Un motor de pistón sin levas o de válvulas libres es un motor que tiene válvulas de asiento operadas por medio de actuadores electromagnéticos, hidráulicos o neumáticos [1] en lugar de levas convencionales . Los actuadores se pueden utilizar tanto para abrir como para cerrar válvulas, o para abrir válvulas cerradas por resortes u otros medios.
Los árboles de levas normalmente tienen un lóbulo por válvula, con una duración y elevación de válvula fijas. Aunque muchos motores modernos utilizan sincronización del árbol de levas, ajustar la elevación y la duración de la válvula en un motor en funcionamiento es más difícil. Algunos fabricantes utilizan sistemas con más de un lóbulo de leva, pero esto sigue siendo un compromiso ya que solo pueden funcionar unos pocos perfiles a la vez. Este no es el caso del motor sin levas, donde la elevación y la sincronización de válvulas se pueden ajustar libremente de una válvula a otra y de un ciclo a otro. También permite múltiples eventos de elevación por ciclo y, de hecho, ningún evento por ciclo, apagando el cilindro por completo.
Los trenes de válvulas sin levas han sido investigados durante mucho tiempo por varias empresas, incluidas Renault , BMW , Fiat , Valeo , General Motors , Ricardo , Lotus Engineering, que desarrolló la actuación de válvulas electrohidráulicas a fines de la década de 1980 como un derivado de su programa de suspensión activa (ambos utilizaron una actuación y control electrohidráulicos similares), Ford , Jiangsu Gongda Power Technologies y la empresa hermana de Koenigsegg , FreeValve. [2] [3] [4] [5] [6] Algunos de estos sistemas están disponibles comercialmente, aunque todavía no [¿ a partir de ahora? ] en motores de vehículos de carretera de producción. En la primavera de 2015, Christian von Koenigsegg dijo a los periodistas que la tecnología perseguida por su empresa se está "preparando para dar sus frutos", pero no dijo nada específico sobre el cronograma de su empresa. [7] [8]
En noviembre de 2016, el fabricante de automóviles chino Qoros Auto presentó el hatchback Qoros 3 en el Salón del Automóvil de Guangzhou de 2016, que exhibió un nuevo motor Qoros "Qamfree". El diseñador sueco del motor, FreeValve, afirma que el motor turboalimentado de 1,6 litros (98 pulgadas cúbicas) producirá 170 kW (230 hp) y 320 N⋅m (240 lb⋅ft) de torque. También afirman que, en comparación con un motor tradicional similar, ofrece una reducción del 50% en tamaño (incluida una altura 50 milímetros más baja (2,0 pulgadas)), una reducción del 30% en peso, una mejora del 30% en potencia y torque, una mejora del 30% en economía de combustible y una reducción del 50% en emisiones. [9] Christian von Koenigsegg afirma en un vídeo que el motor Qamfree con tecnología sin levas PHEA se basa en un motor Qoros existente que fue "...desarrollado en Alemania y Austria hace cinco o seis años...". [10]
Christian von Koenigsegg también afirma que la tecnología sin levas PHEA permite la eliminación del precatalizador, porque el catalizador estándar se puede calentar rápidamente manipulando el ciclo de escape. [10]
Debido a que los motores sin levas no tienen árbol de levas , pueden tener menos partes móviles. En estos sistemas, el seguidor del árbol de levas, los balancines y/o las varillas de empuje han sido reemplazados por un sistema de actuador electrohidráulico que utiliza las bombas de aceite existentes, reduciendo así los riesgos de desarrollo del nuevo sistema al emplear la tecnología existente. [11] El cambio de dirección en los motores B&W MC más antiguos se activaba cambiando físicamente la dirección del rodillo de leva, mientras que con el nuevo motor sin levas, está controlado por una computadora. Esto elimina el riesgo de fallas mecánicas que podrían dañar el motor si hubiera un mal funcionamiento al cambiar de dirección. Además, debido a que no hay conexión de cadena entre el cigüeñal y el árbol de levas, el motor es más liviano con menos puntos de falla. La ausencia de un árbol de levas también significa que la carga parásita en el motor es menor, lo que es particularmente útil en motores marinos grandes, ya que puede equivaler a una gran cantidad de ahorro de energía. Con un motor sin levas, la inyección de combustible y la sincronización del escape están controladas directamente por una unidad de control del motor y se pueden cambiar y ajustar constantemente sin detener el motor. Esto permite que el motor funcione a un régimen de revoluciones más bajo, una característica útil en los barcos, ya que permite una mejor maniobrabilidad a baja velocidad durante el atraque. Además, cuando un barco está maniobrando, la inyección de combustible y la sincronización de válvulas controladas por ordenador permiten un control más rápido de las revoluciones, lo que permite frenar más rápido en situaciones de emergencia.
Las válvulas solenoides se utilizan para controlar la activación de válvulas operadas electrónicamente. Se utilizan para controlar el flujo de líquido o gas y se utilizan más comúnmente en fluidos como elementos de control. Son multifuncionales, ya que permiten liberar, cerrar, mezclar o distribuir fluidos con alta confiabilidad y procesamiento rápido. El mercado de válvulas solenoides está creciendo con el crecimiento imperativo en todas las regiones. El aumento de las áreas de aplicación año tras año y el avance en la tecnología y las tecnologías de automatización de fluidos desarrolladas, todos están impulsando el mercado a escala global.
El accionamiento mecánico convencional del árbol de levas es capaz de generar fuerzas extremadamente altas que, combinadas con una rigidez muy alta y una baja flexibilidad mecánica de un diseño de tren de válvulas moderno convencional, se utilizan para controlar de forma muy precisa y constante la posición de las válvulas del motor. Esto permite niveles muy altos de aceleración y elevación de las válvulas y también el uso de holguras muy pequeñas entre válvulas y pistones en combinación con velocidades muy altas del motor. Por ejemplo, antes de las restricciones de la FIA, los motores de Fórmula 1 funcionaban a velocidades de más de 20.000 RPM y potencias de salida de más de 330 CV/litro normalmente aspirados utilizando un árbol de levas convencional y un accionamiento mecánico de las válvulas; es extremadamente improbable que esta alta velocidad y salida del motor se puedan lograr con un accionamiento de válvulas sin levas. [ cita requerida ] A 20.000 RPM, las válvulas se abren y se cierran 166 veces por segundo.
Los motores sin levas pueden producir menos emisiones que sus homólogos con árbol de levas equivalentes porque pueden controlar con mayor precisión el procedimiento de combustión, lo que permite una combustión más completa de todos los hidrocarburos. La computadora puede detectar cuando no se está consumiendo todo el combustible y relajar inmediatamente los tiempos de las válvulas para suministrar menos combustible a un cilindro. La ECU puede ajustar constantemente los tiempos de las válvulas, la altura y las mezclas de combustible/aire para optimizar la eficiencia para una carga de RPM/par determinada. Puede detectar cuando hay una gran cantidad de emisiones de NOx y SOx y cambiar el tiempo para hacer que los gases de escape sean más calientes o más fríos. Dado que el motor funciona electrónicamente y no mecánicamente, los motores sin levas se pueden actualizar para cumplir con las nuevas regulaciones de emisiones sin modificaciones mecánicas.
Los motores sin levas pueden reducir aún más las emisiones de NOx con el uso de la dosificación de combustible. En lugar de simplemente inyectar un flujo constante de combustible, la dosificación de combustible inyecta el combustible en el momento óptimo para lograr la combustión más completa. La inyección de combustible puede interrumpirse cuando hay suficiente presión y agregar más combustible cuando hay menos presión, lo que permite que los motores funcionen más cerca de un ciclo diésel perfecto . Esto permite que el motor funcione con la mayor eficiencia posible según lo permitan el entorno y la capacidad térmica del metal.
Como estos nuevos motores pueden diagnosticarse a sí mismos y funcionar de manera eficiente sin que un operador cambie los ajustes, requieren una tripulación más pequeña para mantenerlos en el mar. Esta reducción de la tripulación se traduce en un transporte marítimo más barato y un mayor comercio global. [12]
La empresa británica Camcon Technology [13] está desarrollando un motor sin levas para vehículos de pasajeros basado en su sistema patentado de accionamiento inteligente de válvulas (IVA). Camcon ha colaborado con Jaguar Land Rover para instalar el IVA en un motor de gasolina Ingenium de 2,0 litros y 4 cilindros, y publicaron conjuntamente los resultados en el Coloquio de Aquisgrán de 2017. [14] Camcon también analizó las características y los beneficios en un artículo y un vídeo que se publicaron en la revista Autocar . [15]
La empresa sueca Freevalve AB ( anteriormente Cargine), una empresa hermana de Koenigsegg Automotive AB , está desarrollando un sistema sin levas en un motor de automóvil SAAB existente . [ 16 ] [17] [18] [19]
En abril de 2016, el fabricante de automóviles chino Qoros presentó un concept car que incorpora la tecnología Freevalve. [20]
En marzo de 2020, Koenigsegg Automotive AB anunció su primer automóvil de cuatro plazas, el Gemera , que está propulsado por un motor de tres cilindros en línea de 2.0 litros turboalimentado secuencialmente junto con tres motores eléctricos. Dos de esos motores eléctricos, cada uno de los cuales genera 600 bhp (450 kW), están en las ruedas traseras. El tercer motor está unido al cigüeñal del motor y genera 400 bhp (300 kW). Trabajando con el motor para impulsar las ruedas delanteras está lo que Koenigsegg llama el motor Tiny Friendly Giant (TFG) . Tiene una potencia nominal de 600 bhp y utiliza la tecnología Freevalve sin levas. [21]