La distribución variable y la sincronización de los tiempos del motor

El control de la sincronización entre los movimientos de árbol de levas, cigüeñal y los tiempos de apertura de las válvulas propician una combustión más eficiente y un mayor rendimiento del motor.

Sin embargo, las mejoras de los sistemas de sincronización implementadas en los motores de última generación no se han visto reflejadas en un aumento de potencia, sino que se han limitado a minimizar los efectos perniciosos que los restrictivos sistemas anticontaminación infringen en forma de una merma en el rendimiento y de un aumento de consumo de combustible.

El motor de Cuatro tiempos

Durante los primeros años del desarrollo del motor de ciclo Otto de cuatro tiempos, los fabricantes se toparon con dos factores limitantes del rendimiento:

• Una limitación física: es sabido que el rendimiento de la combustión mejora al aumentar de compresión de la mezcla aire-combustible, pero no se puede incrementar indefinidamente. El aumento de temperatura que se produce puede provocar el fenómeno de autoencendido si la presión supera un valor determinado.
• Una limitación en el diseño interno: los componentes de la distribución cumplen escrupulosamente del ciclo teórico, es decir, la apertura y cierre de las válvulas se iniciaban y concluían antes de traspasar los puntos muertos superior PMS e inferior PMI, sin solapar los tiempos del motor.

El factor limitante del diseño del ciclo teórico dificultaba la entrada de mezcla y la salida de gases quemados, lo que hizo palpable la necesidad de mejorar la sincronización entre las válvulas y los pistones para mejorar el rendimiento. Para conseguirlo, se introdujeron mejoras en el diseño funcional que dieron forma a un nuevo diagrama de distribución conocido como ciclo real:

• Avance de la apertura de escape AAE: durante la fase de explosión, la apertura de la válvula de escape se adelanta unos grados a la llegada del pistón al PMI para aprovechar la inercia de salida de los gases de escape.
• Avance de la apertura de admisión AAA: en el último tercio de la fase de escape, durante el movimiento ascendente del pistón al punto muerto, la apertura de la válvula de admisión se adelanta unos grados a la llegada al PMS, para que la succión provocada por la salida a gran velocidad de los gases quemados facilite la entrada de la mezcla aire-combustible por la válvula de admisión.
• Retraso al cierre de escape RCE: se utiliza el mismo efecto de succión provocado por la velocidad de evacuación de los gases de escape para retrasar el cierre de la válvula de escape después del paso por el PMS, para evitar de este modo que gases residuales puedan quedar en el interior del cilindro, impidiento la entrada de la mezcla.
• Retraso al cierre de admisión RCA: con objeto de aprovechar la inercia de la mezcla, la entrada de aire-combustible en el cilindro se sigue produciendo al retrasar el cierre de la válvula de admisión respecto al punto muerto inferior PMI, que permanece abierta incluso un tiempo después de que el pistón haya iniciado su carrera ascendente.
• El cruce de válvulas: es el tiempo que transcurre desde la apertura de la válvula de admisión hasta el cierre de la válvula de escape, en el que ambas permanecen abiertas para que la salida de los gases de escape facilite la entrada de la mezcla.

Así son los sistemas de distribución

Los sistemas pioneros de distribución, como el accionado por válvula rotativa, evolucionaron siguiendo esta premisa de diseño hasta la aparición de la distribución por árbol de levas y válvulas laterales en el bloque. Unos años después se popularizó el que, durante décadas, fue el sistema más utilizado: la distribución por varillas y balancines, cuyo accionamiento de mando se realizaba todavía desde un árbol de levas situado en el bloque.

En los 70, el árbol de levas también cambió su posición del bloque a la culata. El sistema de distribución con el árbol de levas en cabeza, simple o doble, con dos válvulas por cilindro o cuatro, con taqués mecánicos o hidráulicos, accionado por árbol de reenvío, cadena o correa dentada, se convirtió en el sistema más utilizado hasta la fecha.

En el caso de los motores los motores diésel, en cuyo diagrama de distribución apenas se aplica el cruce de válvulas debido a las necesidad de conseguir una elevada compresión, el correcto estado de la distribución es imperativo para conseguir un doble objetivo: por un lado, para evitar el choque entre elementos móviles que podría producirse si se diera una pequeña desviación en el calado, dado lo ajustado de las distancias, y por otro lado, para asegurar la sincronización del movimiento entre pistones, válvulas y avance de la bomba de alta presión que propicie un rendimiento eficiente del motor.

A pesar de las evidentes mejoras en el rendimiento que se obtuvieron de los avances y retrasos en la apertura de las válvulas del ciclo real en los motores de gasolina, se impuso la necesidad de adoptar una solución de compromiso en el diseño del diagrama de distribución debido a la siguiente limitación estructural: un excesivo cruce de válvulas provocaba un funcionamiento muy eficaz a elevadas revoluciones del motor a cambio de un funcionamiento muy irregular a bajo régimen, mientras que un pequeño cruce de levas limitaba la entrada de mezcla a alto régimen.

¿Qué es el variador de fase de distribución de motor?

La aparición a mediados de los 80 del variador de fase de distribución, también conocido como mecanismo de distribución variable, permitió subsanar en gran parte esta limitación técnica. Desde entonces, cada grupo de fabricantes desarrolló un sistema de distribución variable de diferentes características, aunque con resultados similares, entre los que se encuentran el sistema de variador de fase de Alfa Romeo-Grupo Fiat, el Vanos de BMW, el VTEC de Honda...

En sus primeras aplicaciones, el sistema de distribución variable estaba compuesto por un actuador centrífugo en la polea del árbol de levas, el cual producía un decalaje en las válvulas respecto del cigüeñal tanto mayor cuanto más elevado era el régimen del motor. Durante la revolución electrónica de los motores, el sistema centrífugo fue sustituido un actuador electrohidráulico, comandado por la unidad de control, que variaba el paso del aceite a presión del circuito lubricante hacia el actuador de avance, posibilitando un cruce de levas variable en función de las condiciones de funcionamiento.

A mediados de los 90, los sistemas de distribución variable mejoraron la precisión del control de fase al sustituir el variador simple en el árbol de levas de admisión por el doble variador en admisión y escape. La electrónica aumentó de velocidad de procesado y se incluyó un segundo sensor de posición en el árbol de levas de escape.

La función de la distribución variable se ha visto complementada en las últimas generaciones por la aparición de sistemas de alzada variable de las válvulas como el Multiair o Valvetronic, los cuales permiten adecuar el volumen entrada de aire a las condiciones de carga y velocidad de giro del motor, posibilitando una mayor eficiencia de la combustión y una reducción del consumo a cargas parciales.

Gestión electrónica

La implantación de la gestión electrónica en la bomba de alta presión en los motores diésel a principios de los 90 supuso los inicios del control de la sincronización mediante la utilización sensores de la posición del árbol de levas y cigüeñal, así como del momento de inyección con el sensor de alzada de aguja-inyector pilotado. Con estas informaciones, la unidad de control motor disponía de los datos necesarios para ajustar inicio de inyección a los valores especificados mediante la activación modulada de la electroválvula de avance.

La importancia de la correcta gestión de la sincronización de los motores diésel no ha hecho sino aumentar en los últimos años: en los modelos que incorporan el sistema de inyector-bomba, en el que accionamiento de mando lo realiza el árbol de levas, el correcto calado de la distribución es especialmente importante debido al escaso margen de la regulación electrónica del avance; por su parte, la influencia del calado en el sistemas de raíl común es tal, que la gestión eléctrónica considera al estado de sincronización como uno de los parámetros que establece las condiciones para el arranque del motor, de cuyo cumplimiento depende la autorización para la puesta en marcha.

En los siguientes enlaces se facilitan algunos de los ejemplos de avería-tipo más representativos del sistema de sincronización del motor, extraídos de la actividad diaria de asistencia y documentación de la plataforma https://www.averiasresueltas.com:

• https://www.averiasresueltas.com/tirones-en-el-funcionamiento-del-motor/
• https://www.averiasresueltas.com/el-motor-tarda-en-arrancar/
• https://www.averiasresueltas.com/valor-de-posicion-no-plausible-del-arbol-de-levas-de-admision/

Dado el creciente nivel de exigencia de las normativas europeas anticontaminación, especialmente en lo relativo la limitación de óxidos de nitrógeno NOx, los fabricantes se han visto obligados a incorporar el sistema de distribución variable en algunos de motores diésel de última generación, a pesar de las limitaciones intrínsecas de diseño que en éstos impiden un gran cruce de válvulas. La adaptación de los tiempos de distribución posibilita en los motores diesel una mayor turbulencia espiroidal en el cilindro del aire aspirado, para una mejor formación de la mezcla.

En los próximos años, las mejoras implementadas en la función de sincronización, en combinación con los sistemas de sobrealimentación, inyección directa y la propulsión híbrida, posibilitarán una combustión cada vez más eficiente que, sin embargo, no se verá reflejada en un aumento de potencia debido a los efectos perniciosos en el rendimiento y en el consumo que infringen unos sistemas anticontaminación cada vez más restrictivos.