso a la presión hidráulica desplazando los pistones. Los balancines quedan entonces conectados entre sí de manera firme (figura 9.20.). Es la leva primaria A la que mueve ahora las dos válvulas de admisión con la misma elevación y la misma distribución. En estas condiciones aumenta la potencia al subir el número de revoluciones. 1 A B 2 3 8 1 Árbol de levas 2 Lóbulo de leva A (primario) 3 Lóbulo de leva B (secundario) 4 Balancín primario 5 Balancín secundario 6 Pistón de conexión hidráulica A 7 Pistón de conexión hidráulica B 8 Pasador de tope con muelle de retorno 4 De la válvula 5 de mando 6 7 Figura 9.20. Accionamiento de las válvulas para régimen > 2 500 rpm. Elevación de las válvulas a velocidades altas del motor Primaria Admisión Secundaria Escape Elevación de las válv. (mm) 8 8 6,5 Tabla 9.6. Distribución de las válvulas a velocidades altas del motor Admisión abierta Admisión cerrada Escape abierto Escape cerrado Tabla 9.7. P: 10 o después PMS S: 10 o después PMS P: 25 o después del PMI S: 25 o antes del PMI 30 o antes del PMS 20 o antes del PMS El colector de admisión dispone, además, de un sistema de admisión variable (figura 9.21.), que permite la selección de la vía de admisión que sea más favorable a cada régimen del motor. La trampilla (8) permanece cerrada a bajas revoluciones, haciéndose uso de la vía larga para aumentar el par. La vía ancha para elevado régimen es seleccionada por decisión del calculador (2), en función del número de revoluciones y de la posición de la mariposa de gases mediante el sensor (1). Cuando es activada la válvula de solenoide (3), la depresión procedente del colector activa el diafragma (4) y abre la trampilla (8). 1 2 3 5 6 1. Sensor del ángulo de la mariposa 2. Unidad de control 3. Electroválvula de control de depresión 4 7 4. Cápsula de mando de trampilla 5. Conducto secundario 6. Cámara de depresión 8 7. Conducto primario 8. Trampilla Figura 9.21. Sistema de admisión variable. 175
Unidad 9 4.3. Sistema Valvelift El sistema de Audi Valvelift gestiona la alzada de las válvulas en dos fases, y para ello dispone de elementos portalevas con perfiles diferentes. Se utiliza un dispositivo que desplaza axialmente las levas sobre el árbol de admisión, de manera que las válvulas pueden ser abiertas por una leva de perfil alto, o una de perfil más bajo. Figura 9.22. Fiador de enclavamiento. Los elementos portalevas (figura 9.23.) tienen integradas dos ranuras en espiral mecanizadas, una en sentido contrario a la otra. Dos actuadores electromagnéticos se montan sobre la culata enfrentados con las ranuras. Cada actuador puede activar un pasador que se introduce en una ranura en espiral practicada sobre el portalevas, el giro del árbol hace que el portalevas se desplace longitudinalmente. Si se activa el otro pasador, el portalevas de desplazará a la posición inicial. Las posiciones se fijan mediante fiadores (figura 9.22.). Actuador electromagnético Pasador Ranura de desplazamiento Figura 9.23. Portalevas y actuadores (Audi). Portalevas Árbol de levas 4.3.1. Funcionamiento del sistema Valvelift Cada portalevas incorpora cuatro levas que actúan sobre las dos válvulas de admisión (figura 9.24.): Posición de levas altas. Las dos levas son iguales. Actúan a partir de 4 000 r.p.m. Posición de levas bajas. Cada leva tiene un alzado diferente. Actúan para regímenes inferiores a 4 000 r.p.m. Figura 9.24. Portalevas con levas altas y levas bajas de diferente alzado. 176
Sistemas para mejorar la carga del cilindro Para cargas bajas y medias (perfil bajo) una de las válvulas de admisión abre 2 mm y la otra 5,7 mm. De esta manera se obtiene una alta velocidad de flujo y mayor turbulencia de los gases de admisión en la cámara de combustión (figura 9.25.). Alzada de válvulas, mm 12 10 8 6 A B 4 C 2 D 0-270 -180-90 0 0 180 270 Ángulo del cigüeñal en Figura 9.25. Alzada de las válvulas en diferentes posiciones. A. Válvula de escape, alzada plena B. Válvula de admisión, alzada plena C. Válvula de admisión, alzada parcial grande D. Válvula de admisión, alzada parcial pequeña 4.4. Variador celular de aletas Este sistema es utilizado por el grupo Volkswagen en algunos de sus motores. Se compone de dos variadores de aletas (figura 9.26.), uno en el árbol de levas de admisión y otro en el de escape, dos electroválvulas, un circuito hidráulico y un dispositivo de control electrónico. Los árboles de levas de admisión y escape pueden adoptar diferentes posiciones para obtener un ralentí estable, un buen nivel de potencia a regímenes superiores y un alto par en regímenes medios y bajos, para lo cual es necesario un buen llenado de los cilindros. Además tiene una función de recirculación de gases de escape. Durante el cruce de válvulas es posible provocar una recirculación interna de gases de escape. Se proporciona un gran avance a la apertura de las válvulas de admisión, de modo que como la válvula de escape aún está abierta, una parte de los gases de escape pasan al conducto de admisión. La cantidad de gases de escape que recirculan depende de la magnitud del cruce de válvulas. Variador de admisión Carcasa de distribución Electroválvulas Figura 9.26. Configuración de la distribución variable. Variador de escape 177
Unidad 9 4.4.1. Funcionamiento del variador celular de aletas Conducto de aceite de retardo Conducto de aceite de avance Figura 9.27. Variador celular de aletas. Rotor unido al árbol de levas Rotor unido al piñón de distribución Los variadores celulares de aletas están compuestos de una carcasa con rotor exterior solidaria a la rueda dentada de la transmisión y un rotor interior unido al árbol de levas (figura 9.27.). Los conductos de aceite del circuito hidráulico comunican con las cámaras que se forman entre las aletas de ambos rotores. La unidad de control comanda las electroválvulas para dirigir el aceite a presión hacia estas cámaras (figura 9.28.), cuando unas cámaras reciben presión las cámaras contiguas son puestas en comunicación con el retorno, de modo que el rotor interior unido al árbol de levas sufre un decalaje respecto al rotor exterior unido a la cadena de transmisión (avance). Es posible invertir el sentido de desplazamiento del decalaje cambiando la posición de las electroválvulas (retardo). El reglaje máximo de admisión es de 52 o y para el árbol de levas de escape de 22 o. La gestión del sistema está integrada en la unidad de control del motor que contiene programadas las características necesarias para la regulación de los árboles de admisión y escape. Carcasa de distribución Conductos anulares Aleta interior Carcasa de distribución Conductos anulares Avance Retardo Conducto de aceite para reglaje de retardo Conducto de aceite reglaje de avance Retorno de aceite Aceite de motor a presión Émbolo del variador Retorno de aceite Figura 9.28. Funcionamiento. A. Reglaje de retardo. B. Reglaje de avance. Retorno de aceite Electroválvula de mando Émbolo del variador Retorno de aceite Aceite de motor a presión Los avances suministrados están en función de la información que reciben de los sensores de revoluciones de motor, del medidor de masa de aire y de la temperatura de motor. La unidad de control calcula el par motor con la información de revoluciones y masa de aire, además los transmisores de los árboles de levas verifican la posición que adopta cada uno de ellos. 4.5. Valvetronic El sistema Valvetronic de BMW es un dispositivo de regulación variable de la carrera de las válvulas de admisión. Puede variar la alzada de las válvulas de forma continua desde 0 hasta 9,7 mm, de esta manera las válvulas de admisión regulan la entrada de aire a los cilindros sin necesidad de una válvula de mariposa en el colector de admisión. Con cargas bajas la alzada de las válvulas de admisión es mínima, a medida que la carga aumenta, la sección de paso del gas se hace mayor. La válvula de mariposa supone un obstáculo al paso del aire que provoca pérdidas en la carga del cilindro, la eliminación de la mariposa mejora el rendimiento del motor. 178
Sistemas para mejorar la carga del cilindro 4.5.1. Funcionamiento del sistema Valvetronic El mecanismo está compuesto por un motor eléctrico, un árbol de excéntricas, palancas intermedias y balancines, además de las válvulas y el árbol de levas (figura 9.29.). La leva actúa sobre la palanca intermedia que se apoya por su parte inferior en un balancín de rodillo que está en contacto con la válvula. Por su parte superior la palanca intermedia apoya en una excéntrica. El motor eléctrico hace girar el árbol de excéntricas que, a su vez, posiciona las palancas intermedias. De esta posición dependerá el alzado de la válvula cuando la leva ataque sobre la palanca intermedia y esta empuje al balancín. Servomotor Excéntrica Árbol de levas Palanca intermedia Balancín A B Figura 9.29. Regulación del alzado de la válvula. A. Baja carga. B. Cargas altas. La unidad de control comanda la rotación del motor eléctrico, que coloca las palancas intermedias en la posición adecuada para conseguir una determinada carrera de la válvula. El dispositivo Valvetronic actúa conjuntamente con el sistema Vanos, que regula los tiempos de distribución sobre los árboles de admisión y de escape mediante un variador de aletas (figura 9.31.). La acción combinada de ambos sistemas consigue variar tanto la alzada de las válvulas como los ángulos del diagrama de distribución. Alzada max. min. Figura 9.30. Figura 9.31. Componentes del sistema de distribución Valvetronic. 179
Unidad 9 PRÁCTICA PROFESIONAL RESUELTA 1 Herramientas Equipo de herramientas del taller Pistola de vacío Multímetro Material Motor con dispositivo de admisión variable Documentación técnica Funcionamiento del sistema de admisión variable ACAV de Citroën Objetivo Identificar los elementos que componen un sistema de admisión variable y verificar su funcionamiento. Precauciones Usar los equipos de protección individual adecuados: guantes, calzado de seguridad y en caso necesario protección para los ojos. Desarrollo 1. Se identifican en el motor los componentes del sistema de admisión variable: conductos de admisión, 4 trampillas, 2 cápsulas de mando y 1 electroválvula. 2. Se arranca el motor y se comprueba la secuencia de actuación y el régimen de revoluciones al que se activa la electroválvula para modificar las dimensiones del colector. A ralentí las trampillas están abiertas (circuito corto). A 1 800 r.p.m. las trampillas se cierran (circuito largo). A partir de 5 100 r.p.m. las trampillas se abren (circuito corto). 3. Se comprueba la estanqueidad de las cápsulas y de los conductos de vacío, para ello se desconecta de la electroválvula el tubo que va hacia las cápsulas y se aplica vacío con la pistola (350 milibares). Las dos cápsulas se deben activar. Se comprueba también la hermeticidad del tubo que va hacia el colector. 4. La electroválvula se comprueba midiendo su resistencia interna con un óhmetro y la continuidad de las conexiones entre la unidad de control y la electroválvula. Figura 9.32. Figura 9.33. 180
Sistemas para mejorar la carga del cilindro PRÁCTICA PROFESIONAL RESUELTA 2 Herramientas Equipo de herramientas del taller Equipo de diagnosis Multímetro Material Vehículo equipado con variador Documentación técnica Comprobación del reglaje del variador celular de aletas Objetivo Diagnosticar los componentes de la distribución variable a través del conector para la diagnosis. Precauciones Usar los equipos de protección individual adecuados: guantes, calzado de seguridad y en caso necesario protección para los ojos. Desarrollo 1. Consultar en la documentación técnica la configuración del sistema y el esquema de la instalación eléctrica de los componentes. 2. Enchufar el equipo de comprobación al conector de diagnosis. 3. Siguiendo las instrucciones del equipo, consultar la memoria de averías. En caso de existir alguna avería memorizada, se procede a la comprobación de los elementos afectados. 4. Realizar una activación de actuadores. El equipo envía una señal intermitente de activación. Se deberá de comprobar de forma visual o acústica que el elemento funciona. 5. Leer el bloque de valores de medición. Se pone en funcionamiento el motor y se toman los valores instantáneos de los sensores y de los actuadores. Los valores reales obtenidos se comparan con los de la documentación técnica. 6. Con la función osciloscopio, comprobar los oscilogramas de: El sensor de régimen de tipo inductivo. Los sensores de posicionamiento de los árboles de levas de tipo Hall. 7. Una vez localizada y reparada la avería se procede al borrado de la memoria de averías. Transmisor Hall 1 G40 Transmisor Hall 2 G163 Transmisor de régimen del motor G28 Medidor de la masa de aire G70 Transmisor de temperatura del líquido refrigerante G62 Conector para diagnósticos Figura 9.34. Configuración del sistema de variador celular de aletas. Unidad de control del motor Válvula 1 para reglaje de distribución variable (N205) Válvula 1 para reglaje de distribución variable (N318) escape 181
TEST DE EVALUACIÓN RESUELVE EN TU CUADERNO O BLOC DE NOTAS Unidad 9 1. La cantidad de masa gaseosa admitida en el cilindro está en función de: a) El diagrama de distribución y la potencia del motor. b) El tipo de distribución y el número de revoluciones. c) La sección de paso de admisión y la velocidad del gas. d) El par motor y la velocidad del pistón. 2. Qué ventajas presenta la distribución multiválvulas? a) Mayor sección de entrada para los gases. b) Mejora el volumen y la forma de la cámara de combustión. c) Las válvulas pesan menos y se refrigeran mejor. d) Todas las respuestas anteriores son correctas. 3. En una admisión variable, qué tipo de conductos se emplean para regímenes altos de revoluciones? a) Conductos largos y estrechos. b) Conductos anchos y cortos. c) Conductos con baja resonancia acústica. d) Todas las anteriores son correctas. 4. Qué ventajas tienen los sistemas de distribución variable? a) Proporcionan dos diagramas de distribución diferentes. b) Varían las características acústicas de los conductos de admisión. c) Varían la posición del árbol de levas de escape. d) Varían las características de la cámara de combustión. 5. Dónde se coloca el tensor hidráulico del sistema Variocam? a) En el árbol de levas de admisión. b) En la cadena de transmisión entre los dos árboles de levas. c) En el colector de admisión. d) En los taqués. 6. Qué elemento del sistema Variocam direcciona la presión hidráulica para conseguir las dos posiciones de funcionamiento del tensor? a) Una válvula hidráulica. b) Una mariposa. c) Una válvula limitadora de presión. d) Una electroválvula. 7. Cómo actúa el dispositivo VTEC-E sobre el sistema de distribución? a) Con bajas revoluciones abre una válvula de admisión y con altas revoluciones abren las dos. b) Con altas revoluciones se usa un conducto más largo y estrecho que con bajas revoluciones. c) Con bajas revoluciones el árbol de levas de admisión queda desfasado respecto al de escape. d) Con bajas revoluciones las válvulas de admisión tienen menor alzada que las de escape. 8. Los motores diésel de 4 válvulas emplean dos conductos de admisión, uno de ellos controlado por una chapaleta. a) Con altas cargas la chapaleta cierra para asegurar un buen llenado. b) Con bajas cargas la chapaleta está cerrada para provocar alta turbulencia. c) Con bajas cargas la chapaleta abre para aumentar la velocidad del aire. d) Ninguna de las anteriores es correcta. 9. Qué función tienen los actuadores electromagnéticos en el sistema Valvelift? a) Es un fiador de enclavamiento. b) Activa el pasador que desplaza el portaválvulas. c) Abre las válvulas de admisión. d) Mantiene las válvulas de escape cerradas. 10. El sistema Valvetronic regula la carrera de las válvulas de admisión mediante: a) Un variador celular de aletas. b) Un tensor hidráulico en la cadena. c) Levas de diferente alzada. d) Una excéntrica, una palanca intermedia y un motor eléctrico. 182
Sistemas para mejorar la carga del cilindro ACTIVIDADES FINALES 1. Cómo se expresa el coeficiente de llenado o rendimiento volumétrico (η v )? 2. Analiza las ventajas y los inconvenientes que presenta la distribución multiválvulas. 3. Qué dos técnicas se utilizan en los sistemas de admisión variable? 4. En la admisión variable, qué tipo de conductos se usan en función del régimen? 5. Qué dispositivo se emplea para seleccionar dichos conductos? 6. Por qué se emplean conductos largos y estrechos para un bajo régimen? 7. Explicar con ayuda de las gráficas los dos métodos que se utilizan en los sistemas de distribución variable. Avance mm 12,0 10,0 8,0 6,0 Alzada de la válvula de admisión mm 4,0 Escape Admisión 2,0 0-240 -220-200 -160-120 -80-40 0 40 80 120 160 200 240 280 PMS Figura 9.35. Figura 9.36. PMS Ángulo de apertura 8. Qué fases de actuación tiene el dispositivo Variocam? 9. Cómo actúa el tensor de la cadena que une los dos árboles de levas? 10. Qué programa se elige para regímenes superiores a 5 500 r.p.m. Por qué? 11. Cómo actúa el sistema VTEC-E a bajas revoluciones? 12. Cómo se acciona el dispositivo de balancines con altas revoluciones? 13. Cuando no están acoplados los balancines, qué alzada tiene cada válvula de admisión? 14. Qué ventajas tiene la admisión por una sola válvula a bajas revoluciones? 15. Describe cómo se desplaza el portalevas longitudinalmente en el sistema Valvelif. 16. Qué perfiles de levas se utilizan para cargas bajas y medias en las válvulas de admisión en el sistema Valvelift? 17. Cómo está compuesto el variador celular de aletas? 18. Describe el funcionamiento hidráulico del variador celular de aleta. 19. Qué elementos componen el mecanismo del sistema Valvetronic? 20. Explica la misión del motor eléctrico en el sistema Valvetronic. 183
Unidad 9 PRÁCTICA PROFESIONAL PROPUESTA Herramientas Equipo de herramientas del taller Material Vehículo o motor diésel con chapaletas en el colector Documentación técnica Sustitución de las chapaletas en el colector de un motor diésel Objetivo Sustituir las chapaletas de un motor diésel. Precauciones Usar los equipos de protección individual adecuados: guantes, calzado de seguridad y en caso necesario protección para los ojos. Desarrollo 1. Para acceder al colector de admisión es necesario retirar las cubiertas del motor. 2. Retira los elementos montados sobre el colector y las conexiones eléctricas. 3. Desmonta el colector de admisión. 4. Inspecciona el estado de las chapaletas, asegúrate de que ningún fragmento se haya introducido en el motor. Figura 9.37. Colector de admisión. Figura 9.38. Chapaletas en mal estado. 5. Tapona los conductos de aire hacia el motor para evitar la entrada de suciedad. 6. Retira la varilla común de accionamiento de las chapaletas en el colector. 7. Retira los tornillos que fijan las chapaletas y extráelas. 8. Retira las juntas y realiza una limpieza del colector. 9. Instala las nuevas chapaletas y atorníllalas. 10. Monta la varilla de accionamiento de las chapaletas. 11. Monta juntas nuevas.. Figura 9.39. Nueva chapaleta. 12. Instala el colector de admisión. 13. Monta todos los elementos desmontados. 14. Conecta la diagnosis a través del EOBD y realiza un ajuste básico de las nuevas chapaletas instaladas. 15. Realiza un borrado de averías, arranca el motor y comprueba que no aparecen averías. 184
Sistemas para mejorar la carga del cilindro EN RESUMEN INFLUENCIA DE LLENADO DE LOS CILINDROS EN EL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Ventajas de la distribución multiválvulas Características de los sistemas de admisión variable Sistemas que modifican el diagrama de distribución Mayor sección de paso de admisión Menor peso de las válvulas Mejor refrigeración de las válvulas Modificación de la longitud y el diámetro de los conductos de admisión Modificación de las características acústicas del colector de admisión Dispositivos que actúan sobre el árbol de levas de admisión Dispositivos que varían la alzada de las válvulas y su momento de apertura