Un motor de árbol de levas en cabeza ( OHC ) es un motor de pistón en el que el árbol de levas está ubicado en la culata por 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 con un solo árbol de levas en cabeza (SOHC) tienen un árbol de levas por bancada de cilindros . Los motores con doble árbol de levas en cabeza (DOHC, también conocidos como "twin-cam" [4] ) tienen dos árboles de levas por bancada. El primer automóvil de producción en serie 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 muchos automóviles a principios de la década de 2000 utilizaran motores DOHC.
En un motor OHC, el árbol de levas se encuentra en la parte superior del motor, por encima de la cámara de combustión . Esto contrasta con las configuraciones anteriores de motor de válvulas en cabeza (OHV) y motor de válvulas planas , donde el árbol de levas se encuentra en la parte inferior del bloque del motor . Las válvulas en los motores OHC y OHV se encuentran por 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 el mismo número 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 la válvula a velocidades del motor (RPM) más altas. [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, como el tren de válvulas de 4 cadenas del Audi 3.2 o la cadena de 2 metros en los levas de Ford. Otra desventaja de los motores OHC es que durante las reparaciones del motor en las que se requiere la extracción de la culata , es necesario restablecer la sincronización del motor del árbol de levas . Además, un motor OHC tiene una culata grande para acomodar el árbol de levas o un juego adicional de válvulas para aumentar la eficiencia volumétrica , de modo que con el mismo desplazamiento que un motor OHV, el motor OHC terminará siendo físicamente el más grande de los dos principalmente debido a la culata agrandada.
La otra ventaja principal de los motores OHC es que hay 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 de salida y la eficiencia del combustible .
La configuración más antigua del motor de árbol de levas en cabeza es el diseño de árbol de levas en cabeza simple (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 motor 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 (usando un taqué) o indirectamente a través de un balancín . [1]
Un motor de doble árbol de levas en cabeza , de doble árbol de levas en cabeza o de árbol de levas doble tiene dos árboles de levas sobre cada bancada 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 bancada 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, los "cuatro levas" requerirían cuatro árboles de levas por bancada de cilindros (es decir, ocho árboles de levas en total), por lo tanto, estos motores son simplemente motores de doble árbol de levas en cabeza .
Muchos motores DOHC tienen cuatro válvulas por cilindro. [b] El árbol de levas generalmente opera las válvulas directamente a través de un taqué de cubo . 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. Un beneficio adicional es que la bujía se puede colocar en la ubicación óptima, 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/fasear de forma independiente la sincronización entre cada árbol de levas y el cigüeñal. Esto permite una mejor economía de combustible al permitir una curva de par más amplia. Aunque cada fabricante importante tiene su propio nombre comercial para su sistema específico de sistemas de sincronización variable de levas, en general todos se clasifican como 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 impulsar 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 regularmente; [11] : 94 La vida útil recomendada de la correa varía típicamente entre aproximadamente 50,000–100,000 km (31,000–62,000 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 impulsar árboles de levas en cabeza fueron los especiales de carreras Devin-Panhard de 1953 construidos para la serie de carreras SCCA H-modificada en los Estados Unidos. [13] : 62 Estos motores se basaban en motores bicilíndricos planos Panhard OHV, que se convirtieron en motores SOHC utilizando componentes de motores de motocicletas Norton. [13] : 62 El primer automóvil de producción en utilizar una correa de distribución fue el cupé compacto Glas 1004 de 1962. [14]
Otro método de accionamiento del árbol de levas que se utiliza habitualmente en los motores modernos es una cadena de distribución , construida a partir de una o dos filas de cadenas de rodillos de metal . [1] [10] A principios de la década de 1960, la mayoría de los diseños de árboles de levas en cabeza de los automóviles de producción utilizaban cadenas para accionar el o los árboles de levas. [15] : 17 Las cadenas de distribución no suelen requerir reemplazo a intervalos regulares, sin embargo, la desventaja es que son más ruidosas que las correas de distribución. [12] : 253
En los motores diésel con árbol de levas en cabeza que se utilizan en camiones pesados, se suele utilizar un sistema de tren de engranajes entre el cigüeñal y el árbol de levas. [16] Los trenes de engranajes no se utilizan habitualmente en motores para camiones ligeros o automóviles. [1]
Varios motores OHC hasta la década de 1950 usaban un eje con engranajes cónicos para accionar el árbol de levas. Algunos ejemplos incluyen el Maudslay 25/30 de 1908-1911 , [17] [18] el Bentley 3 Litre , [19] el Liberty L-12 de 1917-?, [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, el motor Ducati Single de 1950-1974 , [23] el motor Ducati L-twin de 1973-1980 , el Kawasaki W650 de 1999-2007 y los motores de motocicleta Kawasaki W800 de 2011-2016 han utilizado ejes cónicos. [24] [25] El Crosley de cuatro cilindros fue el último motor automotriz 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 compañías 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 automotriz, y continuaron produciendo el mismo motor durante varios años más.
En el coche de lujo Leyland Eight de 1920-1923 construido en el Reino Unido se utilizó un sistema de transmisión por árbol de levas con tres juegos de bielas y cigüeñales en paralelo . [26] [27] [28] Un sistema similar se utilizó en el Bentley Speed Six de 1926-1930 y en el Bentley 8 Litre de 1930-1932 . [28] [29] Muchos modelos del NSU Prinz de 1958-1973 utilizaron un sistema de dos bielas con contrapesos en ambos extremos . [15] : 16-18
Entre los primeros motores con árbol de levas en cabeza se encuentran el motor SOHC Maudslay de 1902 construido en el Reino Unido [18] : 210 [15] : 906 [30] y el motor SOHC Marr Auto Car 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 coche que ganó el Gran Premio de Francia de 1912. Otro Peugeot con un motor DOHC ganó el Gran Premio de Francia de 1913 , seguido por el Mercedes-Benz 18/100 GP con un 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 las 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 automóvil Mercedes 18/100 GP (que ganó el Gran Premio de Francia de 1914) se convirtió en el punto de partida de los motores de aviación de Mercedes y Rolls-Royce. Mercedes creó una serie de motores de seis cilindros que culminaron en el Mercedes D.III . Rolls-Royce realizó ingeniería inversa del diseño de la culata de Mercedes basándose en un automóvil 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 de transmisión completamente cerrado), el motor estadounidense 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 motor de seis cilindros en línea BMW IIIa , diseñado por Max Friz . El motor Napier Lion W12 con DOHC se fabricó en Gran Bretaña a principios de 1918.
La mayoría de estos motores utilizaban un eje para transferir la fuerza desde el cigüeñal hasta el árbol de levas en la parte superior del motor. Los motores de aviones grandes, en particular los motores refrigerados por aire, experimentaban una expansión térmica considerable, lo que hacía que la altura del bloque de cilindros variara durante las condiciones de funcionamiento. Esta expansión causaba dificultades para los motores de varillas de empuje, por lo que un motor con árbol de levas en cabeza que utilizaba una transmisión por eje con estrías deslizantes era la forma más fácil de permitir esta expansión. Estos ejes cónicos generalmente estaban en un tubo externo fuera del bloque y se conocían como "ejes de torre". [34]
Uno de los primeros motores de producción con árbol de levas en cabeza en Estados Unidos 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 3 litros Super Sports se convirtió en el primer automóvil de producción en utilizar un motor DOHC. [36] [37]
En los Estados Unidos, Duesenberg agregó motores DOHC (junto con sus motores SOHC existentes) con el lanzamiento en 1928 del Duesenberg Model 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, se introdujo el motor de carreras DOHC Offenhauser en 1933. Este motor de cuatro cilindros en línea dominó las carreras de ruedas abiertas en América del Norte desde 1934 hasta la década de 1970.
Otros motores SOHC para automóviles 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 incluyeron la Velocette K Series 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 en utilizar 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 de seis cilindros en línea Lagonda de 1948-1959 , el motor de seis cilindros en línea Jaguar XK de 1949-1992 y el motor de cuatro cilindros en línea Alfa Romeo Twin Cam de 1954-1994 . [41] [42] El motor de cuatro cilindros en línea Fiat Twin Cam de 1966-2000 fue uno de los primeros motores DOHC en usar 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 reducir al mismo tiempo 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 los automóviles utilizaban un diseño DOHC. [ cita requerida ]
En la mayoría de los motores diésel comerciales, los OHC están accionados por engranajes.
Los árboles de levas en cabeza son accionados por engranajes cónicos y ejes verticales conocidos como ejes de torre.
