SISTEMAS DE DISTRIBUCION VARIABLE
ADOLFO DURAN M. Técnico Superior
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Introducción Fundamentalmente, cuanto mayor es la cantidad de aire que ingresa al cilindro, mayor será la potencia que desarrolla el motor. El sistema de distribución que sincroniza el movimiento de los pistones con el movimiento de la válvulas y está formado principalmente por el eje cigüeñal, los ejes de levas y válvulas del motor, es el sistema que influye principalmente en el ingreso de aire al motor. 2
Mecanismo de distribución en un motor convencional Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que las válvulas abren y cierran mucho más rápido. Lo ideal es que la válvula de admisión se abra un poco antes del inicio de la carrera de admisión y se cierre mucho después, para ayudar así en el llenado del cilindro.
La válvula de escape debe abrirse un poco antes de iniciarse la carrera de escape y cerrarse un poco después de finalizar la carrera de escape, para facilitar el vaciado de los cilindros. Sin embargo en un motor convencional una vez definidos los ángulos de cruce, estos no pueden ser modificados con el motor funcionando. 3
Distribución de válvulas en un motor convencional PMS
Apertura de la válvula de admisión (AAA). 6°
Cierre de la válvula de escape (RCE). 9°
Admisión Compresión
Combustión
Escape Cierre de la válvula de admisión (RCA).
40°
31° PMI
Apertura de la válvula de escape (AAE)
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Mecanismo de distribución en un motor con distribución variable
Debido a las diferentes velocidades a las que se somete el funcionamiento del motor, los momentos ideales de apertura y cierre de válvulas también cambian.
Lo que hace la distribución variable es adelantar o retrasar, el momento de apertura y cierre de las válvulas en función del régimen del motor.
Estos cambios los realiza mientras el motor está en funcionamiento.
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Cruce de válvulas El ángulo de cruce de válvulas tiene lugar en el inicio del tiempo de admisión, cuando la válvula de admisión esta empezando a abrirse y la de escape no se ha cerrado por completo. Los motores de serie tienen un cruce de válvulas de 15 a 30 grados para un funcionamiento estable en ralentí, economía de combustible, pero tienen un rendimiento muy pobre en altas revoluciones. En los vehículos de carreras el ángulo de cruce entre la válvula de admisión y la de escape va de 60 a 100 grados. Un ángulo de cruce mayor proporciona un llenado mas eficaz del cilindro y mayor rendimiento a altas revoluciones, pero produce poco vacío en ralentí , generando un funcionamiento inestable en bajas revoluciones y un consumo elevado de combustible. 6
Clasificación de los sistemas de distribución variable
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MOTORES CON ESTA TECNOLOGÍA Alfa Romeo: Twin Cam; Twin Honda: VTEC; VTEC-E; iSpark; STC; Multiair. VTEC; Avanzada VTEC. BMW: Valvetronic; VANOS; doble VANOS.
Hyundai: CVVT. Lexus: VVT-iE.
Daihatsu: DVVT. Mazda: S-VT. Fiat: StarJet; FIRE. Mitsubishi: MIVEC.
Ford: VCT; Ti-VCT. General Motors Corporation (GM): VVT; DCVCP; Alloytec. 8
Nissan: N-VCT; VVL; CVTC; VVEL.
Rover: VVC.
Suzuki: VVT-M. Porsche: VarioCam; VarioCam Plus.
Subaru: AVCS; AVLS.
Protón: Campro CPS; VVT.
Toyota: VVT; VVT-i; VVTL-i; Valvematic.
PSA Peugeot Citroën: CVVT.
Volvo: CVVT; CPS. Yamaha:VCT.
Renault: VVT. 9
Sistemas de distribución variable con desplazamiento del árbol de levas En este sistema uno de los ejes de levas (generalmente el de admisión) o en algunos casos los dos (el de admisión y el de escape) lleva en la parte delantera un controlador que tiene 4 aspas y puede girar unos 40 grados. Cuando el controlador tiene 3 aspas, podrá girar hasta 60 grados.
CONTROLADOR CON 4 ASPAS
CONTROLADOR CON 3 ASPAS
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Sistemas de distribución variable con desplazamiento del árbol de levas Regulación continua.- En estos sistemas de distribución variable, el cambio de 0 a 40 grados es repentino, es decir que solo tienen dos estados: 1.- Totalmente retrasado y con poco ángulo de cruce, para bajas y medias RPM (0 º). 2.- Totalmente adelantado y con mayor ángulo de cruce a partir de 4.000 o mas RPM (40 º) . En este caso, el cambio de 0 º a 40 º es muy repentino o violento, pero solo ocurre una vez que se supera una cierta revolución del motor, que generalmente está por encima de las 4.000 rpm. Regulación gradual.- En estos sistemas, el cambio de 0 a 40 grados se produce gradualmente, es decir que el movimiento del eje de levas es progresivo o paso a paso, el ángulo de cruce aumenta o disminuye continuamente. En función de las variaciones del funcionamiento del motor.
SI EL EJE DE LEVAS LLEVA UN CONTROLADOR, SIGNIFICA QUE TIENE DESPAZAMIENTO DEL EJE DE LEVAS
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Sistemas de distribución con alzada variable de válvula
SI LOS EJES DE LEVAS TIENEN UNA LEVA ADICIONAL Y ESTA ES MAS ALTA, EL SISTEMA ES DE ALZADA VARIABLE
Regulación continua.- En estos sistemas de alzada variable, el cambio de la leva pequeña hacia la leva mas alta (cambio de altura de la válvula) es repentino, es decir que solo tienen dos estados: 1.- Apagado, cuando la válvula se abre en base a la altura de la leva pequeña (poca alzada), esto sucede desde ralentí hasta que alcanza las 5.000 o mas revoluciones. 2.- Encendido, cuan la válvula se abre en base a la altura de la leva más alta (alzada mayor), esto generalmente sucede en altas revoluciones 5.000 o mas. 12
Diferentes sistemas de distribución variable de la marca Toyota El sistema VVT es un sistema con desplazamiento del eje de levas de admisión y de regulación continua. El sistema VVT – i es un sistema con desplazamiento del eje de levas de admisión y de regulación gradual. El sistema VVTL – i es un sistema de regulación gradual en el eje de levas y de regulación continua en la alzada variable de las dos válvulas (admisión y escape). El sistema VVT – i E es un sistema de regulación gradual movido por un motor eléctrico en el eje de levas de admisión e hidráulico en el eje de levas de escape . El sistema Valvematic, que usa actuadores hidráulicos para mover los ejes de levas y un motor eléctrico para variar gradualmente la alzada de la válvula. 13
Ubicación de los componentes electrónicos del sistema VVT de Toyota Sensor de Ox 1 ECU del motor Sensor de flujo de aire Bobina encendedor
Sensor de Ox 2
Válvula de control de aceite OCV
KNK
Sensor de posición del cigueñal
DLC 3
Sensor de posición del árbol de levas
ISC
Sensor de posición del obturador
Sensor de temperatura de agua
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Esquema del control electrónico. ECU del motor Sensor de posición de cigüeñal Sensor de flujo de aire
Apertura de válvulas
Válvula de control
ideal
de aceite OCV
Sensor de posición del obturador
Retroalimentación
Sensor de temperatura del refrigerante
Corrección Apertura de válvulas
Sensor de velocidad del vehículo
actual
Toda esta información que recibe la computadora de los diferentes sensores, le permite controlar a la válvula de control de aceite OCV, encargada de permitir el movimiento del controlador del eje de levas.
Sensor de posición del árbol de levas
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SISTEMA VVT
En este sistema, el controlador lo lleva solo en el eje de levas del lado de admisión, este actuador tiene solamente dos estados: Está totalmente apagado hasta que el motor alcanza las 4.400 rpm de ahí hasta las 6.400 rpm se enciende, si la revolución del motor aumenta mas de este valor, el mecanismo se apaga nuevamente. Por lo tanto, el ángulo de cruce entre las válvulas de admisión y escape será muy reducido hasta las 4.400 rpm y luego el ángulo de cruce aumentará al máximo. El solenoide que controla al mecanismo también permanece apagado en bajas revoluciones y luego se enciende en altas revoluciones dejando entrar la presión hidráulica al controlador. 16
SISTEMA VVT
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SISTEMA VVT La válvula o solenoide OCV que controla al mecanismo también permanece apagado hasta que el motor alcanza las 4.400 rpm y luego se enciende dejando entrar la presión hidráulica al controlador para que aumente el ángulo de cruce valvular.
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VERIFICACIÓN DE LA OCV
Para verificar la válvula o solenoide OCV debemos medir la resistencia del embobinado, cuyo valor debe estar entre 11 y 13 ohmnios. Luego demos sacar la válvula del motor y aplicar los 12 voltios de la batería, debiendo escucharse el sonido cuando se mueve el émbolo, si observamos con atención veremos también el movimiento del émbolo. Si el émbolo no se mueve, verificar que no existan 19 partículas de carbonilla o metálicas que impiden el movimiento de este eje.
TERMINALES DE LA OCV
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SISTEMA VVT-i
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Partes del sistema VVT-i Controlador de VVT-i
A la ECU del motor Sensor de posición del árbol de levas
Sensor de posición del cigueñal
Válvula de control de aceite OCV
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Culata de un motor con sistema VVT - i
El mecanismo que mueve el eje de levas o controlador del VVT – i, se encuentra instalado en el eje de levas de admisión de este motor.
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Controlador del VVT-i
El árbol de levas y las paletas forman una sola pieza que puede moverse libremente unos cuantos grados dentro la envoltura del mecanismo del controlador. La envoltura es una pieza solidaria al engranaje que es movida por la cadena o por la correa del mecanismo de distribución del motor. 25
Controlador del VVT-i
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Válvula de control de aceite (OCV) (Lado de avance) (Lado de retardo)
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Válvula de control de aceite (OCV) (Lado de avance)
DRENAJE
(Lado de retardo)
DRENAJE
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Operación de avance
Dirección de giro HORARIO Para que se mueva el eje de levas hacia la posición de avance, la válvula de control
de aceite debe conectarse a masa o tierra por medio de la ECU. Esto permite empujar el émbolo hacia afuera, comprimiendo el resorte que tiene en la parte delantera y dirigir el aceite por el conducto de color rojo, haciendo girar hacia la derecha el eje de levas. 29
Paletas del controlador en posición de avance
Seguro para fijar las paletas a la envoltura, cuando se apaga el motor y la presión de aceite disminuye. Al encender el motor, este seguro evita que las paletas golpeen contra la envoltura y una vez que la presión de aceite aumenta, el seguro es comprimido y las paletas pueden moverse libremente.
Las paletas en este caso se encuentran totalmente giradas hacia la derecha, el eje de levas habrá girado en la misma dirección, por lo tanto tiene el máximo ángulo de cruce entre las válvulas de admisión y las de escape
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Operación de retardo
Dirección de giro ANTIHORARIO
Para que se mueva el eje de levas hacia la posición de retardo, la válvula de control de aceite debe desconectarse de masa o tierra y será el resorte el encargado de empujar al émbolo hacia el solenoide, para dirigir el aceite por el conducto de color rojo (en dirección contraria a la gráfica de avance), haciendo girar hacia la izquierda el eje de levas.
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Paletas del controlador en posición de retención
Paletas
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¿Como opera el VVT-i? Con este movimiento, el sistema VVT-i controla el eje de levas de admisión permitiendo que el ángulo de cruce de la válvula de admisión aumente hasta unos 60° (del ángulo del cigüeñal), con relación a la válvula de escape.
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Diferentes fases de trabajo del VVT-i
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VENTAJAS DEL VVT-I (manejo en ciudad)
Economía de Combustible
mejorado
6% disminuido
NOx
40 % 36
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Para verificar el correcto funcionamiento de la válvula de control de aceite, en especial cuando aparecen códigos de fallas relacionados con este sistema, podemos medir la resistencia del embobinado para saber si tiene continuidad, el valor de resistencia está entre 5 a 12 ohmnios.
Luego con el motor funcionando en ralentí podemos aplicar el voltaje de la batería a los dos extremos del embobinado o un voltaje menor a los mismos extremos, cuando la resistencia es menor a 10 ohmnios, para evitar cualquier recalentamiento del embobinado. Cuando se aplica el voltaje, el motor deberá cambiar en su funcionamiento (inestable) o es posible que se apague, si esto sucede, significa que el solenoide esta bien y será necesario verificar el circuito eléctrico hasta la computadora. Cuando el motor funciona se puede medir con un frecuencímetro o con un osciloscopio, los hertz que permiten activar o desactivar el solenoide cuando se acelera el motor.
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SISTEMA VVTL-i
Toyota Celica 2002 Motor 2ZZ-GE 39
SISTEMA VVTL-i ALZADA VARIABLE EN LAS VÁLVULAS DE ADMISIÓN Y ESCAPE
Culata de un motor 2ZZ-GE de un Toyota Celica. Leva de alta revolución
Leva de baja y media revolución
Levas con diferente altura para la alzada variable que tiene regulación contínua. 40
EL DESPLAZAMIENTO DEL EJE DE LEVAS SOLO LO LLEVA EN EL EJE DE ADMISÍON
El sistema VVL-i usa dos válvulas OCV, una de ellas por una permite controlar la entrada y salida de presión de aceite al controlador del VVT para el desplazamiento del eje levas y la otra válvula OCV se usa para controlar la presión de aceite hacia los pasadores de los balancines para aumentar la alzada de las válvulas de admisión y escape. 41
PARTES DEL SISTEMA VVTL-i
Árbol de levas de escape con dos levas de diferente alzada
Controlador de VVT-i
Eje del balancín
Árbol de levas de Admisión con dos Levas de diferente alzada Mecanismo de cambio de levas (Balancín) Válvula de admisión Válvula de escape
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PARTES DEL SISTEMA VVTL-i Volante de disparo y sensor de posición del eje de levas
Posición de la válvula OCV de la alzada variable y su sensor de presión de aceite
Resistencia del sensor de posición del eje de levas 1.068 ohmnios
Resistencia de la válvula OCV de la alzada variable 7.5 ohmnios
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ARBOLES DE LEVAS CON DOBLE LEVA Los árboles de levas de admisión y escape tienen una leva para baja y media revolución y otra leva para alta revolución. Esto le permite tener alzada variable (cambia de leva en altas rpm del motor), esto permite una mayor apertura de la válvula.
Leva de alta revolución
Árbol de levas de escape Árbol de levas de admisión
Leva de baja y media revolución Engranaje del eje de levas
Sensor de posición del árbol de levas de admisión
Controlador de VVT-i
Leva de alta revolución
Leva de baja y media revolución
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Balancín y Válvula Se ha adoptado un mecanismo de válvulas del tipo de balancín, mediante el cuál ambas válvulas se abren simultáneamente cuando son empujadas por la leva que apoya en el rodillo del balancín. Rodillo del balancín
Almohadilla del balancín
Eje del balancín
A Pasador del balancín
Laina de ajuste
Balancín Laina de ajuste
Vista de A
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Balancín y Válvula Eje adicional del balancín
Almohadilla del balancín
Recorrido libre
Balancín con su rodillo y almohadilla
Balancín con su rodillo y almohadilla
Resorte comprimido de la almohadilla del balancín
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Construcción y operación En velocidades bajas y medias del motor ( entre 800 y 6000rpm), el pasador del balancín está fuera de lugar empujado por un resorte y el eje tiene un pequeño movimiento libre (no puede abrir la válvula) y solo trabaja la leva de perfil bajo que empuja al rodillo del balancín. Leva de altas rpm
Leva de alta
Leva de media y baja rpm
Rodillo del balancín
A
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pasador del balancín
Vista de A
Se mueve libremente
Construcción y operación En altas revoluciones del motor ( mas de 6000rpm), el pasador del balancín está debajo del eje o bulón empujado por la presión de aceite que ingresa por que se abre una segunda válvula OCV, esto permite empujar desde un principio al balancín, por lo tanto trabaja la leva con perfil mas alto y la alzada de la válvula es mayor. Leva de Leva de altas rpm
alta rpm
Leva de media y baja rpm Rodillo del balancín
A
Mayor alzada
Pasador del balancín
Vista de A
El eje empuja directamente
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Beneficios En altas revoluciones ( mas de 6000rpm), el motor tiene un ligero aumento en la potencia del motor y el torque, si comparamos un motor con VVT – i y otro motor con VVTL – i.
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TERMINALES DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL DE ACEITE
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VVT - iE VVT-iE (Distribución de válvulas variable – inteligente y con motor eléctrico) es una versión del Dual VVT-i con la diferencia que utiliza un actuador eléctrico para ajustar y mantener la sincronización solo del árbol de levas de admisión. El árbol de levas de escape todavía se mueve por la presión hidráulica que controla a un actuador hidráulico como en el VVT - i. Esta forma de tecnología de distribución variable fue desarrollado inicialmente para los vehículos Lexus. Este sistema fue introducido por primera vez en el LEXUS LS del 2007 con el motor 1UR – FE con 4.600 cc.
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El motor eléctrico en el actuador gira junto con el árbol de levas de admisión en el motor. Para mantener la sincronización del árbol de levas sin ninguna variación, el motor del actuador funcionará a la misma velocidad que el árbol de levas. Para adelantar la sincronización del árbol de levas, el motor del actuador girará ligeramente más rápido que la velocidad del árbol de levas. Para retrasar la sincronización del árbol de levas, el motor del actuador girará ligeramente más lento que la velocidad del árbol de levas. La ventaja del sistema eléctrico, es que puede funcionar cuando el hidráulico no puede hacerlo: por ejemplo con el motor frío y a un régimen inferior a 1.000 rpm.
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Según Lexus, este sistema puede funcionar sea cual sea el régimen y la temperatura del motor. Cuando retrasa la sincronización, lo hace a una velocidad de 50 grados por segundo. Cuando adelanta la sincronización lo hace a una velocidad de 150 grados por segundo. Cuando se da arranque se asegura un posicionamiento preciso del árbol de levas para facilitar el encendido, así como una mayor gama total de ajuste. La combinación de estos factores permite un control más preciso, lo que resulta en una mejora de la economía de combustible tanto, la potencia del motor y el rendimiento de las emisiones.
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Localización de componentes principales del sistema VVT-iE
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Motor eléctrico del banco # 1
Motor eléctrico del banco # 2
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VALVEMATIC
► Es un nuevo sistema que controla
eléctricamente solamente, la alzada de la válvula de admisión, el motor está en la parte posterior del eje de levas del lado de admisión. ► La válvula puede tener múltiples alturas en pasos progresivos. ► El sistema Dual VVT – i se mantiene con los actuadores hidráulicos en la parte delantera de los ejes de levas. ► La familia de los motores ZR usa el sistema valvematic. Como el 1ZR, el 2ZR y el 3ZR-FAE, que incorporan la letra A por el uso del sistema valvematic.
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VALVEMATIC El 3ZR- FAE es un motor valvematic de 2.0 litros, que genera 158 HP a 6200rpm. Comparado con el 3ZR - FE, que genera 143 HP con solo el Dual VVT – i. Algunos ejemplos de los autos que traerán estos motores a partir del 2007 son: Toyota Allion Toyota Premio Toyota RAV4 Toyota Avensis Toyota Wish Toyota Voxy Toyota Noah 57
El sistema Valvematic ofrece un ajuste continuo en la válvula de admisión, para elevar el volumen de ingreso de aire y mejorar la eficiencia del combustible, mediante el control de la mezcla. El sistema se usó por primera vez el 2007 en el Noah y más tarde a principios de 2009 en la familia de motores ZR utilizado en el Avensis por ejemplo. Este sistema es más simple en diseño en comparación con Valvetronic y VVEL, permitiendo que la culata tenga la misma altura.
Toyota afirma que mejora un 10% en la potencia del motor, mientras reduce el consumo de combustible de 10.5% en la conducción normal.
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Valvematic emplea un eje intermedio (zona azul en la imagen) para lograr la elevación continua de válvulas variable. El eje intermedio tiene un balancín de accionamiento para cada cilindro. Cada balancín de actuación está formado por dos levas oscilantes y un rodillo.
Las levas oscilantes pueden girar con relación al eje intermedio, gracias a unos engranajes internos, mientras que el rodillo se mueve en dirección contraria posición y quien pone en movimiento al eje intermedio es un motor eléctrico acoplado a un extremo de este eje.
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Se puede apreciar que los hilos del engranaje del rodillo y las levas oscilantes, están
en direcciones opuestas. Esto significa que las levas oscilantes se mueven en una dirección y el rodillo se mueve en otra dirección. Cuando el motor eléctrico mueve el eje intermedio en una dirección, el rodillo y las levas oscilantes se acercan o tienen un ángulo mas cerrado, que dará lugar a una alzada mínima de la válvula. Eje intermedio
Eje de levas
Rodillo Leva Oscilante
Cuando el eje intermedio, se mueve
en dirección contraria, el rodillo y las levas oscilantes se alejan o tienen un ángulo mas abierto, aumentando la alzada de la válvula de admisión desde 0.97mm a 11mm para un mejor llenado de los cilindros.
Poca Alzada Ángulo reducido del centro del rodillo a la punta de la leva
Dependiendo de las características de los motores, la alzada normal de las válvulas generalmente está entre 5 a7 mm.
Mayor Alzada Ángulo mas amplio del centro del rodillo a la punta de la leva
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FUNCIONAMIENTO Durante condiciones de carga ligera, como en ralentí, la válvula solo se abre 1 milímetro y es la mariposa del acelerador quien controla con mayor precisión el volumen del flujo de aire que ingresa al motor. Para cargas medias a altas, la
mariposa del acelerador se abre completamente y el volumen del flujo de aire que ingresa al motor, es controlado por la elevación de la válvula, es decir que a mayor revolución, mayor será la alzada de la válvula, hasta llegar a los 11 milímetros. Cuando se compara la sincronización variable de válvulas VVT accionada hidráulicamente y este mecanismo electromecánico que permite variar la altura de la válvula, existe un retraso en el mecanismo hidráulico, pero la combinación de ambos mejora el rendimiento del motor. 61
MOTOR VALVEMATIC
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MOTOR VALVEMATIC
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