Análisis Técnico – Árbol de levas

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El árbol de levas es una de las partes principales de los motores que usan pistones. Esta pieza se usa para hacer trabajar las válvulas. Se compone de una varilla cilíndrica que recorre la longitud de la bancada de los cilindros con número de lóbulos oblongos o levas, que sobresalen de esta varilla y por lo general suele ser una por cada válvula. Las levas fuerzan a que las válvulas se abran debido a la presión en la misma (o por algún que otro mecanismo intermedio) a medida que éstas (las levas) giran.

Dependiendo de la ubicación del árbol de levas, éstas trabajan con las válvulas, ya sea directamente o a través de un enlace de varillas de empuje y balancines. La operación directa implica un mecanismo más sencillo y da un resultado con menos fallos, pero requiere que el árbol de levas se sitúe en la parte superior de los cilindros. En el pasado, cuando los motores no eran tan fiables como hoy en día, esta solución era demasiado molesta, pero en los motores de gasolina modernos colocar este sistema en la parte superior es algo de lo más común.

Algunos motores utilizan dos árboles de levas, uno para las válvulas de admisión y otro para las de escape, conocido como leva doble o dual (DOHC) y por tanto, un motor en V puede tener hasta 4 árboles de levas. Los árboles de levas se pueden clasificar de dos formas:

  • Árbol de levas individual (SOHC).
  • Doble árbol de levas (DOHC): Motor de 4 tiempos con distribución fija en la que la válvula es fijada por el fabricante de automóviles para su máxima eficiencia funcionando en un punto específico en el alcance del funcionamiento del motor.

La relación entre rotación del árbol de levas y la rotación del cigüeñal es primordial. Si las culatas y los pistones son el corazón de un motor, entonces el árbol de levas y las válvulas son el cerebro de la operación. El tiempo de apertura, cierre, elevación y la duración de cada ciclo de válvula es fundamental para conseguir la potencia y el par motor.

Dado que las válvulas controlan el flujo de admisión de la mezcla de aire con el combustible y los gases del escape, estos elementos han de abrirse y cerrarse en el momento apropiado durante la carrera del pistón. Por esta razón, el árbol de levas está conectado al cigüeñal ya sea directamente a través de un mecanismo de engranajes, o indirectamente a través de una correa de distribución.

En algunos diseños, el árbol de levas también impulsa el distribuidor y, en los primeros sistemas de inyección de combustible, las levas harían trabajan a los inyectores de combustible.

Las válvulas admiten la mezcla de aire con combustible dentro de las cámaras de combustión del motor y la apertura que permite que los gases ya quemados puedan ser expulsados hacia los escapes son controlados por los lóbulos con forma de huevo en el árbol de levas. La forma de los lóbulos y su posicionamiento en el eje determinan el tiempo de una leva.

En la mayoría de los casos, la sincronización de las levas es fija, lo que significa un compromiso que proporciona un rendimiento óptimo sólo a la velocidad a la que el motor es probable que haga la mayor parte de su trabajo.

Pero los motores operan en un rango amplio de velocidades, desde el ralentí a unas 600-900rpm a una velocidad máxima de 6000rpm (en el caso de los coches convencionales de calle). El problema con la distribución fija es que las válvulas están fijas por el fabricante de automóviles para su máxima eficiencia operando en un punto específico que alcanza el motor. Cuando el motor gira más lento o más rápido que este punto ideal, el ciclo de combustión no quema la mezcla de forma adecuada, lo que lleva a comprometer el rendimiento del motor y originar residuos. Por esta razón hay una relación directa entre la forma de los lóbulos de leva y la forma en que el motor funciona a diferentes rangos de velocidad.

Para entender por qué esto es así, tan sólo hay que imaginar un propulsor corriendo a una velocidad de 10 o 20 revoluciones por minuto de forma que el pistón tarde un par de segundos en completar un ciclo. Hay que añadir que ejecutar un pistón que tarde esa eternidad es teóricamente imposible, pero supongamos que podemos hacerlo. A esta velocidad tan lenta, nos gustaría que los lóbulos de las levas tengan una forma de manera que el pistón comience a descender en la carrera de la admisión abriendo la válvula de admisión. Después de este suceso, la válvula se cerraría al llegar el pistón hacia la zona más inferior, lo que abriría la válvula de escape en el extremo justo en la carrera de la combustión para terminar cerrándose al completarse la carrera de escape.

Esta configuración funcionaría muy bien debido a esta velocidad tan lenta. Aceleremos un poco esta carrera. Cuando se incrementa las revoluciones para un árbol de levas que opera a 10-20rpm, este mecanismo deja de funcionar correctamente. Añadir que un motor que corre a 4000 revoluciones, 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 y combustible recorriendo el cilindro se moverá muy rápidamente también.

Cuando el pistón comienza su carrera de admisión y la válvula de admisión se abre, la mezcla de aire y combustible se acelera en el cilindro. En el momento en el que el pistón alcance su punto más bajo, la mezcla se mueve a una velocidad muy alta. Al cerrar la válvula de admisión, la mezcla habría llegado a su fin y no entraría más en el cilindro. Si, por el contrario, se dejase la válvula de admisión abierta un poco más, al añadirse aire y combustible, el impulso forzándose comprimiendo aún más la mezcla en el cilindro incluso cuando el pistón ha empezado a comprimir.

En teoría, cuanto más rápido va un motor, más rápido va el flujo de la mezcla, por lo que lo ideal sería que la válvula de admisión se quede abierta lo máximo posible. A su vez, también se quiere que la válvula se abra lo más ‘ancha’ posible a grandes velocidades puesto que mejoraría el volumen de la mezcla. Algo que también afectaría al rendimiento de las levas es la elevación, la duración, la superposición y la sincronización.

La elevación se refiere a la elevación máxima de la válvula. Esto viene inducido por el punto más alto del lóbulo de la leva. Las válvulas de admisión y escape han de estar abiertas para que entre aire y combustible y salga el gas de escape de los cilindros. En general, la apertura más rápida de las válvulas aumentará la potencia del motor. El aumento de la elevación de la válvula, sin aumentar la duración, puede producir más energía, sí, pero en cambio la naturaleza de la curva de potencia no variará en exceso. Sin embargo, un aumento en la elevación de la válvula casi siempre está acompañado de un aumento en la duración. Esto es porque los flancos de los lóbulos están directamente relacionados con el tipo de ascensores, tales como llanos o rodillos.

La duración es el ángulo en grados del cigüeñal que la válvula permanece fuera de su sitio durante el ciclo de elevación del lóbulo de la leva. El aumento de la duración mantiene la válvula abierta por más tiempo, y si se hace correctamente, puede aumentar la potencia a altas revoluciones, ya que aumentaría la gama de revoluciones que el motor está produciendo energía. Al aumentar dicha duración sin un cambio en el ángulo de separación del lóbulo se traducirá en un aumento de la superposición de válvulas.

Esta superposición es el ángulo en grados del cigüeñal que tanto la admisión como las válvulas de escape están abiertas. Esto se produce al comienzo de la carrera de admisión y al final de la carrera de escape. El aumento de la duración de elevación y/o la disminución de la separación del lóbulo aumenta la superposición. A velocidades más altas, este fenómeno permite una expulsión más rápida de los gases fuera de la válvula de escape ayudando a introducir nueva mezcla más fresca en el cilindro a través de la válvula de admisión. Incrementar la velocidad a la que trabaja el motor aumenta este efecto comentado. Por lo tanto, el aumento de la superposición aumenta la potencia a altas revoluciones, pero reduce la potencia a baja velocidad e incluso la calidad del ralentí.

Para concluir, cualquier árbol de levas será perfecto para una única velocidad de un motor dado. En cualquier otro régimen de motor, el propulsor no funcionará en su máximo potencial. Por este motivo, un árbol fijo de levas es un compromiso.

Una vez comprendido todo esto, se nos puede venira la cabeza posibles optimizaciones que pasan por variar la sincronización del árbol en todo su rango de operación.

Hay un par de maneras en que un fabricante de coches puede variar la sincronización de válvulas. El sistema más conocido es el VTEC que se utiliza en algunos motores Honda.

La distribución variable ha modificado todos los puntos negativos de las levas fijas. Mediante una forma de alterar la sincronización de las válvulas entre elevadas y bajas revoluciones por minuto, Honda, Toyota, BMW y cualquier motorista puede sintonizar el funcionamiento de las válvulas para un rendimiento más óptimo y eficiente en todo el rango de revoluciones. La sincronización del árbol de levas se puede adelantar para generar mayor par a bajas revoluciones o atrasar para un mejor par al final de las revoluciones.

Honda fue el primero en ofrecer lo que se denominó VTEC en sus modelos de rendimiento Acura, como el GS-R y NSX (desde entonces se ha labrado su camino en el Prelude, hasta incluso el más humilde de los Civic). VTEC es sinónimo de sincronización de válvulas variable y ascenso de control electrónico.

La funcionalidad básica del VTEC es sorprendemente simple, bastante usado y muy fiable. De nuevo, presenta cierto compromiso, ya que sólo optimiza dos rangos de revoluciones. El VTEC permite que las válvulas se mantengan abiertas durante dos duraciones distintas. Un tiempo de apertura corto para un funcionamiento a baja velocidad y dar un buen par de torsión y, por ende, mejor aceleración; y un tiempo de apertura más grande para velocidades más alta para dar mayor potencia final. Para ello, el árbol de levas tiene dos conjuntos de lóbulos de leva para cada válvula y un pasador de bloqueo que se desliza sobre el seguidor de leva que determina qué lóbulo opera la válvula. El pasador de bloque es desplazado por una válvula de control hidráulica en base a los requisitos de velocidad del motor y el suministro de energía. Las dos formas de lóbulos se conocen como levas de economía del combustible y levas de alta velocidad, lo que significa que los motores Honda con esta tecnología son realmente dos motores en uno (un motor de rendimiento y otro económico). Si bien este sistema no ofrece sincronización de válvulas variable continua, puede hacer que la mayor parte de la operación de altas revoluciones sin dejar de ofrecer una capacidad de conducción sólida a niveles más bajos.

El problema de la idea de Honda es que en realidad sólo tiene dos modos, económico y potencia. Por lo que la marca nipona desarrolló el sistema inteligente i-VTEC, proporcionando la variación continua de la sincronización del árbol de levas en motores DOHC i-VTEC. En motores SOHC con 3 válvulas, un solenoide de presión de aceite accionada se activa cundo se cumplen ciertas condiciones y la segunda de las válvulas de admisión se abre y se cierra con la primera.

Toyota vio el éxito que Honda estaba teniendo con el VTEC (tanto en el punto de vista funcional como el comercial) y decidió ir en una ruta diferente. En lugar del sistema de apagado/encendido que utiliza el VTEC, el fabricante con sede con el mismo nombre quiso un sistema de variación continua que maximizaría la sincronización de válvulas en todo el rango de revoluciones, por lo que en lugar de, simplemente, tener modos de economía y potencia, habría un número infinito de posiciones intermedias que podían ser seleccionados en marcha en fracciones de segundo. Esto se tradujo en un motor que mantenía su “punto dulce” en una gama muy amplia de condiciones de funcionamiento y demanda. Apodado VVT-i de sincronización de válvulas variable con inteligencia, Toyota utilizaba un sistema hidráulico y no uno mecánico para alterar la eliminación gradual de la leva de admisión.

La principal diferencia con VTEC es que VVT-i mantenía el mismo perfil de leva y las alteraba sólo cuando las válvulas se abren y se cierran en relación con la velocidad del motor. Esto significa que mientras que la duración real de la apertura de válvulas nunca varia, por lo que su distribución temporal en relación con todas las demás operaciones del motor se pueden ajustar. En un motor simple, la correa de distribución, el tren de engranajes, la cadena de los bucles del cigüeñal y la polea del árbol de levas que gira el árbol. Con VVT-i, la correa de distribución se enrrolla alrededor de una polea que contiene fluido hidráulico o aceite.

El árbol de levas en sí tiene aletas en el extremo de la misma que se sitúan dentro del fluido, por lo que en este sistema, el árbol de levas no está directamente vinculado a la polea de la correa de distribución. Mediante la alteración de la presión del aceite a través de una serie de válvulas, la posición de las aletas del árbol de levas puede ser alterada dentro de la carcasa de la polea. Además, este sistema sólo funciona en la válvula de admisión, mientras que VTEC tiene dos ajustes: uno para la admisión y otro para las válvulas de escape, lo que supone una ganancia más dramática en el pico de potencia que VVT-i pretendía.

VVTL-i, sincronización variable de válvulas con elevación e inteligencia es la última mejora Toyota en esta área presentado en su modelo Celica. Este sistema varía continuamente la sincronización de las válvulas de admisión. El sistema varía la duración, cronología y apertura de las válvulas de admisión y escape cambiando entre dos conjuntos diferentes de levas.

Este es el sistema VVTL-i de Toyota en su configuración de revoluciones bajo/medio. El pequeño lóbulo de la leva se ejecuta en un pequeño seguidor que en sí forma parte de un dispositivo en forma de ‘U’ que opera en ambas válvulas. La gran leva se ejecuta en su propio seguidor, pero ese seguidor no tiene nada contra lo que trabajar por el momento.

El dispositivo ahora funciona a altas revoluciones, en el que se puede ver cómo la presión hidráulica se ha movido ligeramente bajo el seguidor de la gran leva, conectándose obligando a las válvulas a seguir el perfil de la leva.

Ferrari tiene una manera muy organizada de hacer esto. Los árboles de levas en algunos motores italianos se cortan con un perfil tridimensional que varía a lo largo de la longitud del lóbulo de la leva. En un extremo del lóbulo, el perfil de la leva es menos agresivo y en el otro extremo es más agresivo. La forma de la leva se mezcla suavemente en dos perfiles unidos. Un mecanismo puede deslizarse lateralmente por todo el árbol de levas de manera que la válvula se acopla a diferentes partes de la leva. El eje continúa girando como un árbol de levas regular, pero deslizando gradualmente el árbol de levas lateralmente que depende de la velocidad del motor y el aumento de carga pudiendo optimizarse la sincronización de válvulas.

BMW también ha utilizado un sistema de sincronización de levas, llamado VANOS y Valvetronic durante varios años. Al igual que los otros fabricantes, este sistema sólo afectó a las levas de admisión. Pero, a partir de 1999, BMW ofreció su sistema Doble VANOS en los nuevos sistemas de la serie y Valvetronic 3. Como es de suponer, el Doble VANOS manipula tanto los árboles de levas de admisión como los de escape para proporcionar un funcionamiento eficiente en todo el rango de revoluciones.

El sistema de Audi es muy similar al de Honda al utilizar un mecanismo relativamente simple que elige entre dos lóbulos de leva con formas diferentes. En principio, funciona igual que i-VTEC, la única diferencia real es el mecanismo utilizado para seleccionar los lóbulos de leva. En lugar de tener dos seguidores de leva y un pasador de bloqueo, la marca alemana utiliza un par de lóbulos en leva de deslizamiento con una parte ranurada del árbol de levas. El lóbulo portador deslizante se mueve a lo largo del árbol de levas para determinar cuál de los dos lóbulos se utilizará para operar las válvulas.

Otros fabricantes como Ford, Lamborghini y Porsche se han subido al carro de la fase de distribución, ya que es un método relativamente barato para aumentar la potencia, par y eficiencia. En principio, cada fabricante y sus respectivos modelos superiores hoy en día tienen alguna forma de distribución variable.

Aquí se expone una lista preliminar de fabricantes y sus respectivas tecnologías VVT:

  • Alfa Romeo: CVVT, sincronización de válvulas variables dobles continuas que utiliza las válvulas de admisión y escape en el motor Twin Spark.
  • BMW: VALVETRONIC, doble VANOS y VANOS. VANOS, varía la sincronización del producto mediante la rotación del árbol de levas en relación con el engranaje. Doble VANOS, que varía continuamente la sincronización de las válvulas de admisión y escape. VALVETRONIC, proporciona elevación continua variable de las válvulas de admisión; se utiliza junto con Doble VANOS.
  • Fiat: “Starjet” basado en la explosión del motor.
  • BMW/Peugeot/Citroën: CVVT, sincronización de válvulas variables continua.
  • Chrysler: Dual VVT, de doble distribución variable. Utilizado en Chrysler GEMA motor “mundial”. Varía la sincronización de válvulas mediante el uso de árboles de levas concéntricas desarrollados por Mechadyne permitiendo el ajuste de la válvula de admisión/ escape doble independiente sobre el Dodge Viper 2008.
  • Daihatsu: DVVT, distribución variable dinámica.
  • Ford: VVT, distribución variable. Varía la sincronización de la válvula girando el árbol de levas.
  • General Motors: VVT, distribución variable, varía la sincronización de válvulas continuamente durante toda la gama de revoluciones, tanto para admisión como para escape. DCVCP (Doble fase de válvulas variable continua), introducción variable con la sincronización del árbol de levas continuamente con un sistema hidráulico.
  • Kia: CVVT, sincronización de válvulas variables continua.
  • Honda: VTEC Varía duración, duración y elevación, cambiando entre dos conjuntos diferentes de levas. i-VTEC, en alta potencia con motores DOHC de 4 cilindros. El sistema i-VTEC añade sincronización continua de levas de admisión (planificado) para el VTEC tradicional. i-VTEC no necesariamente tiene dos juegos de levas como el VTEC tradicional. En los motores de 4 cilindros orientado a economía SOHC y DOHC con el sistema i-VTEC que aumenta la eficiencia del motor al retrasar el cierre de las válvulas de admisión bajo ciertas condiciones mediante el uso de una válvula de mariposa controlada electrónicamente para reducir la pérdida de bombeo.
  • Hyundai: CVVT, distribución variable continua que ofrece sincronización continua variable de las válvulas de admisión, sistema de combustible y escape controlado todo por independiente.
  • Mazda: S-VT, donde la ECU calcula el tiempo de admisión y acciona una válvula de control de aceite para modular la presión de aceite en el árbol de levas de admisión.
  • Mitsubishi: MIVEC, varía la sincronización de válvulas, la duración y la elevación cambiando entre dos conjuntos diferentes de levas. La serie de motores 4B1 utiliza una variante diferente de MIVEC, que varía la temporización (fase) de ambos árboles de levas de admisión y escape continuamente.
  • MG Rover: VVC, control variable de válvulas.
  • Nissan: CVTCS, sistema de control temporal de válvulas variables continuas. La ECU ajusta la sincronización del motor de forma continua. N-VCT, varía la rotación de la(s) leva(s), no altera la elevación o la duración de las válvulas. VVL: Varía el tiempo, la duración y la elevación de las válvulas de admisión y escape utilizando dos conjuntos diferentes de levas.
  • Porsche: VarioCam, varía la sincronización del producto mediante el ajuste de la tensión de una cadena de levas. VarioCam Plus, varía la sincronización de válvulas de admisión mediante la rotación de las levas en relación a la leva dentada así como la duración, el tiempo y la elevación de las válvulas de admisión y de escape por conmutación entre dos conjuntos diferentes de lóbulos de leva.
  • Toyota: VVT, se introdujo en el Corolla GT de 1992. VVT-i con inteligencia que varía continuamente la sincronización del árbol de levas de admisión, o ambos árboles de levas de admisión y escape (según la aplicación). VVTL-i, sincronización variable de válvulas con elevación e inteligencia, que varía continuamente la sincronización de las válvulas de admisión. Varía la duración, duración y apertura de las válvulas de admisión y escape cambiando entre dos conjuntos diferentes de levas.
  • Volvo: CVVT, sincronización de válvulas variables continua.
  • Volkswagen: Similar a VarioCam, con una sincronización de la toma de entrada que corre intencionalmente hacia delante con un punto de retardo que se calcula vía ECU. Un tensor hidráulico retarda el tiempo de admisión. La mayoría de los motores de gasolina Volkswagen modernos incluyen ahora VVT ya sea en la leva de admisión o en las levas de admisión y escape.

Además de la fricción mecánica, se requiere una fuerza considerable para superar los muelles que se utilizan para cerrar las válvulas del motor. Esto puede equivaler a un 25% aproximadamente de la producción total de un motor al ralentí, lo que reduce la eficiencia general. Varios fabricantes de motores están experimentando con sistemas que permiten la variabilidad infinita en la sincronización de válvulas que reduciría ostensiblemente esta fricción mecánica. La idea es que cada válvula tenga un solenoide en él que pueda abrir y cerrar la válvula mediante control por ordenador en lugar de depender de un árbol de levas. Con este tipo de sistema, se podría obtener el máximo rendimiento del motor en cada revolución. Algunos enfoques para la recuperación de esta energía “desperdiciada” incluyen:

  • Válvulas de muelles, como el sistema desmodrómico empleado hoy por Ducati.
  • Válvulas sin árbol de levas, que utilizan solenoides o sistemas magnéticos durante mucho tiempo y yahan sido investigados por BMW y Fiat.
  • Motor Wankel, un motor rotativo que no usa ni pistones ni válvulas, más conocido por ser utilizado por Mazda en los coches deportivos RX-7 y RX-8.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google

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Una respuesta a “Análisis Técnico – Árbol de levas

  1. muy buen post, pero hecho en falta lo que hacen algunos motores f1 y las de moto GP, los muelles neumaticos, que la fial por legses de Boyle la sustituyen por el muelle

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