Un árbol de levas helicoidal es un tipo de sistema de accionamiento variable de válvulas (VVA) mecánico. Más específicamente, es un árbol de levas que permite variar la duración de la apertura de la válvula en un rango amplio, continuo y sin escalonamientos, con toda la duración adicional en la elevación completa de la válvula .
En este artículo, un “árbol de levas de duración variable” se refiere a un árbol de levas con un diseño que pretende reemplazar un árbol de levas convencional en una culata y que hace funcionar las válvulas a través de seguidores convencionales. Otras calificaciones son:
Estas salvedades deben hacerse ya que a lo largo de los años ha habido muchas afirmaciones sobre árboles de levas de duración variable puramente mecánicos, pero ninguno ha podido cumplir todos estos requisitos. [ cita requerida ]
A pesar de los enormes esfuerzos y gastos invertidos tanto por las grandes organizaciones como por los particulares, los sistemas de árbol de levas como la patente estadounidense 1.527.456 nunca se han mejorado de forma significativa y la comunidad automovilística convencional no los ha utilizado . La opinión de muchos ingenieros (y otros) sobre la posibilidad de desarrollar un árbol de levas de duración variable que fuera viable después de tanto esfuerzo y tantos años de intentos infructuosos era que era muy poco probable que se pudiera hacer alguna vez y que seguiría siendo un " santo grial " inalcanzable .
El árbol de levas helicoidal pertenece muy distante a la numerosa clase general de levas de “perfil combinado de eje coaxial”, cuyo ejemplo más reciente es el trabajo de la Universidad de Clemson (cuyas levas son esencialmente idénticas en principio a muchas otras levas, como la patente estadounidense 1.527.456 ).
El árbol de levas helicoidal se diferencia de otros miembros de esta clase general por tener un movimiento helicoidal único: un movimiento circunferencial y axial combinado de los dos perfiles.
La duración se puede aumentar hasta que el flanco de cierre del lóbulo de la leva alcance el flanco de apertura, una duración de 720 grados. En una aplicación típica, el árbol de levas helicoidal tendría un rango de duración continua desde aproximadamente el promedio para un motor de propósito general de carretera (aproximadamente 250 grados medidos con una holgura de válvulas normal) hasta aproximadamente 100 o 150 grados por encima de esto.
La válvula se abre a velocidades normales de aceleración, sacudidas, etc., y luego se mantiene abierta a su elevación máxima durante el tiempo que sea necesario antes de cerrarse a una velocidad normal.
Un árbol de levas helicoidal modifica su duración básicamente rotando los flancos de apertura y cierre alejándolos entre sí a partir de una línea divisoria en la punta del lóbulo. A medida que los flancos se separan, la región de la punta se “rellena” con un área de radio constante alrededor del centro de rotación del árbol de levas. Se elimina una cantidad angular igual del círculo base de radio constante a medida que aumenta el radio constante de la punta.
Para el árbol de levas mostrado, la duración mínima es la misma que la del árbol de levas original, aproximadamente 260°, y la duración máxima es 345°.
El mecanismo es una disposición de eje coaxial donde el eje exterior lleva el cuerpo principal del lóbulo de leva. El cuerpo principal del lóbulo de leva se encuentra en su forma de duración máxima.
Por lo general, el cuerpo del lóbulo principal tendría una duración de aproximadamente 450°. El lóbulo es muy largo axialmente, aproximadamente 45 mm (1,8 pulgadas), y su perfil consta de flancos de apertura y cierre convencionales separados por aproximadamente 170° de radio constante sobre la punta del lóbulo. El lóbulo tiene una ranura helicoidal mecanizada en él que tiene un ángulo de hélice de aproximadamente 35° con respecto al eje de rotación del árbol de levas.
El ancho de la ranura es igual a la extensión angular del flanco de cierre del lóbulo. [ aclaración necesaria ] Un borde de la ranura se extiende diagonalmente a lo largo de todo el lóbulo a través del radio de la punta constante de 170 grados. El otro borde está rectificado de modo que esté todo al nivel del círculo de base. De hecho, la ranura reemplaza el flanco de cierre en el cuerpo principal del lóbulo de la leva. Un segmento de lóbulo (de unos 10 mm de espesor) que está rectificado al perfil del flanco de cierre une la ranura. El segmento está unido al eje interior. Un borde de la ranura tiene un radio cilíndrico constante, el mismo radio que el radio de la punta del lóbulo. El otro borde tiene el radio del círculo de base del lóbulo. Una pequeña región a lo largo de cada borde del segmento del flanco de cierre tiene el mismo radio constante que el borde de la ranura a la que está adyacente.
Esto significa que el segmento se puede colocar en cualquier lugar a lo largo de la ranura helicoidal y siempre habrá una transición suave para el seguidor hacia y desde el segmento. El segmento de lóbulo está fijado al eje interior, por lo que cualquier movimiento axial relativo tiene el efecto de cambiar la duración de la apertura de la válvula. El seguidor está dispuesto de modo que siempre permanece alineado con el segmento, que permanece estacionario axialmente.
Como la ranura tiene un ángulo de hélice de aproximadamente 35°, cualquier movimiento axial del eje exterior hace que el segmento gire, exponiendo más o menos el radio constante de la nariz y cambiando así la duración.
El perfil de base o de duración más corta del sistema de árbol de levas helicoidal es casi idéntico al perfil de un motor de producción estándar. El perfil de base del árbol de levas helicoidal pertenece al grupo general de formas de lóbulo que se utilizan con seguidores de leva pivotantes, especialmente aquellos con una relación de balancín bastante alta, alrededor de 2:1.
Esta familia de perfiles de lóbulo se caracteriza principalmente por tener una elevación de lóbulo corta. Debido a esto, el lóbulo tiene una apariencia muy redondeada (o "de punta chata"). El radio de curvatura de la región de la punta (alrededor del eje de rotación del árbol de levas) a menudo está muy cerca de ser un radio constante en una extensión angular de aproximadamente 20 grados. Un árbol de levas helicoidal requiere que esta región tenga un radio verdaderamente constante. En algunos casos, esto requiere que se eliminen tan solo 0,25 mm (o menos) de la punta. [ cita requerida ] Cuando se miden, las tasas de aceleración y sacudida en la región de la punta son ligeramente más altas que el estándar.
El morro del lóbulo normalmente puede tener unos 150° adicionales para una mayor duración. La geometría de la superficie de sustentación permanece inalterada. Debido a esta mayor duración, la tasa de sustentación y la sustentación total no tienen que ser tan extremas como en una leva de carreras para lograr la máxima potencia en el extremo superior.
La aplicación “tradicional” del VVA (especialmente la duración variable) es hacer coincidir las RPM del motor con la duración de apertura de la válvula (esto es, en líneas generales, lo que hace el VTEC ). La idea general es mejorar el rendimiento a altas RPM sin los problemas asociados a una leva de “carrera” de larga duración, que son la falta de potencia a bajas RPM, ralentí irregular, etc. Los motores normalmente necesitan un aumento aproximadamente lineal de la duración a medida que aumentan las RPM. El objetivo es maximizar el par en cada punto del rango de RPM permitido. Esto significa que con el árbol de levas helicoidal ya no se aplica el antiguo concepto de un punto de potencia máxima en un rango de RPM. Con el árbol de levas helicoidal, la potencia continúa acumulándose hasta que se alcanza el límite de “respiración” del sistema de inducción, o más probablemente, se supera el límite de resistencia mecánica de los componentes del motor. [ cita requerida ] El rango de duración típico de 250 grados a 350 grados o más del árbol de levas helicoidal básicamente significa que un motor adecuadamente robusto podría "tirar" con fuerza desde aproximadamente 1500 RPM hasta quizás 20 000 RPM o más y aún así funcionar en ralentí sin problemas a 500 o 600 RPM. [ cita requerida ]
Nunca ha existido un sistema VVA mecánico que tuviera el rango de duración a plena elevación o la capacidad a altas RPM para hacer algo como esto. Los sistemas electromagnéticos/hidráulicos “sin levas” tienen rangos de duración/elevación similares a los del árbol de levas helicoidal, pero en la actualidad su capacidad a altas RPM está estrictamente limitada.
En un nivel posiblemente más práctico, las pruebas dinamométricas de motores de carretera han demostrado que incluso con el árbol de levas helicoidal limitado a solo un aumento de duración de unos 30 grados, un motor de carretera típico puede aumentar su potencia entre un 25% y un 30% al mismo pico de potencia de RPM que la leva estándar, y el comportamiento en ralentí y a bajas RPM son totalmente normales.
La aplicación del árbol de levas helicoidal como herramienta de ahorro de combustible es posiblemente una aplicación aún más importante que simplemente maximizar la potencia de salida de un motor. Las pruebas de un prototipo de árbol de levas helicoidal en un motor Suzuki GSX 250 cc han demostrado una notable mejora en el ahorro de combustible en ralentí. Este árbol de levas helicoidal en particular está dispuesto de manera que todo el aumento de duración se produce en el lado de cierre del lóbulo de la leva de admisión, mientras que el punto de apertura de la válvula de admisión sigue siendo el estándar en un motor Suzuki GSX 250. El objetivo de esto era probar la eficacia del LIVC en el consumo de combustible en ralentí.
El objetivo básico del LIVC es reducir las pérdidas de bombeo de admisión. Estas pérdidas de bombeo son mayores al ralentí y se reducen progresivamente a medida que aumenta la presión del colector (y la potencia de salida). El motor Suzuki de prueba registró sistemáticamente una mejora del 40% en el ahorro de combustible al ralentí, en comparación con el mismo motor con el árbol de levas estándar instalado. Esto puede parecer un poco improbable, pero debe recordarse que se ha estimado que al ralentí aproximadamente el 80% del combustible utilizado se destina únicamente a compensar las pérdidas de bombeo de admisión. Por lo tanto, cualquier reducción en las pérdidas de bombeo tiene un efecto importante y directo en el consumo de combustible al ralentí. A medida que aumenta la potencia de salida, el 40% disminuiría rápidamente, pero para un motor en uso típico en carretera/tráfico, la cifra general probablemente estaría entre el 10% y el 20% de mejora. La sorprendente mejora en el ahorro de combustible al ralentí posiblemente solo se aplique a los motores con carburador como el Suzuki. Todavía no se ha probado cómo se comportaría un motor de automóvil moderno de inyección de combustible de varios cilindros con el árbol de levas helicoidal. Parece probable que se produzca una mejora notable en la economía de ralentí, pero tal vez no del 40%, al menos no sin otras modificaciones. El Suzuki funcionaba al ralentí con unos 55 o 60 grados adicionales de cierre tardío. Es decir, unos 120 grados después del punto muerto inferior. Esto significa que la duración total necesaria era de unos 320 grados. El control de carga del motor mediante LIVC necesita duraciones muy largas. Por lo general, se necesita una duración mucho mayor para el control de carga mediante LIVC de la que se necesitaría para una potencia de RPM alta, especialmente para una aplicación de carretera de uso general. Es importante destacar que toda esta duración de apertura de válvula muy larga, cuando se utiliza para LIVC, debe ser con la elevación de válvula completa. La elevación de válvula debe ser máxima para no impedir el flujo de entrada y salida del cilindro. Cualquier restricción al flujo provoca pérdidas de bombeo que anulan todo el propósito de LIVC.
Habiendo discutido el uso del árbol de levas helicoidal para ayudar a la potencia a altas RPM y también para el control de carga por LIVC, debe quedar claro que no hay ninguna razón por la cual ambas funciones no puedan usarse en el mismo motor. De manera realista, el principio del árbol de levas helicoidal solo se puede aplicar a motores de levas gemelas. Para maximizar la potencia de salida, tanto la leva de admisión como la de escape tendrían que ser del tipo de árbol de levas helicoidal. El aumento en la duración necesaria para el rendimiento a altas RPM debe ser aproximadamente igual en las levas de admisión y de escape, y aproximadamente un aumento simétrico sobre la línea central del perfil del lóbulo de duración base. Para el funcionamiento de LIVC únicamente, solo el árbol de levas de admisión debe ser un árbol de levas helicoidal. Con una disposición de árbol de levas helicoidal doble y controles adecuados, un motor podría tener una potencia de salida extrema y también ser muy eficiente en el consumo de combustible .
También existe la posibilidad de una mayor eficiencia de combustible a expensas de la potencia total. El árbol de levas helicoidal y el principio general de LIVC también permiten el posible uso de una relación de compresión (CR) muy alta. La idea aquí es utilizar una CR geométrica muy alta pero limitar la presión de compresión por LIVC para evitar la detonación. La relación de expansión después de la combustión sigue siendo alta. Es la relación de expansión la que convierte fundamentalmente la energía térmica de la mezcla de combustible/aire en combustión en energía mecánica utilizable . Cuanto más mueven el pistón los gases calientes en expansión, más energía térmica se convierte en trabajo útil y mayor es la eficiencia térmica. Este principio general suele denominarse " ciclo Atkinson ". (Estrictamente hablando, el ciclo Atkinson se refiere a un motor con carreras de compresión y expansión de longitud mecánicamente diferente. En la práctica moderna, la presión de compresión está limitada por una cantidad fija de cierre tardío de la válvula de admisión; esto tiene exactamente el mismo efecto que las diferentes longitudes de carrera). Con el ciclo Atkinson, la eficiencia adicional se produce a expensas de una potencia general reducida. Por ejemplo, si un motor tuviera una relación de conversión geométrica de 18:1, tendría que limitarse a aproximadamente la mitad de su carga total de mezcla de aire y combustible para evitar la detonación. El efecto resultante sería que a plena carga, el motor utilizaría la mitad del combustible, pero la potencia no sería la mitad, sino aproximadamente dos tercios o tres cuartos de la del motor “normal” equivalente; el resultado neto sería un aumento de la eficiencia térmica. Un motor de este tipo sería económico, pero seguiría sufriendo pérdidas de bombeo de admisión.
El árbol de levas helicoidal permitiría que tanto el ciclo Atkinson como el LIVC se aplicaran simultáneamente. La alta CR permitiría que se utilizara una cantidad aún mayor de LIVC al ralentí, lo que reduciría aún más las pérdidas de bombeo y mejoraría la eficiencia. El motor resultante tendría un ahorro de combustible muy similar (o mejor) que un diésel, y podría funcionar con el combustible GLP más económico . También sería más liviano y más económico de fabricar que un diésel . Un automóvil equipado con un motor de este tipo parecería ser una alternativa mucho más simple y económica a un automóvil "híbrido" . (Pero un híbrido equipado con un motor de árbol de levas helicoidal/Atkinson/LIVC sería aún más económico).
Una de las áreas de investigación de motores más “de moda” en la actualidad es el motor de encendido por compresión de carga homogénea (o HCCI). Equivale a hacer funcionar un motor de encendido por chispa con carga ligera o parcial de manera similar a un motor diésel. El HCCI requiere que la presión de compresión se altere muy rápidamente y con precisión para que el encendido por compresión más o menos controlado no se convierta de repente en una detonación total. Una de las principales ventajas del árbol de levas helicoidal es que puede hacer exactamente eso. Sin embargo, parecería que el LIVC de fácil control (con o sin efectos de alta CR de Atkinson) es una forma mucho más sencilla de controlar un motor que el proceso HCCI, decididamente riesgoso, y es dudoso que el HCCI sea más eficiente en cuanto a consumo de combustible que el LIVC, etc.
La duración del árbol de levas helicoidal se modifica moviendo el eje exterior del conjunto coaxial en dirección longitudinal (o axial). El ángulo de hélice del árbol de levas helicoidal probablemente siempre será de alrededor de 30 a 35 grados. El ángulo de hélice tiene su origen en el ancho del segmento utilizado (normalmente alrededor de 10 mm o 0,39 pulgadas) y la región de 20 grados de radio constante en la punta del lóbulo (que normalmente mide alrededor de 7 mm de circunferencia). Por lo tanto, la línea divisoria diagonal que atraviesa esta área generalmente debe estar a unos 35 grados con respecto al eje del árbol de levas. Esto se traduce en una cifra de alrededor de 3,5 grados (cigüeñal) por milímetro de movimiento axial. 30 mm (1,2 pulgadas) de movimiento darían 105 grados de cambio de duración. Aunque el árbol de levas helicoidal es capaz de mucho más que esto, se ha descubierto en pruebas que esta cantidad es suficiente para la mayoría de los propósitos. [ cita requerida ]
Se necesita poca fuerza para mover el eje axialmente, por lo que existe la posibilidad de que, al utilizar el árbol de levas helicoidal solo para el control de carga LIVC, el movimiento axial pueda estar conectado directa y mecánicamente al pedal del acelerador. De manera similar, si se utiliza el árbol de levas helicoidal para mejorar la potencia a altas RPM, solo se podría utilizar un simple controlador/actuador centrífugo autónomo. [ cita requerida ]
Algunos prototipos han funcionado muy bien utilizando controladores/actuadores centrífugos. Si se deseara operar el árbol de levas helicoidal para utilizar tanto el LIVC como los aspectos de altas RPM de la leva, probablemente se necesitarían actuadores hidráulicos en cada leva para permitir el uso del LIVC. Cada árbol de levas helicoidal también necesitaría un mecanismo de cambio de fase para el uso de altas RPM. A bajas RPM y carga parcial, el árbol de levas helicoidal sería todo LIVC. A altas RPM y carga completa, todavía requeriría una larga duración del árbol de levas helicoidal, pero el mecanismo de cambio de fase tendría que alterar el aumento de duración de todo en el flanco de cierre a algo así como un aumento de duración más simétrico. Todo esto posiblemente podría hacerse mecánicamente, pero la disposición sensata probablemente sería una disposición alimentada externamente con una computadora/microprocesador para ordenar las cantidades requeridas de LIVC y de fase. Para el funcionamiento HCCI la imagen es menos clara, pero el movimiento axial muy corto (y por lo tanto muy rápido) que se necesitaría para cambiar la presión de compresión parecería hacer que el árbol de levas helicoidal sea muy adecuado para este proceso.
La desventaja de este sistema es su costo. Aunque es un dispositivo bastante simple, requiere un mecanizado helicoidal muy preciso y un ensamblaje muy cuidadoso. Los prototipos de árboles de levas helicoidales suelen costar alrededor de $1500 en mecanizado y materiales. [ cita requerida ] Esta cifra se reduciría considerablemente en la producción. El costo del árbol de levas helicoidal es realmente alto solo cuando se lo compara con un árbol de levas convencional, cuya fabricación, según se informa, le costó a los fabricantes solo unos pocos dólares por unidad. [ cita requerida ] Este hecho tiende a hacer que el árbol de levas helicoidal parezca más caro de lo que realmente es. Habiendo dicho esto, el costo del árbol de levas helicoidal (y los controles asociados, etc.) es probablemente muy similar (o incluso más económico) al de otros sistemas VVA de producción. [ cita requerida ]
Los distintos prototipos nunca han mostrado problemas de desgaste o de resistencia máxima (rotura) en las muchas horas de pruebas (algunas a RPM muy altas) a las que se han sometido. Pero como el árbol de levas de un coche de producción debe durar idealmente toda la vida útil del vehículo, debe haber algunas dudas hasta que se realicen pruebas realmente a largo plazo. Sin embargo, hay indicios de que probablemente no habría problemas insolubles a largo plazo. [ cita requerida ]
Un árbol de levas helicoidal debe funcionar a través de un seguidor pivotante multiplicador de elevación. El árbol de levas helicoidal no se podría utilizar realmente con un seguidor de tipo cubo invertido. Aunque el cubo invertido todavía se utiliza, cada vez se lo está sustituyendo más en los motores de carretera y de competición por el seguidor pivotante de "dedo". Además de necesitar un seguidor pivotante, si el motor tiene cuatro válvulas por cilindro, el seguidor debe estar bifurcado de modo que el lóbulo del árbol de levas helicoidal accione dos válvulas. Esto es más una característica que un problema. Si se requiere un rango de duración realmente amplio, debido a que el espacio axial es algo limitado a lo largo del árbol de levas, normalmente solo se puede encontrar espacio para un lóbulo del árbol de levas helicoidal (y su espacio operativo).
Un árbol de levas helicoidal no puede ofrecer duraciones muy cortas ni una elevación variable [ ¿según quién? ] . Muchas empresas y fabricantes [ ¿quién? ] han hecho que parezca una virtud que su sistema VVA particular produzca duraciones muy cortas y la baja elevación de válvulas asociada, ya que realmente no han tenido otra opción.
No hay ninguna razón física por la que un árbol de levas helicoidal no pueda ser la leva "motora" en una configuración de levas oscilantes de tipo Valvetronic . (Pero sería bastante complejo y la parte Valvetronic del arreglo limitaría las altas capacidades de RPM del árbol de levas helicoidal). El resultado sería una variedad casi increíble de posibles combinaciones de duración/elevación. Esto podría ser muy útil en la investigación. Sin embargo, en el mundo real probablemente el 95% de las combinaciones no tienen una relevancia realmente útil para el ciclo de cuatro tiempos. Esto, por supuesto, también se aplica al árbol de levas helicoidal hasta cierto punto. Es difícil imaginar un uso para más de unos 400 grados, y el árbol de levas helicoidal potencialmente tiene otros 300 grados o más en la mano.
