El rendiment del motor —incloent la potència, el parell, l’eficiència del combustible i les emissions— depèn de dotzenes de factors ajustats amb precisió. Un dels més crítics, però sovint ignorat, és la distribució de vàlvules: el moment precís en què les vàlvules d’admissió i d’escapament s’obren i es tanquen durant cada cicle del motor. Els sistemes de distribució variable de vàlvules (DVV) es van desenvolupar per optimitzar aquesta distribució en totes les condicions de conducció, i han transformat el funcionament dels motors moderns.
Com es controlen les vàlvules en un motor convencional
En un motor de combustió interna de quatre temps convencional, les vàlvules d’admissió i d’escapament són accionades pels lòbuls de l’arbre de lleves. La forma d’aquests lòbuls determina tres característiques clau:
- Distribució — quan la vàlvula s’obre i es tanca en relació amb la posició del pistó
- Durada — durant quant de temps la vàlvula roman oberta (l’amplada de la fase)
- Alçada — fins on viatja la vàlvula des del seu seient
En la majoria de motors tradicionals, aquestes fases són fixes —el perfil de l’arbre de lleves mai canvia, independentment de si estàs al ralentí en el trànsit o accelerant a l’autopista. Aquesta rigidesa és una limitació fonamental.
Per què la distribució fixa de vàlvules és un problema
El comportament del gas dins del cilindre, els conductes d’admissió i els conductes d’escapament canvia significativament en funció de la velocitat i la càrrega del motor. La velocitat de flux canvia constantment, i les ones de pressió als conductes d’admissió i d’escapament poden ajudar o perjudicar el llenament del cilindre en funció de la distribució. Per això, una única configuració fixa de distribució de vàlvules no pot ser òptima en totes les condicions de funcionament.
Així és com la distribució ideal de vàlvules difereix entre dos escenaris comuns:
- Al ralentí: Les fases estretes de distribució de vàlvules funcionen millor —obertura tardana i tancament primerenc, amb un solapament mínim o nul de vàlvules (el breu període en què les vàlvules d’admissió i d’escapament estan obertes simultàniament). Això evita que els gasos d’escapament es tornin a empènyer cap al col·lector d’admissió o que la mescla sense cremar s’escapi cap a l’escapament.
- A màxima potència: Es necessiten fases amples —les vàlvules han d’obrir-se abans i romandre obertes més temps per permetre el màxim volum de mescla aire-combustible als cilindres. Una fase de solapament més ampla també ajuda a purgar els gasos d’escapament de manera més efectiva a altes RPM.
Els dissenyadors de motors es veuen, per tant, obligats a fer compromissos difícils. Un únic perfil fix de l’arbre de lleves ha de proporcionar simultàniament:
- Fort parell motor a baixes i mitjanes revolucions
- Potència màxima acceptable
- Ralentí suau i estable
- Bona economia de combustible i baixes emissions
Satisfer tots aquests requisits amb un únic perfil de lleva estàtic és gairebé impossible, i és exactament per això que es va inventar la distribució variable de vàlvules.
Què fa la distribució variable de vàlvules
Els sistemes de distribució variable de vàlvules permeten que el comportament de les vàlvules del motor s’adapti en temps real a les condicions de conducció canviants. Ajustant la distribució de fase, la durada i l’alçada, els enginyers poden remodelar dràsticament la corba de potència d’un motor sense compromís mecànic. Els beneficis potencials inclouen:
- Augment del parell en un rang de RPM més ampli
- Major potència màxima
- Millora de l’economia de combustible
- Reducció de les emissions d’escapament
- Ralentí més suau i millor resposta de l’accelerador
Tipus de sistemes de distribució variable de vàlvules
Desfasadors de fase (Desfasadors de lleva)
L’enfocament DVV més comú utilitza un desfasador de fase —un embragatge accionat hidràulicament que gira l’arbre de lleves en relació amb el cigonyal. A mesura que augmenta la velocitat del motor, el sistema avança l’arbre de lleves d’admissió, fent que les vàlvules d’admissió s’obrin abans. Això millora el llenament del cilindre a altes RPM. La majoria d’implementacions treballen només en la lleva d’admissió, tot i que els sistemes de doble lleva (com el Double VANOS de BMW) ajusten la distribució d’admissió i d’escapament de manera independent.
Sistemes de variació de l’amplada de fase
Els sistemes més avançats van més enllà de simplement desplaçar la fase —també poden ampliar-la o estrenyir-la. Un exemple ben conegut és el sistema VVTL-i de Toyota, que utilitza dos perfils de lleva al mateix eix:
- Per sota de les 6.000 RPM, el lòbul de lleva estàndard controla el moviment de les vàlvules
- Per sobre de les 6.000 RPM, una lleva secundària amb un perfil més agressiu pren el control, ampliant la fase de distribució i augmentant l’alçada de les vàlvules
- Quan el motor s’acosta a les 8.500 RPM de la línia vermella, aquesta transició ofereix un augment distintiu de potència —un notable “segon alè” durant l’acceleració intensa
Sistemes de variació de l’alçada de vàlvules
Canviar quan s’obren les vàlvules és una cosa —canviar fins on s’obren és una altra. Els sistemes de variació d’alçada, com el Valvetronic de BMW o el VVEL de Nissan, permeten que l’alçada de la vàlvula d’admissió s’ajusti contínuament en funció de la posició de l’accelerador.
Aquest enfocament ofereix un avantatge significatiu: pot eliminar la necessitat d’una vàlvula d’acceleració convencional. Vet aquí per què és important:
- Un accelerador tradicional crea un buit parcial al conducte d’admissió a càrregues baixes, augmentant les pèrdues per bombeig
- Aquest buit alenteix el flux de gas, perjudica la qualitat del llenament del cilindre i embota la resposta de l’accelerador
- Controlant la càrrega del motor a través de l’alçada de les vàlvules, l’admissió pot romandre en gran mesura sense restriccions
Els resultats són substancials. Els sistemes de variació d’alçada sense accelerador típicament ofereixen:
- Millora del 8–15% en l’economia de combustible
- Guanys del 5–15% tant en potència màxima com en parell
- Resposta de l’accelerador notablement més àgil, especialment a baixes velocitats
Accionament electromagnètic de vàlvules
El concepte més avançat en el control de vàlvules substitueix completament els arbres de lleves mecànics per vàlvules accionades electromagnèticament. Cada vàlvula s’obre i es tanca de manera independent mitjançant solenoides electrònics, donant al sistema de control del motor llibertat completa sobre la distribució, l’alçada i la durada de cada vàlvula individual en cada cicle.
Les possibilitats que això desbloqueja són notables:
- Distribució de vàlvules perfectament optimitzada per a cada condició de RPM i càrrega
- Desactivació de cilindres individuals durant la conducció a baixa càrrega per estalviar combustible
- Commutació dinàmica entre cicles de combustió —per exemple, convertir un motor de quatre temps en una configuració de sis temps al vol
- Eliminació completa de l’arbre de lleves i les pèrdues mecàniques associades
Els trens de vàlvules electromagnètics continuen en gran mesura en la fase de recerca i desenvolupament, però el seu potencial per redefinir l’eficiència de la combustió interna és significatiu. Si arribaran a la producció en massa en un futur proper és per veure.
La conclusió
La distribució variable de vàlvules és una de les tecnologies més impactants en el desenvolupament de motors moderns. En adaptar el comportament de les vàlvules a cada condició de conducció —des del ralentí a la ciutat fins a l’acceleració a màxim gas— els sistemes DVV permeten als enginyers oferir motors que són simultàniament més potents, més eficients i més nets del que mai podrien ser els dissenys de distribució fixa.
Dit això, l’optimització de la distribució de vàlvules té els seus límits. Extreure guanys addicionals en potència, parell i eficiència d’una determinada cilindrada dependrà cada vegada més d’altres tecnologies —sistemes combinats d’inducció forçada, motors de relació de compressió variable i combustibles alternatius. Però això és una història per a un altre article.
Aquesta és una traducció. Podeu llegir l’original aquí: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Published January 13, 2022 • 7m to read
