Un motor de levas es un motor alternativo donde, en lugar del cigüeñal convencional , los pistones entregan su fuerza a una leva que luego se hace girar. El trabajo de salida del motor es impulsado por esta leva. [1]
El primer motor en obtener un certificado de aeronavegabilidad del gobierno de los Estados Unidos fue un motor de levas radiales. Una variación del motor de levas, el motor de plato cíclico (también el motor de plato oscilante estrechamente relacionado), fue brevemente popular. [2]
Generalmente se los considera motores de combustión interna , aunque también se han utilizado como motores hidráulicos y neumáticos . Los motores hidráulicos, particularmente los de plato cíclico, se utilizan ampliamente y con éxito. Sin embargo, los motores de combustión interna siguen siendo casi desconocidos.
Algunos motores de levas son motores de dos tiempos , en lugar de cuatro tiempos. En un motor de dos tiempos, las fuerzas sobre el pistón actúan uniformemente hacia abajo durante todo el ciclo. En un motor de cuatro tiempos, estas fuerzas se invierten cíclicamente: en la fase de inducción, el pistón es empujado hacia arriba , contra la depresión de inducción reducida. El sencillo mecanismo de leva sólo funciona con una fuerza en una dirección. En los primeros motores Michel , la leva tenía dos superficies, una superficie principal sobre la que trabajaban los pistones en marcha y otro anillo en el interior de esta que daba una acción desmodrómica para limitar la posición del pistón durante el arranque del motor. [3]
Por lo general, sólo se requiere una leva, incluso para varios cilindros. Por lo tanto, la mayoría de los motores de levas eran motores gemelos o radiales opuestos . Una de las primeras versiones del motor Michel era un motor rotativo , una forma de motor radial en el que los cilindros giraban alrededor de una manivela fija.
El corto tiempo de permanencia que produce una manivela no proporciona un volumen más o menos constante para que se produzca la combustión. Un sistema de manivela alcanza una ventaja mecánica significativa a 6° antes del PMS; luego alcanza la máxima ventaja entre 45° y 50°. Esto limita el tiempo de combustión a menos de 60°. Además, el pistón que desciende rápidamente reduce la presión delante del frente de la llama, lo que reduce el tiempo de combustión. Esto significa menos tiempo para quemar bajo presión más baja. Esta dinámica es la razón por la que en todos los motores de arranque una cantidad importante de combustible no se quema encima del pistón, de donde se puede extraer su potencia, sino en el convertidor catalítico, que sólo produce calor.
Se puede fabricar una leva moderna con tecnología de control numérico por computadora (CNC) para tener una ventaja mecánica retardada.
Otras ventajas de los motores de levas modernos incluyen:
Sugerir que los motores de levas fueron o son un fallo en lo que respecta a la robustez es un error. Después de extensas pruebas realizadas por el gobierno de los Estados Unidos, el motor de levas radiales Fairchild Modelo 447-C tuvo la distinción de recibir el primer Certificado de Tipo Aprobado por el Departamento de Comercio. En una época en la que los motores de cigüeñal de los aviones tenían una vida útil de 30 a 50 horas, el modelo 447-C era mucho más robusto que cualquier otro motor de avión en producción en ese momento. [5] Lamentablemente, en esta época anterior al CNC tenía un perfil de leva muy pobre, lo que significaba que se sacudía demasiado fuerte para las hélices de madera y las estructuras de madera, alambre y tela de la época.
Una ventaja es que la superficie de apoyo puede ser mayor que la de un cigüeñal. En los primeros días del desarrollo de materiales para rodamientos, la presión reducida que esto permitía podía proporcionar una mayor confiabilidad. El experto en rodamientos George Michell desarrolló un motor de levas de plato cíclico relativamente exitoso , quien también desarrolló el bloque de empuje de almohadilla deslizante . [2] [6]
El motor Michel (sin relación) comenzó con seguidores de levas de rodillos, pero durante el desarrollo cambió a seguidores de cojinetes lisos. [7] [8]
A diferencia de un cigüeñal, una leva puede tener fácilmente más de un recorrido por rotación. Esto permite más de una carrera de pistón por revolución. Para uso aeronáutico, esta era una alternativa al uso de una unidad de reducción de velocidad de la hélice : alta velocidad del motor para una mejor relación potencia-peso , combinada con una velocidad de hélice más lenta para una hélice eficiente. En la práctica, el diseño del motor de levas pesaba más que la combinación de un motor convencional y una caja de cambios.
Los únicos motores de levas de combustión interna que han tenido un éxito remoto fueron los motores de plato cíclico . [2] Se trataba casi todos de motores axiales , en los que los cilindros están dispuestos paralelos al eje del motor, en uno o dos aros. El objetivo de este tipo de motores era normalmente lograr esta disposición axial o de "barril", creando un motor con un área frontal muy compacta. En un momento hubo planes para utilizar motores de barril como motores de avión , con su área frontal reducida permitiendo un fuselaje más pequeño y una menor resistencia.
Un motor similar al motor de plato cíclico es el motor de placa oscilante, también conocido como nutator o manivela Z. Esto utiliza un rodamiento que gira puramente , en lugar de girar también como ocurre con el plato cíclico. El plato oscilante está separado del eje de salida mediante un cojinete giratorio. [2] Por lo tanto, los motores de plato oscilante no son motores de levas.
La mayoría de los motores sin pistones que dependen de levas, como el motor de levas Rand, utilizan el mecanismo de levas para controlar el movimiento de las paletas de sellado. La presión de la combustión contra estas paletas hace que gire un portador de paletas, separado de la leva. En el motor Rand, el árbol de levas mueve las paletas de modo que tengan una longitud variable expuesta y así encierren una cámara de combustión de volumen variable a medida que gira el motor. [9] El trabajo realizado al girar el motor para provocar esta expansión es el trabajo termodinámico realizado por el motor y lo que hace que el motor gire.