Enginyeria japonesa al servei del rendiment
Ignasi Puig Renalias
10 de juliol de 2024
Honda és una marca especial, com també ho són els seus mítics motors VTEC. Per això, us vull proposar un petit viatge on farem un repàs per la història de la seva gestació i, sobretot, per analitzar la seva tècnica.
Per no complicar-nos d’entrada, ja que entrarem en detalls després, direm que el VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) és un sistema de distribució variable desenvolupat per Honda amb la finalitat de millorar l’omplerta del cilindre en tot el rang de revolucions per incrementar l’eficiència i les prestacions. Aquest sistema usa 2 perfils de lleves diferents que es seleccionen electrònicament segons les condicions del motor.
Història
Als anys 80, un motor de 1,6 litres de cilindrada no arribava a oferir més de 70 o 80 CV. Un bon dia de 1986, a la casa Honda i amb l’objectiu d’inventar la tecnologia que lideraria la pròxima generació dels seus motors, es van proposar el repte d’aconseguir els 100 CV/litre, duplicant així les xifres dels estàndards de l’època.
D’aquesta manera, l’enginyer Ikuo Kajitani, considerat el pare del VTEC i que en aquella època treballava al departament d’I+D de disseny, es va posar mans a l’obra. Els resultats no trigarien a arribar, ja que el 1989 sortia al mercat el nou Honda Integra, que portava a dins el 1.6 de sèrie més potent fabricat fins a la data, amb 160 CV i anomenat B16A. Exacte, havien aconseguit els 100 CV/litre.
Honda civic SiR 1989. Un dels primers integrants, juntament amb l’Integra i el CRX, en estrenar la tecnologia VTEC.
Per inversemblant que sembli, per crear el VTEC es van inspirar directament en el sistema respiratori del cos humà. M’explico, en situacions de repòs o ritme auster, es consumeix poc aire (a baixes revolucions); en canvi, quan necessitem més energia o en condicions d’alta exigència, s’obren els pulmons per a una millor oxigenació (altes revolucions).
Tot i que no van ser els inventors de la distribució variable (honor que ostenta Fiat en patentar-ho l’any 1960), el cert és que el seu mètode era únic fins aleshores i va tenir una bona acollida a nivell mundial. Després d’aquest èxit, el VTEC no va parar d’evolucionar; van sortir diferents variants, algunes destinades a reduir el consum, altres a millorar el rendiment, es va combinar amb altres tecnologies… Fins a dia d’avui, que encara s’utilitza fins i tot en motors turboalimentats.
De tot això en surt l’eslògan de Honda “The Power of Dreams” ja que el repte proposat al principi semblava un somni, segons Kajitani, que finalment es va fer realitat.
El primer VTEC
Anem a veure en detall com és, com funciona i els conceptes bàsics de la primera versió de la distribució variable d’Honda.
ESTRUCTURA
En un primer moment, per descriure el funcionament i l’arquitectura bàsica del sistema ens basarem en motors de quatre cilindres DOHC 16v, és a dir, amb doble arbre de lleves i quatre vàlvules per cilindre.
En un motor 16v “normal” sense distribució variable, cada arbre de lleves (admissió i escapament) aportaria al cilindre dues lleves cada un, sent un total de quatre. En el cas d’un motor amb VTEC, existeix una tercera lleva per a cada arbre. Aquesta lleva “extra” correspon a un perfil d’altes rpm, mentre que les altres dues equivalen a un perfil de baixes rpm.
Aquesta tercera lleva té una forma diferent, és més agressiva, amb la qual cosa s’augmenten dues variables quan entra en acció: quant s’obre aquesta vàlvula (l’altura) i el temps que està oberta.
Tal i com es pot observar en la il·lustració superior, el temps que la vàlvula està oberta ve donada per la seva amplada, metre que la quantitat d’obertura depèn de l’alçada.
Seguint amb l’enumeració de les seves parts, també trobem una electrovàlvula comandada per la unitat de control motor (ECU), que en un determinat moment, “activarà” aquesta lleva addicional mitjançant pressió d’oli.
FUNCIONAMENT
A baixes rpm, les lleves que es corresponen a aquest règim són les encarregades d’obrir les vàlvules a una determinada alçada amb l’objectiu de buscar un bon ompliment del cilindre. Amb això es guanya parell motor a baixes revolucions al mateix temps que un consum moderat. És a dir, s’aconsegueix un efecte similar al d’un motor 8v.
A règims elevats, el solenoide o electrovàlvula controlada per l’ECU enviarà pressió d’oli sobre un pistó hidràulic que farà solidàries les 3 lleves que fins ara treballaven de forma independent. D’aquesta manera, la tercera lleva, que abans empenyia un balancí en buit, passarà a dominar. Com que aquesta té una forma més agressiva que les altres dues, obrirà més les vàlvules i durant més temps, afavorint de nou l’ompliment del cilindre i obtenint potència a altes revolucions.
El moment en què l’electrovàlvula és activada i envia pressió d’oli per fer solidàries les 3 lleves, és també conegut – més informalment – com l’entrada del VTEC. En aquest instant, el caràcter del motor canvia substancialment per passar a ser més dramàtic: puja de revolucions més ràpid, hi ha un increment en el parell i la potència, i el soroll augmenta de forma considerable. Aquesta doble personalitat al més pur estil Dr. Jekyll i Mr. Hyde ha fet molt popular la tecnologia d’Honda.
Cal fer èmfasi en el fet que una lleva més agressiva, com la utilitzada en el VTEC, permet que el motor “respiri” molt millor a altes revolucions. Amb aquest as sota la màniga, pots fer que el tall d’injecció se situï molt amunt en aquests motors, fins i tot arribant al cas de les 9200 revolucions en un Honda S2000.
Així doncs, sabem que aquest tipus de distribució variable tenia una triple finalitat: assolir els 100 CV per litre, disminuir el consum en conducció relaxada i obtenir una alta potència quan es demanava el màxim al motor.
Òbviament, el treball no es va quedar aquí i Honda va fer diverses versions i millores, ja que tot seguit es va implementar en motors amb un sol arbre de lleves (SOHC VTEC), després es va combinar amb el variador de fase (i-VTEC) i més tard amb el turbo (Turbo VTEC). Fins i tot motos i vaixells de la mateixa marca utilitzen aquesta tecnologia (HYPER VTEC). Farem un repàs de cadascun i veure’ls en ordre cronològic, tal com van sortir al mercat en el seu dia.
SOCH VTEC
Honda va triar els motors amb un sol arbre de lleves (SOHC) per trasplantar-hi el VTEC. Encara que per comptar amb un arbre de lleves menys podria semblar-ho, no són motors “de segona” ni molt menys, i respecte als DOHC tenen un pes i unes dimensions lleugerament inferiors. Això sí, es simplifica una mica el procés, ja que la distribució variable només afecta les vàlvules d’admissió. Continuem comptant amb les 16 vàlvules (4 per cilindre), però aquesta vegada només hi ha un arbre de lleves, que les mourà totes. Tant la lleva “extra” més agressiva, com els passadors hidràulics i també el solenoide que activa el VTEC, continuen presents en aquesta versió. El funcionament bàsic és el mateix, però aplicat tan sols a les vàlvules d’admissió.
A la imatge superior resideix l’explicació del perquè, encara que es pot seguir aplicant el VTEC amb un sol arbre de lleves, només funcionarà en les vàlvules d’admissió. És per una qüestió de disseny; a la dreta es distingeixen les vàlvules d’admissió amb els seus respectius balancins, com que aquests últims estan junts, no hi haurà problema per fer-los solidaris mitjançant el passador hidràulic. En canvi, les vàlvules d’escapament i els seus balancins, a l’esquerra, estan separats per dues raons. La primera, per donar cabuda als balancins de les vàlvules d’admissió, i la segona, perquè en aquest espai també hi ha el buit on s’ubica la bugia.
VTEC-E
Una altra vegada, es tracta de motors 16v, però continuen comptant amb només un arbre de lleves (SOHC). Aquesta variant és la primera dirigida exclusivament a buscar un consum moderat, de fet, la “E” ve d’economy. El seu funcionament es basa en desactivar una vàlvula d’admissió en cada cilindre a baixes revolucions i funcionar només amb 12 vàlvules. A partir d’un règim determinat, la segona vàlvula d’admissió s’activarà. Això es veu en el fet que ara ja no tenim la lleva “agressiva”, tot i que segueixen existint dos perfils de funcionament.
Per entendre què guanyem amb la desactivació d’una vàlvula d’admissió, haurem de revisar els conceptes bàsics de la distribució variable.
La fletxa mostra la turbulència afavorida pel fet d’obrir una sola vàlvula d’admissió
Quan el motor funciona a baixes voltes, la força de succió que genera perquè entri aire és molt baixa, de manera que l’aire i el combustible no es barregen del tot bé; amb això, cal aportar un extra de gasolina perquè hi hagi una mica d’alegria. El VTEC-E incrementa de manera artificial aquesta succió d’aire, obrint només una vàlvula, creant així una corrent d’aire/turbulència que millorarà la barreja d’aire i combustible i, amb això, no serà necessària aquesta aportació extra de gasolina. D’aquesta manera, hem guanyat un esglaó en eficiència que es tradueix en millors consums.
A mesura que les revolucions van pujant, el requeriment d’aire i combustible augmenta i la vàlvula que està tancada comença a ser un obstacle. En aquest moment, que sol ser a unes 2500 rpm, un passador fa solidaris els dos balancins i passen a obrir-se les dues vàlvules d’admissió alhora, treballant com un motor de tota la vida
VTEC de 3 etapes
El VTEC de 3 etapes va néixer quan a Honda es van preguntar: “Per què no combinem consum i potència?”. Van fusionar el VTEC-E i el SOHC VTEC, per tenir-ho tot en un. Heu endevinat ja com funciona?
Tal com indica el seu nom, el seu funcionament es divideix en tres etapes ben diferenciades:
- Etapa 1: A baixes rpm, els dos balancins de les vàlvules d’admissió treballen independentment, obrint-se només una vàlvula d’admissió. Pas idèntic a la primera fase del VTEC-E.
- Etapa 2: A règim mig-alt, des de les 2500 rpm fins gairebé les 6000 rpm, els dos balancins es tornen solidaris a partir d’un passador activat hidràulicament. Les dues vàlvules d’admissió s’obren, treballant a l’uníson. Fins aquí, és clavat al VTEC-E.
- Etapa 3: A altes revolucions, un segon passador entra en acció mitjançant la pressió d’oli activada pel solenoide. Aquest fa que els dos balancins que funcionaven fins ara passin a ser comandats per un altre que va activat amb una lleva de perfil més agressiu, obrint més les vàlvules. Aquest pas segueix els cànons del SOHC VTEC.
El gràfic superior permet diferenciar els tres perfils amb els quals juga el VTEC de 3 etapes i, com combinant-los de manera intel·ligent, ens queda una corba de potència pràcticament plana. Per fer-se una idea del potencial d’aquests motors, cal fixar-se en la cinquena generació del Civic (EG 1991 – 1995), on la variant D15B extreia uns respectables 130 CV d’una cilindrada exacta de 1493 cc. Not bad.
i-VTEC
Començàvem el segle XXI i tot es tornava una mica més sofisticat, així que fem un parèntesi per explicar un concepte que és necessari per entendre tot lo demés: la fase o el temps. La fase és el diagrama o partitura de funcionament que té un arbre de lleves segons com hagi estat dissenyat. La posició i la forma de les seves lleves marcaran el caràcter del motor. Quan s’obriran o es tancaran les vàlvules depèn de la fase de l’arbre de lleves.
Ara tornem als motors DOHC, aquells equipats amb doble arbre de lleves. Hem comentat que el que fa el VTEC és variar l’alçada a la qual s’obren les vàlvules, així com modificar també quant de temps estan obertes. El que no variava fins ara era el moment en què s’obrien o tancaven (és a dir, no es variava la fase), sent el mateix quan actuaven les lleves normals o ho feia la lleva “agressiva”. La impossibilitat de canviar el moment en què s’obriran les vàlvules (fase) ve donada pel mateix arbre de lleves, que és rígid i les lleves formen part d’aquest i, per tant, giren solidàries amb ell.
Però, què passa si senzillament canviem la posició de l’arbre de lleves segons ens convingui? Aquí és on entra aquesta “i” petita que complementa la nomenclatura de la tecnologia de Honda. Aquesta “i” delata que el VTEC ara es complementa amb el VTC (Variable Timing Control), amb el qual ara es podrà alterar la fase de l’arbre de lleves per aconseguir el funcionament òptim en cada rang de revolucions. D’aquesta manera, amb l’i-VTEC, s’aconsegueix variar l’alçada amb la qual s’obrirà la vàlvula, quant temps estarà oberta i en quin moment ho farà.
Per cert, la “i” ve d’intelligent, de manera que queda en intelligent-VTEC. El K20A2 va ser el primer motor amb i-VTEC que vam veure a Europa, muntat en el Civic EP3 (01-05).
VARIADOR CEL·LULAR D’ALETES (VTC)
Les sigles VTC ens indiquen que el motor equipa un parell d’arbres de lleves especials, que segons com se’ls apliqui pressió d’oli, variaran la seva posició (fins a 50 graus). Aquest sistema és anomenat variador cel·lular d’aletes.
El conjunt està format per dos variadors cel·lulars d’aletes (dual VTC), un en l’arbre de lleves d’admissió i un altre en el d’escapament. Aquests estan connectats al circuit de lubricació, ja que són dirigits mitjançant pressió d’oli aplicada per dues electrovàlvules comandades per l’ECU motor. Aquestes electrovàlvules actuaran en funció del règim, la càrrega aplicada sobre l’accelerador i la temperatura del refrigerant del motor.
Després, dos transmissors d’efecte Hall s’encarreguen d’informar sobre la posició de cada arbre de lleves i, un altre situat en el volant motor, capta la velocitat de gir i la posició del cigonyal.
L’i-VTEC està present en la sèrie de motors K de Honda, d’on surt el famós K20A2, un 2 litres atmosfèric que extreia 200 CV a 7400 RPM i que era l’encarregat d’impulsar el Type R de l’època.
A la imatge de sota el títol, ens trobem amb un variador cel·lular d’aletes i s’observen dos rotors; l’exterior (el blanc) és solidari amb el pinyó de la distribució i arrossega el rotor interior (el blau). Aquest segon és solidari amb l’arbre de lleves. A partir de les ordres rebudes per l’ECU, les electrovàlvules enviaran pressió d’oli als conductes, fent girar el rotor interior respecte al rotor exterior. Segons per quins conductes circuli l’oli, la fase de l’arbre de lleves s’avançarà o es retardarà.
A-VTEC
Quan semblava que ja estava tot inventat, la casa japonesa es treu de la màniga una nova variant, l’Advance-VTEC. Aquest es diferencia de l’i-VTEC en el fet que el primer pot variar contínuament l’alçada a la qual obrirà la vàlvula i quant de temps ho farà (en aquest cas, només en admissió). La generació anterior (i) podia variar aquests dos paràmetres, però sempre dins d’uns límits i amb uns perfils preseleccionats (baixes revolucions, altes revolucions…). Ara, el funcionament del motor variarà en tot moment (“perfils infinits”) per adaptar-se a les condicions que es presentin.
La seva estructura o composició és ara una mica més complicada, ja que l’arbre de lleves d’admissió està cobert/rodejat per un tambor que roda al mateix eix. La posició d’aquest tambor depèn d’un engranatge controlat per l’ECU.
El que fa que el tambor sigui tan important és el que arrossega; es tracta d’un eix intermedi basculant. Per diferenciar el nou sistema, cal mirar enrere i veure com treballaven fins ara els DOHC VTEC: la lleva treballava des de dalt respecte als balancins. En canvi, en els SOHC, la lleva treballava empenyent de baix cap amunt. Es pot apreciar en les il·lustracions dels apartats anteriors.
Amb l’AVTEC, la lleva treballa des de baix respecte als balancins (és a dir, just al contrari de com ho feia fins al moment), però atenció, no els ataca directament, sinó que ho fa a través de l’eix basculant. El que fa especial aquest eix basculant, que forma part del tambor, és que pot variar la seva posició respecte a l’arbre de lleves, uns 45 graus aproximadament. D’aquesta manera, canviant la seva posició, es modifiquen totes les variables corresponents a les vàlvules: en quin moment obriran, quant s’obriran i quant de temps romandran obertes.
D’aquesta manera, si sabem que aquest basculant té un marge de 45 graus, arribarem a la conclusió de que el temps o fase de la vàlvula es pot canviar a conveniència dins d’aquest rang. D’altra banda, l’alçada i la durada que roman oberta es veurà alterada de la següent manera:
- Quan el tambor ha girat completament cap a un extrem en sentit antihorari, l’alçada i la durada són mínimes. L’obertura de la vàlvula està avançada al màxim.
- Al contrari, l’alçada i la durada són màximes. En canvi, l’obertura està retardada al màxim.
Entre aquestes dues posicions existeixen “infinites” possibilitats per jugar amb les tres variables descrites, de manera que es busca tenir un bon rendiment a qualsevol règim.
Tot i que la cosa prometia, tristament, tot es va quedar en un prototip d’un Accord al qual s’havia implementat l’AVTEC en el motor 2.4 de gasolina i mai va arribar a sortir al mercat. Cal puntualitzar que la nova generació del VTEC anava més destinada a reduir consums i emissions que no pas a motors d’alt rendiment. Probablement, l’equació de guanys en termes de consums i emissions versus cost de produir aquesta tecnologia no era bona.
L’AVTEC segueix el mateix principi que el Valvetronic de BMW.
Turbo VTEC
Que finalment, Honda es passés a la sobrealimentació va suposar un abans i un després, ja que era una de les poques marques que encara es mantenia fidel a la aspiració natural. Tot i així, no s’ha desfet de la tecnologia que tants èxits li va donar en un passat i que ja és signe d’identitat de la marca. De tota manera, ara el turbo és el protagonista. El responsable de estrenar aquesta nova etapa va ser el Honda Civic Type R de 2015 amb un 2.0 Turbo VTEC de 310 CV.
Posteriorment s’afegirien a la gamma turbo alimentada un 1.0 (tres cilindres), un 1.5 (quatre cilindres) i un V6 biturbo.
MOTORS 1.0 i 1.5 EARTHDREAMS
Aquests dos motors combinen el i-VTEC (VTEC + Dual VTC) amb el turbo. A més, incorporen també la injecció directa de gasolina. Com que ara el que ens interessa és la distribució variable, anem a veure com es complementa amb el turbo. Aquest últim és un turbo de baixa inèrcia amb un sol rotor (sense twin-scroll), dissenyat per agafar velocitat ràpidament i començar a respondre a molt baixes revolucions. Amb això també s’elimina bona part del lag (temps que passa entre que prems l’accelerador i el motor comença a respondre, típic dels motors turbo). El tema és que amb aquests turbos, la petita turbina només dóna resposta en la part baixa i mitjana del compte-revolucions; a partir d’aquí és on entra el nostre amic, el VTEC. A la part final del compte-revolucions, les vàlvules s’obren més, el motor respira millor i arriba la potència.
Civic Type R (FK8). Amb màquines com aquesta, se’ns fa més suportable la pèrdua dels motors atmosfèrics
De totes maneres, tot i que el VTEC encara hi és present, no és com abans (enteneu-me, sí, però no del tot), amb dir que la potència màxima s’aconsegueix a 5.500 RPM, ja ens entenem. Això és simplement perquè no hi ha un canvi “brusc” o molt perceptible, com hi havia abans, en motors que en baix i mig règim eren ‘pobres’ (donada la seva condició atmosfèrica). Ara la part baixa del compte-revolucions queda coberta pel turbo. De totes maneres, potser siguin uns dels pocs motors turbo (parlant sempre de generalistes, clar) que valgui la pena portar fins al tall, i això ho hem de agrair al VTEC.
HYPER VTEC
Tot i l’estima pels cotxes, tampoc no ens oblidem de les dues rodes, especialment quan també compten amb el seu propi VTEC característic. Cal destacar que la primera distribució variable de Honda no va ser el VTEC, sinó que la pionera es diu REV (Revolution Modulated Valve-control) i ja s’estava aplicant a les seves motocicletes a principis dels anys 80. Però tornem al que ens ocupa, com sempre, el que Honda persegueix amb aquestes tecnologies és aconseguir una barreja entre la reducció d’emissions, un bon consum i una major potència.
La Honda CB400 Super Four va ser la primera en estrenar el HYPER VTEC, va sortir al mercat el 1999 i va marcar la retirada del REV
L’HYPER VTEC està dissenyat expressament per funcionar en motors de 4 temps amb cilindres que tenen 4 vàlvules, 2 d’admissió i 2 d’escapament. En baix i mig règim, només funcionen dues vàlvules, una d’admissió i una d’escapament, mentre que les altres dues romanen tancades. Aquestes últimes només actuen a altes revolucions. Es caracteritza perquè les lleves “actuen directament” sobre les vàlvules, és a dir, sense balancins ni taqués pel mig; tot i que això no és del tot cert, ja que les vàlvules porten una mena de taqué integrat.
El sistema es completa amb un circuit hidràulic controlat electrònicament que, juntament amb uns “pins” que es troben a l’interior d’aquest taqué integrat, permet controlar l’activació o desactivació de la vàlvula. Aquests taqués són especials perquè tenen una part que és mòbil però que pot deixar de ser-ho en el moment en què s’aplica pressió d’oli sobre el pin, fent que tota la vàlvula funcioni com un sol cos.
FASE DE BAIXES / MITGES REVOLUCIONS
Quan les vàlvules es troben en situació de repòs, no hi ha pressió hidràulica. En el moment en què això succeeix i la lleva “ataca” la vàlvula, la part mòbil baixa fins que els molles de retorn fan que torni al seu estat original. En aquesta situació, la vàlvula funciona en dues parts diferenciades, una que es mou i una altra que es manté estàtica. Com a resultat, la vàlvula no s’obre.
A mesura que el final del compte-revolucions s’apropa, s’exerceix pressió hidràulica, el pin es desplaça i fa que la vàlvula funcioni com un sol cos. D’aquesta manera, quan la lleva actua sobre la vàlvula, aquesta s’obre, funcionant com un motor normal.
Si us hi heu fixat, aquesta variant té moltes similituds amb el VTEC E, en què a baix règim també es tanquen vàlvules (en aquest cas només una d’admissió). La diferència principal és que en el HYPER VTEC no hi ha intermediaris entre la lleva i la vàlvula (un balancí en el cas del VTEC E) i que el motor pot girar a règims molt més alts.
THE POWER OF DREAMS
Arribats a aquest punt, no es pot negar la importància que ha tingut aquesta tecnologia per a la casa del sol naixent. L’han aplicada de diferents maneres adaptant-la a cada producte. I el més important, van demostrar fa uns quants anys que els consums moderats poden anar de la mà amb les prestacions i, sobretot, amb les sensacions.
Honda ha fet del VTEC el seu distintiu i personalitat durant molt de temps, i encara que potser avui en dia s’ha vist eclipsat per altres tecnologies, continuarà vivint a la ment i al cor d’aquells conductors que van tenir l’oportunitat de gaudir d’un motor atmosfèric que es tornava boig escalant revolucions pel tacòmetre.
Llarga vida al VTEC.