Un motor con árbol de levas en cabeza ( OHC ) es un motor de pistón en el que el árbol de levas está ubicado en la culata , encima de la cámara de combustión . [1] [2] Esto contrasta con los motores de válvulas en cabeza (OHV) anteriores, donde el árbol de levas está ubicado debajo de la cámara de combustión en el bloque del motor . [3]
Los motores de árbol de levas en cabeza único (SOHC) tienen un árbol de levas por banco de cilindros . Los motores de doble árbol de levas en cabeza (DOHC, también conocido como "twin-cam" [4] ) tienen dos árboles de levas por banco. El primer automóvil de producción que utilizó un motor DOHC se construyó en 1910. El uso de motores DOHC aumentó lentamente a partir de la década de 1940, lo que llevó a que a principios de la década de 2000 muchos automóviles utilizaran motores DOHC.
En un motor OHC, el árbol de levas está ubicado en la parte superior del motor, encima de la cámara de combustión . Esto contrasta con las configuraciones anteriores del motor de válvulas en cabeza (OHV) y del motor de cabeza plana , donde el árbol de levas está ubicado abajo en el bloque del motor . Las válvulas de los motores OHC y OHV están ubicadas encima de la cámara de combustión; sin embargo, un motor OHV requiere varillas de empuje y balancines para transferir el movimiento desde el árbol de levas hasta las válvulas, mientras que un motor OHC tiene las válvulas accionadas directamente por el árbol de levas.
En comparación con los motores OHV con la misma cantidad de válvulas, hay menos componentes alternativos y menos inercia del tren de válvulas en un motor OHC. Esta inercia reducida en los motores OHC da como resultado una menor flotación de válvulas a velocidades más altas del motor (RPM). [1] Una desventaja es que el sistema utilizado para impulsar el árbol de levas (generalmente una cadena de distribución en los motores modernos) es más complejo en un motor OHC. [ cita necesaria ] Una desventaja de los motores OHC es que durante las reparaciones del motor que requieren la extracción de la culata del cilindro, es necesario restablecer la sincronización del motor del árbol de levas. Además, el OHC necesita una culata más grande que acomode el árbol de levas o una válvula adicional para obtener una mayor eficiencia volumétrica , de modo que con la misma cilindrada que el OHV, el motor OHC será mucho más grande debido a la culata hinchada.
La otra ventaja principal de los motores OHC es que existe una mayor flexibilidad para optimizar el tamaño, la ubicación y la forma de los puertos de admisión y escape, ya que no hay varillas de empuje que deban evitarse. [1] Esto mejora el flujo de gas a través del motor, aumentando la potencia y la eficiencia del combustible .
La configuración más antigua de motor con árbol de levas en cabeza es el diseño de árbol de levas en cabeza único (SOHC). [1] Un motor SOHC tiene un árbol de levas por banco de cilindros, por lo tanto un motor recto tiene un total de un árbol de levas y un motor en V o plano tiene un total de dos árboles de levas (uno para cada banco de cilindros).
La mayoría de los motores SOHC tienen dos válvulas por cilindro, una válvula de admisión y una válvula de escape. [a] El movimiento del árbol de levas generalmente se transfiere a las válvulas directamente (mediante un empujador) o indirectamente a través de un balancín . [1]
Un motor de doble árbol de levas , doble árbol de levas o doble árbol de levas tiene dos árboles de levas por banco de la culata, [1] [2] uno para las válvulas de admisión y otro para las válvulas de escape. Por lo tanto, hay dos árboles de levas para un motor recto y un total de cuatro árboles de levas para un motor en V o un motor plano.
Un motor en V o un motor plano requiere cuatro árboles de levas para funcionar como un motor DOHC, ya que tener dos árboles de levas en total daría como resultado un solo árbol de levas por banco de cilindros para estos diseños de motor. Algunos motores en V con cuatro árboles de levas se han comercializado como motores de "cuatro levas", [9] sin embargo, técnicamente "cuádruple levas" requeriría cuatro árboles de levas por banco de cilindros (es decir, ocho árboles de levas en total), por lo tanto, estos motores son simplemente de doble árbol de levas en cabeza. motores.
La mayoría de los motores DOHC tienen cuatro válvulas por cilindro. [b] El árbol de levas normalmente acciona las válvulas directamente a través de un empujador de cuchara . Un diseño DOHC permite un ángulo más amplio entre las válvulas de admisión y escape que en los motores SOHC, lo que mejora el flujo de la mezcla de aire y combustible a través del motor. Otra ventaja es que la bujía se puede colocar en el lugar óptimo, lo que a su vez mejora la eficiencia de la combustión. Otro beneficio más nuevo del diseño del motor DOHC es la capacidad de cambiar/fasar de forma independiente la sincronización entre cada árbol de levas y cigüeñal, lo que permite una mejor economía de combustible al permitir una curva de torsión más amplia. Aunque cada fabricante importante tiene su propio nombre comercial para su sistema específico, en general todos se clasifican como sistemas de fase de levas variables. Sincronización variable de válvulas .
La rotación de un árbol de levas es impulsada por un cigüeñal . Muchos motores del siglo XXI utilizan una correa de distribución dentada hecha de caucho y kevlar para accionar el árbol de levas. [1] [10] Las correas de distribución son económicas, producen un ruido mínimo y no necesitan lubricación. [11] : 93 Una desventaja de las correas de distribución es la necesidad de reemplazarlas periódicamente; [11] : 94 La vida útil recomendada de la correa generalmente varía entre aproximadamente 50 000 y 100 000 km (31 000 a 62 000 mi). [11] : 94–95 [12] : 250 Si la correa de distribución no se reemplaza a tiempo y falla y el motor es un motor de interferencia , es posible que se produzcan daños importantes en el motor.
La primera aplicación automotriz conocida de correas de distribución para accionar árboles de levas en cabeza fueron las especiales de carreras Devin-Panhard de 1953 construidas para la serie de carreras SCCA H modificada en los Estados Unidos. [13] : 62 Estos motores se basaron en motores bicilíndricos planos Panhard OHV, que se convirtieron a motores SOHC utilizando componentes de motores de motocicleta Norton. [13] : 62 El primer automóvil de producción que utilizó una correa de distribución fue el cupé compacto Glas 1004 de 1962 . [14]
Otro método de transmisión por árbol de levas comúnmente utilizado en los motores modernos es una cadena de distribución , construida con una o dos filas de cadenas de rodillos metálicos . [1] [10] A principios de la década de 1960, la mayoría de los diseños de árboles de levas en cabeza de automóviles de producción utilizaban cadenas para impulsar los árboles de levas. [15] : 17 Las cadenas de distribución no suelen requerir sustitución a intervalos regulares, sin embargo, la desventaja es que son más ruidosas que las correas de distribución. [12] : 253
Un sistema de tren de engranajes entre el cigüeñal y el árbol de levas se usa comúnmente en motores diésel con árbol de levas en cabeza utilizados en camiones pesados. [16] Los trenes de engranajes no se utilizan comúnmente en motores de camiones ligeros o automóviles. [1]
Varios motores OHC hasta la década de 1950 utilizaban un eje con engranajes cónicos para accionar el árbol de levas. Los ejemplos incluyen el Maudslay 25/30 de 1908-1911 , [17] [18] el Bentley de 3 litros , [19] el 1917-? Liberty L-12 , [20] el MG Midget de 1929-1932 , la serie Velocette K de 1925-1948 , [21] el Norton International de 1931-1957 y el Norton Manx de 1947-1962 . [22] En tiempos más recientes, los motores de motocicleta Ducati Single 1950-1974 , [23] Ducati L-twin 1973-1980, Kawasaki W650 1999-2007 y Kawasaki W800 2011-2016 han utilizado ejes cónicos. [24] [25] El Crosley de cuatro cilindros fue el último motor de automóvil en utilizar el diseño de torre de eje para impulsar el árbol de levas, de 1946 a 1952; Los derechos del formato del motor Crosley fueron comprados por algunas empresas diferentes, incluida General Tire en 1952, seguida de Fageol en 1955, Crofton en 1959, Homelite en 1961 y Fisher Pierce en 1966, después de que Crosley cerrara las puertas de la fábrica de automóviles. Continuaron produciendo el mismo motor durante varios años más.
En el automóvil de lujo Leyland Eight de 1920-1923 construido en el Reino Unido se utilizó una transmisión por árbol de levas que utilizaba tres juegos de manivelas y bielas en paralelo . [26] [27] [28] Se utilizó un sistema similar en el Bentley Speed Six de 1926-1930 y en el Bentley de 8 litros de 1930-1932 . [28] [29] Muchos modelos del NSU Prinz 1958-1973 utilizaron un sistema de dos varillas con contrapesos en ambos extremos . [15] : 16-18
Entre los primeros motores con árbol de levas en cabeza se encuentran el motor Maudslay SOHC de 1902 construido en el Reino Unido [18] : 210 [15] : 906 [30] y el motor Marr Auto Car SOHC de 1903 construido en los Estados Unidos. [31] [32] El primer motor DOHC fue un motor de carreras Peugeot de cuatro cilindros en línea que impulsó el automóvil que ganó el Gran Premio de Francia de 1912 . Otro Peugeot con motor DOHC ganó el Gran Premio de Francia de 1913 , seguido por el Mercedes-Benz 18/100 GP con motor SOHC que ganó el Gran Premio de Francia de 1914 .
El Isotta Fraschini Tipo KM , construido en Italia entre 1910 y 1914, fue uno de los primeros automóviles de producción en utilizar un motor SOHC. [33]
Durante la Primera Guerra Mundial, tanto las potencias aliadas como las centrales ; específicamente los de las fuerzas aéreas Luftstreitkräfte del Imperio Alemán , buscaron aplicar rápidamente la tecnología de árbol de levas en cabeza de los motores de carreras a los motores de aviones militares. El motor SOHC del coche Mercedes 18/100 GP (que ganó el Gran Premio de Francia de 1914) se convirtió en el punto de partida de los motores de avión de Mercedes y Rolls-Royce. Mercedes creó una serie de motores de seis cilindros que culminó en el Mercedes D.III . Rolls-Royce realizó ingeniería inversa del diseño de la culata de Mercedes basándose en un coche de carreras abandonado en Inglaterra al comienzo de la guerra, lo que dio lugar al motor Rolls-Royce Eagle V12. Otros diseños SOHC incluyeron el motor español Hispano-Suiza 8 V8 (con un tren motriz completamente cerrado), el motor American Liberty L-12 V12, que siguió de cerca el diseño del tren de válvulas SOHC parcialmente expuesto del diseño posterior del Mercedes D.IIIa; y el Max Friz -diseñado; Motor alemán BMW IIIa de seis cilindros en línea. El motor DOHC Napier Lion W12 se fabricó en Gran Bretaña a partir de 1918.
La mayoría de estos motores usaban un eje para transferir la transmisión desde el cigüeñal hasta el árbol de levas en la parte superior del motor. Los motores de aviones grandes, particularmente los motores enfriados por aire, experimentaron una expansión térmica considerable, lo que provocó que la altura del bloque de cilindros variara durante las condiciones de funcionamiento. Esta expansión causó dificultades para los motores de varilla de empuje, por lo que un motor con árbol de levas en cabeza que utilizaba un eje de transmisión con ranuras deslizantes era la forma más fácil de permitir esta expansión. Estos ejes cónicos solían estar en un tubo externo fuera del bloque y se conocían como "ejes de torre". [34]
Uno de los primeros motores estadounidenses de producción con árbol de levas en cabeza fue el motor SOHC de ocho cilindros en línea utilizado en el automóvil de lujo Duesenberg Modelo A de 1921-1926 . [35]
En 1926, el Sunbeam Super Sports de 3 litros se convirtió en el primer automóvil de producción en utilizar un motor DOHC. [36] [37]
En los Estados Unidos, Duesenberg añadió motores DOHC (junto con sus motores SOHC existentes) con el lanzamiento en 1928 del Duesenberg Modelo J , que estaba propulsado por un motor DOHC de ocho cilindros en línea. El Stutz DV32 de 1931-1935 fue otro de los primeros automóviles de lujo estadounidenses que utilizó un motor DOHC. También en los Estados Unidos, el motor de carreras DOHC Offenhauser se introdujo en 1933. Este motor de cuatro cilindros en línea dominó las carreras de monoplazas norteamericanas desde 1934 hasta la década de 1970.
Otros primeros motores de automóvil SOHC fueron el Wolseley Ten de 1920-1923 , el MG 18/80 de 1928-1931, el Singer Junior de 1926-1935 y el Alfa Romeo 6C Sport de 1928-1929 . Las primeras motocicletas con árbol de levas en cabeza incluían la Serie Velocette K de 1925-1949 y la Norton CS1 de 1927-1939 .
El Crosley CC Four de 1946-1948 fue posiblemente el primer automóvil estadounidense producido en masa que utilizó un motor SOHC. [38] [39] [40] Este pequeño motor de producción en masa impulsó al ganador de las 12 Horas de Sebring de 1950 . [38] : 121
El uso de una configuración DOHC aumentó gradualmente después de la Segunda Guerra Mundial, comenzando con los autos deportivos. Los motores DOHC icónicos de este período incluyen el motor Lagonda de seis cilindros en línea de 1948-1959 , el motor de seis cilindros en línea Jaguar XK de 1949-1992 y el motor de cuatro en línea Alfa Romeo Twin Cam de 1954-1994 . [41] [42] El motor Fiat Twin Cam de cuatro cilindros en línea de 1966-2000 fue uno de los primeros motores DOHC en utilizar una correa de distribución dentada en lugar de una cadena de distribución. [43]
En la década de 1980, la necesidad de aumentar el rendimiento y al mismo tiempo reducir el consumo de combustible y las emisiones de escape hizo que se utilizaran cada vez más motores DOHC en los vehículos convencionales, empezando por los fabricantes japoneses. [41] A mediados de la década de 2000, la mayoría de los motores de automóviles utilizaban un diseño DOHC. [ cita necesaria ]
En la mayoría de los motores diésel comerciales, los OHC funcionan con engranajes.
Los árboles de levas en cabeza son impulsados por engranajes cónicos y ejes verticales conocidos como ejes de torre.
