Sistema de Distribución

1. OBJETIVO

El sistema de distribución regula la entrada y salida de los gases en el cilindro, abriendo y cerrando las válvulas de admisión y escape de forma sincronizada con el cigüeñal.

2. COMPONENTES

Los elementos que constituyen la distribución son los siguientes:

• Árbol de Levas
• Taques
• Balancines
• Válvulas
• Resortes de Válvulas
• Mandos de la Distribución

3. DESCRIPCIÓN

3.1 ARBOL DE LEVAS

El árbol de levas o eje de levas es el órgano del motor que controla la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y de escape. Está constituido por un eje de acero al carbono forjado y cementado en el que están mecanizadas las levas para la apertura de las válvulas y otras para dar movimiento a otros órganos. El árbol de levas recibe movimiento desde el cigüeñal.

1. Excéntricas.

2. Soportes.

Las levas o excéntricas provocan un movimiento oscilatorio del elemento causante de la apertura de la válvula. El elemento que provoca la apertura de la válvula, cuando está sujeta a un movimiento rectilíneo de traslación, recibe el nombre de Taque.

Perfil de la excéntrica de un árbol de levas

El perfil de la leva determina el momento de las aperturas de las válvulas, los tiempos de apertura y la elevación de las mismas.

Los perfiles de las levas para las válvulas de admisión suelen ser distintos a los de las levas para el escape. El perfil de la leva se divide en tres partes:

• Un trazo circular que se define como zona de reposo que corresponde al cierre de la válvula (que hace parte del círculo base).
• Un trazo circular de radio más pequeño, llamado cabeza de la leva, que corresponde a la zona de máxima apertura.
• Dos trazos rectilíneos o curvilíneos tangentes a los dos círculos anteriores (base-apertura máxima), llamados flancos de la leva que corresponden respectivamente a la elevación y al descenso de la válvula (apertura-cierre de la válvula).

La zona de reposo está disminuida de un determinado valor para permitir un cierto juego de funcionamiento entre la válvula y el taque, aún cuando se produzca la dilatación de esta zona debido a las temperaturas de funcionamiento.

Zonas del perfil de una leva

La elevación y los tiempos de apertura de la válvula definidos por el perfil y la dimensión de la leva.

Teóricamente, se obtiene el máximo resultado si se consigue abrir y cerrar instantáneamente las válvulas y se mantienen en posición de elevación máxima durante todo el período de admisión y escape del motor.

El movimiento de apertura y cierre de las válvulas se realiza empujando el vástago de la válvula con la fuerza suficiente como para vencer la acción del muelle, gracias a los cuales, cuando deja de haber empuje, vuelven otra vez a su posición de cierre.

 

1 -2 Aceleración positiva.

2 -3 Aceleración negativa.

3 -4 Aceleración positiva.

4 -5 Aceleración negativa.

3.2 TAQUES

 

Taqué hidráulico: fase de descarga

Cuando la leva del árbol actúa sobre el vaso (1) y por consiguiente sobre el émbolo (2), el aceite atrapado en la cámara (6), al cerrarse la válvula de bola (4), transmite el movimiento del émbolo (2) directamente al manguito (3) y por consiguiente a la válvula. En esta fase, debido a la alta presión a la que está sometido, parte del aceite presente en la cámara (6), se filtra a través de una lumbrera mínima existente entre el émbolo (2) y el manguito (3).

En la fase de cierre de la válvula, para que el empujador, debido a la acción del muelle (5), siga el perfil de la leva, se crea una depresión en el interior de la cámara (6) que provoca la apertura de la válvula de bola (4), permitiendo la entrada de aceite. El aceite que entra en la cámara (6) sustituye el que se filtra en la fase anterior de apertura de la válvula.

 

Taqué hidráulico: fase de carga

Por lo visto hasta aquí, se comprende que al accionar la leva o el balancín sobre el empujador, por la propiedad de incomprensibilidad de los líquidos, el aceite actúa de transmisor del movimiento ya que éste no puede fluir hacia el exterior por la acción de la válvula de retención. Las dilataciones térmicas del sistema quedan compensadas mediante las fugas de aceite estrictamente calculadas entre el pistón y el cuerpo del empujador.

Cuando el empujador va montado directamente sobre la cola de la válvula, por el mayor peso de éste respecto a un empujador normal, se limita el número máximo de r.p.m. del motor al tener el empujador hidráulico mayores inercias.

3.3 BALANCINES

Tienen la misión de transformar el movimiento lineal del empujador o en su caso circular de la leva, en un movimiento oscilatorio con el que acciona directamente la válvula. Están construidos generalmente en acero o aleación de aluminio. En uno de sus extremos normalmente existe un dispositivo que permite la regulación del juego de las válvulas.

El eje de balancines que suele ser hueco y cerrado en sus extremos, lleva una serie de orificios que coinciden con los cojinetes o rodamientos de los balancines, por los que sale el aceite de lubricación.

Eje de balancines

3.4 VALVULAS

Las válvulas de los motores de combustión interna son los órganos que controlan la admisión y el escape de los gases en la cámara de combustión mediante su apertura y cierre. Están dotadas de un movimiento alternativo, abriéndose hacia el interior de la cámara de combustión. La estanqueidad del cierre se ve favorecida por la presión de los gases en la cámara de combustión que inciden en ellas.

Las válvulas de los motores de combustión interna son los órganos que controlan la admisión y el escape de los gases en la cámara de combustión mediante su apertura y cierre. Están dotadas de un movimiento alternativo, abriéndose hacia el interior de la cámara de combustión. La estanqueidad del cierre se ve favorecida por la presión de los gases en la cámara de combustión que inciden en ellas.

La cabeza es solidaria al vástago o cola de la válvula con un amplio radio de unión para reducir el efecto de entalladura y del mismo modo facilitar el flujo de calor hacia el propio vástago. Este último elemento es cilíndrico y sirve para guiar el movimiento y transmitir a la cabeza la carga del muelle de retorno, por medio de los semiconos.

1. Semiconos.

2. Platillo superior.

3. Muelle.

4. Platillo inferior.

Las válvulas durante su funcionamiento están sometidas a unas solicitaciones térmicas muy elevadas, debiendo soportar las temperaturas generadas durante la combustión y una temperatura media de trabajo de unos 700º a 800º C en la válvula de escape y de unos 200º a 300º C en la válvula de admisión. Las válvulas de admisión se fabrican generalmente de acero al cromo-silicio y las de el escape de acero al cromo - níquel que es un material más resistente al calor. Los asientos de las válvulas se recubren con estelita que es una aleación de cobalto y cromo, para aumentar su resistencia al desgaste. En los motores de altas prestaciones las válvulas de escape, con el fin de mejorar su refrigeración, se fabrican huecas y se rellenan de sodio.

Gracias a la buena conductibilidad térmica del sodio se consigue que el calor de la cabeza de la válvula se evacue mejor por el vástago, evitando de este modo puntos calientes en la cámara de explosión obteniendo así una reducción de la solicitación térmica.

Las válvulas se refrigeran mucho mejor si su diámetro es reducido (al ser menor la superficie expuesta a los gases de escape en relación a la superficie de contacto con su asiento) y si la longitud de la guía y el diámetro del vástago son mayores (al ser mayor la superficie de transmisión de calor).

Esta es una de las razones por la que las válvulas de escape son de menor diámetro que las de admisión. Por ello es mejor utilizar dos válvulas de escape que una sola de diámetro mayor.

El calor que la válvula recibe de los gases calientes se disipa en un 75% por el asiento y el 25% restante por la guía.

3.4.1 DOS VÁLVULAS POR CILINDRO

Las válvulas se alinean si el árbol de levas está situado en el bloque, si está en la culata, las válvulas pueden alinearse, si la distribución es con un sólo eje o disponerlas en V, si la distribución es con un árbol con balancines, o con dos árboles.

 

3.4.2 TRES VÁLVULAS POR CILINDRO

Permite un mejor rendimiento volumétrico a altos regímenes de rotación, con un coste intermedio entre las dos y las cuatro válvulas por cilindro. La distribución puede ser con dos árboles o con uno sólo con balancines.

 

3.4.3 CUATRO VÁLVULAS POR CILINDRO

Es la solución que más se está utilizando en los motores de elevadas prestaciones y de reciente producción. Permite elevados rendimientos volumétricos y elevados regímenes de rotación, pero la potencia a bajos regímenes es peor. Este problema se reduce utilizando colectores modulares (longitud y capacidad variables) y variadores de fase. Es más costoso que los anteriores.

3.4.4 CINCO VÁLVULAS POR CILINDRO

Es una solución muy poco utilizada, que prima los elevados rendimientos volumétricos, pero con costes muy altos. Esta solución se utiliza en algunos motores de competición de Formula 1. En la culata de cinco válvulas la distribución es siempre de dos árboles; de las tres válvulas de admisión, la central está menos inclinada que las laterales, para que puedan controlarse con el mismo eje. Es evidente en este caso la ventaja de usar empujadores hidráulicos.

3.5 RESORTES DE VÁLVULAS

El resorte o muelle es un elemento mecánico que puede almacenar energía debido a las propiedades elásticas del material con el que ha sido fabricado.

Cualquiera que sea la forma y material del muelle, su comportamiento se pone de relieve con su curva característica, que expresa la relación entre la carga aplicada al muelle y la deformación que ésta le produce.

Tienen la misión de cerrar las válvulas y de mantenerlas cerradas mientras la leva no las abra. Tienen que ser lo suficientemente fuertes para que el cierre se realice lo antes posible y se eviten los rebotes de válvulas. Si por el contrario son extremadamente fuertes, las válvulas tenderán a clavarse sobre sus asientos.

Los muelles empleados para las válvulas son de tipo helicoidal y se montan con una cierta carga.

Están construidos, dadas las altas solicitaciones mecánicas a las que están sometidos, con aceros especiales de alta calidad. Los muelles de las válvulas se suelen pulimentar con el fin de eliminarles las estrías, que podrían provocarles la rotura por fatiga.

En los tramos donde la aceleración es positiva, es decir el empujador aumenta su velocidad, la inercia se opone a este movimiento, y se suma por lo tanto a la carga del muelle, que empieza a comprimirse.

Viceversa, donde la aceleración es negativa, el empujador reduce su velocidad, la inercia favorece el movimiento del empujador. Esta fuerza debe ser menor de la carga del muelle que debe mantener en contacto el empujador con la excéntrica.

Por lo tanto hay que dimensionar el muelle válvula para la velocidad máxima de rotación del motor, ya que la inercia varía con el cuadrado de la velocidad angular, y por lo tanto aumenta al aumentar la misma, mientras la carga del muelle, al ser proporcional a la compresión, permanece constante para una determinada elevación de la válvula.

En motores que giran a un alto número de r.p.m., las rápidas variaciones de aceleración impuestas por la leva provocan, debido a la elasticidad y resonancia de los muelles junto con las masas en movimiento, que las válvulas entren en flotación (rebote de válvulas) impidiéndose el cierre en el momento preestablecido por el diagrama de distribución, o incluso que la válvula toque la cabeza del pistón a regímenes elevados de revoluciones del motor.

Para evitar este fenómeno, concéntricamente al muelle se monta un segundo muelle más delgado pero con el arrollamiento en sentido opuesto, para que las vibraciones opuestas producidas por él, absorban las vibraciones del muelle principal, evitando de este modo que las válvulas entren así en flotación.

3.6 MANDOS DE LA DISTRIBUCIÓN

El sistema de mando de la distribución depende esencialmente de la situación del árbol de levas, de la posibilidad constructiva y del espacio físico. Los sistemas utilizados en los motores son:

De engranajes.

De cadena.

De correa dentada.

3.6.1 POR ENGRANAJES

En los sistemas de engranajes se utiliza siempre un piñón solidario al cigüeñal y como mínimo otro solidario al árbol de levas que tiene doble número de dientes que el del cigüeñal. También se puede emplear una cadena cinemática de engranajes, esta a veces se utiliza para dar movimiento a diferentes órganos auxiliares (bomba de aceite, bomba de la servo-dirección, bomba inyectora de motores Diesel, etc.).

Para conseguir mayor uniformidad y menor rumorosidad en el funcionamiento, el dentado de los piñones es helicoidal, incluso para disminuir aún más la rumorosidad pueden montarse fabricados en fibras sintéticas, siempre que el par a transmitir no sea muy elevado.

3.6.2 POR CADENA

El sistema de mando de la distribución por cadena de rodillos se utiliza para transmitir el movimiento al árbol de levas, por adaptarse mejor al espacio físico del motor además de poder accionar varios órganos auxiliares a la vez. Cuando la longitud de la cadena es relativamente larga se acopla un tensor para mantener constante la tensión de funcionamiento. La cadena se tensa mediante un muelle regulable o mediante la presión del lubricante (tensor hidráulico).

La elasticidad propia de la cadena y la película de aceite lubricante tienden a absorber golpes y vibraciones. La carga se reparte sobre varios dientes del piñón, lo que supone un menor desgaste.

La cadena puede ser de doble fila (cadena duplex) o del tipo silenciosa (cadena morse).

3.6.3 POR CORREA

Las correas de la distribución fueron introducidas por su mayor simplicidad de construcción y por el reducido ruido de funcionamiento.

Están fabricadas con neopreno estampado con refuerzo interior de fibras y recubiertas con un tejido resistente al rozamiento. Las fibras garantizan la estabilidad longitudinal, el neopreno constituye la parte elástica del dentado, mientras que el recubrimiento sirve para proteger la correa.

Existen de dentado simple o de doble dentado, si la parte dorsal de la correa controla determinados accesorios del motor.

También en este sistema, se montan tensores para mantener la correa a la tensión adecuada durante su funcionamiento, la tensión de éstos puede ser controlada por un dinamómetro, por muelles tarados (siendo estos dos sistemas bloqueados en el montaje de la correa) o por la presión de aceite del circuito de engrase del motor.

4. CLASES DE SISTEMAS

Según la distribución utilizada la forma constructiva de los motores cambia. Hay tres tipos de distribuciones: DOHC, OHC y OHV.

4.1 SISTEMA OHV

El sistema OHV (OverHead Valve): se distingue por tener el árbol de levas en el bloque motor y las válvulas dispuestas en la culata. La ventaja de este sistema es que la transmisión de movimiento del cigüeñal al 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 (reglaje de taques).

4.2 SISTEMA OHC

El sistema OHC (OverHead Cam): se distingue 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.

4.3 SISTEMA DOHC

D significa Double es decir doble árbol de levas, utilizado en motores con 3, 4 y 5 válvulas por cilindro.

5. REVICIÓN TECNICA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

5.1 ARBOL DE LEVAS

1. Tornillos de fijación de los sombreretes.

2. Tubería de lubricación.

3. Sombreretes de árbol de levas.

4. Árbol de levas.

5. Retén de aceite delantero de árbol de levas.

CONTROL DE JUEGO AXIAL

Antes de desmontar el árbol de levas del conjunto de la culata, es posible ejecutar la verificación del juego axial.

Juego axial de árbol de levas [mm].

0.10 - 0.23

CONTROL DE DIÁMETRO DE APOYOS DEL ÁRBOLES DE LEVAS

Con el instrumento adecuado es posible medir el diámetro de los apoyos para verificar desgastes. Tolerancia prevista (0.03÷0.07mm).

CONTROL DE LEVANTAMIENTO NOMINAL DE LAS LEVAS (ALZADA)

Montando el comparador como se indica en figura es posible medir el levantamiento nominal de las excéntricas. En caso de levantamiento fuera tolerancia cambiar el árbol de levas.

CONTROL DE DIÁMETRO EXTERIOR DE TAQUÉS

Utilizando el micrómetro medir el diámetro exterior de los taqués.

CONTROL DE DIÁMETRO DEL VÁSTAGO DE LAS VÁLVULAS

Antes de controlar cualquier parámetro dimensional de las válvulas siempre es buena norma ejecutar una desincrustación para eliminar el depósito de carbonilla. Después de haber controlado que las válvulas no presentan rayados o signos de gripado es posible controlar las características dimensionales.

 

VERIFICACIÓN

Después de la rectificación controlar que el espesor X indicado en figura no sea inferior a 1mm, en caso contrario será necesario sustituir la válvula.

CONTROL DE LONGITUD DEL MUELLE

La longitud de los muelles con y sin carga tiene que estar en los límites de tolerancia previstos.

 

Longitud libre de resorte [mm] 53.9

Carga [daN] 36.7 - 39.7 56 - 61
Longitud de los muelles cargados [mm]
36 - 26.5

CONTROL Y RECUPERACIÓN DE JUEGO DE VÁLVULAS

Con un calibre de espesor ( 1 ) y a motor frío es posible controlar si el juego de válvulas está dentro de la tolerancia prevista. En caso de necesidad será necesario, con el auxilio del útil (2 ), bajar el taqué y sustituir la pastilla de regulación de juego (3) con una de espesor idóneo.



7. INNOVACIONES TECNOLÓGICAS

Cuanto mayor es la cantidad de aire que penetra en el cilindro, mayor será la potencia que desarrolla el motor, por eso es fundamental el sistema de distribución que es el encargado regular los tiempos del funcionamiento del motor. La distribución (respiración) del motor va estar controlada por el árbol de levas que es el elemento fundamental junto con las válvulas.

Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que las válvulas abren y cierran mucho más deprisa. 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.

7.1 V-TEC DE HONDA

El objetivo del V-TEC son leyes creadas a medida para la apertura de las válvulas para regímenes de revoluciones diferentes. Para un número 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 número de revoluciones superior, los tiempos de apertura mas largos y una carrera de válvula más grande intensifican la respiración del motor, lo cual, a su vez, tienen 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 más largos y la carrera de la leva más 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.

Resumiendo el sistema de distribución variable empleado por Honda en sus automóviles se basa en una tercera leva en cada cilindro que entra en funcionamiento a altas revoluciones.

7.2 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.