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Válvula de manguito

Primer plano de la válvula de manguito de un Bristol Centaurus Mark 175.
Perseo de Bristol

La válvula de manguito es un tipo de mecanismo de válvula para motores de pistón , distinto de la válvula de asiento habitual . Los motores de válvula de manguito se utilizaron en varios automóviles de lujo anteriores a la Segunda Guerra Mundial y en los Estados Unidos en el automóvil y camión ligero Willys-Knight . Posteriormente cayeron en desuso debido a los avances en la tecnología de válvulas de asiento, incluida la refrigeración por sodio, y la tendencia del motor de doble manguito del sistema Knight a quemar mucho aceite lubricante o a agarrotarse debido a la falta de este. La empresa escocesa Argyll utilizó su propio sistema de manguito único (Burt-McCollum) mucho más simple y eficiente en sus automóviles, un sistema que, después de un extenso desarrollo, tuvo un uso sustancial en los motores de aviación británicos de la década de 1940, como el Napier Sabre , el Bristol Hercules , el Centaurus y el prometedor pero nunca producido en masa Rolls-Royce Crecy , solo para ser reemplazado por los motores a reacción. Piccard-Pictet en Suiza patentó su propio tipo de motor de distribución de válvula de manguito único, Sleeve just turning.

Descripción

Una válvula de manguito tiene la forma de uno (o en el caso de las válvulas de doble manguito, dos) cilindros mecanizados que encajan concéntricamente entre el pistón y el orificio del bloque de cilindros de un motor de combustión interna que tiene inducción/escape de flujo cruzado. Estos manguitos tienen puertos de entrada y escape mecanizados en la periferia, de manera análoga a un motor de dos tiempos . Los puertos (aberturas) en la periferia de los manguitos se alinean con los puertos de entrada y escape del cilindro en las etapas apropiadas del ciclo del motor.

Tipos de válvulas de manguito

Un motor de automóvil de 4 cilindros de 1919, seccionado a través de los cilindros para mostrar las válvulas de manguito Knight.
Motor de válvulas de manguito de caballero

La primera válvula de manguito exitosa fue patentada por Charles Yale Knight , y utilizaba manguitos alternativos gemelos por cilindro. Se utilizó en algunos automóviles de lujo, en particular Willys , Stearns, Daimler , Mercedes-Benz , Minerva , Panhard , Peugeot y Avions Voisin . Mors adoptó motores de válvula de manguito doble fabricados por Minerva. El mayor consumo de aceite [1] se vio compensado con creces por el silencio de funcionamiento y los kilometrajes muy altos sin mantenimiento. Los primeros sistemas de válvulas de asiento requerían descarbonización a kilometrajes muy bajos y eran propensos a fallas en los resortes de válvula antes de los avances posteriores en la tecnología de resortes.

Diagrama de la válvula de manguito simple Argyll, que muestra la forma compleja de los puertos múltiples y el accionamiento semirrotatorio.
Válvula de manguito simple Argyll

La válvula de manguito Burt-McCollum debe su nombre a los dos inventores que solicitaron patentes similares con unas pocas semanas de diferencia. El sistema Burt era de tipo manguito abierto, accionado desde el lado del cigüeñal, mientras que el diseño McCollum tenía un manguito en la cabeza y la parte superior del cilindro, y una disposición de puertos más compleja (Fuente: Revista 'Torque Meter', AEHS). El diseño que entró en producción era más 'Burt' que 'McCollum'. Fue utilizado por la empresa escocesa Argyll para sus automóviles, [2] y más tarde fue adoptado por Bristol para sus motores radiales de aviación y el Napier Sabre diseñado por Halford. Utilizaba un solo manguito accionado por una excéntrica desde un eje de sincronización ajustado a 90 grados con respecto al eje del cilindro. Mecánicamente más simple y más resistente, la válvula Burt-McCollum tenía la ventaja adicional de reducir el consumo de aceite (en comparación con otros diseños de válvulas de manguito), al tiempo que conservaba las cámaras de combustión y el área de puertos grande y despejada establecida en el sistema Knight .

Un pequeño número de diseños utilizaban un manguito de "manguito" en la culata en lugar del cilindro propiamente dicho, [3] lo que proporcionaba un diseño más "clásico" en comparación con los motores tradicionales con válvulas de asiento. Este diseño también tenía la ventaja de no tener el pistón dentro del manguito, aunque en la práctica esto parece haber tenido poco valor práctico. En el lado negativo, esta disposición limitaba el tamaño de los puertos al de la culata, mientras que los manguitos en el interior del cilindro podían tener puertos mucho más grandes.

Ventajas/desventajas

Ventajas

Las principales ventajas del motor de válvulas de manguito son:

La mayoría de estas ventajas fueron evaluadas y establecidas durante la década de 1920 por Roy Fedden , Niven y Harry Ricardo, posiblemente el mayor defensor del motor de válvulas de manguito. Reconoció que algunas de estas ventajas se erosionaron significativamente a medida que los combustibles mejoraron hasta y durante la Segunda Guerra Mundial y cuando se introdujeron válvulas de escape refrigeradas por sodio en los motores de aeronaves de alto rendimiento.

Desventajas

La válvula de manguito simple tenía una serie de desventajas:

Historia

Caballero Charles Yale

Daimler 22 hp [10] biplaza abierto (ejemplar de 1909). La mascota claramente visible en la tapa del radiador es el Caballero de (CY)
Un anuncio de Stearns de 1912 replicado en el centro de Boise, Idaho, promocionando el motor tipo Knight.

En 1901, Knight compró un vehículo monocilíndrico de tres ruedas refrigerado por aire cuyas válvulas ruidosas lo molestaban. Creyó que podía diseñar un motor mejor y lo hizo, inventando su principio de doble manguito en 1904. Con el apoyo del empresario de Chicago LB Kilbourne, se construyeron varios motores, seguidos por el automóvil de turismo "Silent Knight", que se exhibió en el Salón del Automóvil de Chicago de 1906.

El diseño de Knight tenía dos camisas de hierro fundido por cilindro, una deslizándose dentro de la otra con el pistón dentro de la camisa interior. Las camisas eran operadas por pequeñas bielas conectadas accionadas por un eje excéntrico. Tenían puertos recortados en sus extremos superiores. El diseño era notablemente silencioso y las válvulas de las camisas requerían poca atención. Sin embargo, era más costoso de fabricar debido al pulido de precisión requerido en las superficies de las camisas. También consumía más aceite a altas velocidades y era más difícil de arrancar en climas fríos. [11]

Aunque al principio no pudo vender su motor Knight en Estados Unidos, una larga estancia en Inglaterra, que implicó un mayor desarrollo y refinamiento por parte de Daimler bajo la supervisión de su consultor, el Dr. Frederick Lanchester , [12] acabó asegurando que Daimler y varias firmas de coches de lujo fueran clientes dispuestos a pagar sus elevadas primas. Primero patentó el diseño en Inglaterra en 1908. La patente para Estados Unidos se concedió en 1910. [13] Como parte del acuerdo de licencia, "Knight" debía incluirse en el nombre del coche.

Los motores Daimler de seis cilindros con válvulas de manguito se utilizaron en los primeros tanques británicos de la Primera Guerra Mundial, hasta el Mark IV incluido . Como resultado de la tendencia de los motores a echar humo y, por lo tanto, revelar la posición del tanque, se contrató a Harry Ricardo , quien diseñó un nuevo motor que reemplazó a las válvulas de manguito a partir del tanque Mark V.

Entre las empresas que utilizaron la tecnología de Knight se encontraban Avions Voisin , Daimler (1909-1930), incluido su V12 Double Six , Panhard (1911-1939), Mercedes (1909-1924), Willys (como Willys-Knight , más el Falcon-Knight asociado), Stearns , Mors , Peugeot y la empresa belga Minerva , que se vio obligada a detener su línea de motores con válvulas de manguito como resultado de las limitaciones que les impusieron los ganadores de la Segunda Guerra Mundial, unas treinta empresas en total. [14] Itala también experimentó con válvulas rotativas y de manguito en sus automóviles "Avalve". [15]

A su regreso a Estados Unidos, Knight logró que algunas empresas utilizaran su diseño; su marca fue Silent Knight (1905-1907), y su atractivo comercial era que sus motores eran más silenciosos que los que tenían válvulas de asiento estándar. Las más conocidas fueron la FB Stearns Company de Cleveland, que vendió un automóvil llamado Stearns-Knight , y la firma Willys , que ofreció un automóvil llamado Willys-Knight , que se produjo en cantidades mucho mayores que cualquier otro automóvil con válvulas de manguito.

Burt McCollum

La válvula de manguito Burt-McCollum, que debe su nombre a los apellidos de los dos ingenieros que patentaron el mismo concepto con semanas de diferencia, Peter Burt y James Harry Keighly McCollum, cuyas solicitudes de patente son del 6 de agosto y del 22 de junio de 1909, respectivamente, ambos ingenieros contratados por el fabricante de automóviles escocés Argyll, consistía en un solo manguito, al que se le daba una combinación de movimiento ascendente y descendente y rotatorio parcial. Se desarrolló alrededor de 1909 y se utilizó por primera vez en el automóvil Argyll de 1911. La inversión inicial de 1900 en Argyll fue de 15.000 libras esterlinas y la construcción de la magnífica planta de Escocia costó 500.000 libras esterlinas en 1920. Se informa de que el litigio de los propietarios de las patentes de Knight le costó a Argyll 50.000 libras esterlinas, tal vez una de las razones del cierre temporal de su planta. Otro fabricante de automóviles que utilizó las patentes SSV de Argyll, y otras de su propiedad (patente GB118407), fue Piccard-Pictet (Pic-Pic); Louis Chevrolet y otros fundaron Frontenac Motors en 1923 con el objetivo de producir un automóvil de lujo con motor SSV de 8 litros, pero este nunca llegó a producirse por razones relacionadas con los límites de tiempo de las patentes de Argyll en los EE. UU. El mayor éxito de las válvulas de manguito simple (SSV) se produjo en los grandes motores de aviación de Bristol, también se utilizó en los motores Napier Sabre y Rolls-Royce Eagle . El sistema SSV también redujo el alto consumo de aceite asociado con la válvula de doble manguito Knight. [16]

Barr and Stroud Ltd de Anniesland, Glasgow, también obtuvo la licencia del diseño SSV e hizo versiones pequeñas de los motores que comercializaron para las compañías de motocicletas. En un anuncio en la revista Motor Cycle en 1922 [17] Barr & Stroud promocionó su motor de válvula de camisa de 350 cc y mencionó a Beardmore-Precision , Diamond, Edmund y Royal Scot como fabricantes de motocicletas que lo ofrecían. Este motor había sido descrito en la edición de marzo como el motor 'Burt'. [18] Grindlay-Peerless comenzó a producir un motor SSV Barr & Stroud de 999 cc en V-twin en 1923. [1] Archivado el 27 de mayo de 2013 en Wayback Machine y más tarde agregó un SSV simple de 499 cc, así como el de 350 cc. Vard Wallace, conocido por sus horquillas de posventa para motocicletas, presentó en 1947 dibujos de un motor SSV monocilíndrico, refrigerado por aire y de 250 cc. En el Reino Unido se construyeron algunos pequeños motores auxiliares para embarcaciones SSV y generadores eléctricos, preparados para quemar "parafina" desde el principio o, después de un poco de calentamiento, con combustibles más complejos. [19]

Se desarrollaron varios motores de aviación con válvulas de manguito a raíz de un artículo de investigación de 1927 de la RAE escrito por Harry Ricardo . Este artículo describía las ventajas de las válvulas de manguito y sugería que los motores con válvulas de asiento no podrían ofrecer potencias muy superiores a los 1500 hp (1100 kW). Napier y Bristol comenzaron el desarrollo de motores con válvulas de manguito que finalmente darían como resultado una producción limitada de dos de los motores de pistón más potentes del mundo: el Napier Sabre y el Bristol Centaurus . La Continental Motors Company , alrededor de los años de la Gran Depresión, desarrolló prototipos de motores con una sola válvula de manguito para una variedad de aplicaciones, desde automóviles hasta trenes y aviones, y pensó que la producción sería más fácil y los costos serían más bajos que sus homólogos con válvulas de asiento. Debido a los problemas financieros de Continental, esta línea de motores nunca entró en producción. ('Continental! Sus motores y su gente', William Wagner, Armed Forces Journal International y Aero Publishers, 1983, ISBN  0-8168-4506-9 )

Potencialmente, el más potente de todos los motores de válvulas de manguito (aunque nunca llegó a producirse) fue el Rolls-Royce Crecy V-12 (curiosamente, utilizaba un ángulo en V de 90 grados), un motor aeronáutico de dos tiempos, con inyección directa y turbocompresor (con barrido de fuerza) de 26,1 litros de capacidad. Alcanzaba una potencia específica muy alta y un consumo específico de combustible (SFC) sorprendentemente bueno. En 1945, el motor de prueba monocilíndrico (Ricardo E65) producía el equivalente a 5000 HP (192 BHP/litro) cuando se inyectaba agua, [20] aunque el V12 completo probablemente habría tenido inicialmente una potencia nominal de alrededor de 2500 HP (1900 kW). Sir Harry Ricardo, que especificó el diseño y los objetivos, consideró que sería posible una potencia militar fiable de 4000 HP. Ricardo se vio constantemente frustrado durante la guerra con los esfuerzos de Rolls-Royce (RR). Hives & RR se centraron en gran medida en sus aviones a reacción Merlin , Griffon , Eagle y, finalmente, Whittle , todos ellos con un propósito de producción claramente definido. Ricardo y Tizard finalmente se dieron cuenta de que el Crecy nunca recibiría la atención de desarrollo que merecía a menos que se especificara para su instalación en un avión en particular, pero en 1945, su concepto de " Spitfire con esteroides" de un interceptor de rápido ascenso propulsado por el ligero motor Crecy se había convertido en un avión sin propósito.

Después de la Segunda Guerra Mundial, la válvula de manguito se utilizó menos, Roy Fedden, muy involucrado en la investigación de SV, construyó algunos motores de seis cilindros planos con una sola válvula de manguito destinados a la aviación general alrededor de 1947; después de esto, solo la SNECMA francesa produjo algunos motores SSV bajo licencia Bristol que se instalaron en el avión de transporte Noratlas , también otro avión de transporte, el Azor construido por la española CASA instaló motores SSV Bristol después de la Segunda Guerra Mundial. Sin embargo, los motores de válvula de manguito Bristol se utilizaron durante el auge del transporte aéreo de posguerra, en el Vickers Viking y los militares relacionados Varsity y Valetta , Airspeed Ambassador , utilizado en las rutas europeas de BEA , y Handley Page Hermes (y militares relacionados Hastings ), y Short Solent aviones de pasajeros y el Bristol Freighter y Superfreighter . El Centaurus también se utilizó en el militar Hawker Sea Fury , Blackburn Firebrand , Bristol Brigand , Blackburn Beverly y Fairey Spearfish . Los problemas previos de la válvula de asiento con el sellado y el desgaste se habían solucionado con el uso de mejores materiales y los problemas de inercia con el uso de válvulas grandes se redujeron al usar varias válvulas más pequeñas en su lugar, lo que dio un área de flujo mayor y una masa menor, y el punto caliente de la válvula de escape por válvulas refrigeradas por sodio. Hasta ese momento, la válvula de manguito único había ganado todas las competencias contra la válvula de asiento en comparación con la potencia y el desplazamiento. La dificultad de endurecer con nitruro y luego rectificar el manguito de la válvula para ajustar la circularidad puede haber sido un factor en su falta de aplicaciones más comerciales.

El caso de patentes Knight-Argyll

Cuando se lanzó el automóvil Argyll en 1911, la Knight and Kilbourne Company presentó inmediatamente una demanda contra Argyll por infracción de su patente original de 1905. Esta patente describía un motor con un solo manguito móvil, mientras que los motores Daimler que se construían en ese momento se basaban en la patente Knight de 1908, que tenía motores con dos manguitos móviles. Como parte del litigio, se construyó un motor de acuerdo con la especificación de 1905 y no desarrolló más que una fracción de la potencia nominal del RAC . Este hecho, junto con otros argumentos legales y técnicos [21], llevó al juez a dictaminar, a fines de julio de 1912, que los titulares de la patente original de Knight no podían ser apoyados en su reclamo de que les otorgaba derechos maestros que abarcaban el diseño de Argyll. Los costos del litigio contra las reclamaciones de los titulares de la patente Knight parecen haber contribuido sustancialmente a la quiebra de Argyll en Escocia.

Uso moderno

La válvula de manguito ha comenzado a recuperarse gracias a los materiales modernos, las tolerancias de ingeniería mucho mejores y las técnicas de construcción modernas, que producen una válvula de manguito que pierde muy poco aceite. Sin embargo, la mayor parte de la investigación avanzada en motores se concentra en mejorar otros tipos de diseños de motores de combustión interna, como el Wankel .

Mike Hewland con su asistente John Logan, y también de forma independiente Keith Duckworth , experimentaron con un motor de prueba de válvula de manguito de un solo cilindro al buscar reemplazos para el Cosworth DFV . Hewland afirmó haber obtenido 72 hp (54 kW) de un motor de un solo cilindro de 500 cc, con un consumo específico de combustible de 177-205 g/HP/hr (0,39-0,45 lb/HP/hr), siendo el motor capaz de funcionar con creosota y sin suministro de lubricación específico para el manguito; dijeron haber resuelto el problema del consumo de aceite agregando un anillo Dykes en 'Junk Head'.

Un motor RCV de válvula de manguito de desplazamiento de 20 cm3 (1,20 pulgadas cúbicas) de la serie "SP"

Un modelo inusual de motor de cuatro tiempos que utiliza lo que es esencialmente un formato de válvula de manguito, es la serie británica RCV de motores modelo "SP", que utilizan una camisa de cilindro giratoria impulsada a través de un engranaje cónico en la "parte inferior" de la camisa del cilindro, que en realidad está en el extremo posterior del cilindro; y, aún más inusual, tienen el eje de la hélice, como una parte mecanizada integralmente de la camisa del cilindro giratoria, emergiendo de lo que normalmente sería la culata , que en este diseño está colocada en el extremo delantero del motor, logrando una relación de reducción de engranajes de 2:1 en comparación con la velocidad de rotación del cigüeñal orientado verticalmente. La serie "CD" de motores modelo de la misma empresa utiliza un cilindro único vertical convencional con el cigüeñal utilizado para hacer girar la hélice directamente y también utiliza la válvula del cilindro giratorio. Como un paralelo con los motores automotrices con válvulas de manguito diseñados anteriormente por Charles Knight, cualquier modelo de motor RCV con válvulas de manguito que funcione con combustible para motores incandescentes que utilice aceite de ricino (con un contenido de alrededor del 2 % al 4 %) del lubricante con un contenido máximo del 15 % en el combustible permite que el "barniz" creado a través del funcionamiento del motor proporcione un mejor sellado neumático entre la válvula del cilindro giratorio y las piezas fundidas unificadas del cilindro/cabeza del motor, formadas inicialmente mientras el motor se está asentando. [22]

Se ha desarrollado otro concepto, el motor de camisa rotativa, en el que se aprovecha el desgaste y la fricción de la válvula de manguito en un diseño de motor convencional. Se ha informado de una reducción de la fricción del orden del 40 % en un motor diésel de servicio pesado. [ cita requerida ]

La misma empresa también puede suministrar motores algo más grandes para su uso en drones militares, generadores portátiles y equipos como cortadoras de césped. [23]

Máquina de vapor

Las válvulas de manguito se han utilizado ocasionalmente, pero sin éxito, en máquinas de vapor, por ejemplo, en la clase SR Leader . [ cita requerida ]

Véase también

Referencias

  1. ^ Manual del autocar (novena edición). El autocar . c. 1919. págs. 36–38.
  2. ^ Manual del autocar (novena edición). El autocar . c. 1919. págs. 37–39.
  3. ^ "Válvulas de manguito, descripción". The Autocar . 19 de diciembre de 1914.
  4. ^ ¡ Continental! Sus motores y su gente , W. Wagner, 1983. ISBN 0-8168-4506-9 
  5. ^ M. Hewland (julio de 1974). Coche y conductor .
  6. ^ WA Frederick, Revista SAE, mayo de 1927
  7. ^ George A. Oliver, El Argylls de una sola válvula de manguito , Profile Publications Número 67 - Automóviles -, Londres 1967
  8. ^ LJK Setright, Algunas locomotoras inusuales , Londres, 1979, p.62
  9. ^ Bentele, Max (1991). Revoluciones del motor: la autobiografía de Max Bentele . Warrendale, Pensilvania: SAE . pág. 5. ISBN. 978-1-56091-081-7Durante la Segunda Guerra Mundial, mi entusiasmo inicial por la simplicidad del motor con válvulas de manguito resultó estar basado en premisas dudosas. Mi inspección de un motor radial de dos hileras Bristol capturado reveló un balde lleno de ruedas dentadas para el accionamiento de manguito. ¡Creo que había más de 100 engranajes!
  10. ^ Clasificación RAC
  11. ^ Petryshyn, Jaroslav (2000). Fabricado según un estándar: Thomas Alexander Russell y el automóvil Russell. Editorial General Store. Págs. 65-66. ISBN 1-894263-25-1.
  12. ^ Lord Montagu y David Burgess-Wise Daimler Century  ; Stephens 1995 ISBN 1-85260-494-8 
  13. ^ "Motor de combustión interna".
  14. ^ GN Georgano, GN (1985). Automóviles: antiguos y antiguos, 1886-1930 . Londres: Grange-Universal.
  15. ^ "Marques Perdidos: Itala".
  16. ^ Hillier, Victor AW; FW Pittuck (1991). Fundamentos de la tecnología de vehículos de motor . Nelson Thornes. pág. 36. ISBN 0-7487-0531-7.
  17. ^ Motor Cycle, 20 de abril de 1922, página iv
  18. ^ "Prácticas modernas en el diseño de motores", Motor Cycle, 16 de marzo de 1922, pág. 325
  19. ^ Petter Brotherhood, Wallace. The Engineer , 9 de diciembre de 1921, pág. 618
  20. ^ Hiett,GF, Robson, JVB Un motor de dos tiempos con válvulas de camisa de alta potencia para aeronaves: una descripción del desarrollo de las unidades de investigación de inyección de gasolina de dos tiempos construidas y probadas en el laboratorio de Messrs Ricardo & Co. Ltd. Revista: Aircraft Engineering and Aerospace Technology. Año: 1950 Volumen: 22 Número: 1 Página: 21 - 23. ISSN  0002-2667
  21. ^ "El caso de la patente Knight-Argll", The Automotor Journal, 3 de agosto de 1912, págs. 919-920
  22. ^ Keith Lawes. "El motor de 4 tiempos con válvula de cilindro rotatorio (documento SAE 2002-32-1828)" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 12 de noviembre de 2011. Consultado el 3 de enero de 2012 .
  23. ^ "Sitio web de motores RCV". Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2018. Consultado el 25 de noviembre de 2018 .

Enlaces externos