Árbol de Levas

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¿Qué es el árbol de levas?

Debes saber que las válvulas permiten que la mezcla aire/combustible entre en el motor y que los gases de combustión salgan del motor.

El árbol de levas utiliza un sistema con lengüetas (llamadas levas) que empujan contra las válvulas para abrirlas a medida que el árbol de levas gira; los muelles de las válvulas las devuelven a su posición cerrada. Este es un trabajo muy importante y puede tener un gran impacto en el rendimiento de un motor a diferentes velocidades. En la siguiente imagen puedes ver la animación que construimos para mostrarte realmente la diferencia entre un árbol de levas de alto rendimiento y uno estándar.

En este artículo, aprenderá cómo el árbol de levas afecta el rendimiento del motor. Tenemos algunas animaciones que muestran cómo funcionan realmente los diferentes diseños de motores, como una sola leva de techo (SOHC) y una doble leva de techo (DOHC). Y luego repasaremos algunas de las formas sencillas en que algunos coches ajustan el árbol de levas para que pueda funcionar a diferentes velocidades del motor de manera más eficiente.

Empecemos con lo básico.

Fundamentos del árbol de levas
Las partes clave de cualquier árbol de levas son los pistones. A medida que el árbol de levas gira, los pistones abren y cierran las válvulas de admisión y escape a la par con el movimiento del pistón. Resulta que existe una relación directa entre la forma de los pistones de las levas y la forma en que el motor funciona en diferentes rangos de velocidad.

Para entender por qué es así, imagínese que estamos haciendo funcionar un motor a una velocidad extremadamente lenta, a sólo 10 ó 20 revoluciones por minuto (RPM), de modo que el pistón tarda un par de segundos en completar un ciclo. Sería imposible hacer funcionar un motor normal tan lentamente, pero imaginemos que podríamos hacerlo. A esta velocidad lenta, querríamos que los pistones de las levas tuvieran esa forma para que:

Justo cuando el pistón comienza a moverse hacia abajo en la carrera de admisión (llamada punto muerto superior, o TDC), la válvula de admisión se abriría. La válvula de admisión se cerrará justo cuando el pistón toque fondo.
La válvula de escape se abriría justo cuando el pistón toque fondo (llamado punto muerto inferior, o BDC) al final de la curva de combustión, y se cerraría a medida que el pistón complete la curva de escape.
Esta configuración funcionaría muy bien para el motor siempre y cuando funcione a esta velocidad tan lenta. Pero, ¿qué pasa si se aumentan las RPM? Vamos a averiguarlo.

Cuando se aumentan las RPM, la configuración de 10 a 20 RPM para el árbol de levas no funciona bien. Si el motor está funcionando a 4.000 RPM, las válvulas se abren y cierran 2.000 veces por minuto, o 33 veces por segundo. A estas velocidades, el pistón se mueve muy rápidamente, por lo que la mezcla de aire/combustible que entra en el cilindro también se mueve muy rápidamente.

Cuando la válvula de admisión se abre y el pistón comienza su carrera de admisión, la mezcla de aire/combustible en el canal de admisión comienza a acelerar hacia el cilindro. Cuando el pistón alcanza el fondo de su recorrido de admisión, el aire/combustible se mueve a una velocidad bastante alta. Si cerráramos la válvula de admisión, todo ese aire/combustible se detendría y no entraría en el cilindro. Al dejar la válvula de admisión abierta un poco más, el empuje del aire/combustible de movimiento rápido continúa forzando al aire/combustible a entrar en el cilindro a medida que el pistón comienza su carrera de compresión. Así que cuanto más rápido va el motor, más rápido se mueve el aire/combustible, y más tiempo queremos que la válvula de admisión permanezca abierta. También queremos que la válvula se abra más a altas velocidades — este parámetro, llamado elevación de la válvula, está regulado por el perfil del pistón de la leva.

La siguiente animación muestra cómo una leva normal y una leva de rendimiento tienen una sincronización de válvulas diferente. Observe que los ciclos de escape (círculo rojo) y de admisión (círculo azul) se solapan mucho más en la leva de rendimiento. Debido a esto, los coches con este tipo de leva tienden a funcionar muy bruscamente al ralentí.

 

Cualquier árbol de levas será perfecto sólo a una velocidad del motor. A cualquier otra velocidad del motor, el motor no rendirá al máximo de su potencial. Un árbol de levas fijo es, por lo tanto, siempre un riesgo. Por eso los fabricantes de automóviles han desarrollado esquemas para variar el perfil de la leva a medida que cambia el régimen del motor.

Hay varios arreglos diferentes de árboles de levas en los motores. Hablaremos de algunos de los más comunes. Probablemente has oído la terminología:

Leva superior simple (SOHC)
Doble árbol de levas en cabeza (DOHC)
Varilla de empuje
En la siguiente sección, veremos cada una de estas configuraciones.

Configuraciones del árbol de levas

Esta disposición denota un motor con una leva por cabezal. Así que si es un motor de 4 cilindros en línea o de 6 cilindros en línea, tendrá una leva; si es un V-6 o un V-8, tendrá dos levas (una para cada cabezal).

La leva acciona balancines que presionan hacia abajo las válvulas, abriéndolas. Los resortes devuelven las válvulas a su posición cerrada. Estos resortes tienen que ser muy fuertes porque a altas velocidades del motor, las válvulas son empujadas hacia abajo muy rápidamente, y son los muelles los que mantienen las válvulas en contacto con los balancines. Si los muelles no fueran lo suficientemente fuertes, las válvulas podrían desprenderse de los balancines y retroceder. Esta es una situación poco deseable que provocaría un desgaste adicional en las levas y las estriberas.

 

Una sola leva superior
En los motores de levas de uno o dos árboles de levas, las levas son accionadas por el cigüeñal, ya sea a través de una correa o cadena llamada correa dentada o cadena de distribución. Estas correas y cadenas deben ser reemplazadas o ajustadas a intervalos regulares. Si se rompe una correa dentada, la leva dejará de girar y el pistón podría golpear las válvulas abiertas.

La imagen de arriba muestra lo que puede suceder cuando un pistón golpea una válvula abierta.

 

Doble leva superior
Un motor de doble árbol de levas en cabeza tiene dos árboles de levas por cabezal. Así que los motores en línea tienen dos levas, y los motores V tienen cuatro. Por lo general, las levas dobles se utilizan en motores con cuatro o más válvulas por cilindro – un solo árbol de levas simplemente no puede caber en suficientes ejes de levas para accionar todas esas válvulas.

La razón principal para usar doble árbol de levas en cabeza es permitir más válvulas de admisión y escape. Más válvulas significa que los gases de admisión y escape pueden fluir más libremente porque hay más aberturas para que fluyan a través de ellas. Esto aumenta la potencia del motor.

La configuración final que veremos en este artículo es el motor de empuje.

 

Un motor de varilla de empuje
Motores con biela de empuje
Al igual que los motores SOHC y DOHC, las válvulas de un motor de varilla de empuje se encuentran en la dirección, por encima del cilindro. La diferencia clave es que el árbol de levas de un motor de biela de empuje está dentro del bloque del motor, en lugar de en el cabezal.

La leva acciona barras largas que suben a través del bloque y dentro de la cabeza para mover los balancines. Estas varillas largas añaden peso al sistema, lo que aumenta la carga sobre los resortes de la válvula. Esto puede limitar la velocidad de los motores de bielas de empuje; el árbol de levas superior, que elimina la biela de empuje del sistema, es una de las tecnologías de motores que hizo posibles velocidades más altas del motor.

 

Un motor de biela de empuje
El árbol de levas de un motor de biela de empuje a la mayoría de las veces es accionado por engranajes o por una cadena corta. Las transmisiones por engranajes son generalmente menos propensas a la rotura que las transmisiones por correa, que a menudo se encuentran en los motores de levas en cabeza.

Una gran novedad en el diseño de sistemas de árbol de levas es la variación de la sincronización de cada válvula. Veremos la distribución de las válvulas en la siguiente sección.

 

Tiempo variable de la válvula

Hay un par de formas novedosas en las que los fabricantes de automóviles varían la distribución de las válvulas. Un sistema utilizado en algunos motores Honda se llama VTEC.

VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) es un sistema electrónico y mecánico en algunos motores Honda que permite que el motor tenga múltiples árboles de levas. Los motores VTEC tienen una leva de admisión adicional con su propio balancín, que sigue a esta leva. El perfil de esta leva mantiene la válvula de admisión abierta durante más tiempo que el otro perfil de leva. A bajas revoluciones, este balancín no está conectado a ninguna válvula. A altas velocidades del motor, un pistón bloquea el balancín adicional a los dos balancines que controlan las dos válvulas de admisión.

 

Algunos automóviles utilizan un dispositivo que puede hacer avanzar el cronometraje de las válvulas. Esto no mantiene las válvulas abiertas por más tiempo, sino que las abre más tarde y las cierra más tarde. Esto se hace girando el árbol de levas unos grados hacia adelante. Si las válvulas de admisión normalmente se abren a 10 grados antes del punto muerto superior (TDC) y se cierran a 190 grados después del TDC, la duración total es de 200 grados. Los tiempos de apertura y cierre se pueden desplazar mediante un mecanismo que hace girar un poco la leva hacia delante a medida que gira. Por lo tanto, la válvula podría abrirse a 10 grados después del TDC y cerrarse a 210 grados después del TDC. Cerrar la válvula 20 grados más tarde es bueno, pero sería mejor poder aumentar la duración de la apertura de la válvula de admisión.

Ferrari tiene una manera muy buena de hacer esto. Los árboles de levas de algunos motores Ferrari están cortados con un perfil tridimensional que varía a lo largo de la longitud del lóbulo de la leva. En un extremo del lóbulo de la leva se encuentra el perfil de leva menos agresivo, y en el otro extremo el más agresivo. La forma de la leva combina suavemente estos dos perfiles. Un mecanismo puede deslizar lateralmente todo el árbol de levas para que la válvula encaje en las diferentes partes de la leva. El eje sigue girando como un árbol de levas normal, pero al deslizar gradualmente el árbol de levas lateralmente a medida que aumenta la velocidad del motor y la carga, se puede optimizar la sincronización de la válvula.

Varios fabricantes de motores están experimentando con sistemas que permitirían una variabilidad infinita en la distribución de las válvulas. Por ejemplo, imagine que cada válvula tuviera un electroimán que pudiera abrir y cerrar la válvula usando un control por ordenador en lugar de depender de un árbol de levas. Con este tipo de sistema, usted obtendría el máximo rendimiento del motor a cada RPM. Algo que esperamos en el futuro….

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