El traslape de válvulas, también llamado cruce de válvulas o valve overlap, es el periodo durante el cual la válvula de admisión y la válvula de escape permanecen abiertas simultáneamente en un motor de cuatro tiempos. Este fenómeno ocurre alrededor del punto muerto superior o PMS que separa el final de la carrera de escape del comienzo de la carrera de admisión.
En una representación simplificada del ciclo, podría suponerse que la válvula de escape se cierra exactamente cuando el pistón llega al PMS y que la válvula de admisión se abre inmediatamente después. Sin embargo, las válvulas reales necesitan tiempo para desplazarse y los gases poseen inercia. Por esta razón, el fabricante adelanta la apertura de la admisión y retrasa el cierre del escape, creando un breve intervalo en el que ambas están parcialmente abiertas.
Cómo se produce
El traslape comienza cuando la válvula de admisión abre antes del PMS, mientras el pistón todavía está terminando la carrera de escape. Continúa después de que el pistón supera el PMS y comienza a descender en la carrera de admisión, hasta que la válvula de escape termina de cerrarse.
Su duración se expresa normalmente en grados de giro del cigüeñal. Cuanto antes abra la admisión y cuanto más tarde cierre el escape, mayor será el cruce. No obstante, también debe considerarse la elevación real de las válvulas durante ese intervalo, porque dos motores pueden presentar una duración angular similar y un área efectiva de paso diferente.
El traslape no significa que ambas válvulas se encuentren completamente abiertas. Cerca del PMS, la válvula de escape está terminando su recorrido de cierre y la de admisión apenas está comenzando a levantarse.
Función
La función principal del traslape es aprovechar el movimiento y la diferencia de presión de los gases para mejorar el barrido del cilindro. Los gases de escape que continúan desplazándose hacia el colector pueden contribuir a extraer parte de los residuos de combustión que permanecen dentro de la cámara.
Al mismo tiempo, el descenso de presión producido por el flujo de escape puede favorecer el inicio del ingreso de aire o mezcla fresca por la admisión. Este efecto ayuda a mejorar el llenado del cilindro, especialmente cuando el motor funciona a regímenes elevados.
Un traslape correctamente calculado puede aumentar la eficiencia volumétrica, mejorar la evacuación de gases y permitir que el motor produzca más par y potencia dentro del rango de revoluciones para el cual fue diseñado.
Efectos a bajas revoluciones
Un cruce amplio no resulta beneficioso en todas las condiciones. A bajas revoluciones, la velocidad y la inercia de los gases son menores, por lo que puede producirse un flujo inverso desde el escape hacia la admisión o desde el cilindro hacia el colector.
Este retorno puede diluir la carga fresca con gases residuales y causar ralentí inestable, menor vacío en el colector, respuesta deficiente a baja velocidad y aumento de determinadas emisiones. El ralentí irregular característico de algunos motores modificados con árboles de levas deportivos se relaciona en parte con su mayor traslape.
Los motores destinados a funcionamiento suave, bajo consumo y buen par a bajas revoluciones suelen utilizar un cruce relativamente reducido en esas condiciones. Los motores diseñados para trabajar a altas revoluciones pueden emplear un traslape más amplio para aprovechar mejor la dinámica de los gases.
Distribución variable
Los sistemas de distribución variable VVT permiten modificar el traslape durante el funcionamiento. Al adelantar o retrasar los árboles de levas de admisión y escape, la unidad de control puede aumentar o disminuir el tiempo durante el cual las válvulas permanecen abiertas simultáneamente.
Durante el ralentí suele utilizarse un traslape reducido para obtener una combustión estable. A carga parcial puede ajustarse para retener una cantidad controlada de gases residuales, funcionando como una forma de recirculación interna de gases de escape. A regímenes y cargas elevados puede incrementarse para mejorar el barrido y el llenado.
En motores turboalimentados, el control debe ser especialmente preciso. Una diferencia favorable entre las presiones de admisión y escape puede ayudar al barrido y a la respuesta del turbocompresor, pero un cruce excesivo también puede permitir que parte del aire fresco pase directamente hacia el escape sin participar en la combustión.
Traslape negativo
Existe además el concepto de traslape negativo, que se produce cuando la válvula de escape se cierra antes de que abra la válvula de admisión. Durante ese intervalo, ambas permanecen cerradas alrededor del PMS de intercambio de gases.
Esta estrategia puede utilizarse para retener gases residuales calientes dentro del cilindro, reducir pérdidas de bombeo o facilitar determinados modos de combustión de baja temperatura. Su aplicación depende de la arquitectura del motor y de la capacidad del sistema para variar independientemente los árboles de admisión y escape.
El traslape es, por lo tanto, una característica deliberada de la distribución y no una situación anormal. Su magnitud se establece mediante el perfil de las levas y la posición relativa de los árboles respecto del cigüeñal. Cuando está correctamente diseñado y controlado, contribuye al intercambio eficiente de gases; cuando es excesivo o la distribución está fuera de punto, puede perjudicar la estabilidad, el rendimiento y la calidad de la combustión.
Referencias
- Camshaft Adjustment for Pollutant Reduction – MS Motorservice International https://www.ms-motorservice.com/int/en/technipedia/camshaft-adjustment-for-pollutant-reduction
- Modeling the Effect of Variable Cam Phasing on Volumetric Efficiency, Scavenging and Torque Generation – J. Martensson, SAE International https://www.sae.org/papers/modeling-effect-variable-cam-phasing-volumetric-efficiency-scavenging-torque-generation-2010-01-1190
- Potential of Negative Valve Overlap for Part Load Efficiency Improvement in Gasoline Engines – W. K. Cheng, Massachusetts Institute of Technology https://dspace.mit.edu/entities/publication/93fbe679-8266-4387-879a-443aa9152ff8
- Analysis of Gasoline Negative-Valve-Overlap Fueling via Dump Sampling – Richard R. Steeper y M. Lee Davisson, Sandia National Laboratories y Lawrence Livermore National Laboratory https://www.osti.gov/servlets/purl/1095938
- Potentials of the Spray-Guided BMW DI Combustion System – SAE International https://saemobilus.sae.org/papers/potentials-spray-guided-bmw-di-combustion-system-2006-01-1265
