Valvulas en Motores de Cuatro Tiempos

La distribución comprende el grupo de elementos auxiliares necesarios para el funcionamiento de los motores de cuatro tiempos. Su misión es efectuar la apertura y cierre de las válvulas en los tiempos correspondientes del ciclo de admisión y escape, sincronizadas con el giro del cigüeñal, del cual recibe movimiento.

Según la distribución utilizada la forma constructiva de los motores cambia. Hay tres tipos de distribuciones: SV, OHV y OHC.
El sistema SV no se utiliza desde hace tiempo ya que las válvulas no están colocadas en la culata sino en el bloque motor, lo que provoca que la cámara de compresión tenga que ser mayor y el tamaño de las cabezas de las válvulas se vea limitada.

SV(Side valves) es un sistema de distribución muy sencillo, el primero que se popularizó, y fue el más usado en los motores de gama más baja y media, hasta los años 50. Las válvulas están en el block, y las acciona directamente el arbol de levas.

Esquema del Mecanismo de accionamiento en un motor SV de principios del siglo XX, se aprecia el árbol de levas en la parte inferior con el mecanismo de reglaje de holgura y el muelle de la válvula exteriores, culata no desmontable y la bujía enfrente de la válvula.

Motor continental 1930

Moto BMW del año (1938)

Harley Davidson (1947)

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OHV (OverHead Valve): se distingue por tener el árbol de levas en el bloque motor y las válvula dispuestas en la culata. La ventaja de este sistema es que la transmisión de movimiento del cigüeñal a el árbol de levas se hace directamente por medio de dos piñones o con la interposición de un tercero, también se puede hacer por medio de una cadena de corta longitud. Lo que significa que esta transmisión necesita un mantenimiento nulo o cada muchos km (200.000). La desventaja viene dada por el elevado numero de elementos que componen este sistema lo que trae con el tiempo desgastes que provocan fallos en la distribución.
* Sistema de fabricación muy sencilla y por lo tanto económico
* Supuso un gran avance en su día respecto a los sistemas de válvulas laterales SV ya que permitió reducir la cámara, elevando la compresión y por tanto el rendimiento termodinámico

Se comenzó a usar desde los años 1910, en los motores de alta gama, y desde los años 1950 de modo masivo. Actualmente no se desarrolla ninguno, sustituidos por los SOHC y los DOHC. Los que aún están en producción, con sistemas de gestión modernos, datan de los años 1970. Ejemplos de motores : Motor del Fiat -SEAT 600 – 850 – 127 – 124 ; Opel Corsa “A” OHV 1.0 y 1.2 y Opel Kadett A,B,C; Ford Fiesta “Valencia” 950,1100 ( 1ª generación), Renault tipo “C” : Renault 8-4-5-6-12 , Renault Twingo), de 950, 1120, 1400 cc.

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Los sistemas OHC (OverHead Cam) o SOHC (single overhead camshaft) se distinguen por tener el árbol de levas en la culata lo mismo que las válvulas. Es el sistema utilizado hoy en día en todos los coches a diferencia del OHV que se dejo de utilizar al final de la década de los años 80 y principio de los 90.
La ventaja de este sistema es que se reduce el numero de elementos entre el árbol de levas y la válvula por lo que la apertura y cierre de las válvulas es mas preciso. Tiene la desventaja de complicar la transmisión de movimiento del cigüeñal al árbol de levas, ya que, se necesitan correas o cadenas de distribución mas largas que con los km. tienen mas desgaste por lo que necesitan mas mantenimiento.


Dentro del sistema OHC hay diferentes formas de accionar las válvulas

Árbol de levas actuando sobre el balancín

Árbol de levas por debajo del balancín

Árbol de levas actuando directamente sobre la válvula.

En la imagen de la izquierda SOHC ciclo Otto, de 1987 con cámaras hemisféricas y balancines.
En la imagen de la derecha SOHC de ciclo Otto, con válvulas paralelas, sin balancines.

Motor SOHC de una moto Fusi de competición 1937.

Culata con árbol de levas de un motor Honda de tres valvulas por cilindro

Culata Renault 1.4

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DOHC (double overhead camshaft) o “Twin cam engine

usa dos árboles de levas, ubicados en la culata, para operar las válvulas de escape y admisión del motor. Se contrapone al motor “single overhead camshaft”, que usa sólo un árbol de levas. Algunas marcas de coches le dan el nombre de Twin Cam.

La principal diferencia entre ambos tipos de motores es que, en el motor DOHC, se usa un árbol de levas para las válvulas de admisión y otro para las de escape; a diferencia de los motores SOHC, en donde el mismo árbol de levas maneja ambos tipos de válvulas.

Los motores DOHC tienden a presentar una mayor potencia que los SOHC, aun cuando el resto del motor sea idéntico. Esto se debe a que el hecho de poder manejar por separado las válvulas de admisión y de escape permite configurar de una manera más específica los tiempos de apertura y cierre, y por ende, tener mayor fluidez en la cámara de combustión.

Mercedes-Benz M110 y Corte de una culata con doble árbol de levas o DOHC.

* Mayor coste constructivo de la culata y mecanismo de distribución, se puede paliar en parte por el uso de correa en lugar de cadena.
* Mayor dificultad para el registro de válvulas, ya que este sistema lleva “platillos o Taqué” y se registran mediante este.

Platillos o Taqué en una tapa de cilindros de Honda

Culata de refrigeracón a aire de una moto Suzuki GS 550 cc con cuatro valvulas por cilindro.

Culata de Mitsubishi

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DISTRIBUCION DESMODROMICA

La palabra “desmodrómico” procede de la fusión de 2 voces griegas: “desmos” (vinculo) y “dromos” (carrera). Su significado literal, referido al movimiento alternativo de las válvulas, es, por consiguiente, el de carrera sujeta a un vínculo, de movimiento no libre sino regulado mecánicamente. El desplazamiento de las válvulas está vinculado, ya que ellas en la práctica están obligadas a cerrarse según un procedimiento mecánico que no concede alternativas.
Realmente lo correcto sería decir “sistema de mando de distribución desmodrómico”, pero normalmente se acorta en “distribución desmodrómica” o simplemente (como en las Ducati) “desmo”.

El sistema de mando desmodrómico prevé que el árbol de levas accione ambos movimientos de la válvula, tanto el de apertura como el de cierre. Así el árbol, al girar, primeramente empuja el vástago de la válvula (apertura) y luego tira de él hacia arriba (cierre). De este modo resulta superflua la presencia de los muelles, que efectivamente no existen en los motores con este sistema de mando de distribución.

La ventaja fundamental que ofrece el mando desmodrómico es la de permitir al motor trabajar a elevados regímenes de revoluciones. Con el sistema de muelles recuperadores sucede lo contrario, ya que una vez se alcanza un determinado número de revoluciones, siempre más allá del régimen de potencia máxima, es posible que los muelles no estén en condiciones de cumplir idóneamente con su cometido.

Vamos a considerar el caso de un motor que funcione a 6.000 r.p.m. (revoluciones por minuto). Cada válvula debe abrirse y cerrarse 50 veces cada segundo. En estas condiciones de frecuencia, la inercia de los muelles puede impedir a las espiras distenderse con suficiente rapidez, por lo que las válvulas no consiguen cerrarse a tiempo. En ese momento tiene lugar un fenómeno conocido como “rebote de válvulas”. Esto quiere decir que la válvula “rebota” contra el empujador y éste contra el árbol de levas, que mientras tanto ha adelantado, lo que conduce a la actuación de fuerzas opuestas motivando la aparición vibraciones, debido a la imposibilidad de los muelles de seguir el ritmo del motor. Cuando las válvulas golpean el árbol de levas, todo el sistema de distribución resulta muy ruidoso (evidente), la potencia se reduce (al no cerrar las válvulas totalmente hay perdida de gases frescos hacia el escape y retorno de gases de escape hacia la admisión), y los muelles llegan a romperse con frecuencia.

El mando desmodrómico permite además, a igualdad de revoluciones, una cierta ganancia de potencia respecto a un sistema tradicional.
Es evidente, en un sistema tradicional cada vez que el árbol de levas empuja una válvula (50 veces por segundo a 6.000 r.p.m.) debe aplastar el muelle y vencer su resistencia a la deformación.

El sistema desmodrómico ha sido adoptado casi exclusivamente en motores de competición (como el Mercedes 300 SL “alas de gaviota” y algún OSCA, además de las motos Ducati). Su elevado costo de fabricación, su complejidad mecánica y la dificultad de su puesta a punto han desaconsejado en general su empleo en motores de “calle”.

Además hay que resaltar que, en los motores de competición, la adopción ha sido esporádica y solo en muy pocos casos su rendimiento se ha demostrado efectivamente superior a los sistemas convencionales con mando mediante muelles.

Quizá el sistema de distribución de mando desmodrómico que podamos tener más cercano es el que emplea la firma Ducati en muchos de sus motores de motos. Ducati denomina a esta distribución “desmo”. Básicamente es un sistema con 3 árboles de levas: uno para el cierre y otros dos para la apertura de las válvulas. Si alguna vez tenen ocasión de verlo no la desaprovechen, pero salvo que ya sean mecánicos EXPERTOS no intenten desarmarlo para luego armarlo y ponerlo a punto. Es una de las cosas más complejas y difíciles que hay en la mecanica.

Válvula con mando desmodrómico en un motor Ducati.

La principal ventaja del sistema desmodrómico es que hace virtualmente imposible el fenómeno conocido como “Rebote de válvulas” que se da a veces en regímenes altos de funcionamiento del motor. El rebote de las válvulas sucede cuando el resorte no puede recuperarse a tiempo del empuje de la leva, siendo “golpeado” nuevamente por esta antes de cerrar completamente la válvula sobre su asiento. En ese caso, la válvula permanece “flotando” y no llega a cerrarse, por lo que el motor pierde todo su rendimiento. De no haber una recuperación bajando las RPM, se corre el riesgo de doblar los vástagos de las válvulas o romperlas al golpear estas la cabeza del pistón.

En un motor de distribución desmodrómica, los resortes pierden su papel, quedando determinados o controlados tanto el movimiento de apertura como el de cierre por el giro del o de los árboles de levas.

Otra ventaja de este sistema de distribución es que disminuye el trabajo del motor en la apertura de las válvulas, ya que no tiene que vencer el muelle para abrir la válvula, con lo que en términos reales consigue un aumento de potencia del motor por lo que se usa sobre todo en motores de competición.

Ducati para sus modelos de cuatro válvulas por cilindro, que dio lugar (en su evolución) en el año 2001 a otro de los nombres comerciales míticos de la marca italiana, “Testastretta” o culata compacta, haciendo referencia a un diseño de culata muy compacto que permite una disposición de las válvulas mucho más vertical, mejorando el rendimiento del motor. Una ventaja importante de este diseño es que cuenta con dos árboles de levas; pudiendo, por tanto, independizar la admisión del escape y llegar a un sistema de distribución variable.

Ducati también, diseña un sistema con cuatro árboles de levas para la competición.

En los tiempos actuales, los motores de Fórmula Uno utilizan una variante del sistema desmodrómico, en el cual el cierre de las válvulas se logra mediante un mecanismo neumático: El vástago de la válvula está provisto de un pequeño pistón, el cual a su vez está introducido en un cilindro situado en el lugar que ocuparía el resorte. Una bomba especialmente diseñada bombea un fluido (aire + aceite o un fluido especial) que mantiene una presión suficiente para cerrar la válvula. Una pequeña válvula de presión colocada en este cilindro, mantiene la presión adecuada y permite la recirculación del fluido para los ciclos subsiguientes.

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Distribucion variable

Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que las válvulas abren y cierran mucho más rapido. Lo ideal es que la válvula de admisión se abra un poco antes del inicio de la carrera de admisión, y la de escape un poco antes de iniciarse la carrera de escape, para ayudar así al vaciado y llenado de los cilindros. El inconveniente proviene de que el momento óptimo de apertura de las válvulas es diferente para cada régimen del motor, por lo que resulta imprescindible sacrificar rendimiento en todos los regímenes de giro para obtener un resultado aceptable también en todos los regímenes de giro. Lo que hace la distribución variable es precisamente cambiar el momento de apertura y cierre de las válvulas en función del régimen del motor. Los sistemas más sofisticados también pueden controlar el tiempo durante el que la válvula permanece abierta
A la hora de cambiar los tiempos de distribución tenemos que hacer una serie de consideraciones sobre los sistemas de distribución en general:

En la figura inferior se ilustra un diagrama de distribución así como la apertura de las válvulas y el llamado “cruce de válvulas”. Hay que destacar los siguientes puntos:
– La válvula de admisión debe abrirse antes del P.M.S., es decir, antes de que el pistón empiece a descender en el tiempo de admisión.
– La válvula de admisión permanece abierta mucho después del P.M.I., (en plena fase de compresión) 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 válvula de admisión 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 válvula de admisión también determina la relación de compresión efectiva, opuesto a lo que ocurre con la relación de compresión estática. Si la válvula se cierra mas tarde, la compresión real del motor será menor.
– La válvula de escape debe abrirse mucho antes de que termine el tiempo de explosión para liberar la presión de los gases en expansión que están en el cilindro antes de que el pistón suba en el tiempo de escape. La potencia del motor no se ve afectada por el hecho de que las válvulas de escape se abran en ese punto, ya que la mayor parte de la potencia de los gases en explosión ha sido transmitida al pistón durante el tiempo de explosión. La válvula de escape debe estar casi totalmente abierta en el momento en el que pistón alcance la velocidad máxima. De esta manera, no hay resistencia al movimiento causada por la presión del gas de admisión, la cual produciría una perdida de bombeo.
– La leva mantiene abierta la válvula de escape pasado el P.M.S. En regímenes elevados, la inercia del gas que sale del cilindro crea un vacío tras de si, absorbiendo más mezcla de admisión. Al vaciar al máximo el cilindro de gases de escape, aumenta la capacidad para alojar la mezcla fresca de aire y combustible, aumentado así la potencia del motor.

Cruce de válvulas

El periodo de cruce de válvulas tiene lugar en el inicio del tiempo de admisión, cuando la válvula de admisión ya esta abierta y la de escape no se ha cerrado por completo. Los motores de serie tienen un cruce de válvulas de 15 a 30 grados de giro del cigüeñal. En el ejemplo de la figura superior la magnitud del cruce es de 20 grados. Los árboles de levas de los vehículos de carreras tienen cruces de válvulas que van de 60 a 100 grados. Un cruce adicional proporciona un llenado de cilindro mas eficaz a altas revoluciones, pero produce un vacío en el motor mas bajo, así como una mayor pobreza en el rendimiento en los bajos regímenes, en la calidad de marcha en ralentí y en la economía de combustible a baja velocidad.
Si la válvula de admisión se abre demasiado pronto, la calidad de marcha en ralentí se deteriora, mientras que el rendimiento en regímenes elevados no mejora demasiado. La velocidad máxima del pistón en el tiempo de admisión se alcanza antes de la apertura máxima de válvula, por lo que si la válvula se abre antes, podría mejorar la respiración del motor. El factor del cruce de válvulas que afecta al rendimiento en regímenes elevados es el cierre de la válvula de escape. De hecho, aumentar el tamaño de la válvula de escape y su orificio correspondiente no suele considerarse demasiado adecuado para la obtención de mas potencia, ya que la válvula de escape limita en mayor medida el flujo procedente del cilindro a medida que se cierra.
Un cruce elevado de válvulas puede generar problemas de holguras entre la válvula y el pistón, es decir, que podrían llegar a tocarse. La elevada alzada de las válvulas no causa este problema, ya que el pistón esta en una posición baja dentro del cilindro cuando la válvula se abre al máximo.
Un cruce válvulas mas reducido aumenta la presión en el cilindro a revoluciones mas bajas.
Los diseñadores de árboles de levas intentan minimizar el cruce de válvulas al tiempo que procuran maximizar el rendimiento en regímenes elevados.

Forma de levas

Las levas están formadas por un circulo base y una cresta que esta flanqueada por dos costados mas o menos rectos. Las levas tienen un contorno preciso. Su forma constituye una solución de compromiso, ya que el perfil de leva que mejora el rendimiento a altas revoluciones impide un funcionamiento optimo a bajas revoluciones. Esto se debe a la inercia de los gases. La inyección de aire mas grande tiene lugar cuando la velocidad del pistón alcanza su nivel máximo, que ocurre cuando el diferencial de presión entre el interior y el exterior llega a su máximo.
Los dos factores que caracterizan el contorno de la leva son la alzada y el ángulo de apertura. La alzada es la altura a la que la leva eleva el taqué, mientras que el ángulo de apertura es el numero de grados del giro del cigüeñal durante los cuales la válvula esta fuera de su asiento.

Sistema variable es el que permite modificar los ángulos de apertura de las válvulas para aumentar el tiempo de llenado y vaciado del cilindro cuando el motor gira alto de vueltas y el tiempo disponible para ello es menor. Estos sistemas permiten utilizar el tiempo óptimo de apertura y cierre de las válvulas a cualquier régimen de giro del motor. Según el fabricante del sistema se utilizan diferentes soluciones que modifican el calado de los árboles de levas, hacen actuar otra leva a altas revoluciones o modifican por medio de excéntricas la posición del árbol de levas sobre sus apoyos.
Hay dos sistemas fundamentales a la hora de variar la distribución.
1.- Variación de la alzada de válvula, con ello se consigue modificar simultáneamente el avance y cierre de la válvula, además de disminuir el área de paso de los gases frescos.
2.- Desplazamiento del árbol de levas con respecto al cigüeñal.
De la combinación de estos dos movimientos es posible ajustar cada uno de los ángulos de manera independiente al valor deseado.

La utilización de convertidores de fase, normalmente, solo se hace en motores con dos árboles de levas en cabeza (DOCH), tal y como los encontramos en motores multivalvulas. Sin embargo. la primera regulación de árboles de este tipo, fabricada en serie, se introdujo en un motor de 2 válvulas por cilindro de Alfa Romeo en el modelo Twin Spark de 2,0 litros, el cual también dispone de 2 árboles de levas en cabeza. Este motor gracias al convertidor de fase y a un doble encendido, da unos valores de rendimiento de 150 CV que, normalmente, solo los alcanzan motores multiválvulas y, por tanto, demuestra como a pesar de usar un motor de 2 válvulas se consigue unos valores de potencia elevados.

En el convertidor de fase normalmente se regulan hacia adelante o hacia atrás los árboles de levas de admisión durante el funcionamiento alrededor de 10º a 20º con respecto al ángulo entre árboles de levas (que corresponde a 20 – 40º del ángulo de calado respecto al cigüeñal). Para la construcción de tales mecanismos de regulación solo son adecuados aquellos mandos del árbol de levas en los que las cadenas de distribución (o correa de distribución) discurra a lo largo de los 2 árboles de levas o bien solo se accione el árbol de levas de escape. Entre la rueda de propulsión de accionamiento del árbol de levas y el árbol de levas de admisión se instala un mecanismo electrohidráulico de torsión, que lleva a cabo la torsión relativa deseada y que es gestionada electrónicamente.
Durante la torsión del árbol de levas de admisión se modifican simultáneamente 4 parámetros importantes del diagrama de distribución.
– El cruce de válvulas
– El inicio de la apertura de admisión
– El fin del cierre de la válvula de admisión
Estos parámetros tienen una influencia esencial sobre la potencia y el par motor, pero también sobre la calidad de la marcha en vacío, del comportamiento de los gases de escape y del consumo.
Hay dos procedimientos de regulación que se utilizan hoy en día en los convertidores de fase que dependen de la carga y del numero de revoluciones. Vamos a explicar todo esto tomando el ejemplo del motor V6 de 24 válvulas de Mercedes.
– En la marcha en vacío y para la zona inferir de la carga parcial, el árbol de levas de admisión esta atrasado, lo cual da como resultado una calidad elevada de la marcha en vacío y un buen comportamiento de respuesta.
– Como muy tarde a 2000 r.p.m. se produce la posición adelantada del árbol de levas de admisión a 34º del ángulo de calado respecto al cigüeñal, para conseguir el incremento deseado del par motor.
– Algo por encima de 5000 r.p.m. se produce la posición atrasada del árbol de levas de admisión, para mantener la potencia elevada hasta el régimen de revoluciones máximo (7000).

Sistema VANOS

Un sistema mas complejo utilizado por BMW para motores de 3 litros de cilindrada, es el que permite cualquier posición intermedia del árbol de levas de admisión dentro de un ámbito total de regulación de 42º. La regulación del vehículo para una velocidad máxima de 250 km/h también se produce por medio de este sistema.
El sistema de accionamiento que utiliza el aceite a presión para su funcionamiento cuenta con un sistema propio que trabaja con una presión de 100 bar y también dispone de un depósito de aceite. La bomba de aceite de alta presión esta integrada en la unidad de regulación y se acciona por medio del árbol de levas de escape. La presión elevada del aceite es necesaria, para mantener el pistón regulador, que realiza la torsión de la rueda dentada hacia el árbol de levas de admisión por medio de un dentado helicoidal, en cualquier posición intermedia con seguridad. Para ello se requieren también 2 válvulas de mando electromagnéticas, así como 2 ruedas con marcas para la posición de los árboles de levas con sus correspondientes indicadores de posición. La información necesaria para la regulación procede de un mecanismo de mando propio del motor.

Con el paso del tiempo BMW incorpora la tecnología del sistema de decalador variable a los dos arboles de levas, es decir, al de admisión y también al de escape. Se regulan en continuo los árboles de levas de admisión y de escape dentro de un campo amplio, lo que provoca una elevada potencia especifica y al desarrollo homogéneo del par motor. El sistema VANOS doble o también denominado Bi-VANOS es la denominación que se da al sistema que acabamos de explicar con regulación en ambos arboles de levas (admisión, escape).

Porsche: utilizo en sus modelos 968 y en las primeras series del 996 Carrera un sistema (Variocam) para variar los tiempos de distribución un tanto peculiar. El mecanismo hidráulico controlado por la unidad electrónica de control según el régimen de vueltas del motor empuja con dos patines y abre la cadena, que mueve los árboles de levas, provocando su desplazamiento y por lo tanto se produce un reajuste del los tiempos de apertura y cierre de las válvulas de admisión. Al reducir el número de vueltas del motor los muelles repliegan el mecanismo de empuje de la cadena a su posición inicial. Este dispositivo se monta sobre una distribución de 4 válvulas por cilindro y se complementa con un sistema de distribución variable.

Este sistema de distribución variable es controlado por una señal eléctrica que envia la centralita de inyección (ECU) hacia un actuador que empuja unos patines que tensan la cadena de distribución. La regulación de la distribución se hace siguiendo unos parametros:

* Para regimenes inferiores a 1500 rpm, las válvulas de admisión abren 7º despues del PMS y cierra 52º después del PMI. Con estos parametros, el motor funciona con un giro uniforme a bajas rpm, y la emisión gases sin quemar es muy baja debido a que no existe cruce de válvulas.
* Para regimenes comprendidos entre 1500 y 5500 rpm, el árbol de levas de admisión recibe un avance de 9º respecto al de escape. Esto significa que las válvulas de admisión abre 8º antes del PMS y cierran 37º después del PMI. Con este diagrama se consigue un buen llenado de los cilindros y un aumento del par motor.
* A partir de 5500 rpm, el árbol de admisión vuelve a la posición inicial, es decir, apertura 7º después del PMS y cierra 52º despues del PMI. Como vemos esto es una contrariedad, pero es debido a que la alta velocidad de entrada de los gases de la mezcla necesitan un mayor retraso al cierre de admisión. para aprovechar su inercia y lograr que entre mas cantidad de mezcla en los cilindros.

Audi A3 1.8l 5V y 2.8 V6: este motor utiliza un sistema parecido al anterior donde se varian los tiempos de distribución actuando sobre el árbol de levas de admisión.

* En la posición de reposo la “linea de control A” esta abierta y el aceite a presión actua sobre el “pistón actuador” por debajo del “pistón actuador”, por lo tanto no hay variacion en la apertura de las válvulas de admisión..
* Por encima de las 1300 rpm la “linea de control B” esta abierta y el aceite a presión actua por encima del “pistón actuador” que empuja los patines hacia abajo, con lo que se adelanta la apertura de las válvulas de admisión.
* A partir de 5000 rpm, el árbol de admisión vuelve a la posición inicial, es decir se retrasa la apertura de las válvulas de admisión. Esto se debe a que la alta velocidad de entrada de los gases necesita de un mayor retraso al cierre de admisión, para aprovechar su inercia y lograr que entre mas cantidad de mezcla en los cilindros. Este variador de los tiempos de distribución cambia el momento de apertura y cierre de las válvulas de admisión pero el ángulo total de apertura permanece invariable.

Sistema VTEC de Honda

Siglas de Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System. Honda presento en el año 1989 un sistema para la variación de los tiempos de distribución, en el cual los arboles de levas no se torsionan. No solo se regula la fase de apertura, sino el también el tiempo y la sección de la misma. El objetivo de esta medida son leyes creadas a medida para la apertura de la válvulas para regímenes de revoluciones diferentes. Para un numero de revoluciones medio, los tiempos de apertura mas cortos y una carrera de válvula menor elevan la velocidad de gas y, por tanto, también el llenado y el par motor dentro de este margen. Para un numero de revoluciones superior, los tiempos de apertura mas largos y una carrera de válvula mas grande intensifican la respiración del motor, lo cual, a su vez, tiene un efecto sobre la potencia.

El método por el cual puede conseguirse este efecto, requiere para 4 válvulas por cilindro, 6 levas y 6 balancines de palanca. Las levas externas, que están asignadas directamente a las válvulas, portan perfiles suaves y la leva central tiene los tiempos de distribución mas largos y la carrera de la leva mas grande. En el régimen de revoluciones bajo, solo están activas las levas externas, mientras que la leva central se acciona, por decirlo de alguna forma, en vacío, es decir, no tiene efecto alguno sobre las válvulas de los balancines de palanca centrales. Un muelle adicional evita que se pierda el contacto entre la leva y el balancín de palanca. Existen unos pasadores que se pueden desplazar de forma hidráulica y que entre 5000 y 6000 r.p.m. realizan una conexión mecánica entre los 3 balancines de palanca. Desde ese momento es la leva central mas grande la que señala la apertura de la válvula. La presión de distribución necesaria para el desplazamiento la proporciona el circuito de aceite lubricante del motor. Para que el acoplamiento de los balancines de palanca funcione bien, es necesario que los círculos de base de todas las levas sean igual, de modo que cuando las válvulas estén cerradas los alojamientos y los pasadores estén alineados.
Honda ha demostrado la capacidad de rendimiento del sistema VTEC (DOCH) que tiene dos árboles de levas situados en la parte superior

Una variante del VTEC es el VTEC-E, la “E” viene de “Econony”, este sistema se adapta al funcionamiento de un motor con mezcla pobre. El objetivo de este motor esta en la reducción del consumo de combustible y de las emisiones de los gases de escape. Para el primer VTEC-E Honda utilizo como base el conocido motor Civic de 4 cilindros y 1,5 litros. Para la desconexión de las válvulas se utiliza el VTEC-SOCH desarrollado con tan solo un árbol de levas situado en la parte superior.

El VTEC-E no actúa sobre las válvulas de escape teniendo estas una distribución fija. El sistema solo actúa sobre las válvulas de admisión, a bajas r.p.m. solo abre una de las válvulas y altas r.p.m. abren las dos. De esta manera se aprovechan las ventajas de los motores de dos válvulas por cilindro en unos momentos determinados y en otros momentos las ventajas de los motores de 4 válvulas por cilindro.

El funcionamiento de este sistema se puede dividir en dos estados:

* Balancines sin acoplar: por debajo de de 2500 r.p.m. las balancines primario y secundario actúan independientemente y son movidos por las levas (1), de 8 mm de alzada, y (2), de 0,65 mm de alzada. Esta pequeña abertura evita la acumulación no deseable de la mezcla en el segundo conducto de admisión. El uso de una sola entrada para la mezcla provoca un fuerte turbulencia dentro del cilindro que permite realizar una combustión mas eficaz, incluso con mezclas pobres. Con la apertura de una sola válvula el llenado del cilindro mejora a bajas r.p.m. por lo que aumenta el par motor. La válvula de admisión que se mantiene inactiva se acciona durante esta fase, también por motivos de refrigeración, por medio de una leva muy plana con una carrera de tan solo 0,65 mm, mientras que la válvula que trabaja realiza toda la carrera de la válvula que es de 8 mm.

El colector de admisión dispone ademas de un sistema de admisión variable, que selecciona el conducto de admisión mas favorable teniendo en cuenta el numero de r.p.m. del motor.

Valvetronic

El sistema Valvetronic de BMW combina la regulación de los tiempos de distribución (VANOS doble) con una regulación continua de la carrera de las válvulas de admisión. El árbol de levas no actúa directamente sobre la palanca de arrastre que, por su parte acciona la válvula, sino que actúa sobre una palanca intermedia. Sin embargo, esta palanca intermedia no se encuentra en posición horizontal debajo del árbol de levas sino que está ubicada en posición vertical junto a dicho árbol. La palanca intermedia está dotada en el centro de un rodillo que está en contacto con la leva (árbol de levas). El extremo inferior de la palanca intermedia está apoyado sobre el rodillo de la palanca de arrastre, mientras que en la parte superior está apoyada en un eje excéntrico dotado a su vez de un segundo rodillo.

Cuando gira el árbol de levas, la palanca intermedia ejecuta un movimiento pendular. Para conseguir que este movimiento horizontal se transforme en un movimiento vertical, la palanca intermedia tiene en su parte inferior un perfil sumamente complejo que, a primera vista, tiene forma de bumerang, ya que la mitad del perfil transcurre casi paralelamente a la palanca de arrastre, mientras que la otra mitad tiene un ligero ángulo. Sólo cuando la parte en ángulo actúa sobre el rodillo de la palanca de arrastre presionándola hacia abajo, se abre la válvula.

La relación de la palanca ha sido definida de tal modo que tan sólo aproximadamente la mitad de todo el perfil que tiene forma de bumerang actúa sobre la palanca de arrastre. El principio y el final de esa mitad son determinados por el fulcro de la palanca de desviación. Es aquí donde interviene el árbol de excéntrica accionado por un motor eléctrico: si aplica presión sobre el rodillo superior de la palanca de desviación en dirección del árbol de levas, cambia el fulcro de la palanca y, en consecuencia, cambia también la parte efectiva del perfil en forma de bumerang. De esta manera es posible variar de modo continuo la carrera de la válvula de admisión, teóricamente desde las posiciones completamente cerrada hasta completamente abierta. Este es el principio de funcionamiento del sistema VALVETRONIC.

Cuando el motor ha de entregar su máxima potencia, la alzada de las válvulas es alta de modo que descubren una mayor sección de paso al aire, facilitando su entrada a los cilindros. Si se le hace funcionar a cargas bajas, la alzada se reduce, de forma que la sección de paso es menor, limitando de este modo la entrada de aire. La alzada de las válvulas puede variar desde los 0,0 a los 9,7 milímetros, en función del aire necesario para la combustión.

Si el llenado de los cilindros del motor no se controla por medio de una válvula mariposa, sino por medio de una carrera variable de las válvulas, se puede mejorar el rendimiento del motor otto en aproximadamente un 10%, porque ya no es necesario aspirar en contra de la depresión existente en el multiple de admisión.
Para la fabricación del sistema valvetronic de BMW se utilizan unos valores de tolerancias muy reducidos. Para garantizar que todas las válvulas de admisión tengan siempre el mismo grado de apertura, se funden, durante el montaje de la culata, cada uno de los conductos por separado. Si se producen desviaciones, deben sustituirse las piezas mecánicas de accionamiento. Cuantos mas cilindros (bancadas de cilindros) tenga un motor, mas dificil resultara esa tarea. Ademas de la complejidad del montaje es considerable, por lo cual se trata de un sistema de distribución muy caro.

El sistema Valvetronic de BMW combina la regulación de los tiempos de distribución (VANOS doble) con una regulación continua de la carrera de las válvulas de admisión. Un servomotor eléctrico torsiona el árbol de excéntricas que forma la base de apoyo para la palanca intermedia, que actuan sobre las palancas de arrastre.
Un procesador de 32 bits, físicamente independiente de la centralita del motor (ECU), controla el movimiento del motor eléctrico (8), que coloca estos actuadores intermedios, en la posición requerida. El tiempo necesario para cambiar la carrera de las válvulas desde la mínima a la máxima alzada es de 300 ms, el mismo que necesita el sistema de distribución variable Bi-VANOS, en ajustar los tiempos de apertura.
La regulación del caudal de aire de entrada se sigue consiguiendo a costa de introducir una restricción a su paso por las válvulas de admisión, y por tanto, de unas ciertas pérdidas por bombeo, pero las pérdidas a través de las válvulas de admisión del motor Valvetronic son menores que la suma de las que se producen en la válvula del acelerador y las de admisión de un motor convencional.

VarioCam Plus

Porsche adopto un sistema de distribución variable cambiando la alzada de las válvulas por medio de empujadores de vaso invertido cambiables. Este sistema lo utilizo por primera vez para el Carrera turbo del año 2000 y, posteriormente, también para los motores por aspiración. Para la marcha en vacío y para una carga reducida son los empujadores de vaso invertido dobles (concentricos) los que funcionan sobre una leva plana con una carrera de la válvula de solo 3 mm. Si la carga es superior, el sistema cambia a 2 levas mas inclinadas con una carrera de válvual de 10 mm. Simultaneamente, la marca Porsche aprovecha la posibilidad de la regulación de fases (variación de los tiempos de distribución) del árbol de levas de admisión (de ahí la palabra -PLUS- de la denominación del sistema), para optimizar la separación y el solapamiento. Porsche utiliza la abreviatura CVCP para el regulador continuo del árbol de levas que funciona con pistones de desplazamiento axial (turbo) o reguladores equipados con alabes.

El sistema de control de la carrera de válvulas consta de empujadores de vaso invertido cambiables controlados por una electroválvula de 3 vías . Los árboles de levas cuentan con levas de diferentes tamaños. Según las necesidades del motor, el sistema se adaptará proporcionando la carrera de las válvulas más adecuada a esta situación. Se utilizan dos empujadores concéntricos, que pueden bloquearse por medio de un pequeño bulón. El interior tiene contacto con la leva pequeña y el exterior con la leva grande. En el mecanismo va integrado además un sistema para el reglaje hidráulico del juego de válvulas. Los empujadores de vaso invertido cambiables son una obra maestra de la mecánica de precisión. La regulación de la carrera de la válvula funciona como sigue: para la transmisión de 2 carreras diferentes de las válvulas se ha subdividido el empujador de vaso invertido en una carcasa externa y en otra interna situada concentricamente en el interior de la externa. El mecanismo de cierre que se localiza en la zona del empujador de vaso invertido propio de la leva permite el acoplamiento de control hidraulico de la carcasa interna y de la externa por medio de la presión del aceite del motor. Una válvula de inversión electrohidráulica da admisión a los pistones de bloqueo, que dan lugar a un acoplamiento de las 2 piezas del empujador al alcanzar una presión de aceite de, como minimo de 1,2 bar.
Carrera pequeña de la válvula: Los empujadores funcionan sin acoplamiento. El empujador interno y la leva central (plana) son determinantes para la carrera. El empujador interno tambien soporta el elemento para la compensación hidráulica de juego de las válvulas. El empujador externo se mueve con relación al empujador interno y dependiendo de la curva de elevación de la válvula de las dos levas externas (altas). Realiza, por así decirlo, un movimiento en vacío, es decir, no acciona la válvula. Además existe un muelle debil de la carrera del pistón diferenciadora que es el que garantiza el contacto con las levas.
Carrera grande de la válvula: El empujador interno y el empujador externo estan acoplados. Pero es el empujador externo el que determina la carrera del pistón y el que sigue las curvas de elevación de las 2 levas externas. La disposición doble de las 2 levas altas también sirve para reducir la presión superficial y para evitar el momento basculante.

El sistema de distribución denominado “VarioCam Plus” consta de cuatro válvulas por cilindro, elementos de regulación de los árboles de levas (convertidores de fase) y empujadores de vaso invertido. Las cuatro válvulas de cada cilindro están dispuestas en forma de “V” con un ángulo de 27,4 grados . Para reducir las masas oscilantes en el mecanismo, los vástagos de las válvulas tienen un diámetro de seis milímetros. A diferencia del 996 Carrera , dispone de dos muelles por válvula. Este sistema optimiza la potencia y el par en todos los regímenes, ayuda a reducir el consumo y las emisiones y a mejorar el confort de marcha del motor.

El sistema VarioCam Plus está formado en realidad por dos mecanismos que se complementan: la distribución variable mejora el funcionamiento del motor al ralentí al accionar la leva pequeña (carrera de 3 mm) y ajustar un pequeño cruce de válvulas. En función de la longitud de la carrera de válvulas disminuyen los rozamientos internos en el mecanismo de distribución. Los tiempos cortos de apertura permiten además una combustión de la mezcla en los cilindros más homogénea y eficaz. Los niveles de consumo y emisiones son hasta un diez por ciento más favorables, mejorando al mismo tiempo la estabilidad de giro del motor al ralentí. Para mejorar los niveles de consumo en carga parcial, es conveniente aprovechar la recirculación interna de gases de escape. El sistema de distribución variable conecta en este caso un cruce de válvulas más amplio, con carrera corta de las válvulas de admisión, con lo que se alarga el tiempo disponible para aspirar gases desde el colector de escape.
En condiciones de plena carga, el conductor del 996 Turbo deberá alcanzar los máximos niveles de par y potencia. La carrera de válvulas es en este caso de diez milímetros, con tiempos de apertura y cierre adaptados. Pero el sistema Porsche VarioCam Plus ofrece otras propiedades, notables en el momento del arranque: con bajas temperaturas, la fase de calentamiento es más rápida y las emisiones contaminantes, por lo tanto, más limpias.

Tanto la distribución variable como el control de la carrera de válvulas están controlados por la unidad de mando del Motronic ME7.8 , que ha sido diseñada específicamente con una capacidad de proceso más alta. El sistema VarioCam Plus requiere numerosos parámetros para su control, como por ejemplo el régimen del motor, la posición del acelerador, temperatura de aceite y agua y detección de la marcha acoplada. El sistema compara los deseos del conductor en cuanto a potencia y par en un momento dado con los contenidos de su memoria. En milésimas de segundo, el ordenador decide si debe intervenir el VarioCam Plus . En caso afirmativo, las operaciones de regulación y ajuste son efectuadas de forma imperceptible.

Las ventajas de este metodo (VarioCam Plus) para el control variable de la alzada de las válvulas las encontramos en los costes relativamente bajos del sistema, en el peso reducido y en una estabilidad superior del numero de revoluciones (en comparación con el sistema Valvetronic de BMW). Si bien tampoco se consigue con este sistema el objetivo de un control de la carga completamente libre de estrangulaciones, si que se aprovecha una gran parte de las ventajas que tiene. Además se puede realizar una desconexión total de las válvulas por medio del empujador de vaso invertido (carrera de la válvula cero), lo cual puede aprovecharse para la desconexión del cilindro o la anulación del conducto. Sin embargo, ha de tenerse en cuenta que, en tal caso, solo se dispone de un perfil de leva.

Sistema VVTl-i (Variable Valve Timing & Lift – Intelligent) de Toyota

El sistema VVTl-i controla las siguientes funciones
– Control de los tiempos de distribución
– Control mediante dos estados de funcionamiento de la alzada de la leva
– Control tanto en el árbol de levas de admisión como en el de escape

El mecanismo consta de un solo balancín, el cual acciona las dos válvulas de admisión a la vez. Dicho balancín es accionado por dos levas de diferente perfil, uno más suave que el otro.
El apoyo del perfil de leva agresivo es un bulón al cual se le permite un cierto desplazamiento mientras no actúe un tope que se acciona hidráulicamente.

Cuando el motor funciona a bajas y medias vueltas el tope no está accionado, con lo que el bulón sube y baja, de manera que el perfil de leva agresivo no acciona el balancín, siendo las válvulas accionadas por el perfil de leva suave.

A altas r.p.m., la unidad de control electrónica acciona la válvula hidráulica, con lo que enclavamiento se acciona bloqueando el bulón, de manera que es ahora el perfil de leva agresivo el que acciona a las válvulas consiguiéndose así un diagrama de distribución propio de un motor rápido.

HONDA V-Tec

Variable CAM Timing

Variable Valve Timing with intelligence (TOYOTA)

K-Series iVTEC VTC Cam Phasing System – In Depth

<strong VVT-iE, Variable Valve Timing

VVT-iE, Variable Valve Timing

36 comentarios to “Valvulas en Motores de Cuatro Tiempos”

  1. carlos sergio ducoing Says:

    muy buen articulo, excelente gracias

  2. Hernan Puigvert Says:

    exelente pagina muy legible… felicitaciones

  3. lorenzo giribaldi Says:

    Exelente, este articulo………para tener en cuenta

  4. Oscar Aguilera Says:

    Exelente Trabajo.

    Estoy estudiando varios sitios Web y este es el mas completo.ç

    Muchas Gracias.

    Si es posible por favor me envian por correo la informacion.

  5. adrian blandon Says:

    gracias por reunir tanta información, me sirvió mucho este aporte.
    felicitaciones.

  6. Esteban Miguel Says:

    Muchas gracias por exponer esta información de manera tan clara, prolija y completa. Normalmente estos trabajos tan esmerados, de encontrarse, estan escritos en inglés…

    Un abrazo

  7. wilson Says:

    execlente explicacion es posible que me lo emvien a mi correo electronico es willy22372011@hotmail.com gracoas

  8. Eliana Says:

    Esta muy claro y entendible. PERFECTO .

    GRACIAS

  9. antonio Says:

    excelente muchas gracias

  10. kratos Says:

    algien me podria dar los parametros valvulas de motor JL244FMI(046C) es de una moto jialing 125-33 gracias

  11. bastian Says:

    gracias por todo me sirvio mucho, sali de algunas dudas que tuve en clases!

  12. Raúl Barrón Says:

    Es una página muy instructiva y de gran servicio a la comunidad estudiosa. Gracias.

  13. enike gimenez fernandez Says:

    alguien me puede decir ke medidas tiene ke tener la garga de escape del for fiesta 1300 y lade gasolina gracias

  14. nicolas perez Says:

    sos groso :D me sirvio la info gracias

  15. atovar Says:

    perfecto muy buena introducion al teme de los sistemas de distribucion

  16. cladito Says:

    Muy buena y clara la explicación escrita y gráfica .ok

  17. hector cohen Says:

    excelente

  18. luisv Says:

    de verdad que maravilla de pagina muchas felicidades

  19. OSCAR ALONSO MOSQUERA Says:

    muchas gracias por tan importante información; escrita de forma sencilla y fácil de comprender.

  20. José Antonio Squillaci Says:

    Muy buenas las descripciones de cierres en las distintas aplicaciones mecánicas. Por favor puedes publicar o describir como funcionan los cierres de las electro válvulas que estimo han de reemplazar al árbol de levas.

  21. eliseoluque11@gmail.com Says:

    sorprendido cuanto pars aprender un monton de grsias exselente todo felisitasiones sigue adelante maestro argentina eliseo luque

  22. Miguel Says:

    Muy buenas las explicaciones… yo que soy un neófito en la materia lo entendí!

  23. Eduardo D García Says:

    Excelente y, muy didactico. Como hago para bajarlo?

  24. fabian Says:

    muy buen articulo.lo podrian mandar a mi correo gracias y buena tarde

  25. ROBIN BLAHOUT Says:

    Muy interesante la evolucion de los sistemas de las valvulas de los motores de hoy, pero sigen perdiendo mucha energia en la misma forma como funsionan ,comprimir los resortes.
    La evolucion de un motor otto seria no tener que mover valvulas que trabajen con resortes ni vertical ni orisontal sino que giren y que tengan menos piesas
    Disene un motor con esas caracteristicas que puede desarollar 15000 a 20000 rpm con un cosumo de hasta 60 0 70 % menos consumo del motor mas economico de hoy, sin utilisar electonica

  26. Daniel Gonzalez Oviedo Says:

    como se puede saber porq pierde la fuerza la maquina de nissan pick si son los pistones o son los silindros esa es mi duda

  27. Edwin Alfonso Quinonez Martinez Says:

    Exelente trabajo. Aunque estoy empezando en el estudio de la mecanica automotriz, pero considero que los principios fundamentales han sido expuestos claramente. Felicitaciones.
    Me pueden hacer el favor de enviarme el articulo completo a mi correo: sertecfi_12@yahoo.com, Muchas Gracias.

  28. luis ivan Says:

    Felicitaciones esta claro y preciso la informacion me servira de mucho

  29. Mario Alberto Azanza Guerrero Says:

    excelente recopilacion, se ve que se pusieron a hacer la tarea, gracias a ustedes resolvi un problema en mi taller, un abrazo y mi agradecimiento.

  30. Harold Calderon Says:

    excelente tutorial muy didáctico fácil de entender y compila todos los sistemas hasta ahora inventados

  31. jonas altamirano eligio Says:

    En realidad un exelente trabajo, despejo todas mis dudas aparte muy bien ilustrado…grax. felicitaciones.

  32. jorge luis Says:

    excelente informacion gracias sapolander y hermanos willy, del motor de la yamaha xs 850 special tres cilidros, tiene alguna informacion de este se los agradeceria. que tengan buen dia.

  33. José Antonio Squillaci Says:

    Gracias por tan buena información, por favor pueden incorporar una ilustración del funcionamiento de valvulas en los motores multi air de Fiat. Gracias PePe

  34. SERGIO Says:

    Me encanta este trabajo, solo me gustaria saber como aprovechar al maximo los balancines cuando la leva no se puede tocar en un motor de moto de competicion 4 tiempos.
    Gracias

  35. rocky Says:

    exelente!! gracias por explicar tan detallado el funcionamiento de un motor, me interesa la mecanica!!

  36. Angel Says:

    Me ha resultado una excelente explicaci’on y detalles.GRACIAS

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