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Aug 27, 2023

El equipo de Empa desarrolla una leva accionada electrohidráulicamente

Investigadores de Empa han desarrollado un sistema sin leva accionado electrohidráulicamente

Los investigadores de Empa han desarrollado un tren de válvulas sin leva accionado electrohidráulicamente que permite un ajuste completamente libre de la carrera y la sincronización, al mismo tiempo que es robusto y rentable. La nueva tecnología ahorra hasta un 20 % de combustible en las condiciones típicas de funcionamiento con poca carga de un turismo.

El tren de válvulas FlexWork se montó en un motor de producción en serie y ha estado funcionando con éxito en el banco de pruebas durante varios meses.

Dibujo seccional del accionamiento de válvula FlexWork. Imagen: Empá.

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 (intercambio de gases). Hoy en día, solo se utilizan árboles de levas accionados mecánicamente en la producción en serie para este propósito, a menudo equipados con un mecanismo adicional, algunos de los cuales son bastante complejos. Esto permite la modificación de un patrón de movimiento de válvulas dado por el árbol de levas, lo que no es posible sin un aumento de la fricción. Al mismo tiempo, la flexibilidad es algo limitada. Lo que se necesita, entre otras cosas para la adaptación a las propiedades cambiantes del combustible, son movimientos rápidos de las válvulas incluso a bajas velocidades, adaptaciones de carrera y sincronización de válvulas ampliamente variable selectiva para cilindros.

Patrik Soltic y su equipo en el laboratorio Automotive Powertrain Technologies de Empa, junto con el especialista en hidráulica Wolfgang Schneider, inventaron y desarrollaron un tren de válvulas electrohidráulico 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 fluye una corriente de control, se abre una válvula hidráulica especialmente diseñada, lo que permite que el fluido hidráulico abra la válvula de intercambio de gas en la medida deseada en milisegundos en contra de un resorte. Cuando se corta la corriente, la válvula de intercambio de gas se cierra de nuevo por la fuerza del resorte y alimenta una gran parte de la energía hidráulica necesaria para abrirse de nuevo en el sistema hidráulico.

El principio básico del tren de válvulas, tanto para el lado de admisión como para el de escape, es un péndulo hidráulico asimétrico, que puede describirse como un sistema de masa-resorte. Por lo tanto, la duración de la apertura de las válvulas de intercambio de gases TOOpen, es decir, el tiempo desde la elevación cero hasta la elevación final, depende de la rigidez k de los resortes de las válvulas de intercambio de gases y la masa MSystem de todos los componentes móviles.

… La peculiaridad del sistema FlexWork es que, a altas velocidades del motor, los perfiles de elevación de las válvulas son similares a los perfiles accionados por levas; Sin embargo, a bajas velocidades del motor, las pendientes de apertura y cierre son muy pronunciadas.

El sistema logra un requisito de energía significativamente menor en un amplio rango operativo en comparación con los sistemas accionados por árbol de levas. Junto con un intercambio de gases optimizado, el consumo de combustible del motor de encendido por chispa de prueba es aproximadamente un 20% más bajo que con el control de válvula convencional usando un acelerador en combinación con árboles de levas en el rango de carga baja típico de los automóviles de pasajeros.

Al seleccionar los parámetros de funcionamiento, 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 el 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 lo note.

Esto hace que el motor sea muy adaptable a los nuevos combustibles renovables: los combustibles que contienen oxígeno, como el metanol o el etanol, por ejemplo, permiten que quede más gas residual en el cilindro. El gas natural, el biogás y el gas de síntesis generado a partir de la energía eólica y solar ofrecen mayores propiedades antidetonantes, y el tren de válvulas también puede reaccionar de manera flexible a esto.

Además, los conceptos de combustión alternativos también se pueden implementar con relativa facilidad, por ejemplo, el autoencendido homogéneo: una mezcla de combustible y aire se enciende en el momento correcto sin chispas de encendido al establecer las condiciones correctas hacia el final de la compresión. La mezcla se quema casi sin contaminación.

Otra especialidad del sistema instalado en Empa es la elección del fluido hidráulico: en lugar de usar aceite como de costumbre, se puede usar una mezcla de agua y glicol, es decir, agua de refrigeración del motor. Debido a sus propiedades físicas, este medio es muy adecuado para sistemas hidráulicos de cambio rápido, ya que es muy rígido y, por lo tanto, genera menos pérdidas hidráulicas. Esto hace que la culata esté completamente libre de aceite, lo que puede permitir que se utilice un aceite de motor más económico con intervalos de cambio prolongados para el resto del motor.

Como parte del proyecto FlexWork financiado por la SFOE, el nuevo tren de válvulas se puso en funcionamiento en un motor de automóvil de pasajeros 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 se requieren válvulas de conmutación costosas y muy rápidas ni sensores complejos. Empa está en conversaciones con los fabricantes de motores para la transferencia de esta tecnología, que es adecuada no solo para motores de combustión sino también para compresores.

Recursos

Zsiga, N., Omanovic, A., Soltic, P. et al. (2019) "Funcionalidad y potencial de un nuevo tren de válvulas electrohidráulicas" MTZ Worldwide 80:18 doi:10.1007/s38313-019-0086-0

Publicado el 20 de agosto de 2019 en Eficiencia de combustible, Motores, Sistemas de vehículos | Enlace permanente | Comentarios (20)