Análisis Técnico – Válvula neumática

pneumatic valves

Las válvulas son elementos que tienen la simple función de cerrar y abrir los conductos de admisión y de escape de los gases en el motor, teniendo función principal en la combustión de la mezcla aire y combustible. Las válvulas de mayor aceptación actualmente son las denominadas de plato o cabeza, debido a su forma de plato invertido en su parte más vital, es decir, la que abre y cierra los conductos. En el centro de las mismas se inicia la espiga o cola, una prolongación cilíndrica que mueve  la válvula.

Fundidas y mecanizadas en aceros especiales, se fabrican así debido a que se busca soportar las altas temperaturas que alcanzan los gases en su funcionamiento.

Normalmente, la válvula funciona gracias a un sistema de levas, el cual controla la apertura de la válvula (carrera descendente), mientras que el retorno es el resultado de la reacción de una especie de muelle (acción/reacción) finalizando los tiempos.

El flotado es una condición adversa que se produce cuando las válvulas del tren de válvulas no permanecen en contacto con el lóbulo del árbol de levas durante la fase de cierre dentro del perfil del lóvulo de la leva. Esto reduce la eficiencia y el rendimiento del motor, aumentando potencialmente las emisiones de gases del motor.

El rebote es una condición relacionada donde la válvula no se mantiene sentada (condición normal), debido a los efectos combinados de la inercia y resonancia en los resortes metálicos de las válvulas. Esto reducirá la fuerza de cierre, lo que permitirá a su vez que la válvula se reabra parcialmente.

En la época más moderna de los motores, su presencia no se ha visto en esencia salvo en propulsores montados en Ferrari, Williams o McLaren. Se empezaron a utilizar en los 80, cuando la era turbo permitía motores turbocargados más pequeños. El resto de los fabricantes pensaba que era una idea loca, pero un par de años más tarde todos empleaban motores turbo. Finalmente los motores turbo fueron prohibidos porque eran propulsores muy rápidos, generando 1200 caballos durante carrera llegando hasta los 1500 en el caso de Porsche (TAG) en clasificación.

Los inicios de las válvulas neumáticas en el Renault turbo RVS-9 de 1,5 litros fallaba a menudo al alcanzar elevadas revoluciones debido a que el uso de muelles mecánicos no podían cerrar las válvulas tan rápidamente, dando lugar a roturas en un motor cuyos pistones golpeaban contra unas válvulas que no estaban completamente cerradas. Por esta razón se disponían de 3 muelles concéntricos a los muelles de la válvula, a presión entre ellas para reducir las oscilaciones del muelle externo.

Unos muelles más rígidos pueden ayudan a prevenir las 2 condiciones descritas anteriormente, pero con severas pérdidas de fricción. Incluso se ha llegado a utilizar doble resorte, válvulas progresivas, rodillos con punta hasta llegar a lo que hoy en día se utiliza, que son las válvulas neumáticas.

Estas válvulas con resortes se sirve de un muelle helicoidal que devuelve la válvula a su posición cerrada después de que la leva haya dado un giro completo. Para que todo esto funcione se requiere un gran desarollo en el material y la forma para alcanzar el límite de 12000/13000rpm. La presión que esto adquiere alcanza entre 3 y 3,5 bares exigiendo la colocación de resortes metálicos muy resistentes que no podían ser desarrollados al mismo ritmo que el resto del motor.

Los muelles de válvulas neumáticos son reportes metálicos llenos de aire comprimido que ocupa el mismo espacio que los alambres metálicos aplicados para cerrar las válvulas en motores de combustión interna. Este sistema fue introducido a mediados de los 80 en el Renault turbo RVS-9 de 1,5 litros, gracias a la invención de Jean-Pierre Boudy, jefe de ingenieros del desarrollo de motores de Renault Sport. El primer monoplaza en disponer de esta tecnología  fue el Lotus 98T de 1986 de Ayrton Senna y Johnny Dumfries a comienzos de temporada.

La innovación llevada a cabo por la marca del rombo consistieron en reemplazar los resortes de acero por fuelles de aire comprimido que responderían más rápidamente y reducía la posibilidad de un fallo por fuga.

Esta tecnología dio a Renault una ventaja en sus motores turbo. Sin embargo, la fiabilidad y la pobre conducción de sus chasis seguían sin traducirse en victorias, hasta que en 1989, Renault equipó a Williams con sus V10, lo que significó el comienzo de una racha de victorias.

Renault volvió a la competición en los 90 como suministrador de motores utilizando este sistema de válvulas neumáticas. Dicho sistema fue rápidamente adoptado por otras marcas, pero fue Renault, como motorista, junto con Williams quienes se llevaron el campeonato de constructores desde 1992 hasta 1997, a excepción del 95, que fue Benetton (también con Renault) quien consiguió la gloria aquel año.

La tecnología de todas las válvulas neumáticas utilizadas hoy en día han sustituido el tradicional muelle por un resorte neumático que contiene un gas inerte como el nitrógeno (que no reacciona al fuego como el oxígeno) comprimido. El árbol de levas ejerce su propio control preciso del movimiento en cada válvula y cada fuelle neumático mantiene la fuerza de contacto entre cada ensamblaje, leva y lóbulo durante el funcionamiento. No confundir tampoco con una operación desmodrómica, la cual no se maneja siquiera con muelles.

En aplicaciones de competición, una válvula de muelle tiene un límite de revoluciones que ronda las 10000rpm. Ese mismo motor, equipado con válvulas neumáticas no tendría actualmente límite (el límite está aproximadamente en 25000rpm).

Este mecanismo opera entorno a un anillo principal con el respaldo de un cilindro ocupado de gas comprimido, reguladores de presión, válvulas de una vía y un sistema de eliminación de aceite. La principal reducción de la masa en la válvula es la tercera parte de cada resorte. Pese a ello, una pequeña reducción neta es posible acompañándolo de fricción añadida en el anillo sellado.

Dicho sistema no está sujeto a un fallo por fatiga o disminución de la amortiguación con un gran tiempo de funcionamiento, como ocurría con los muelles mecánicos. La elevación de la válvula no se limita por el rango de estrés y tensión máxima del resorte.

Renault detalló que el aumento en el tipo de características de la válvula neumática ayudaba a configurar las fuerzas que sufría el conjunto como requisito particular de sus V10. La ventaja fundamental de este sistema es que a elevadas velocidades la frecuencia natural del gas comprimido es del orden de 8 veces la de un alambre helicoidal de acero.

Fue el Honda RA122E/B de 1992 el primer propulsor que utilizaba nitrógeno a una presión de 6-8 bares con un cilindro cargado de gas de repuesto a unos 150 bares. Los japoneses reivindicaron que la reducción de la masa en movimiento alternativo se estimaba alrededor de un 20% con niveles similres de fricción en el engranaje de la válvula, al comparar con sistemas convencionales.

Mientras que en Fórmula 1 las válvulas neumáticos se han convertido en un estándar en los actuales propulsores, Renault ha seguido investigando la introducción de válvulas electrohidráulicas controladas por ordenador sin emplear árbol de levas, lo que reduciría las partes móviles al tiempo que mejoraría el control de válvulas.

La presión en la parte superior del pistón estaría controlado por un solenoide electroactuado. De esta forma es posible ejecutar la apertura de la válvula en un tiempo exacto, maximizando la cantidad de mezcla óptima en todo el rango de revoluciones.

La parte más baja del pistón se encuentra bajo constante presión para asegurar el cierre rápido de la válvula. La presión está contenida en el tanque presurizado separado.

Debidoo a que este sistema tiene la posibilidad de una distribución variable, nunca se ha utilizado en Fórmula 1, ya que la reglamentación técnica de la FIA considera que la sincronización de válvulas variable es ilegal. En 2009:

5.7 Sistemas de geometría variable:

  • 5.7.1 No se permiten los sistemas de admisión de geometría variable.
  • 5.7.2 No se permite los sistemas de escape de geometría variable.
  • 5.7.3 No se permiten los sistemas de temporización de válvulas y la elevación variable de válvulas.

5.10 Accionamientos del motor:

Con las siguientes excepciones el accionamiento hidráulico, neumático o electrónico está prohibido:

  • a) Los solenoides electrónicos sólo pueden controlar los flujos del motor.
  • b) Los componentes que proporcionan aire a presión controlado por un sistema de válvula neumática.
  • c) Un único accionador para operar el sistema de aceleración del motor.
  • d) Cualquier componente requerido como parte de un sistema KERS.

5.15.6 Las válvulas deben estar fabricadas a partir de aleaciones de hierro, níquel, cobalto o titanio. Se permiten estructuras huecas refrigeradas por sodio, litio o similar.

Con la llegada de los nuevos propulsores turbo, los sistemas de válvulas neumáticas volverían a salir a la luz. Por esta razón la FIA atajó convenientemente estas soluciones:

5.9 Sistemas de geometría variable:

  • 5.9.1 Con la excepción de los dispositivos necesarios para controlar los sistemas de presión de carga, los sistemas de escape de geometría variable no están permitidos. No se permite ninguna forma de turbina de geometría variable (VGT) o turbina de boquilla variable (VNT) o cualquier dispositivo para ajustar la sección de entrada a la rueda de la turbina.
  • 5.9.2 No se permite la distribución variable y elevación variable del perfil de válvulas.
  • 5.9.3 La longitud variable de las trompetas de admisión están prohibidos solamente en 2014.

8.2.5 La presión de la válvula neumática sólo puede ser controlado a través de un regulador mecánico pasivo o de la ECU y su funcionamiento será supervisado por la ECU.

Fuentes: formula1-dictionary, scarbsf1, f1technical, carbibles, google, wikipedia

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