ESCUELA POLITCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERA MECNICAMOTORES DE COMBUSTIN INTERNAFecha: Mircoles 6 de Mayo del 2015Integrantes: Gabriela Cantua Jairo Rodrguez

SISTEMA DE DISTRIBUCIN TOYOTAVVT-i Variable Valve Timing Intelligence

El VVT-i (Variable Valve Timing Intelligence Distribucin Variable Inteligente de Vlvulas) es un sistema de distribucin variable desarrollado por la empresa automovilstica TOYOTA. Antes de que el VVT-i se magnificase en muchos de sus autos, TOYOTA introdujo en su motor 4AGE de 20 vlvulas, el sistema VVT. Su idea con este sistema era variar el tiempo de apertura y cierre de las vlvulas en distintas situaciones de trabajo del motor. Veamos como, con este sistema, consigui hacerlo, mejorando el sistema con variantes posteriores a esta.

VVT (Variable Valve Timing)

El VVT fue la base de este sistema, la forma ms simple de sincronizacin variable de vlvulas, en el que slo acta en el rbol de levas de admisin en dos formas predefinidas.

El sistema VTT va dotado de un variador de avance, acoplado en la polea del rbol de levas de las vlvulas de admisin. Dicho elemento ser el encargado de variar los tiempos de apertura y cierre de la vlvula gracias a un circuito hidrulico que contiene en su interior, realizando un giro del rbol de levas sobre la polea.

Ilustracin 1 Sistema VVT

Como se puede apreciar en el esquema anterior, la ECU (Unidad de Control Electrnica) recibe seal elctrica del sensor de posicin del rbol de levas. Dicha seal la recoge la ECU sabiendo as la posicin del rbol de levas. Una vez la central electrnica sepa la posicin, y el motor sobrepase las 2000 RPM, excita a la electrovlvula, dejando pasar as el aceite a presin en el circuito proveniente de la bomba de aceite. El aceite se introduce por el interior del rbol de levas por un paso especial destinado a ello hasta llegar a la polea y su variador de avance.Dentro del variador de avance de la polea se encuentra un pistn. Desde que recibe la suficiente presin, empieza a moverse hacia fuera causando que la parte externa de la polea gire en relacin a la parte interna, debido al estriado helicoidal que guan el movimiento del pistn.

Con esto conseguimos, que se produzca un avance en la leva de admisin por 30, en referencia al cigeal. Variando as el avance podremos conseguir ms potencia en revoluciones altas, a diferencia de si el VVT no actuara. Como se puede ver gracias a este sistema, se le puede sacar ms rendimiento al motor sin necesidad de aumentar cilindrada.

Como dijimos anteriormente, este sistema lo monto el 4AGE de TOYOTA que fue dotado con 20 vlvulas (5 vlvulas por cilindro, 3 de admisin y 2 de escape), pero tambin lo monto otro motor, el denominado 3SGE que incorporo el modelo ALTEZZA. A este motor se le incorporo dos variadores de avance VVT, uno en la polea del rbol de levas de admisin y otro en la polea del rbol de levas de escape. A TOYOTA se le haca fcil llegar alrededor de los 100 cv por litro con esta tecnologa. A partir de aqu, la marca nipona fue evolucionando su sistema.

VVT-i (Variable Valve Timing Intelligence)

Ilustracin 2 Sistema VVT-i

El VVT-i fue el encargado de sustituir al sistema VVT en las siguientes motorizaciones del fabricante japons. No fue hasta el ao 1996 cuando este nuevo sistema sustituira al VVT. Este sistema trabaja de una manera muy parecida a su predecesor, con la diferencia de que este resulta ser un sistema ms inteligente para perfeccionar aun ms las ventajas que con el sistema anterior ya existan.A continuacin explicaremos como funciona el sistema VVT-i a diferencia del sistema VVT:Ilustracin 3 Funcionamiento del Sisteme VVT-iAqu vemos que la estructura del sistema VVT-i no es muy diferente de la del sistema VVT, a diferencia de la cantidad de informacin que ahora le es recibida a la ECU del motor. En este sistema, se recogen las seales elctricas de:- Sensor de posicin del rbol de levas.- Sensor de temperatura del motor.- Sensor de rgimen del cigeal.- Sensor de posicin de la mariposa de gases.- Caudalmetro.Gracias a esa cantidad de datos recogidos, la ECU ahora tiene informacin suficiente para ser capaz de regular continuamente el avance de la vlvula de admisin. Es decir, ya no tiene solo dos posiciones en las que actuar como en el anterior sistema, ahora es capaz de regular de forma continua el avance del rbol de levas dependiendo de las revoluciones del motor, temperatura del motor, y dems informacin que recibe la ECU del resto de sensores.Una vez tenida dicha informacin, la ECU excitara al actuador hidrulico (Electrovlvula tipo solenoide) si lo ve estimado. El actuador hidrulico posee varias canalizaciones que hacen llegar el aceite a travs del rbol de levas hasta el variador de avance. El variador de avance de este sistema sustituye al pistn por una especie de paletas ubicadas dentro de unas cmaras cerradas, que giraran en funcin de la presin de aceite que le har llegar el actuador hidrulico.

Ilustracin 4 Actuador Hidrulico

Ilustracin 5 Variador de Avance en reposo

En esta imagen podremos ver dichos mecanismos anteriormente nombrados en estado de reposo. Las paletas al no estar giradas, el rbol de levas no gira sobre si mismo, con lo que no efecta ningn cambio significativo a la distribucin del motor.

Ilustracin 6 Variador de avance en funcionamientoAqu vemos como las paletas se estn moviendo gracias a la presin de aceite que est recibiendo del actuador hidrulico. Ahora mismo el rbol de levas estara girando sobre si mismo, efectuando unos grados de avance a las vlvulas de admisin. Con lo cual, el mecanismo est variando la distribucin.

Ilustracin 7 Tope del variador de avance

A continuacin, vemos como las paletas llegan al tope mximo de variacin que le es posible realizar. En esta posicin las vlvulas de admisin estaran en su estado de avance mximo, cambiando totalmente la respuesta del motor gracias al cruce de vlvulas que est siendo sometido.

Las ventajas que se efectan gracias a este sistema son:- Un menor consumo de combustible.- Una reduccin del ruido que produce el motor.- Un mejor funcionamiento.- Mayor potencia del motor.- Reduccin de gases contaminantes.Cuando el sistema no requiere un avance, si no un retardo en el variador de avance, las paletas se mueven en direccin contraria gracias a que el actuador hidrulico cambia las canalizaciones obturaciones, que hacen llegar el aceite a presin por otras que hacen que evacuen dicha presin. As, el sistema vuelve a la posicin de reposo.

Ilustracin 8 Diagrama de la respuesta del sistema VVT-i.

En este diagrama, se puede observar el margen de avance que le es posible realizar al VVT-i. Recordemos que, el sistema est continuamente regulndose, con lo que (si as lo requiere) el sistema siempre estar corrigiendo el avance dentro de lo que le es capaz de corregir.Antes de que estos sistemas salieran a la calle, haba que calibrar las vlvulas para sacarle la mayor potencia al motor. El sistema VVT-i nos permite prescindir de ello, ya que as los motores siempre sacarn el mejor provecho tanto en bajas como en altas revoluciones.

VVTL-i (Variable Valve Timing & Lift - Intelligent)Despus del VVT-i, lleg el VVTL-i. En 1998 TOYOTA comenz con esta nueva tecnologa, donde no solo poda controlar los avances del rbol de levas con el sistema VVT-i, si no que adems poda variar la alzada de las vlvulas (tanto de admisin como de escape), pudiendo introducir ms carga en el cilindro y poder evacuarla una vez los gases fueran quemados.Los rboles de levas de este sistema posean dos levas por cilindro, una leva de perfil suave para bajas y medias RPM, y una leva con una alzada mayor para altas RPM.

Ilustracin 9 Levas de menor y mayor alzada. Motor 2ZZ-GE.

El mecanismo posee un balancn para cada cilindro (un balancn para las vlvulas de admisin, y otro para las vlvulas de escape). Ese balancn acciona las dos vlvulas (tanto las vlvulas de admisin como las de escape) a la misma vez. El balancn entra en contacto con las dos levas de diferente alzada, a partir de aqu veremos el funcionamiento del sistema cuando es activado.

Ilustracin 10 Sistema VVTL-i, a bajas y medias revoluciones

Como dijimos, las dos levas siempre entran en contacto con el balancn en todo momento. Cuando el motor marcha sobre bajas o medias revoluciones, el sistema no est activado. La leva de alzada mayor est en ese preciso momento impactando sobre un buln con movimiento libre, con lo cual el movimiento de la leva se vuelve intil e inexistente.

Ilustracin 11 Vlvula de admisin efectuando una carrera mnima

La leva de perfil menor es la que se encarga en dicho momento mover el balancn, para que as este, mueva las dos vlvulas a una distancia equivalente a la alzada de la leva. As, el motor estar introduciendo una carga mnima por la menor carrera de las vlvulas.

Ilustracin 12 Sistema hidrulico del VVTL-i

Aqu podemos ver el circuito hidrulico del sistema. La ECU es la encargada de excitar a la OCV (Oil Control Valve Vlvula de Control de Aceite), siempre y cuando la ECU reciba la informacin de los sensores necesarios nombrados anteriormente en los anteriores sistemas. Cuando la electrovlvula no es activada, el aceite es retornado, pero cuando la ECU excita la electrovlvula (cerca de las 6000 RPM), la electrovlvula deja pasar la presin de aceite que es recibida de la bomba de aceite, introducindose en los ejes de los balancines y en los mecanismos variadores de la carrera de la vlvula.

Ilustracin 13 Sistema VVTL-i, a altas revoluciones

Una vez llegado el aceite a los mecanismos variadores, este empuja un tope de accionamiento debido a la presin, impidiendo el movimiento libre que efectuaba el buln anteriormente, convirtiendo el buln en una pieza solidaria al balancn. Ahora, la leva de mayor alzada es la responsable del movimiento de las vlvulas, realizando una mayor alzada y duracin de apertura en proporcin al perfil de la leva.

Ilustracin 14 Vlvula de admisin efectuando una carrera mxima

Este mecanismo es sincronizado con el VVT-i, para ser mucho ms eficiente y aprovechable. TOYOTA dejo de producir estos motores para la mayora de los mercados, debido al incumplimiento de las especificaciones Euro IV para las emisiones. DUAL VVT-i.

TOYOTA no par aqu, ya que ms adelante saco lo que sera una evolucin ms del sistema, el DUAL VVT-i. Con este sistema modernizado, la marca nipona dio un paso ms, ya que consigui no solo controlar el tiempo de avance o retraso de apertura de las vlvulas de admisin, si no que tambin pas a controlar el tiempo de avance o retraso de cierre de las vlvulas de escape.Recordemos que, TOYOTA con su sistema VVT consigui algo similar con su motor 3SGE, pero no fue tan inteligente como esta evolucin del sistema.Su funcionamiento es totalmente el mismo que el sistema VVT-i convencional, con la diferencia de que ahora posee dos variadores, uno en la polea del rbol de levas de admisin y otro en la polea del rbol de levas de escape. De igual manera pasa con los actuadores hidrulicos, existe uno para cada uno de los variadores.En este sistema la ECU sigue encargndose de activar los actuadores hidrulicos dependiendo de la informacin en forma de seales elctricas que son enviados a travs de los sensores como en el sistema convencional VVT-i. Dependiendo de las RPM, la temperatura del motor, la posicin del rbol de levas, la posicin de la mariposa de gases y del nivel de caudal de aire que es introducida por el motor, actuar la ECU en los actuadores hidrulicos cuando lo vea necesario para hacer funcionar el sistema.El funcionamiento del variador de avance en el rbol de levas de admisin es el mismo que el explicado en el sistema VVT-i, con lo cual pasaremos a explicar el funcionamiento del variador en el rbol de levas de escape.

Ilustracin 15 Variador de retardo en reposoEn este estado, el sistema no est en funcionamiento, con lo cual el rbol de levas no est efectuando ningn giro que produzca ningn cambio en la apertura y cierre de las vlvulas.

Ilustracin 16 Tope del variador de retardo

Como se puede ver, el sistema ha entrado en funcionamiento, con lo que el rbol de levas produce un giro que retrasa y vara la apertura y cierre de las vlvulas, provocando un mayor cruce de vlvulas.Con esto conseguimos que las posibilidades de un buen desempeo del motor se multipliquen, a diferencia del sistema VVT-i convencional, ya que se mejora el par motor y una mejor respuesta tanto en bajas revoluciones como en altas. Tambin siguen existiendo las mismas ventajas que en el sistema predecesor, que es un consumo menor del combustible (segn los estudios, se asegura que se consume un 8% menos de combustible), reduccin en la contaminacin (la quema de gases y explosin a mayor temperatura consigue eliminar ms gases contaminantes que pueden salir al exterior), e incremento de la potencia del motor.VVT-iE (Variable Valve Timing - intelligent by Electric motor).Este sistema es una versin del DUAL VVT-i, que sustituye el variador del rbol de levas por un actuador electrnico gobernado porla ECU del motor. Sin embargo, este cambio solo se produce en el rbol de admisin, ya que el variador hidrulico sigue estando presente en el rbol de levas de escape.

Ilustracin 17 Visin de los mecanismos VVT-i y VVT-iEComo dijimos anteriormente, el sistema VVT-iE reemplaza al variador de avance del rbol de levas de admisin, siendo gobernado por la ECU del motor. Dependiendo de la informacin que le llegue a la ECU de los diferentes sensores, le enviar corriente elctrica para acte de la forma que mejor convenga segn la situacin del motor en ese momento.

Ilustracin 18 Sistema VVT-iECuando el motor no est en funcionamiento, girar junto con el rbol de levas para seguir la sincronizacin correcta de la distribucin. Es decir, el motor y el rbol de levas estarn en continuo movimiento a las mismas velocidades siempre que el sistema no este siendo actuado por la ECU del motor.

Cuando entre en funcionamiento el sistema, el motor girar ligeramente ms rpido que el rbol de levas, consiguiendo un avance en la distribucin. Para conseguir un retardo del rbol de levas, har la accin contraria, el motor elctrico del actuador girara ligeramente ms lento que el rbol de levas.Con esto conseguimos una mejor precisin, para una mejor respuesta a bajas revoluciones y temperaturas ms bajas. Otro beneficio es conseguir un mayor rango total de ajuste en el sistema, favoreciendo as ms aun el ahorro de combustible, las emisiones y la potencia del motor.El variador VVT-i del rbol de levas de escape funciona igual que el sistema predecesor. Este sistema fue desarrollado para Lexus, introducido por primera vez en el Lexus LS 46, motor 1UR.

Ilustracin 19 Lexus LS 46, motor 1UR

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Valvematic.Esta tecnologa fue vista por primeras vez en el Toyota Noach en 2007. Ms tarde, en el 2009, se introdujo en la familia de motores ZR, utilizados en el Avensis. TOYOTA con este sistema quera reducir consumos, emisiones y generar una mayor potencia en los motores de gasolina. Digamos que este sistema se parece mucho al VVTL-i, ya que aparte de conseguir variar los avances y retardos de las vlvulas de admisin y escape con un sistema DUAL VVT-i, tambin es capaz de variar la alzada de las vlvulas, pero apartando a un lado el circuito hidrulico y reemplazndolo por un motor electrnico que ajusta en todo momento la posicin de unos balancines movibles.Ilustracin 20 Esquema del sistema Valvematic de TOYOTA.En este esquema se puede ver que el sistema mayoritariamente viene a ser lo mismo que el sistema DUAL VVT-i, a excepcin del controlador electrnico, llamado como conjunto controlador de la carrera de la vlvula variable continua.Ilustracin 21 Controlador de la carrera del vlvula variable

Este controlador es conectado a la ECU del motor por una red CAN-BUS. Gracias a esta nueva red, un mdulo o controlador electrnico no enva ni recibe datos solamente a la unidad de control del coche, si no que comparte informacin con cada uno de los mdulos electrnicos existentes en el vehculo, y coger por si solo la informacin que le interese. Gracias a esto, son mayores las probabilidades de hacer un trabajo mas preciso del sistema.

Ilustracin 22 Conector del actuador de control

Aqu se observa detalladamente el eje motriz que es el que esta conectado al motor electrnico del controlador, y a la vez transmite el movimiento del motor al actuador de control y eje de control.

Ilustracin 23 Eje motriz

El brazo oscilante es el elemento final encargado de variar la alzada de las vlvulas de manera continua.

Ilustracin 24 Elevacin de vlvula mnima

El sistema no esta actuando de ningn modo, con lo que la alzada de la vlvula es mnima. En este estado el motor no experimenta ningn cambio.

Ilustracin 25 Elevacin de vlvula mxima

Cuando el sistema inicia su funcionamiento, el motor electrnico acta y hace girar al eje motriz, con el consiguiente movimiento del eje de control y el brazo oscilante. Le aporta unos grados al balancn (los grados dependen del estado en el que se encuentre el motor, ajustando el sistema de forma ms apropiada para el mismo), ajustndose continuamente cada vez que lo precise el sistema. As, las vlvulas llegan a la alzada mxima, generando una entrada de gases y carburante mayor. La alzada de la vlvula de admisin vara entre 0,9 mms y 11 mms segn las necesidades del motor.

Con esto volvemos a conseguir aumento de la potencia y del par motor, las emisiones se reducen entre un 10 y un 26% dependiendo de la motorizacin mientras que la potencia se incrementa entre un 3 y un 20%). Tambin la mejora de eficiencia en el combustible es notable y reduce el nivel de emisiones de CO2 gracias al control simultneo de la sincronizacin de las vlvulas y de su apertura.Con esto, tambin se reduce las prdidas de bombeo en los momentos que no se le exige tanto al motor gracias a la optimizacin del nivel de apertura de las vlvulas y de su sincronizacin.Recordemos sin antes acabar, la importancia que tiene el sistema VVT en la historia de TOYOTA, porque sin ese sistema, ninguno de estos hubiera sido ingeniado por la marca japonesa. Por ello, siempre se recordara al 4AGE 20 vlvulas y su sistema VVT como el corazn de todos estos sistemas de distribucin variable.

EscapeAdmisin

AperturaAAECierreRCEDuracioncentro de levaAlzada de leva (mm)AperturaAAACierreRCADuracincentro de levaAlzada de leva (mm)

Bajas R.P.M.34142281107.6-10 a 3358 a 15228124 - 817.6

Altas R.P.M.564027610810.015 a 5897 a 54292131 - 8811.2

BIBLIOGRAFIA

http://www.toyoteq.es/art%C3%ADculos/sistema-vvt-i-toyota/http://es.slideshare.net/mariok0/distribucion-de-valvulas-variable-vv-ti-toyotahttp://www.youtube.com/watch?v=8Zf7gg3dr6Mhttp://www.youtube.com/watch?v=5Tis9immDPwDavid Prez Martel