Dibujo en sección del accionamiento de la válvula FlexWork. Crédito:Empa
El tren de válvulas es el "órgano respiratorio" de los motores de combustión:gestiona la aspiración de aire fresco y la descarga de los gases de escape. que se conoce como "intercambio de gases". Hoy dia, en la producción en serie solo se utilizan árboles de levas accionados mecánicamente para este fin, a menudo equipado con un mecanismo adicional, algunos de los cuales son bastante complejos. Esto permite modificar un patrón de movimiento de la válvula dado por el árbol de levas, lo cual no es posible sin un aumento de la fricción. Al mismo tiempo, la flexibilidad no se da en la medida deseada. Lo que se necesita, entre otras cosas para adaptarse a las propiedades cambiantes del combustible, son movimientos rápidos de la válvula incluso a bajas velocidades, adaptaciones de carrera y sincronización de válvulas ampliamente variable selectiva de cilindros.
El intercambio de gases optimizado y la menor fricción ahorran combustible
Patrik Soltic y su equipo en el laboratorio Automotive Powertrain Technologies de Empa, junto con el especialista en hidráulica Wolfgang Schneider, inventó y desarrolló un tren de válvulas electrohidráulicas que es significativamente más flexible que la tecnología de producción en serie actual. Las válvulas se accionan hidráulicamente y se controlan eléctricamente a través de una bobina de solenoide. Tan pronto como fluya una corriente de control, se abre una válvula hidráulica especialmente diseñada, permitiendo que el fluido hidráulico abra la válvula de intercambio de gas en la medida deseada en milisegundos en contraposición a un resorte. Cuando se apaga la corriente, la válvula de intercambio de gases se vuelve a cerrar por la fuerza del resorte y alimenta una gran parte de la energía hidráulica necesaria para la apertura de nuevo al sistema hidráulico. El sistema logra un requerimiento de energía significativamente menor en un amplio rango de operación en comparación con los sistemas accionados por árbol de levas. Junto con un intercambio de gases optimizado, el consumo de combustible del motor de prueba de encendido por chispa es aproximadamente un 20 por ciento menor que con el control de válvula convencional que usa un acelerador en combinación con árboles de levas en el rango de carga baja típico de los automóviles de pasajeros.
Adaptable a combustibles renovables
Seleccionando los parámetros operativos, los tiempos de apertura y cierre, así como la elevación de la válvula para cada cilindro, se pueden elegir sin restricciones. Esto significa que cada condición de funcionamiento del motor se puede variar de un ciclo a otro, por ejemplo, mediante control de carga inteligente, seleccionando la cantidad de gas residual que queda en el cilindro (recirculación de gases de escape), o desactivando cilindros innecesarios sin que el conductor se dé cuenta. Esto hace que el motor sea altamente adaptable a los nuevos combustibles renovables:combustibles que contienen oxígeno, como metanol o etanol, por ejemplo, Permita que quede más gas residual en el cilindro. Gas natural, El biogás y el gas de síntesis generados a partir de energía eólica y solar ofrecen mayores propiedades antidetonantes. y el tren de válvulas también puede reaccionar de manera flexible. Además, Los conceptos de combustión alternativos también se pueden implementar con relativa facilidad, por ejemplo, autoencendido homogéneo:una mezcla de combustible y aire se enciende en el momento adecuado sin chispas de encendido estableciendo las condiciones correctas hacia el final de la compresión. La mezcla se quema casi sin contaminación.
Modelo de accionamiento de válvula FlexWork, montado en un motor de producción en serie. Crédito:Empa
Culata sin aceite
Otra especialidad del sistema instalado en Empa es la elección del fluido hidráulico:en lugar de utilizar aceite como de costumbre, una mezcla de agua y glicol, es decir, agua de refrigeración del motor, puede ser usado. Por sus propiedades físicas, este medio es muy adecuado para sistemas hidráulicos de conmutación rápida, ya que es muy rígido y por lo tanto genera menos pérdidas hidráulicas. Esto hace que la culata de cilindros esté completamente libre de aceite, lo que puede permitir que se utilice un aceite de motor más barato con intervalos de cambio extendidos para el resto del motor.
Varios meses de funcionamiento de prueba
Como parte del proyecto "FlexWork" financiado por la SFOE, El nuevo tren de válvulas se puso en funcionamiento en un motor de turismos propulsado por gas natural y derivado de un motor VW 1.4l TSI. Los componentes necesarios fueron fabricados por el propio taller de Empa. El sistema de control del motor de prueba fue desarrollado por los propios investigadores de Empa. El tren de válvulas ha estado funcionando en un banco de pruebas de motores Empa desde octubre de 2018 y ya ha sobrevivido sin problemas a muchos millones de ciclos en el funcionamiento del motor encendido.
El control de válvula FlexWork solo necesita componentes de bajo costo. No es caro válvulas de conmutación muy rápidas y no se requieren sensores complejos. El sistema de tren de válvulas se presentó a los expertos técnicos en la revista MTZ en todo el mundo el 16 de agosto. Empa está en conversaciones con los fabricantes de motores para la transferencia de esta tecnología, que es adecuado no solo para motores de combustión sino también para compresores.
