Trabajo Valvetronic y Vanos

Módulo de mantenimiento de motores

Sistemas de Válvulas variables BMW Valvetronic-Vanos

Manuel Collado , Fouad El Achaouchi y Lluc Febrer 16/01/2014

Sistemas de válvulas variables – BMW Valvetronic – Vanos

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INDICE

INTRODUCCION HISTORICA

SISTEMA BMW

FUNCIONAMIENTO VANOS

FUNCIONAMIENTO VALETRONIC

ELEMENTOS DEL SISTEMA

CARACTERISTICAS

MODELOS DE COCHES QUE LLEVAN EL SISTEMA

CONCLUSIONES


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INTRODUCCION

Desde los inicios de la creación del motor Ciclo Otto 1 , estos han ido evolucionando

continuamente. Pasando desde nuevos descubrimientos (motores de gas, diésel, turbinas, etc.)

hasta las mejoras de estos mediante la tecnología (inyección, intercooles, etc.), la utilización de

nuevos materiales que ha supuesto un punto de inflexión para el rendimiento del motor (fibra de

vidrio, plásticos, fibra de carbono, etc).

Partiremos el estudio de los motores actuales, formado por tres bloques principales:

Parte alta o Culata: la función de esta es sellar la parte

superior de los cilindros para evitar pérdidas de compresión y

salida inapropiada de los gases de escape. Y la creación de la

cámara de combustión, donde se comprimirá la mezcla y luego

expandirá.

Bloque motor: se considera el corazón del motor ya que es

donde se genera la energía térmica la cual luego se transforma en

energía mecánica.

Parte baja o Cárter: la función del cárter es lubricar los

elementos mecánicos que sufren dilataciones debido al

rozamiento.

En la parte alta o Culata:

En esta parte tenemos los siguientes elementos: bloque de culata,

tapa de culata i junta de culata. También podemos encontrarnos

elementos como válvulas de admisión y de escapes, las cuales se

accionan mediante el giro del árbol de levas o por mediación de las

varillas y balancines (parte del sistema de distribución2). También

podemos encontrar sistemas de encendido (bujías) o inyección.

1 Nikolaus august Otto (10 julio de 1832- 26 enero 1891) ingeniero alema, diseño el primer motor de combustión interna (gas de alumbrado), pero el que le lanzo a la fama fue el conocido motor de cuatro tiempos de combustión interna (admisión, Compresión, Explosión y escape), Ciclo Otto. 2 Sistema de Distribución: es el sistema encargado de la transmisión la fuerza de giro proporcionada por el cigüeñal y sincronizarla con la apertura y cierre de las válvulas de admisión y de escape. Tenemos diferentes tipos de sistemas basándose en la posición del árbol de levas. OHV (Árbol de levas en el bloque con sistema de varillas y balancines), SOHC (Árbol de levas único en culata con empuje mediante balancines, empuje directo o doble balancines) y DOCH (doble árbol de levas en cabeza o culata). La forma en que el cigüeñal transmite el giro al árbol de levas también tiene diferentes soluciones (por cadena, correa dentada, etc.), pero todos han de cumplir con la premisa básica, R= 2:1, dos vuelta de cigüeñal y una vuelta de levas.

Figura 1: Partes del motor

Figura 2: Partes de la Culata


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El Bloque motor:

Los elementos estáticos del bloque motor, es el mismo

bloque motor3, formado por las cavidades cilíndricas y sus

camisas donde se alojara los pistones con sus partes móviles,

las cavidades por donde las varillas darán el empuje a los

balancines, el circuito interno por donde se lubricará a los

elementos y el de refrigeración, las sujeciones de bancada

para el cigüeñal y los acoples de las bombas de gasolina y

filtro de aceite.

Las partes móviles serán las siguientes: el pistón junto con

la biela, serán los encargados de crear el movimiento

longitudinal (subir y bajar) gracias a la explosión de la mezcla

de carburante, el cigüeñal será el que sincronizará este

movimiento al árbol de levas para crear la apertura/cierre de

admisión y escape (mediante el sistema de distribución). Con

el acople del volante de inercia o volante motor al cigüeñal

crearemos la velocidad de giro o par del motor.

La Parte baja o de Cárter:

La parte del cárter es en la que tenemos menos elementos, tenemos el

cárter donde ubicaremos el aceite, la bomba de aceite que será la encargada

de proporcionar la lubricación en todos los puntos de lubricación, la junta de

cárter que sellará el bloque motor con el cárter para que el aceite no se salga

de este recipiente y finalmente podemos incluir el sensor o varilla de medir el

líquido.

3 Bloque motor: Constituye el cuerpo estructural donde se alojaran y sujetaran los demás componentes. Podemos encontrar diferentes formaciones de bloques motores. Tipo V, Tipo Vr, tipo Línea y tipo opuestos.

Figura 3: Partes de Bloque motor

Figura 4: Partes móviles del Bloque motor

Figura 5: Partes del Cárter


4

Los motores de 4 tiempos tienen este nombre debido a los cuatro ciclos que forman; Admisión,

Compresión, explosión y escape. En estos periodos es donde obtendremos la energía mecánica

para que después podamos utilizarla ya sea en coches, motos, barcas, etc.

Admisión: es el ciclo en que se abre la válvula de admisión y entra la mezcla de combustible, el

pistón va desde el Punto Muerto Superior (PMS) al Punto Muerto Inferior (PMI) haciendo una

carrera descendente de 180º. Cuando el pistón está en el PMI se cierra la válvula de admisión.

Compresión: con las dos válvulas cerradas el cigüeñal empieza a empujar el pistón hacia el PMS

comprimiendo la mezcla en la cámara de compresión en una relación de 6:1 a 10:1. El pistón ha

recorrido una carrera ascendente de 180º.

Figura 6: Despiece del motor, partes del bloque motor y del cárter

Figura 7: Los cuatro ciclos de un motor 4T. Admisión, Compresión, Explosión y Escape


5

Explosión: con la mezcla comprimida la bujía lanza una chispa que hace explotar la mezcla, esta

se intenta expandir y la única forma que tienes es hacer bajar el pistón, realizando una carrera

descendente de otros 180º.

Escape: la válvula de escape se acciona para dejar salir los gases de la mezcla explosionada,

mientras el pistón los va empujando hasta llegar al PMS.

En total el cigüeñal da dos vueltas completas mientras el árbol de levas completa una, para

accionar las válvulas de admisión y escape. Otra forma de ver los ciclos es utilizando un diagrama

de distribución (Fig.7).

Una caracteristica importante de los motores tiene que ver con la entrada de la mezcla de aire

y gasolina en el cilindro, es decir, el llenado de estos. Al tener mayor cantidad de mezcla que entra

en el cilindor mayor será la potencia que desarrolla este motor, por esto la importancia del

sistema de distribución, que será el encargado de regular los tiempos de admisión y de escape.

Mediante el diagrama anterior podemos ver la apertura y cierre de las válvulas, vemos que en

el gráfico teórico (izquierda) las apaerturas y cierres de las válculas son el en momento justo en

que el pistón llega al PMS o al PMI, mientras que en el diagrama real (derecha) vemos que las

aperturas cambian. Se vio que si avanzavamos la apertura y se retrasaba el cierre de estas válvulas

(llenado del cilindro de mezcla aire gasolina) se obtenia una mayor eficiéncia de los motores a

diferentes RPM, este fenomeno es posible gracias a la inercia4 que tienen los gases. Deberemos

tener presente que el fin de un ciclo y el inicio del siguiente es donde se verá el resultado de abrir

y cerrar las valvulas con antelación o con retraso (final del 4T y el principio del 1T), a este espacio

de ciclo se le conoce como cruce de válvulas y se da en cantidad de grados. Los parámetros a

controlar son:

4 Inercia de los gases: debido a la gran velocidad que tienen los gases provocan una depresión en la zona próxima a la válvula, la cual podemos aprovechar

para abrir antes las válvulas sin tener pérdidas de combustible.

Figura 8: diagrama de distribución teórica (izquierda) y diagrama de distribución real (derecha)


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Ciclo de Admisión

Avance Apertura de Admisión (AAA) Before Top Dead Center (BTDC)

Retraso Cierre de Admisión (RCA)After Botom Dead Center(ABDC)

Ciclo de Escape

Avance Apertura de Escape (AAE)Before Botom Dead Center(BBDC)

Retraso de Cierre de Escape (RCE)After Top Dead Center(ATDC)

Al avanzar la apertura de las válvulas de admisión y al retreaso del estas provocamos un mayor

llenado de mezcla dentro del cilindro. Al avanzar la apertura de la válvula de escape y a su retrado

del cierre dejaremos salir durante mayor tiempo los gases de escape. En este instante tendremos

las dos válvulas abiertas, produciendo una depersión al lado de la admisión y una sobrepresión en

el lado de la de escape, gracias a la inercia de los gases podremos ir llenando el cilindor con la

valvula de escape abierta y que no se fugue combustible en esa dirección.

Podemos ver que si el cruce de válvulas es muy pronunciado (muchos grados), es decir, mucho

avance de admisión y mucho retraso al cierre del escape, obtendremos buenos resultados cuando

el regimen del motor es alto (mayor inercia de los gases), pero esto nos provoca que a bajas RPM

el rendimiento sea peor (menor inercia provoca perdidas de mezcla). Cuando estamos en el caso

contrario, poco cruce de válvulas, a pocas RPM obtenemos mayor rendimeinto y a altas existe un

deterioro del rendimiento.

Los ingenieros encargados del diseño, vieron que mediante la modificación del arbol de levas

se obtenian mejoras de rendiminto. Lo ideal seria terner diferentes arboles de levas, uno para

cada situación concreta, a bajas , medias o altas RPM. Pero es imposible tener todos los tipos de

arboles de levas para cada situación y ademas en un espacio reducido.

De esta problemática surge la necesidad de inventar algún sistema de válvulas variables, que

sea capaz de mapear un cruce de válculas adecuado para cada situcación del rendimiento del

motor. Cada fabricante de motores plantea una solución difenrente.

En este presente trabajo vamos a realizar el estudio del sistemas de válvulas varialbles de la

marca BMW, El Valvetronic y el de Vanos.


7

Sistema ValveTronic-Vanos

Los ingenieros de BMW encontraron una solucion a la problemática anteriormente descrita.

Mediante los sistemas de Valetronic y de vanos fueron capaces de obtener un mejor rendimiento

para diferentes regimenes de trabajo del motor, modificando la apertura y ceierre de las válvulas.

Este tipo de sistemas se conocen como sistemas de distribución variables de las válvulas. Estas dos

tecnologías se utilizan de manera complementaria una de la otra.

Primero de todo hemos de tener en cuenta los dos factores que hacen funcionar el sistema

valvetronic completo, la regulación del tiempo de la apertura y cierre de las válvulas (sistema de

vanos) y el otro parámetro que hemos de tener en cuenta es el llenado de la mezcla en el cilindro,

que se conseguirá mediante la modificación de la carrera de las válvulas utilizando tercer árbol de

levas.

El funcionamiento de los Vanos

Este sistema tiene la característica que realiza una modificación del ángulo del árbol de levas,

de esta manera puede modificar la fase de apertura y cierre de las válvulas. Esta modificación se

realizara mediante un sistema hidráulico que empuja unos engranajes y unos piñones.

La activación de este sistema producirá un cambio del cruce de válvulas del motor, el de calado

del árbol de levas se traduce en un giro de hasta 12.5º respecto al cigüeñal. Dependiendo del

régimen de funcionamiento del motor, la centralita inyectará una presión hidráulica u otra que

hará que el pistón dentado entre en una posición determinada dentro del acople (situado al final

del árbol de levas), al tener el eje dentado helicoidal esto producirá el giro del árbol de levas.

El tiempo de apertura de

válvulas de admisión puede

variar de 228º a 244º, dejando el

menor cruce para regímenes de

ralentí o bajas rpm e ir

incrementado a medida que

vayan subiendo las rpm hasta

llegar a los 244º.

Figura 9. Sistema de Vanos


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Los elementos que intervienen en este sistema son los siguientes:

1- Cadena

2- Piñón árbol de admisión dentado

3- Piñón árbol de escape

4- Pistón dentado

5- Tensor de cadena

6- Solenoide (dibujo izquierda)

7- Bomba de presión de aceite (dibujo izquierda)

El Funcionamiento de este sistema empieza por la activación de la centralita electrónica, que

manda la señal de activación al solenoide. Éste hace que la bomba de presión inyecte cierta

cantidad de aceite dentro de la caja de engranaje (presión de aceite 100 bar). La cantidad de

aceite variará dependiendo de la cantidad de rpm en que esté el motor (a más rpm mayor será la

cantidad de aceite ya que el árbol de levas ha de girar más para aumentar el cruce de válvulas).

En la caja de engranaje, al aumentar la presión de aceite hará que el pistón efectúe un

movimiento lineal hacia el exterior. Este movimiento lineal hará que las ruedas dentadas

helicoidales (pistón dentado que se encuentra dentro del piñón dentado del árbol de admisión)

produzcan un giro. Ya que el piñón dentado gira solidario al árbol de levas, el resultado será que el

árbol de levas gire cierta cantidad de grados, dependiendo de las rpm del motor.

Al disminuir las rpm del motor, el árbol de levas debe volver a colocarse en su posición original.

Para lograr este giro tan solo hará falta reducir la presión de aceite del interior de la caja de

engranajes, drenándola por el conducto de evacuación hacia el circuito cerrado de la bomba de

presión.

Figura 10. Despiece del Sistema de Vanos


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El funcionamiento del Valvetronic

En los modelos antiguos la regulación de la mezcla de aire se realizaba mediante el

accionamiento de una válvula de mariposa, situada en el conducto de admisión de aire. Ésta

dejaba pasar más o menos aire según el régimen de trabajo del motor, a bajas rpm cerraba la

mariposa dejando pasar menor caudal de aire y a altas rpm abría completamente dejando la

entrada de aire libre de obstáculos. Esta solución producía un sobre coste al motor a la hora de la

succión del aire hacia el cilindro, debido a la resistencia producida por la mariposa, en el canal de

succión de aire.

Gracias al sistema de valvetronic conseguimos regular la cantidad de aire cerca del cilindro con

lo que podemos eliminar el sistema de mariposa (se sigue instalado para sistema de diagnosis y

para casos de falla del valvetronic). La regulación de aire en la inyección directa se realiza

mediante la modificación de la carrera de la válvula de admisión, obteniendo una distancia de 0.3

a 9.7 mm, desde la posición más cerrada a la más abierta. De esta manera tenemos los mismos

efectos que al utilizar la válvula de mariposa.

La modificación las distancias de carreras de las válvulas se consiguen mediante un tercer

sistema de levas y elementos excéntricos situado junto al árbol de levas. Mediante el

accionamiento de un servomotor seleccionamos el sistema de rendimiento, bajas o altas rpm que

a su vez hace girar unas excéntricas que harán activas la parte alta o baja de una palanca

intermedia, que permite recorrer más o menos distancia de las válvulas de admisión.

Podemos decir que con este sistema combinado (junto al sistema de vanos) obtenemos un

rendimiento mayor y una reducción de un 10% de consumo de gasolina.

Los elementos

Los elementos principales de este sistema son:

1. Servomotor

2. Eje helicoidal

3. Resorte de tensión

4. Alojamiento

5. Árbol de levas admisión

6. Rampa 7. HVA (taqué)

8. Válvula de admisión

9. Válvula escape

10. Palanca de arrastre

11. HVA (taqué)

12. Palanca de arrastre

13. Palanca intermedia

14. Eje excéntrico

15. Rueda helicoidal

16. Árbol de levas escape

Figura 11 . Elementos de sistema VALVETRONIC


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El servomotor (1) está colocado sobre el árbol de levas. El servomotor sirve para regular el eje

de excéntrica (14). El eje helicoidal (2) del servomotor se acopla en la rueda helicoidal colocada en

el eje excéntrico (15). El eje excéntrico no debe bloquearse tras el ajuste de un modo especial ya

que el engranaje helicoidal tiene un frenado automático suficiente. Mediante el giro del eje de

excéntrica se desplaza la palanca intermedia (13) del alojamiento (4) en dirección al árbol de levas

de admisión (5). Pero como la palanca intermedia también está en contacto con el árbol de levas

de admisión, cambia la posición de la palanca de arrastre de rodillos (12) respecto a la palanca

intermedia. La rampa (6) de la palanca intermedia se desplaza en dirección al árbol de levas de

escape (16). Debido al giro del árbol de levas y al movimiento de la leva hacia la palanca

intermedia, entra en acción la rampa que hay en la palanca intermedia. La rampa mueve con más

fuerza hacia abajo la palanca de arrastre de rodillos y por consiguiente la válvula de admisión (8).

Características

El sistema tiene un tiempo de reacción muy pequeño, la regulación de las válvulas desde su

carrera mínima a su carrera máxima tan solo transcurren 300 ms y el árbol de excéntricas gira

170º para conseguir este control continuo de carrera.

OT-PMS

UT-PMI

1-entrada abierta

2-salida cerrada

3-entrada cerrada

4-salida abierta

P-presión

Figura 12. Aperturas de la válvula de admisión

Figura 13.Grafica de control de carga


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Tenemos la gráfica de trabajo de dos motores, con estrangulación (izquierda) y sistema

valvetronic (derecha) sin estrangulación. En la parte alta de la gráfica vemos representado la

energía producida por la combustión del motor. Y en la parte inferior es la perdida de energía

debido a la expulsión de los gases de escape y la posterior succión de aire nuevo.

Como ya se ha comentado los motores que disponen de válvula de mariposa o

estrangulamiento del aire de entrada muestran una mayor pérdida de potencia, ya que en gran

parte de su tiempo esta válvula permanece medio abierta, lo que dificulta la succión de aire hacia

el cilindro. En el sistema de BMW la resistencia del aire al entrar en el cilindro es mucho menor

con lo que reduce la perdida de potencia.

Las modificaciones de la carrera de las válvulas de admisión, en carga baja 0.3mm y a plena

carga a 9.7mm constituyen una mejora del sistema.

OT-PMS

UT-PMI

1-entrada abierta

2-salida cerrada

3-entrada cerrada

4-salida abierta

A-Campo de regulación de

Vanos

B-Campo de regulación de

carrera

P-presión

Figura 14. Zonas de control de vanos y carrera


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Para el llenado del cilindro a bajas rpm tenemos una carrera corta y un cierre de la válvula de

admisión en un tiempo menor, de esta forma obtenemos mejor rendimiento de combustible, no

hay pérdidas por la evacuación de los gases de escape. Al tener una carrera menor en la admisión,

esto provoca que el llenado se realice a mayor velocidad con lo que hace que la mezcla entre más

pulverizada (varia de 50m/s a 300m/s dependiendo de la longitud de apertura). Cuando el motor

trabaja a mayor rendimiento tanto la carrera como el cierre de admisión van aumentando de tal

manera que nos proporciona un rendimiento superior.

1-Porcentaje de PAR

2-Motor Valvetronic

3- Motor convencional

La respuesta del motor mejora debido al control de carga que tiene lugar directamente en el

cilindro. A diferencia de lo que ocurre con el control de válvula de mariposa, no tienen que

llenarse primero el colector de aire de aspiración y los colectores de admisión, sino que el

VALVETRONIC actúa sin más retardo directamente sobre el llenado del cilindro

Figura 15.Llenado del cilindro en carrera corta

Figura 16.Respuesta motor con sistema Valvetronic


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Modelo de coche que llevan el sistema Valvetronic

Este sistema fue patentado por la empresa de fabricación de automóviles, BMW el 18-03-1993, a

los 8 años, en 2001 se implementó por primera vez en uno de sus modelos comerciales, eligieron

un motor 1800 cm3 316ti compact. Se trató de un cuatro cilindros en línea de carrera corta (81mm

frente a un diámetro de 84 mm) que anunciaba una potencia máxima de 115CV a 5500 rpm y 175

Nm a 3750. Con este propulsor, el 316ti tuvo un consumo en ciclo mixto de 6,9 litros cada 100

kilómetros, 0,7 litros menos que el anterior 1,9 litros de 105 CV .

A partir de este momento se empezó a trabajar para ir incorporando este sistema de válvulas

variables a todos los modelos de BMW, empezando por los coches de gama alta hasta los mas

económicos.

Figura 17. Curva Par/Potencia de BMW 316ti 1800cm3


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Conclusiones

Mediante este sistema de control variable de válvulas Valvetronic- Vanos, vemos solucionada

la problemática del rendimiento del motor. Conseguimos que a bajas revoluciones el motor

obtenga la potencia máxima, para ese rendimiento, mediante un cruce de válvulas no agresivo y

no utilice un exceso de combustible. Del mismo modo se obtienen buenos resultados en altas rpm,

aumentando el cruce de válvulas y ampliando el tiempo de admisión.

Este sistema se considera un sistema dinámico ya que para cada situación de rpm tenemos una

solución distinta, es decir, que no solo consta de tres posiciones de cruces de válvulas sino que

Valvetronic-Vanos tiene la capacidad de variar la fase de las válvulas de admisión y escape y

además también puede adecuar la cantidad de aire que deja entrar en el cilindro.

Con este sistema obtenemos mejor rendimiento que sin él y además contribuimos a reducir el

consumo de combustible y a reducción de emisiones al medio ambiente.

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