Cómo funcionan los árboles de levas

El árbol de levas (haga clic en la imagen para ver la animación). Ver imágenes de motores de automóviles.

Si ha leído el artículo Cómo funcionan los motores de los automóviles, conoce las válvulas que permiten que la mezcla de aire y combustible ingrese al motor y el escape salga del motor. El árbol de levas utiliza lóbulos (llamados cámaras) que empujan contra las válvulas para abrirlas a medida que gira el árbol de levas; los resortes de las válvulas las devuelven a su posición cerrada. Este es un trabajo crítico y puede tener un gran impacto en el rendimiento de un motor a diferentes velocidades. En la siguiente página de este artículo, puede ver la animación que creamos para mostrarle realmente la diferencia entre un árbol de levas de rendimiento y uno estándar..

En este artículo, aprenderá cómo afecta el árbol de levas al rendimiento del motor. Tenemos algunas animaciones geniales que le muestran cómo diferentes diseños de motor, como cámara de techo única (SOHC) y cámara de techo doble (DOHC), realmente funciona. Y luego repasaremos algunas de las formas ingeniosas en que algunos autos ajustan el árbol de levas para que pueda manejar diferentes velocidades del motor de manera más eficiente..

Empecemos con lo básico.

Conceptos básicos del árbol de levas

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

Para entender por qué este es el caso, imagine que estamos haciendo funcionar un motor extremadamente lento, a solo 10 o 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 lento, pero imaginemos que podríamos hacerlo. A esta baja velocidad, querríamos que los lóbulos de las levas tuvieran una forma que:

• Justo cuando el pistón comienza a moverse hacia abajo en la carrera de admisión (llamado 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 carrera de combustión, y se cerraría cuando el pistón completara la carrera de escape.

Esta configuración funcionaría muy bien para el motor siempre que funcione a esta velocidad muy lenta. Pero, ¿qué pasa si aumentas las RPM? Vamos a averiguar.

Cuando aumenta las RPM, la configuración de 10 a 20 RPM para el árbol de levas no funciona bien. Si el motor está funcionando a 4000 RPM, las válvulas se abren y cierran 2000 veces por minuto, o 33 veces por segundo. A estas velocidades, el pistón se mueve muy rápido, por lo que la mezcla de aire / combustible que ingresa al 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 corredor de admisión comienza a acelerar hacia el cilindro. Para cuando el pistón llega al final de su carrera de admisión, el aire / combustible se mueve a una velocidad bastante alta. Si cerráramos de golpe 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 impulso del aire / combustible en movimiento rápido continúa forzando el aire / combustible hacia el cilindro cuando el pistón comienza su carrera de compresión. Entonces, 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 velocidades más altas; este parámetro, llamado elevación de la válvula, se rige por el perfil del lóbulo de la leva.

La siguiente animación muestra cómo cámara regular y un cámara de rendimiento tienen diferente sincronización de válvulas. Observe que los ciclos de escape (círculo rojo) y de admisión (círculo azul) se superponen mucho más en la cámara de rendimiento. Debido a esto, los automóviles con este tipo de leva tienden a funcionar de manera muy brusca al ralentí..

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Dos perfiles de cámara diferentes: haz clic en el botón debajo del botón de reproducción para alternar entre las cámaras. Los círculos muestran cuánto tiempo permanecen abiertas las válvulas, azul para admisión, rojo para escape. La superposición de válvulas (cuando las válvulas de admisión y escape están abiertas al mismo tiempo) se resalta al comienzo de cada animación.

Cualquier árbol de levas será perfecto solo a una velocidad del motor. En cualquier otra velocidad del motor, el motor no funcionará a su máximo potencial. UNA árbol de levas fijo es, por tanto, siempre un compromiso. Es por eso que los fabricantes de automóviles han desarrollado esquemas para variar el perfil de la leva a medida que cambia la velocidad del motor..

Hay varias disposiciones diferentes de árboles de levas en los motores. Hablaremos de algunos de los más habituales. Probablemente hayas escuchado la terminología:

• Árbol de levas único (SOHC)
• Cámara de techo doble (DOHC)
• Varilla de empuje

En la siguiente sección, veremos cada una de estas configuraciones.

Daño por un pistón que golpea una válvula

Leva de arriba individual

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

La leva acciona los balancines que presionan las válvulas, abriéndolas. muelles devolver las válvulas a su posición cerrada. Estos resortes tienen que ser muy fuertes porque a altas velocidades del motor, las válvulas se empujan hacia abajo muy rápidamente, y son los resortes los que mantienen las válvulas en contacto con los balancines. Si los resortes no fueran lo suficientemente fuertes, las válvulas podrían salirse de los balancines y retroceder. Esta es una situación indeseable que daría lugar a un desgaste adicional de las levas y los balancines..

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Una sola cámara de techo

En motores de árbol de levas simples y dobles, las levas son impulsadas por el cigüeñal, a través de una correa o cadena llamada correa de distribución o cadena de distribución. Estas correas y cadenas deben reemplazarse o ajustarse a intervalos regulares. Si se rompe una correa de distribución, 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.

Cámara de techo doble

Un motor de doble árbol de levas dos levas por cabeza. Los motores en línea tienen dos levas y los motores en V tienen cuatro. Por lo general, las levas dobles en cabeza se utilizan en motores con cuatro o más válvulas por cilindro; un solo árbol de levas simplemente no puede adaptarse a suficientes lóbulos de leva para accionar todas esas válvulas.

La razón principal para usar levas dobles en la 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. Esto aumenta la potencia del motor..

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

Un motor de varilla de empuje

Motores de varilla de empuje

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

La leva acciona varillas largas que suben a través del bloque y entran en la cabeza para mover los balancines. Estas varillas largas agregan masa al sistema, lo que aumenta la carga en los resortes de las válvulas. Esto puede limitar la velocidad de los motores de varillas de empuje; el árbol de levas en cabeza, que elimina la varilla de empuje del sistema, es una de las tecnologías del motor que hizo posible velocidades más altas del motor.

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Un motor de varilla de empuje

El árbol de levas en un motor de varilla de empuje a menudo es impulsado por engranajes o una cadena corta. Las transmisiones por engranajes son generalmente menos propensas a romperse que las transmisiones por correa, que a menudo se encuentran en los motores de árbol de levas..

Algo importante en el diseño de sistemas de árbol de levas es variar la sincronización de cada válvula. Veremos la sincronización de válvulas en la siguiente sección..

El sistema de leva variable utilizado en algunos Ferraris

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

VTEC (Control electrónico de elevación y sincronización variable de válvulas) es un sistema electrónico y mecánico en algunos motores Honda que permite que el motor tenga varios árboles de levas. Los motores VTEC tienen leva de admisión adicional con su propio balancín, que sigue a esta leva. El perfil de esta leva mantiene la válvula de admisión abierta más tiempo que el otro perfil de leva. A bajas velocidades del motor, 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 coches utilizan un dispositivo que puede avanzar la sincronización de la válvula. Esto no mantiene las válvulas abiertas por más tiempo; en cambio, los abre más tarde y los cierra más tarde. Esto se hace girando el árbol de levas hacia adelante unos grados. 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 cambiar mediante un mecanismo que hace girar la leva un poco hacia adelante mientras 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 después es bueno, pero sería mejor poder aumentar el tiempo que la válvula de admisión está abierta..

Ferrari tiene una forma realmente elegante de hacer esto. Los árboles de levas de algunos motores Ferrari se cortan con un perfil tridimensional que varía a lo largo 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 está 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 se acople a 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 aumentan la velocidad y la carga del motor, se puede optimizar la sincronización de la válvula..

Varios fabricantes de motores están experimentando con sistemas que permitirían una variabilidad infinita en la sincronización de válvulas. Por ejemplo, imagine que cada válvula tiene un solenoide que podría abrir y cerrar la válvula usando el control de la computadora en lugar de depender de un árbol de levas. Con este tipo de sistema, obtendría el máximo rendimiento del motor a cada RPM. Algo que esperar en el futuro ...

Para obtener más información sobre árboles de levas, sincronización de válvulas y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.

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