Què són els temps de vàlvula i com funcionen?

El disseny d'un motor de quatre temps, que funciona segons el principi d'alliberament d'energia durant la combustió d'una mescla de combustible i combustible, inclou un mecanisme important, sense el qual la unitat no pot funcionar. Es tracta d’un mecanisme de distribució del temps o de gas.

En la majoria dels motors estàndard, s’instal·la a la culata. Més informació sobre l'estructura del mecanisme es descriu a article a part... Ara ens centrarem en quina és la sincronització de la vàlvula, així com en com afecta el seu treball els indicadors de potència del motor i la seva eficiència.

Què és la sincronització de les vàlvules del motor

Breument sobre el propi mecanisme de sincronització. El cigonyal a través d’una transmissió per corretja (en molts motors de combustió interna moderns s’instal·la una cadena en lloc d’una corretja de goma) està connectat a arbre de lleves. Quan el conductor arrenca el motor, l’arrencador arrenca el volant. Tots dos eixos comencen a girar de manera síncrona, però a diferents velocitats (bàsicament, en una volta de l’eix de lleves, el cigonyal fa dues revolucions).

Hi ha lleves especials en forma de gotes a l’eix de lleves. A mesura que l’estructura gira, la lleva empeny contra la tija de la vàlvula carregada de molla. La vàlvula s’obre, cosa que permet que la barreja d’aire / combustible entri al cilindre o exhauri l’escapament al col·lector d’escapament.

La fase de distribució de gas és precisament el moment en què la vàlvula comença a obrir l’entrada / sortida abans del moment en què es tanca completament. Cada enginyer que treballa en el desenvolupament d'una unitat de potència calcula quina ha de ser l'alçada d'obertura de la vàlvula, així com el temps que romandrà oberta.

Influència de la sincronització de les vàlvules en el funcionament del motor

Depenent del mode en què el motor funcioni, la distribució de gas hauria d’iniciar-se abans o després. Això afecta l'eficiència de la unitat, la seva economia i el parell màxim. Això es deu al fet que l’obertura / tancament oportú dels col·lectors d’admissió i d’escapament és clau per aprofitar al màxim l’energia alliberada durant la combustió de l’HVAC.

Si la vàlvula d’admissió comença a obrir-se en un moment diferent en què el pistó realitza la carrera d’admissió, es produirà un farciment desigual de la cavitat del cilindre amb una nova porció d’aire i el combustible es barrejarà pitjor, cosa que provocarà una combustió incompleta de la mescla.

Pel que fa a la vàlvula d’escapament, també s’ha d’obrir abans que el pistó arribi al punt mort inferior, però no més tard que després d’iniciar la carrera ascendent. En el primer cas, la compressió caurà i, amb ella, el motor perdrà potència. En el segon, els productes de combustió amb la vàlvula tancada crearan resistència al pistó, que ha començat a augmentar. Es tracta d’una càrrega addicional al mecanisme de manovella, que pot danyar algunes de les seves parts.

Per a un funcionament adequat de la unitat de potència, calen diferents temporitzacions de les vàlvules. Per a un mode, és necessari que les vàlvules s’obrin abans i es tanquin més tard i, per a d’altres, viceversa. El paràmetre de superposició també té una gran importància, ja sigui si les dues vàlvules s’obriran simultàniament.

La majoria dels motors estàndard tenen un temps fixat. Aquest motor, en funció del tipus d’arbre de lleves, tindrà la màxima eficiència ja sigui en mode esportiu o amb conducció mesurada a velocitats baixes.

Avui en dia, molts cotxes del segment mitjà i premium estan equipats amb motors, el sistema de distribució de gas dels quals pot canviar alguns paràmetres d’obertura de vàlvules, a causa dels quals hi ha un emplenament i ventilació d’alta qualitat dels cilindres a diferents velocitats del cigonyal.

A continuació s’explica com s’ha de fer el cronometratge a diferents velocitats del motor:

1. El ralentí requereix les anomenades fases estretes. Això vol dir que les vàlvules comencen a obrir-se més tard i, al contrari, el moment del tancament és precoç. No hi ha un estat obert simultani en aquest mode (les dues vàlvules no estaran obertes al mateix temps). Quan la rotació del cigonyal és poc important, quan les fases se superposen, els gasos d’escapament poden entrar al col·lector d’admissió i un determinat volum de VTS pot entrar-hi.
2. El mode més potent: requereix fases àmplies. Aquest és un mode en què, a causa de l’alta velocitat, les vàlvules tenen una posició oberta més curta. Això condueix al fet que durant la conducció esportiva, el farciment i la ventilació dels cilindres es realitzen malament. Per solucionar la situació, s’ha de canviar el temps de la vàlvula, és a dir, les vàlvules s’han d’obrir abans i la seva durada en aquesta posició ha d’augmentar.

A l’hora de desenvolupar el disseny de motors amb sincronització variable de les vàlvules, els enginyers tenen en compte la dependència del moment d’obertura de la vàlvula de la velocitat de l’eix del cigonyal. Aquests sistemes sofisticats permeten que el motor sigui el més versàtil possible per a diferents estils de conducció. Gràcies a aquest desenvolupament, la unitat mostra un ampli ventall de possibilitats:

• A revolucions baixes, el motor ha de ser filant;
• Quan augmenten les revolucions, no hauria de perdre energia;
• Independentment del mode en què funcioni el motor de combustió interna, l'estalvi de combustible i la compatibilitat amb el transport amb el medi ambient haurien de tenir el nivell més alt possible per a una unitat concreta.

Tots aquests paràmetres es poden canviar canviant el disseny dels arbres de lleves. No obstant això, en aquest cas, l'eficiència del motor només tindrà el seu límit en un mode. Què tal el motor pot canviar el perfil per si mateix en funció del nombre de revolucions del cigonyal?

Temporització variable de les vàlvules

La idea en si de canviar el temps d’obertura de la vàlvula durant el funcionament de la unitat de potència no és nova. Aquesta idea apareixia periòdicament en la ment dels enginyers que encara desenvolupaven màquines de vapor.

Per tant, un d’aquests desenvolupaments es va anomenar un engranatge de Stevenson. El mecanisme va canviar el temps d’entrada de vapor al cilindre de treball. El règim va ser anomenat "tall de vapor". Quan es va activar el mecanisme, es va redirigir la pressió en funció del disseny del vehicle. Per aquest motiu, a més del fum, les velles locomotores de vapor també emetien bufades de vapor quan el tren s’aturava.

El treball amb el canvi de temps de la vàlvula també es va dur a terme amb unitats d’avions. Per tant, un model experimental del motor V-8 de l’empresa Clerget-Blin amb una capacitat de 200 cavalls de potència podria canviar aquest paràmetre a causa del fet que el disseny del mecanisme incloïa un arbre de lleves lliscant.

I al motor Lycoming XR-7755, es van instal·lar arbres de lleves, en els quals hi havia dues lleves diferents per a cada vàlvula. El dispositiu tenia una unitat mecànica i va ser activat pel propi pilot. Podria escollir una de les dues opcions segons si necessitava agafar l’avió al cel, allunyar-se de la persecució o simplement volar econòmicament.

Pel que fa a la indústria de l’automòbil, els enginyers van començar a pensar en l’aplicació d’aquesta idea als anys vint del segle passat. El motiu va ser l’aparició de motors d’alta velocitat que s’instal·laven als cotxes esportius. L’increment de potència d’aquestes unitats tenia un cert límit, tot i que la unitat podia ser desenrotllada encara més. Per tal que el vehicle tingués més potència, al principi només es va augmentar el volum del motor.

El primer a introduir el temps de vàlvula variable va ser Lawrence Pomeroy, que va treballar com a dissenyador en cap per a la companyia automobilística Vauxhall. Va crear un motor en què s’instal·lava un eix de lleves especial al mecanisme de distribució de gas. Algunes de les seves càmeres tenien diversos conjunts de perfils.

El tipus H de 4.4 litres, segons la velocitat del cigonyal i la càrrega que experimentés, podria moure l’eix de lleves al llarg de l’eix longitudinal. A causa d'això, es va canviar el temps i l'alçada de les vàlvules. Com que aquesta part tenia limitacions en el moviment, el control de fase també tenia els seus límits.

Porsche també va participar en una idea similar. El 1959 es va emetre una patent per a les "lleves oscil·lants" de l'arbre de lleves. Aquest desenvolupament havia de canviar l'alçada de les vàlvules i, al mateix temps, el moment de la seva obertura. El desenvolupament es va mantenir en fase de projecte.

El primer mecanisme viable de control de sincronització de vàlvules va ser desenvolupat per Fiat. L'invent va ser desenvolupat per Giovanni Torazza a finals dels anys 60. El mecanisme feia servir impulsors hidràulics, que canviaven el punt de pivot de la puntera de la vàlvula. El dispositiu funcionava en funció de la velocitat del motor i de la pressió del col·lector d’admissió.

Tot i això, el primer cotxe de producció amb fases de GR variables va ser d’Alfa Romeo. El model Spider de 1980 va rebre un mecanisme electrònic que canvia de fases en funció dels modes de funcionament del motor de combustió interna.

Maneres de canviar la durada i l’amplada de la sincronització de la vàlvula

Avui en dia hi ha diversos tipus de mecanismes que canvien el moment, el temps i l’alçada de l’obertura de la vàlvula:

1. En el seu disseny més senzill, és un embragatge especial que s’instal·la a l’accionament del mecanisme de sincronització (canvi de fase). El control es duu a terme gràcies a l’efecte hidràulic sobre el mecanisme executiu i el control l’efectua l’electrònica. Quan el motor està al ralentí, l’arbre de lleves es troba a la seva posició original. Tan bon punt augmenten els revolucions, l'electrònica reacciona a aquest paràmetre i activa la hidràulica, que fa girar lleugerament l'arbre de lleves en relació amb la posició inicial. Gràcies a això, les vàlvules s’obren una mica abans, cosa que permet omplir ràpidament els cilindres amb una nova porció de BTC.
2. Canvi del perfil de la càmera. Es tracta d’un desenvolupament que els automobilistes utilitzen des de fa molt de temps. La instal·lació d’un arbre de lleves amb lleves no estàndard pot fer que la unitat funcioni més eficientment a rpm més altes. No obstant això, aquestes actualitzacions han de ser realitzades per un mecànic coneixedor, que comporta molts residus. En els motors amb el sistema VVTL-i, els arbres de lleves tenen diversos conjunts de lleves amb perfils diferents. Quan el motor de combustió interna està al ralentí, els elements estàndard compleixen la seva funció. Tan aviat com l'indicador de velocitat de l'arbre de cigonyal passa de la marca de 6, l'arbre de lleves canvia lleugerament, a causa del qual entra en funcionament un altre conjunt de lleves. Un procés similar es produeix quan el motor gira fins a 8.5 mil i el tercer conjunt de lleves comença a funcionar, cosa que fa que les fases siguin encara més àmplies.
3. Canvi en l'alçada d'obertura de la vàlvula. Aquest desenvolupament permet canviar simultàniament els modes de funcionament de la sincronització, així com excloure la vàlvula d’acceleració. En aquests mecanismes, prémer el pedal de l’accelerador activa un dispositiu mecànic que influeix en la força d’obertura de les vàlvules d’admissió. Aquest sistema redueix el consum de combustible aproximadament un 15 per cent i augmenta la potència de la unitat en la mateixa quantitat. En motors més moderns, no s’utilitza un analògic mecànic, sinó electromagnètic. L'avantatge de la segona opció és que l'electrònica és capaç de canviar els modes d'obertura de la vàlvula de manera més eficient i suau. L’alçada de l’elevació pot ser gairebé ideal i els horaris d’obertura poden ser més amplis que amb les versions anteriors. Aquest desenvolupament per estalviar combustible pot fins i tot apagar alguns cilindres (no obriu algunes vàlvules). Aquests motors activen el sistema quan l’automòbil s’atura, però no cal apagar el motor de combustió interna (per exemple, en un semàfor) o quan el conductor alenteix el cotxe amb el motor de combustió interna.

Per què canviar el temps de la vàlvula?

L'ús de mecanismes que canvien el temps de la vàlvula permeten:

• És més eficient utilitzar el recurs de la unitat de potència en diferents modes de funcionament;
• Augmenteu la potència sense necessitat d’instal·lar un arbre de lleves personalitzat;
• Fer que el vehicle sigui més econòmic;
• Proporcioneu un emplenament i ventilació eficaços dels cilindres a velocitats elevades;
• Augmenteu el transport mediambiental gràcies a una combustió més eficient de la barreja aire-combustible.

Atès que els diferents modes de funcionament del motor de combustió interna requereixen els seus propis paràmetres de sincronització de la vàlvula, utilitzant els mecanismes per canviar el FGR, la màquina pot correspondre als paràmetres ideals de potència, parell, compatibilitat amb el medi ambient i economia. L'únic problema que cap fabricant pot resoldre fins ara és l'elevat cost del dispositiu. En comparació amb un motor estàndard, un analògic equipat amb un mecanisme similar costarà gairebé el doble.

Alguns automobilistes utilitzen sistemes de sincronització de vàlvules variables per augmentar la potència del cotxe. No obstant això, amb l'ajuda d'una corretja dentada modificada, és impossible treure el màxim de la unitat. Llegiu sobre altres possibilitats aquí.

En conclusió, oferim una petita ajuda visual sobre el funcionament del sistema de sincronització de vàlvules variables:

Sistema de sincronització de vàlvules variables amb l'exemple de CVVT

Preguntes i respostes:

Quina és la temporització de la vàlvula? És el moment en què la vàlvula (entrada o sortida) s'obre/tanca. Aquest terme s'expressa en graus de rotació del cigonyal del motor.

ЧQuè afecta el temps de la vàlvula? La temporització de la vàlvula es veu afectada pel mode de funcionament del motor. Si no hi ha canvi de fase en el temps, només s'aconsegueix l'efecte màxim en un determinat rang de revolucions del motor.

Per a què serveix el diagrama de temps de la vàlvula? Aquest diagrama mostra amb quina eficàcia es produeix l'ompliment, la combustió i la neteja dels cilindres a un rang específic de RPM. Permet seleccionar correctament la temporització de la vàlvula.