Una válvula desmodrómica es una válvula de asiento de motor alternativo que se cierra positivamente mediante un sistema de leva y palanca, en lugar de un resorte más convencional.
Las válvulas en un motor típico de cuatro tiempos permiten que la mezcla de aire y combustible ingrese al cilindro al comienzo del ciclo y expulsen los gases gastados al final del ciclo. En un motor convencional de cuatro tiempos, 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 apertura y cierre positivos sin resorte de retorno.
La palabra proviene de los vocablos griegos desmos ( δεσμός , traducido como "vínculo" o "nudo") y dromos ( δρόμος , "pista" o "camino"). Esto denota la característica principal de que las válvulas están continuamente "unidas" al árbol de levas.
El sistema de resorte de válvula común es satisfactorio para motores tradicionales producidos en masa que no aceleran mucho y tienen un diseño que requiere poco mantenimiento. [1] En el período de desarrollo desmodrómico inicial, los resortes de válvulas 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 las válvulas, aumentando enormemente su vida útil y eficiencia. Sin embargo, muchos resortes aún fallarían en funcionamiento sostenido por encima de 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 genera resortes más grandes (con mayor masa de resorte y, por lo tanto, mayor inercia), arrastre de leva (ya que los resortes de las válvulas requieren energía para comprimirse, robando potencia al motor). ), y un mayor desgaste de las piezas en todas las velocidades, problemas que aborda el mecanismo desmodrómico.
El movimiento de válvulas totalmente controlado se concibió durante los primeros días del desarrollo del motor, pero diseñar 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 una patente de 1896 de Gustav Mees. [ cita necesaria ] El motor marino de Austin de 1910 producía 300 CV y estaba instalado en una lancha rápida llamada "Irene I"; su motor totalmente de aluminio con dos válvulas en cabeza tenía dos magnetos, dos carburadores y válvulas desmodrómicas. [3] El Gran Premio Delage y Nagant de 1914 (ver Pomeroy "Grand Prix Car") utilizó un sistema de válvulas desmodrómicas (muy diferente al sistema Ducati actual ). [4]
Azzariti, un fabricante italiano de corta duración de 1933 a 1934, produjo motores bicilíndricos de 173 cc y 348 cc, algunos de los cuales tenían engranajes de válvulas desmodrómicos, con la válvula cerrada 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.
Fue citado:
El propósito específico del sistema desmodrómico es obligar a las válvulas a cumplir con el diagrama de sincronización de la manera más consistente posible. De esta manera, cualquier pérdida de energía es insignificante, las curvas de rendimiento son más uniformes y la confiabilidad es mejor.
Los ingenieros que le sucedieron continuaron ese desarrollo y Ducati poseía varias patentes relacionadas con la desmodrómica. El accionamiento de válvula desmodrómica se ha aplicado a las motocicletas Ducati de producción de gama alta desde 1968, con la introducción de los monocilíndricos Mark 3 "widecase".
En 1959 los hermanos Maserati introdujeron uno de sus diseños finales: un motor desmodrómico de cuatro cilindros y 2.000 cc para su último OSCA Barchetta.
En los motores modernos, la falla del resorte de válvula a altas RPM se ha solucionado en gran medida. El principal beneficio del sistema desmodrómico es la prevención del flotador de la válvula a altas revoluciones.
En el accionamiento tradicional de la válvula de resorte, a medida que aumenta la velocidad del motor, la inercia de la válvula eventualmente superará la capacidad del resorte para cerrarla completamente antes de que el pistón alcance el punto muerto superior (TDC). Esto puede provocar varios problemas. Primero, la válvula no regresa completamente a su asiento antes de que comience la combustión. Esto permite que los gases de combustión se escapen prematuramente, lo que provoca una reducción de la presión en los cilindros, lo que provoca una disminución importante del rendimiento del motor. Esto también puede sobrecalentar la válvula, posiblemente deformarla y provocar una falla catastrófica. En segundo lugar, y lo más dañino, el pistón choca con la válvula y ambos quedan destruidos. En los motores con válvulas de resorte, el remedio tradicional para la flotación de las válvulas 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 más altas del motor debido a una reducción en el flotador de válvula antes mencionado. El inconveniente es que el motor tiene que trabajar más para abrir la válvula en todas las velocidades. La mayor presión del resorte provoca una mayor fricción (por lo tanto, temperatura y desgaste) en el tren de válvulas.
El sistema desmodrómico evita este problema, porque no tiene que vencer la fuerza del resorte. Aún debe superar la inercia de apertura y cierre de la válvula, y eso depende de la distribución de masas 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 rodillos en trenes de válvulas convencionales, aunque añade una masa móvil considerable. En un sistema desmodrómico, el rodillo sería necesario en un extremo del balancín, lo que aumentaría considerablemente su momento de inercia y anularía su ventaja de "masa efectiva". Por lo tanto, los sistemas desmo generalmente han tenido que lidiar con la fricción por deslizamiento entre la leva y el balancín y, por lo tanto, pueden tener un mayor desgaste. Los puntos de contacto de la mayoría de los balancines Ducati están cromados para reducir este desgaste. Otra posible desventaja es que sería muy difícil incorporar ajustadores de juego de válvulas hidráulicos en un sistema desmodrómico, por lo que las válvulas deben ajustarse periódicamente, pero esto es cierto para las motocicletas típicas orientadas al rendimiento, ya que el juego de válvulas generalmente se ajusta usando una cuña debajo de una leva. seguidor.
Antes de los días en que la dinámica del accionamiento de válvulas podía analizarse por computadora, [ ¿cuándo? ] La propulsión desmodrómica parecía ofrecer soluciones a los problemas que empeoraban a medida que aumentaba la velocidad del motor. Desde aquellos días, las curvas de elevación, velocidad, aceleración y sacudida de las levas han sido modeladas por computadora [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 válvulas, taqués hidráulicos , varillas de empuje, balancines y, sobre todo, flotador de válvulas , pasaron a ser cosa del pasado sin accionamiento desmodrómico.
Hoy [ ¿ cuándo? ] la mayoría de los motores de automóviles utilizan levas en cabeza , impulsando un empujador plano para lograr el recorrido más corto, liviano y más inelástico desde la leva a la válvula , evitando así elementos elásticos como la varilla de empuje y el balancín . Las computadoras han permitido modelar con bastante precisión la aceleración de los sistemas de trenes de válvulas.
Antes de que los métodos de computación numérica estuvieran disponibles, la aceleración solo se podía lograr diferenciando los perfiles de elevación de las levas dos veces, una para la velocidad y otra para la aceleración. Esto genera tanto hash (ruido) que la segunda derivada (aceleración) fue inútilmente inexacta. Las computadoras permitieron la integración desde la curva de sacudida, 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 sacudida produce una curva de aceleración suave, mientras que la tercera integral proporciona una curva de elevación esencialmente ideal (perfil de leva). Con tales 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 quedó bajo escrutinio.
Hoy, [ ¿ cuándo? ] la mayoría de las levas tienen perfiles de imagen especular (simétricos) con aceleración positiva y negativa idéntica al abrir y cerrar 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 colocarlas en sus asientos más suavemente para reducir el desgaste. Además, los vehículos de producción han empleado perfiles de lóbulos de levas asimétricos desde finales de la década de 1940, como se ve en el Ford V8 de 1948. [7] En este motor, tanto el perfil de admisión como el de escape tenían un diseño asimétrico. Las aplicaciones más modernas de árboles de levas asimétricos incluyen los motores armados de 2,3 litros de Cosworth, que utilizan perfiles agresivos para alcanzar más de 280 caballos de fuerza de frenado. [8] Una leva asimétrica abre o cierra las válvulas más lentamente de lo que podría, con la velocidad limitada por la tensión de contacto hertziana entre la leva curva y el empujador plano, asegurando así una aceleración más controlada de la masa combinada de los componentes alternativos (específicamente la válvula, el empujador 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 fricción entre la leva y el empujador y, por lo tanto, está gobernada tanto por la masa en movimiento como por el área de contacto de la leva. La máxima rigidez y la mínima tensión de contacto se logran mejor con taqués y resortes planos convencionales 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 (palanca) [10] de las levas desmodrómicas provocan una mayor tensión de contacto que los taqués planos para el mismo perfil de elevación, limitando así la velocidad de elevación y cierre.
Con las levas convencionales, la tensión es mayor a máxima elevación, al girar a velocidad cero (inicio del arranque del motor), y disminuye al aumentar la velocidad a medida que la fuerza de inercia de la válvula contrarresta la presión del resorte, mientras que una leva desmodrómica esencialmente no tiene carga a velocidad cero ( en ausencia de resortes), su carga es completamente inercial y, por lo tanto, aumenta con la velocidad. Su mayor esfuerzo de inercia se ejerce sobre su radio más pequeño. Las fuerzas de aceleración para cualquiera de los métodos aumentan con el cuadrado de la velocidad resultante de la energía cinética . [11]
Se analizó el flotador de la válvula y se descubrió que era causado en gran medida por la resonancia en los resortes de las válvulas que generaban ondas de compresión oscilantes entre las bobinas, muy parecidas a un Slinky . Las fotografías de alta velocidad mostraron que a velocidades de resonancia específicas, los resortes de las válvulas ya no hacían contacto en uno o ambos extremos, dejando la válvula flotando [12] antes de chocar contra la leva al cerrarse.
Por eso hoy [ ¿cuándo? ] a veces se encajan 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 necesaria ]
Una solución temprana [ ¿cuándo? ] a la masa del resorte oscilante era la ratonera o resorte de horquilla [13] utilizado en los motores Norton Manx [14] . Estos evitaban la resonancia, pero era incómodo ubicarlos dentro de las culatas.
Los resortes de válvula que no resuenan son progresivos, enrollados con paso variable 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 estrechamente enrolladas están en el extremo estático y se vuelven inactivas a medida que el resorte se comprime o como en el resorte de colmena, donde las espiras de pequeño diámetro 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 del resorte eliminó la flotación de la válvula , el impulso inicial para el accionamiento desmodrómico de la válvula.
Ejemplos famosos incluyen los exitosos autos 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 desmodrómico V4 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 la aparición de la 800 cc En la era de 2007, en general 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 moto GP7 (Desmosedici).
Por lo tanto, ignorando todos los demás factores, cuanto más rápido se pueda hacer girar un motor, más potencia se podrá generar. Desafortunadamente, al menos durante la década de 1950, los resortes de las válvulas a menudo se fatigaban y rompían cuando los motores funcionaban durante períodos significativos de tiempo muy por encima de 8000 rpm.
En 1910, Herbert Austin decidió construir un motor marino que en ese momento era muy avanzado.
Producía 300 CV y estaba instalado en una lancha rápida llamada "Irene I", que lleva el nombre de su hija mayor, que se había casado con el coronel Waite.
El motor gemelo OHV, totalmente de aluminio, tenía doble magneto, doble carburador y válvulas desmodrónicas.
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