¿Qué es la distribución variable y para qué sirve? Vanos, Valvetronic, Variocam, MultiAir, VTEC… conoce cómo funcionan

Vanos, Bi-Vanos, Valvetronic, VTEC, MultiAir o Variocam, son términos que habrás escuchado más de una vez pero, ¿sabes realmente a qué tecnología dan nombre y por qué son tan importantes? Todos ellos son denominaciones de distintos sistemas de distribución variable que cambian, como su propio nombre indica, el diagrama de distribución según el régimen de giro del motor para conseguir una mayor potencia y un menor consumo.

¿Qué es el diagrama de la distribución?

El diagrama de la distribución es básicamente la relación de posición que guardan las válvulas con respecto al cigüeñal, o dicho de otra forma, tanto las válvulas de admisión como de escape deben de estar perfectamente sincronizadas con el pistón, para que se abran en el momento adecuado y se cierren cuando toca. Estas relaciones se representan en un diagrama circular que toma como sistema de referencia el ángulo de giro del cigüeñal, representándose el P.M.S. (punto muerto superior) a las doce y el P.M.I. (punto muerto inferior) a las seis, de forma que dos vueltas completas a este diagrama corresponden a un ciclo completo (admisión, compresión, explosión-expansión y escape).

El diagrama de la distribución puede definirse como la posición que guardan las válvulas con respecto a la del cigüeñal

Un poco antes de que el pistón llegue al P.M.S. comienza a abrirse la válvula de admisión (AAA – Adelanto Apertura Admisión) para asegurar que en el punto donde el pistón alcanza su máxima velocidad durante la carrera descendente de admisión la válvula está totalmente abierta, consiguiendo así que entre la mayor cantidad de aire posible. Posteriormente esta válvula permanece abierta durante el inicio de la compresión para que siga entrando más aire aprovechando la inercia del mismo durante la admisión (RCA – Retraso Cierre Admisión). El pistón sube comprimiendo la mezcla hasta que un poco antes del P.M.S., momento en el que salta la chispa que inicia la explosión (avance del encendido – AE) y comienza la carrera de trabajo o expansión hacia el P.M.I. En esta carrera, poco antes de llegar al P.M.I se abre la válvula de escape (AAE – Adelanto Apertura Escape) para que en la carrera de escape hacia el P.M.S. esté totalmente abierta y los gases salgan con total facilidad, evitando así pérdidas de potencia por bombeo (si la válvula no está totalmente abierta el motor tiene que invertir cierta cantidad de potencia en empujar ese aire al exterior). Finalmente, la válvula de escape permanece abierta un intervalo mientras empieza la admisión (RCE – Retraso Cierre Escape), ya que la salida de los gases de escape crean un vacío que facilita la entrada de aire (es el mismo efecto que al beber usando una pajita).

El cruce de válvulas, uno de los parámetros más importantes de la distribución, es el intervalo en el que permanecen abiertas tanto las válvulas de admisión como de escape.

De la explicación anterior se deduce que hay un cierto intervalo en el cual permanecen abiertas tanto la válvula de escape como la de admisión. Este intervalo (que se mide en ángulos del famoso diagrama de distribución) se denomina cruce de válvulas, y en los motores de calle suele ser de unos 20°, mientras que en los de competición ese intervalo crece hasta los 60 u 80°, o incluso más. Este cruce se puede apreciar mejor en la gráfica adjunta, donde el eje X representa el ángulo del cigüeñal y el eje Y la apertura de la válvula, que se denomina alzada. La forma y posición de estas curvas son función del perfil de la leva y de la posición relativa del eje de levas respecto del cigüeñal.

La importancia de la distribución variable

Llegados a este punto ya sabemos cómo es el diagrama de la distribución y cómo se abren las válvulas, pero ¿por qué es importante que este diagrama cambie en función del régimen? Pues bien, a medida que aumenta el ritmo el motor demanda más aire, por lo que se hace necesario que ese adelanto y retraso de la válvula de apertura sea mayor (en definitiva, un mayor cruce de válvulas). De esta forma el espacio (intervalo angular) es mayor, compensando así la mayor velocidad de giro y dando lugar a un intervalo de apertura similar en tiempo. Dicho en menos palabras, le da tiempo al motor para respirar.

La distribución variable permite que entre más aire a altos regímenes, mejorando así el rendimiento.

Para conseguir ese efecto anterior se puede actuar de dos formas distintas (o a la vez), mediante un convertidor de fase que desplaza las curvas de alzada de las válvulas (cambia valores de adelanto de apertura y retraso de cierre) o mediante alzada variable, que cambia cuánto abre la válvula (modifica la altura de esas curvas).

En cuanto a los convertidores de fase podemos encontrar la tecnología VANOS y Bi-VANOS de BMW, el Variocam de Porsche o los motores TwinSpark de Alfa Romeo, aunque la denominación de estos últimos se debe a que usan dos bujías por cilindro. En cuanto a la alzada variable nos encontramos con el Valvetronic de BMW, el VTEC de Honda o el VVTI-i de Toyota. En general todos los convertidores de fase tienen el mismo principio, al igual que todas las formas de obtener una alzada variable también tienen la misma idea, pero cada marca ha desarrollado su propio sistema con ciertas diferencias entre ellos para así no incumplir la legislación en patentes y todo lo que ello conlleva, ni tener que pagar a otra por usar su tecnología.

Convertidor de fase: VANOS, Bi-VANOS o Variocam

El funcionamiento de todos los convertidores de fase se basan en cambiar la posición relativa del árbol de levas respecto del cigüeñal, es decir, éste gira un poquito más o un poquito menos (entre 20 y 40° de cigüeñal) respecto a su posición inicial de calado de distribución. Para ello, como sucede en el caso del sistema VANOS, básicamente podemos decir que hay un rotor externo que gira arrastrado por el cigüeñal, y otro interno solidario al árbol de levas. Así, una electroválvula comandada por la centralita introduce aceite a presión consiguiendo este giro relativo.

Para poder contar con este sistema es necesario que el motor disponga de doble árbol de levas (DOHC), ya que en caso contrario esta variación afectaría por igual tanto a las de admisión como escape y no se modificaría ese cruce de válvulas que se requiere que sea mayor a altas revoluciones. Por otro lado, se ha comprobado en la práctica que la efectividad que se consigue actuando en las válvulas de escape es prácticamente despreciable, por lo que solo se instala este dispositivo en las de admisión. Sin embargo, BMW pasó del sistema VANOS que actúa sobre admisión al Bi-VANOS que actúa en ambos.

El convertidor de fase adelanta la apertura de la admisión, consiguiendo un cruce de válvulas mayor.

En cuanto a Porche, ideó el sistema Variocam que funciona de forma diferente. Para ello ambos árboles de levas están unidos por una cadena y un actuador hidráulico empuja unos patines que abren dicha cadena, consiguiendo así ese desplazamiento relativo.

Como has podido comprobar, mediante estos sistema de convertidos de fase no se modifica la alzada de la válvula, tan solo el intervalo de apertura. Para solucionar este problema se inventó un sistema que utiliza unas levas troncocónicas, y que al desfasar el eje no solo lo hace en rotación, sino también de forma axial mediante un engranaje helicoidal. Este sistema se conoce como Sistema Ferrari.

Alzada de leva variable: Valvetronic, VTEC o VVTI-i

De nuevo BMW se torna como una de las marcas que podríamos decir más ha invertido en la distribución variable. Con el Valvetronic (que actúa junto con el sistema doble VANOS) se puede modificar gradualmente la alzada de la válvula. Para ello el árbol de levas no actúa sobre la palanca que acciona la válvula (llamada de arrastre), sino sobre una palanca intermedia con un perfil determinado en forma de boomerang, que es el que está en contacto con la primera de ellas. La clave radica en que esa palanca intermedia cambia de inclinación gracias a un servomotor y un engranaje, por lo que la zona de ese boomerang que actúa sobre la palanca de arrastre va cambiando, y por tanto, la alzada de la válvula.

Otros sistemas diferentes, aunque muy ingeniosos, son los de Honda (VTEC) y Toyota (VTTI-i), que aunque diferentes, son muy similares. Estos sistemas abogan por utilizar dos levas distintas, una con un perfil más suave para cuando se circula a bajas revoluciones, otra con un perfil más agresivo (llamada leva caliente) para altos regímenes. En el caso concreto de Honda, para cada pareja de válvulas por cilindro emplea tres levas y tres balancines, siendo la central de ese trío la leva caliente. De esta forma, a bajas revoluciones trabaja la leva con un perfil más suave, mientras que la otra “gira en vacío”. En cambio, cuando se alcanza una determinada velocidad de giro un actuador hidráulico hace que entre en funcionamiento la leva caliente, quedando las otras “anuladas”.

MultiAir, un paso más allá

Más recientemente ha sido Fiat con sus motores MultiAir, de la mano de Schaeffler, quien ha desarrollado uno de los sistemas que sobre el papel son de los mejores, por lo menos en cuanto a posibilidades de control ofrece. Esta tecnología usa un árbol de levas convencional para controlar las válvulas de escape, con la salvedad de que dicho árbol incorpora unas levas que proporcionan presión hidráulica a unas electroválvulas. Esas electroválvulas están controladas por la centralita, de forma que cuando les llega una señal dejan pasar ese aceite a presión que acciona la válvula. La gran ventaja radica en que como el control es electrónico, y no mecánico, es posible determinar el momento en el que queremos que se abra la válvula y cuánto queremos que se abra. Es decir, controla la alzada y el intervalo de apertura de las válvulas de admisión a voluntad.

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