Cómo funcionan los motores de válvula de manguito

Octubre de 1945: Un avión de transporte Junkers JU 88 obsoleto con un caza Focke-Wulf FW 190 en la parte superior, en una exhibición de aviones británicos y alemanes en el Royal Aircraft Establishment en Farnborough, Inglaterra. Eche un vistazo a nuestra animación de cómo funciona el motor de la válvula de manguito. Fox Photos / Getty Images

Durante la Segunda Guerra Mundial, los ingenieros del régimen nazi diseñaron algunas de las mejores y más avanzadas armas aéreas de la época. Un avión de combate alemán, el Focke-Wulf Fw 190, superó durante un tiempo cualquier cosa que los aliados pudieran poner en el aire..

Afortunadamente para los aliados, la ingeniería de su lado finalmente hizo que el péndulo de la superioridad aérea les beneficiara. Un motor resistente y poco convencional del que muchas personas probablemente nunca han oído hablar ayudó a neutralizar el Fw 190 y el resto de la Luftwaffe. A su manera, un motor ayudó a impulsar a los aliados a la victoria [fuente: Rickard].

El motor de válvula de manga, que se ha utilizado tanto en automóviles como en aviones, impulsó veloces cazas británicos como el Hawker Typhoon y Hawker Tempest. Con su potencia bruta, ayudaron a los aliados a controlar los cielos, proporcionar apoyo aéreo a las fuerzas terrestres y, finalmente, ganar la guerra..

Pero, ¿qué es exactamente un motor de válvula de manguito y qué pasa con el nombre divertido? ¿Y por qué no vemos ni escuchamos mucho sobre ellos hoy??

El motor recibe su nombre de la camisa de metal de paredes delgadas que se desliza hacia arriba y hacia abajo dentro de cada cilindro durante el proceso de combustión. Por lo general, los orificios en el manguito y en el cilindro que lo contiene se alinean a intervalos predecibles para expulsar los gases de escape y aspirar aire fresco..

A pesar de su honorable historial de servicios armados, la compleja configuración de la válvula de manguito se perdió frente a lo que usamos hoy en los motores de combustión interna, las válvulas de empuje. En los aviones, por supuesto, las centrales eléctricas de pistón de todo tipo dieron paso en gran medida a los motores a reacción..

Pero espere, no descarte la válvula de manga como una reliquia histórica inútil por el momento.

Al menos una empresa está buscando volver a poner en funcionamiento el venerable motor de válvulas de manguito, pero con algunos giros modernos..

En las próximas páginas, veremos qué hace girar el motor de válvula de manguito. También examinaremos por qué cayó en desgracia, junto con las razones por las que está siendo convocado ahora, más de un siglo después de su invención, para servir en un tipo diferente de "lucha".

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Contenido

1. Tecnología de motor de válvula de manguito
2. Válvulas de manguito por terreno: uso en motores de automóviles
3. Válvulas de manguito por aire: uso en motores de avión
4. Que sigue?

Al llegar como lo hizo durante el apogeo de la era industrial, el motor de válvula de manga parece un artilugio que estaría en casa en una novela steampunk. Los ingenieros de hoy en día se maravillan de su inteligencia. Y cluck-cluck en su alta complejidad.

Así que ahí, has sido advertido. En realidad, es algo muy bonito una vez que entiendes cómo funcionan todas esas piezas juntas. Ahora arremangue sus mangas, porque estamos a punto de ensuciarnos con el funcionamiento interno de un motor de válvula de manga.

Este motor tiene tantas cosas que casi desafía la descripción. Pero lo intentaremos. Los motores de válvula de manguito, al igual que sus homólogos de válvula de empujador, pueden tener muchas configuraciones diferentes. Uno de esos arreglos, los motores de válvula de manga radial que se usan en los aviones, se parece un poco a lo que podría obtener si un Robot Rock 'Em Sock' Em tuviera un bebé con un centinela "calamar" de "The Matrix".

Para comprender qué es y qué hace un motor de válvula de manguito, puede ser útil comprender primero qué no es. No es, ante todo, el sistema popular con el que la mayoría de nosotros estamos familiarizados, un motor de válvula de asiento. Las válvulas de asiento son el estándar de facto en los motores de combustión interna actuales. Con ellos, las válvulas en forma de hongo bajo la tensión de los resortes se abren y cierran rítmicamente para controlar la entrada y salida de combustible, aire y gases residuales de escape en el cilindro..

Una válvula de manga, por otro lado, utiliza una manga deslizante, a veces giratoria, para controlar la cantidad de aire y combustible que se detonan con cada carrera de compresión. La premisa básica de encender combustible y aire para impulsar un conjunto de pistones y hacer girar un cigüeñal es la misma que con otros motores de combustión interna..

Aquí hay otra característica distintiva de las válvulas de manguito. En los diseños en los que gira el manguito, los puertos que se cortan en él se alinean con los puertos de admisión o de escape del cilindro, según la parte de la carrera que se esté realizando. Un pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro de cada manguito, incluso cuando el manguito se desliza hacia adelante y hacia atrás. El movimiento del manguito es impulsado por engranajes conectados al cigüeñal..

Rascarse la cabeza todavía en qué, exactamente, ocurre? Estos son los pasos:

• Carrera de compresión: el pistón se acerca al punto muerto superior, todos los puertos del cilindro están cerrados y la bujía dispara y enciende la mezcla de aire / combustible
• Carrera de combustión: el encendido obliga al pistón a descender hacia el cilindro; a medida que el pistón va al punto muerto inferior, la camisa (o manguito) se desplaza para alinear sus aberturas de corte con los puertos de escape del cilindro
• Carrera de escape: los gases de escape se expulsan cuando el pistón vuelve a subir; los puertos de escape se cierran
• Carrera de admisión: el manguito gira hacia el otro lado, exponiendo los puertos de entrada de aire; el pistón desciende, aspirando aire fresco; el manguito se desplaza para cerrar el puerto de entrada para la siguiente carrera de disparo y luego se repite todo el proceso

Ahora multiplique eso por varios cilindros y coloque un cigüeñal para que giren, y tendrá un motor de válvula de manga.!

Si suena complicado, bueno, es porque lo es. Uno de los principales golpes contra estos motores fue que eran muy complejos. Sin embargo, tiene un poco más de sentido cuando ves todo el proceso en acción. Mira el video en esta página para visualizarlo mejor.

Encienda su remolino: válvulas de manguito y eficiencia volumétrica

Entonces, ¿por qué alguien querría jugar con un motor tan complicado? Después de todo, tenían una sed notoria de aceite lubricante; y no les agradaban las impurezas como la arena. La respuesta es que ofrecen la ventaja de la eficiencia volumétrica. En otras palabras, son mucho mejores que los motores normales para hacer entrar y salir aire de la cámara de combustión. Además, la disposición de los puertos proporciona mejores características de remolino. Eso es ingeniero, crean aire turbulento, lo que hace que la mezcla de aire y combustible se queme de manera más eficiente [fuente: Raymond].

Charles Yale Knight, nacido en Indiana, compró un automóvil Knox de tres ruedas alrededor de 1901 para poder informar y publicar su diario agrícola en el medio oeste de Estados Unidos. Pero descubrió que el ruido creado por las válvulas del automóvil era un dolor grave en los oídos. Así que hizo lo que haría cualquier emprendedor que se precie con experiencia en maquinaria industrial: se propuso construir un motor mejor él mismo..

Con el apoyo de un rico patrocinador, desarrolló y probó prototipos exhaustivamente. Para 1906, había progresado lo suficiente como para revelar su automóvil "Silent Knight" de 4 cilindros y 40 caballos de fuerza en el Salón del Automóvil de Chicago..

El motor Knight presentaba no una, sino dos mangas por cilindro, con la manga interior deslizándose dentro de la exterior. El pistón, a su vez, se deslizó dentro del manguito interior. El Caballero, fiel a su apodo, estaba impresionantemente callado. A pesar de que el motor Knight demostró ser superior a las ruidosas y frágiles válvulas de asiento de su época, los fabricantes de automóviles estadounidenses le dieron la espalda, inicialmente.

Knight y su benefactor financiero L.B. A Kilbourne le fue considerablemente mejor en el extranjero. Después de algunos refinamientos en el diseño, el motor Knight llegó a los autos Daimler en Inglaterra (no debe confundirse con Daimler-Benz).

El Silent Knight fue un éxito, y pronto otros fabricantes quisieron participar en la acción de la válvula de manga, incluidos los fabricantes de automóviles en los Estados Unidos. Los automóviles y camionetas ligeras Willys, Daimler y Mercedes-Benz, entre otros, emplearon el motor de válvula de manga Knight [fuente: Wells].

Sin embargo, en la década de 1920, el diseño de válvulas de manguito había avanzado más allá de la configuración de manguito dentro de manguito de Knight. Los diseños de una sola manga, incluido el Burt-McCollum, eran más ligeros, menos complejos y menos costosos de construir y, por lo tanto, preferibles a los fabricantes. Con más modificaciones de fabricantes de motores como Bristol y Rolls-Royce, incluso volarían al cielo..

1940: El personal de tierra se prepara para cargar un Hawker Typhoon con bombas. Fox Photos / Getty Images

Harry R. Ricardo (más tarde "Sir" Harry Ricardo), nacido en Londres en 1885, no esperó hasta la universidad para comenzar sus estudios de ingeniería. Observó y absorto en las rodillas de un maquinista local cuando era un niño, y volvía a casa desde el taller del maquinista para aplicar sus nuevos conocimientos en la construcción de motores. Más tarde diría:

"Cuando era niño, siempre me fascinaron los motores y los movimientos mecánicos en general, y sobre todo, el gran misterio de cómo se hacían realmente esas cosas ... mirando hacia atrás, creo que aprendí más de valor real de estos primeros y muy crudos intentos de diseño y fabricación que de cualquier otra cosa "[fuente: Universidad de Cambridge].

Ricardo, en su adultez de ingeniero en activo, fue un triunfador incurable. Además de ajustar los motores de los tanques que ayudaron a romper el estancamiento de la Primera Guerra Mundial, dirigió una investigación innovadora sobre la asignación de índices de octanaje a diferentes grados de combustible..

Quizás su contribución más notable en los años de la Segunda Guerra Mundial fue su trabajo para mejorar el motor de válvulas de manguito..

Ricardo teorizó en la década de 1920 que un motor de avión con válvula de manguito podría generar más caballos de fuerza que un motor con válvula de empujador comparable porque podría generar una relación de compresión más alta.

Resultó que en 1941, los aviones británicos, incluido el principal avión de combate Supermarine Spitfire, estaban recibiendo golpes del superior Focke-Wulf Fw 190 de Alemania. Los Fw 190 también lanzaron ataques terrestres contra instalaciones aliadas con casi impunidad, ya que nada podía atraparlos a baja altura después de que arrojaron sus bombas.

El Hawker Typhoon con motor de válvula de camisa, que entró en servicio en 1942, cambió eso. Impulsado por un motor Napier Sabre de 2.180 caballos de fuerza, el "Tiffy" adicional para levantarse y ponerse en marcha significaba que no solo podía derribar a los intrusos rápidos de la Luftwaffe, sino que también podía llevar bombas. Más adelante en la guerra, los Typhoons equipados con bombas y cohetes resultarían fundamentales para apoyar a las fuerzas terrestres aliadas mientras apretaban la soga sobre los nazis y terminaban la guerra en Europa [fuente: Rickard].

A pesar del historial militar ejemplar del motor de válvula de manga, la escritura estaba en la pared: los motores a reacción dominarían la aviación comercial y militar desde los años de la posguerra en adelante..

El legado de Knight, Ricardo y otros no desaparecería por completo: los entusiastas de los motores recordarían el motor de válvula de manguito con modelos caseros y en sitios web en las décadas siguientes. Algunos modelos de aviones voladores utilizan motores de válvulas de camisa en miniatura. Y es concebible que la tecnología pueda experimentar un resurgimiento en algunos de los mercados automotrices más grandes y de más rápido crecimiento del mundo..

Entonces, ¿fue el motor de válvula de camisa un callejón sin salida evolutivo, en lo que respecta al avance de la combustión interna??

Pongámoslo de esta manera. Al igual que a Hollywood le gusta reciclar conceptos antiguos y darles un nuevo giro cuando se están quedando sin nuevas ideas, también lo hace la industria automotriz. Los coches eléctricos, como recordará, eran un gran problema antes (irónicamente) que el arranque eléctrico hacía que los coches de combustión interna fueran muy prácticos. La electricidad prácticamente desapareció del automovilismo convencional hasta que las preocupaciones ambientales los sacaron de la tumba cerca del cambio de siglo..

Y así, de manera similar, podría desarrollarse el caso con el motor de válvula de manga dormido. Como dice el refrán, "lo viejo es nuevo de nuevo".

Pinnacle Technologies, con sede en San Carlos, California, cuenta con la demanda acumulada de transporte limpio y barato en Asia para aprovechar su interpretación moderna de la válvula de manguito. Un nuevo motor se basa en lo que la compañía describe como una arquitectura de cuatro tiempos, encendido por chispa (SI), pistones opuestos y válvulas de manguito..

El fundador de Pinnacle, Monty Cleeves, dice que su motor patentado puede producir una mejora de la eficiencia del 30 al 50 por ciento en comparación con los motores de combustión interna actuales [fuente: Pinnacle Engines].

"Esta tecnología de motor proporciona la economía de combustible y las emisiones de CO2 de un híbrido a un precio que todo el mundo puede pagar", dijo Cleeves en un comunicado emitido por la compañía.

Pinnacle dice que no le preocupa que los vehículos eléctricos hagan obsoleta su tecnología en el corto plazo. En cambio, cree que hay una gran oportunidad para servir a mercados de rápido crecimiento como India y China. Ellos y otros países en desarrollo quieren frenar las emisiones de gases de efecto invernadero mientras mejoran el nivel de vida de sus ciudadanos, mediante la propiedad de vehículos de motor. Dado que los vehículos eléctricos y los híbridos todavía tienen una prima de precio significativa, Pinnacle dice que su válvula de manguito rediseñada es una buena "tecnología puente" hasta que la electricidad sea más asequible para todos..

Pinnacle, que ha recibido varios millones de dólares en capital de riesgo, dijo que estaba buscando un acuerdo de licencia con un fabricante de automóviles asiático y esperaba que la producción comenzara en 2013..

Nota del autor: Cómo funcionan los motores de válvula de manguito

Como gran fanático de los aviones militares, había oído hablar de los motores de válvula de manga antes de esta asignación. Pero eso fue todo. Dado su estatus de nota al pie en la historia, siempre había pensado en ellos simplemente en abstracto. A diferencia de un motor de válvula de asiento que puede estudiar en su propio camino de entrada, estas "cosas de válvula de manga" eran para mí solo una tecnología olvidada, aunque pintoresca, como las locomotoras de vapor. Entonces, cuando aproveché el poder de las Interwebs para verlos en acción, me sentí instantáneamente asombrado y admirado. ¿Cómo pudo la gente hace 100 años descubrir todos los ángulos, tolerancias, equilibrios de peso y más necesarios para dar vida a estas máquinas increíblemente complejas? El hecho de que los emprendedores de hoy busquen darle nueva vida al concepto dice mucho sobre el genio y la visión de esos pioneros originales. Se podría argumentar que los motores originales de válvulas de manguito del siglo XX estaban "sobre-diseñados", es decir, eran demasiado complicados para su propio bien. O simplemente podría ser que, al carecer de los avances en la ciencia de los materiales y la precisión del diseño asistido por computadora que disfrutamos hoy, simplemente se adelantaron a su tiempo..

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Fuentes

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