Una válvula desmodrómica es una válvula de asiento de un motor alternativo que se cierra positivamente mediante un sistema de leva y palanca, en lugar de un resorte más convencional.
Las válvulas de un motor de cuatro tiempos típico permiten que la mezcla de aire y combustible ingrese al cilindro al comienzo del ciclo y expulsen los gases de escape al final del ciclo. En un motor de cuatro tiempos convencional, las válvulas se abren mediante una leva y se cierran mediante un resorte de retorno. Una válvula desmodrómica tiene dos levas y dos actuadores, para una apertura y un cierre positivos sin resorte de retorno.
La palabra proviene de las palabras griegas desmos ( δεσμός , traducida como "enlace" o "nudo") y dromos ( δρόμος , "pista" o "camino"). Esto denota la característica principal de las válvulas de estar "ligadas" continuamente al árbol de levas.
El sistema de resorte de válvula común es satisfactorio para los motores tradicionales producidos en masa que no alcanzan altas revoluciones y tienen un diseño que requiere poco mantenimiento. [1] En el período del desarrollo desmodrómico inicial, los resortes de válvula eran una limitación importante en el rendimiento del motor porque se rompían por fatiga del metal. En la década de 1950, los nuevos procesos de fusión al vacío ayudaron a eliminar las impurezas del metal en los resortes de válvula, lo que aumentó en gran medida su vida útil y eficiencia. Sin embargo, muchos resortes seguirían fallando en un funcionamiento sostenido por encima de las 8000 RPM. [2] El sistema desmodrómico fue ideado para remediar este problema eliminando por completo la necesidad de un resorte. Además, a medida que aumentan las RPM máximas, se requiere una mayor fuerza del resorte para evitar la flotación de la válvula , lo que lleva a resortes más grandes (con mayor masa del resorte y, por lo tanto, mayor inercia), arrastre de leva (ya que los resortes de válvula requieren energía para comprimirse, lo que priva al motor de potencia) y mayor desgaste de las piezas a todas las velocidades, problemas abordados por el mecanismo desmodrómico.
El movimiento de válvulas totalmente controlado fue concebido durante los primeros días del desarrollo del motor, pero idear un sistema que funcionara de manera confiable y no fuera demasiado complejo llevó mucho tiempo. Los sistemas de válvulas desmodrómicas se mencionan por primera vez en patentes en 1896 por Gustav Mees. [ cita requerida ] El motor marino de Austin de 1910 producía 300 bhp y se instaló en una lancha rápida llamada "Irene I"; su motor de aluminio con válvulas en cabeza dobles tenía magnetos gemelos, carburadores gemelos y válvulas desmodrómicas. [3] El Grand Prix Delage y Nagant de 1914 (ver Pomeroy "Grand Prix Car") usaba un sistema de válvulas desmodrómicas (bastante diferente del sistema Ducati actual ). [4]
Azzariti, un fabricante italiano de corta duración entre 1933 y 1934, produjo motores bicilíndricos de 173 cc y 348 cc, algunos de los cuales tenían mecanismo de válvulas desmodrómico, en el que la válvula se cerraba mediante un árbol de levas separado. [5]
El coche de carreras de Fórmula Uno Mercedes-Benz W196 de 1954-1955 y el coche de carreras deportivo Mercedes-Benz 300SLR de 1955 tenían accionamiento de válvula desmodrómica.
En 1956, Fabio Taglioni , ingeniero de Ducati, desarrolló un sistema de válvulas desmodrómicas para la Ducati 125 Grand Prix, creando la Ducati 125 Desmo.
Se le citó:
El objetivo específico del sistema desmodrómico es obligar a las válvulas a cumplir con el diagrama de tiempos de la forma más constante posible. De esta manera, la energía perdida es insignificante, las curvas de rendimiento son más uniformes y la confiabilidad es mejor.
Los ingenieros que vinieron después de él continuaron con ese desarrollo y Ducati obtuvo varias patentes relacionadas con la desmodrómica. El accionamiento de válvulas desmodrómicas se ha aplicado a las motocicletas Ducati de producción de gama alta desde 1968, con la introducción de los monocilíndricos Mark 3 de "caja ancha".
En 1959, los hermanos Maserati presentaron uno de sus diseños finales: un motor desmodrómico de cuatro cilindros y 2000 cc para su último OSCA Barchetta.
En los motores modernos, la falla de los resortes de válvulas a altas RPM se ha solucionado en gran medida. El principal beneficio del sistema desmodrómico es la prevención de la flotación de válvulas a altas RPM.
En el accionamiento tradicional de válvulas de resorte, a medida que aumenta la velocidad del motor, la inercia de la válvula eventualmente superará la capacidad del resorte de cerrarla completamente antes de que el pistón alcance el punto muerto superior (PMS). Esto puede generar varios problemas. Primero, la válvula no regresa completamente a su asiento antes de que comience la combustión. Esto permite que los gases de combustión escapen prematuramente, lo que lleva a una reducción en la presión del cilindro que causa una disminución importante en el rendimiento del motor. Esto también puede sobrecalentar la válvula, posiblemente deformándola y provocando una falla catastrófica. En segundo lugar, y lo más dañino, el pistón choca con la válvula y ambos se destruyen. En los motores con válvulas de resorte, el remedio tradicional para la flotación de la válvula es endurecer los resortes. Esto aumenta la presión del asiento de la válvula (la presión estática que mantiene la válvula cerrada). Esto es beneficioso a velocidades de motor más altas debido a una reducción en la flotación de la válvula antes mencionada. El inconveniente es el aumento de las fuerzas en todos los componentes del tren de válvulas y el aumento de la fricción y la temperatura y el desgaste asociados. No reduce la potencia porque casi todo el trabajo realizado para comprimir el resorte se libera más tarde cuando se permite que el resorte se descomprima.
El sistema desmodrómico evita algunas de las deficiencias de las válvulas accionadas por resorte, ya que no está sujeto a las altas cargas asociadas con la compresión de resortes rígidos. Sin embargo, aún debe superar la inercia de la propia válvula, y eso depende de la distribución de masa de las partes móviles. La masa efectiva de una válvula tradicional con resorte incluye la mitad de la masa del resorte de la válvula para resortes simétricos y toda la masa del retenedor del resorte de la válvula. Sin embargo, un sistema desmodrómico debe lidiar con la inercia de los dos balancines por válvula, por lo que esta ventaja depende en gran medida de la habilidad del diseñador. Otra desventaja es el punto de contacto entre las levas y los balancines. Es relativamente fácil utilizar taqués de rodillo en trenes de válvulas convencionales, aunque agrega una masa móvil considerable. En un sistema desmodrómico, el rodillo sería necesario en un extremo del balancín, lo que aumentaría en gran medida su momento de inercia y anularía su ventaja de "masa efectiva". Por lo tanto, los sistemas desmodrómicos generalmente han tenido que lidiar con la fricción deslizante entre la leva y el balancín y, por lo tanto, pueden tener un mayor desgaste. Los puntos de contacto en la mayoría de los balancines de Ducati están cromados para reducir este desgaste. Otra desventaja es la dificultad de incorporar ajustadores hidráulicos de juego de válvulas a un sistema desmodrómico; por lo tanto, se requieren frecuentes ajustes de juego de válvulas. Además, cada válvula requiere dos ajustes de juego: uno para el balancín de apertura y otro para el balancín de cierre. Sin embargo, es raro que la mayoría de los motores de altas RPM con trenes de válvulas accionados por resorte convencionales incorporen ajustadores hidráulicos de juego, por lo que también requieren controles y ajustes periódicos del juego de válvulas.
Antes de los días en que la dinámica del accionamiento de las válvulas podía analizarse por ordenador, [ ¿cuándo? ] el accionamiento desmodrómico parecía ofrecer soluciones a los problemas que empeoraban con el aumento de la velocidad del motor. Desde entonces, las curvas de elevación, velocidad, aceleración y sacudidas de las levas se han modelado por ordenador [6] para revelar que la dinámica de las levas no es lo que parecía. Con un análisis adecuado, los problemas relacionados con el ajuste de las válvulas, los taqués hidráulicos , las varillas de empuje, los balancines y, sobre todo, la flotación de las válvulas , se convirtieron en cosas del pasado sin el accionamiento desmodrómico.
Hoy en día [ ¿cuándo? ] la mayoría de los motores de automóviles utilizan levas en cabeza , que accionan un taqué plano para lograr el recorrido más corto, más ligero y más inelástico desde la leva hasta la válvula , evitando así elementos elásticos como la varilla de empuje y el balancín . Las computadoras han permitido un modelado de aceleración bastante preciso de los sistemas de tren de válvulas.
Antes de que los métodos de cálculo numérico estuvieran fácilmente disponibles, la aceleración solo se podía obtener diferenciando los perfiles de sustentación de las levas dos veces, una para la velocidad y otra para la aceleración. Esto genera tanto ruido que la segunda derivada (aceleración) era inútilmente imprecisa. Las computadoras permitieron la integración a partir de la curva de sacudidas, la tercera derivada de la sustentación, que es convenientemente una serie de líneas rectas contiguas cuyos vértices se pueden ajustar para dar cualquier perfil de sustentación deseado.
La integración de la curva de sacudidas produce una curva de aceleración suave, mientras que la tercera integral proporciona una curva de sustentación (perfil de leva) esencialmente ideal. Con estas levas, que en su mayoría no se parecen a las que los "artistas" diseñaron anteriormente, el ruido de las válvulas (despegue) desapareció y la elasticidad del tren de válvulas pasó a ser objeto de escrutinio.
Hoy en día, [¿ cuándo? ] la mayoría de las levas tienen perfiles de imagen especular (simétricos) con aceleración positiva y negativa idéntica al abrir y cerrar las válvulas. Sin embargo, algunos motores de alta velocidad (en términos de RPM del motor) ahora emplean perfiles de leva asimétricos para abrir rápidamente las válvulas y volver a colocarlas en sus asientos con más suavidad para reducir el desgaste. Además, los vehículos de producción han empleado perfiles de lóbulos de leva asimétricos desde fines de la década de 1940, como se vio en el Ford V8 de 1948. [7] En este motor, tanto los perfiles de admisión como de escape tenían un diseño asimétrico. Las aplicaciones más modernas de árboles de levas asimétricos incluyen los motores de caja de 2,3 litros de Cosworth, que usan perfiles agresivos para alcanzar más de 280 caballos de fuerza de freno. [8] Una leva asimétrica abre o cierra las válvulas más lentamente de lo que podría, y la velocidad está limitada por la tensión de contacto hertziana entre la leva curva y el taqué plano, lo que garantiza una aceleración más controlada de la masa combinada de los componentes alternativos (específicamente la válvula, el taqué y el resorte).
Por el contrario, el accionamiento desmodrómico utiliza dos levas por válvula, cada una con un balancín independiente (taqués de palanca). La aceleración máxima de la válvula está limitada por la tensión de rozamiento entre el taqué y la leva y, por lo tanto, está regida tanto por la masa en movimiento como por el área de contacto de la leva. La rigidez máxima y la tensión de contacto mínima se logran mejor con taqués planos convencionales y resortes cuya tensión de elevación y cierre no se ve afectada por la fuerza del resorte; ambos ocurren en el círculo base, [9] donde la carga del resorte es mínima y el radio de contacto es mayor. Los taqués curvos (de palanca) [10] de las levas desmodrómicas causan una mayor tensión de contacto que los taqués planos para el mismo perfil de elevación, lo que limita la velocidad de elevación y cierre.
En el caso de las levas convencionales, la tensión es máxima a plena elevación, cuando se gira a velocidad cero (inicio del arranque del motor), y disminuye con el aumento de la velocidad a medida que la fuerza inercial de la válvula contrarresta la presión del resorte, mientras que una leva desmodrómica no tiene esencialmente carga a velocidad cero (en ausencia de resortes), ya que su carga es completamente inercial y, por lo tanto, aumenta con la velocidad. Su mayor tensión inercial recae sobre su radio más pequeño. Las fuerzas de aceleración para ambos métodos aumentan con el cuadrado de la velocidad resultante de la energía cinética . [11]
Se analizó la flotación de la válvula y se descubrió que se debía principalmente a la resonancia en los resortes de la válvula que generaban ondas de compresión oscilantes entre las bobinas, de manera muy similar a un Slinky . La fotografía de alta velocidad mostró que a velocidades de resonancia específicas, los resortes de la válvula ya no hacían contacto en uno o ambos extremos, lo que dejaba la válvula flotando [12] antes de chocar contra la leva al cerrarse.
Por esta razón, hoy en día [¿ cuándo? ] a veces se colocan hasta tres resortes de válvula concéntricos uno dentro de otro; no para obtener más fuerza (los internos no tienen una constante de resorte significativa), sino para actuar como amortiguadores para reducir las oscilaciones en el resorte externo. [ cita requerida ]
Una solución temprana [ ¿cuándo? ] para la masa de resorte oscilante fue el resorte de horquilla o trampa para ratones [13] utilizado en los motores Norton Manx [14] . Estos evitaban la resonancia pero eran difíciles de ubicar dentro de las culatas.
Los resortes de válvula que no resuenan son progresivos, enrollados con un paso o diámetro variable, llamados resortes de colmena [15] por su forma. El número de espiras activas en estos resortes varía durante la carrera, las espiras más juntas están en el extremo estático, volviéndose inactivas a medida que el resorte se comprime o como en el resorte de colmena, donde las espiras de diámetro pequeño en la parte superior son más rígidas. Ambos mecanismos reducen la resonancia porque la fuerza del resorte y su masa en movimiento varían con la carrera. Este avance en el diseño de resortes eliminó el flotador de la válvula , el impulso inicial para el accionamiento de válvula desmodrómico.
Entre los ejemplos más famosos se incluyen los exitosos coches de carreras Mercedes-Benz W196 y Mercedes-Benz 300 SLR y, más comúnmente, las modernas motocicletas Ducati .
Las motocicletas Ducati con válvulas desmodrómicas han ganado numerosas carreras y campeonatos, incluidos los Campeonatos del Mundo de Superbikes de 1990 a 1992, 1994-96, 1998-99, 2001, 2003-04, 2006, 2008 y 2011. El regreso de Ducati a las carreras de motos de Gran Premio fue impulsado por un motor V4 desmodrómico de 990 cc en la moto GP3 ( Desmosedici ), que logró varias victorias, incluido un doblete en la última carrera de MotoGP de 990 cc en Valencia, España en 2006. Con el inicio de la era de 800 cc en 2007, generalmente todavía se consideran los motores más potentes del deporte, y han impulsado a Casey Stoner al Campeonato de MotoGP de 2007 y a Ducati al campeonato de constructores con la GP7 (Bicicleta Desmosedici).
Por lo tanto, dejando de lado todos los demás factores, cuanto más rápido se pueda hacer girar un motor, más potencia se puede generar. Desafortunadamente, al menos durante la década de 1950, los resortes de las válvulas a menudo se fatigaban y se rompían cuando los motores funcionaban durante períodos significativos de tiempo a velocidades muy superiores a las 8000 rpm.
En 1910, Herbert Austin decidió construir un motor marino que en ese momento era muy avanzado. Producía 300 bhp y se instaló en una lancha rápida llamada "Irene I", que llevaba el nombre de su hija mayor, que se había casado con el coronel Waite. El motor de doble válvula en cabeza, totalmente de aluminio, tenía dos magnetos, dos carburadores y válvulas desmodrónicas.