¿Dónde están todos los motores sin levas?

Jul 27, 2023

Los coches eléctricos están de moda últimamente, pero no nos olvidemos del viejo recurso: el de combustión interna. El moderno motor de combustión interna es una maravilla de la ingeniería. Los motores actuales y los sistemas circundantes tienen mejor potencia, mayor economía de combustible y menores emisiones que cualquier cosa anterior. Se han invertido siglos de horas de ingeniería en mejorar todos los aspectos del motor, con una notable excepción. Ningún fabricante de automóviles ha podido eliminar el árbol de levas del motor en un vehículo de producción con motor de pistón. La ironía aquí es que los motores sin levas son relativamente fáciles de construir. El hacker medio podría modificar un pequeño motor de cuatro tiempos para que funcione sin levas en su taller. Si bien no sería un dispositivo práctico, sería un gran banco de pruebas para la experimentación y el aprendizaje.

Un motor de gasolina multicilíndrico es un baile complejo. Cientos de piezas deben moverse en sincronía. Las válvulas se abren y cierran, los inyectores rocían combustible, las bujías se disparan y los pistones se mueven hacia arriba y hacia abajo. Todos siguen el ciclo Otto de “Admisión, Compresión, Combustión, Escape” de cuatro tiempos. El árbol de levas controla gran parte de esto abriendo y cerrando las válvulas de admisión y escape cargadas por resorte del motor. Los lóbulos del eje presionan los empujadores que luego mueven los vástagos de las válvulas y las propias válvulas. El propio árbol de levas es accionado a la mitad de la velocidad del cigüeñal a través de engranajes de sincronización, cadenas o una correa. Algunos trenes de válvulas son relativamente simples, como los motores de levas en cabeza. Otros, como el diseño de leva en bloque, son más complejos, con varillas de empuje, balancines y otras piezas necesarias para traducir el movimiento del lóbulo de la leva en movimiento en la válvula.

El perfil del lóbulo de la leva determina exactamente cuándo y con qué rapidez se abre una válvula. Los entusiastas de las carreras de autos y del rendimiento a menudo cambian los árboles de levas por otros con perfiles más agresivos y diferentes compensaciones de sincronización según los requisitos del motor. Aunque todo tiene un costo. Un árbol de levas mecanizado para máxima potencia generalmente no funcionará bien en ralentí y hará que el motor sea más difícil de arrancar. Un perfil de lóbulo demasiado agresivo puede provocar que la válvula flote, donde las válvulas nunca se asientan completamente a altas RPM.

Los fabricantes de motores llevan años trabajando en torno a las limitaciones del árbol de levas. Los resultados son innumerables soluciones patentadas. Honda tiene VTEC, abreviatura de sincronización variable de válvulas y control electrónico de elevación. Toyota tiene VVT-i. BMW tiene VANOS, Ford tiene VCT. Todos estos sistemas proporcionan formas de ajustar la acción de la válvula hasta cierto punto. VANOS funciona permitiendo que el árbol de levas gire ligeramente unos pocos grados en relación con su sincronización normal, similar a mover uno o dos dientes en la cadena de distribución. Si bien estos sistemas funcionan, tienden a ser mecánicamente complejos y costosos de reparar.

La solución sencilla sería optar por un motor sin levas. Esto significaría eliminar el árbol de levas, la correa de distribución y la mayor parte del hardware asociado. Los solenoides o actuadores hidráulicos abren y cierran las válvulas de varias maneras infinitamente variables. Las válvulas pueden incluso mantenerse abiertas indefinidamente, cerrando efectivamente un cilindro cuando no se necesita potencia máxima.

Entonces, ¿por qué no todos conducimos motores sin levas? Hay unas pocas razones. Las ventajas de los motores sin levas respecto de los motores con árbol de levas son análogas a las ventajas de la inyección electrónica de combustible (EFI) frente a los carburadores. En esencia, un inyector de combustible es una válvula controlada por solenoide. La bomba de combustible proporciona una presión constante. La unidad de control del motor (ECU) activa los inyectores en el momento justo para inyectar combustible en los cilindros. La computadora también deja las válvulas abiertas el tiempo suficiente para que se inyecte la cantidad correcta de combustible para la posición actual del acelerador. Electrónicamente, esto es muy similar a lo que se requeriría para un motor sin levas. Entonces, ¿qué pasa?

Los hackers de 30 años y más recordarán que hasta finales de los 70 y principios de los 80, el carburador era el rey. Las empresas habían estado experimentando con EFI desde los años cincuenta. El sistema no se generalizó hasta que las estrictas leyes de contaminación de los años 70 entraron en vigor. Era posible fabricar un motor con carburador limpio y de bajo consumo de combustible, pero se requerían tantos actuadores mecánicos y electrónicos que el EFI era una mejor alternativa. Así que las leyes de los años 70 regulaban efectivamente los carburadores que desaparecieron. Estamos viendo lo mismo con los motores sin levas. Lo que falta son las normas que fuercen la cuestión.

Todos los grandes fabricantes han experimentado con el concepto camless. El mejor esfuerzo hasta la fecha ha sido el de Freevalve, filial de Koenigsegg. Tienen un motor prototipo funcionando en un Saab. LaunchPoint Technologies ha subido videos que muestran algunos diseños de actuadores impresionantes. LaunchPoint está trabajando con bobinas móviles, la misma tecnología que mueve los cabezales de su disco duro. Nada de esto significa que no pueda tener un motor sin levas ahora; compañías como Wärtsilä y Man lo han hecho. motores disponibles comercialmente. Sin embargo, se trata de motores diésel gigantes que se utilizan para impulsar grandes barcos o generar energía. ¡No es exactamente lo que le gustaría poner en su automóvil subcompacto! Para el grupo de hackers, la mejor manera de conseguir un motor sin levas hoy en día es hackear uno usted mismo.

Los motores simples, de un solo cilindro y sin levas, son relativamente fáciles de construir. Comience con un motor de cuatro tiempos con válvulas en cabeza de un quitanieves, un scooter o similar. Asegúrese de que el motor sea un modelo sin interferencias. Esto significa que es físicamente imposible que las válvulas choquen contra los pistones. Agregue una fuente de energía y algunos solenoides. A partir de ahí sólo es cuestión de crear un sistema de control. Hay ejemplos por todas partes en Internet. [Sukhjit Singh Banga] construyó este motor como parte de un proyecto universitario. El sistema de control es una rueda mecánica con contactos eléctricos, similar a la tapa del distribuidor y al sistema de rotor. El proyecto Camless Engine Capstone de [bbaldwin1987] en la Universidad de West Virginia utiliza un microcontrolador para operar los solenoides. Tenga en cuenta que este proyecto utiliza dos solenoides: uno para abrir y otro para cerrar la válvula. El motor no necesita depender de un resorte para cerrarse. [Brian Miller] también construyó un motor sin levas para la universidad, en este caso un motor sin levas de la Universidad Brigham Young de Idaho. El motor [de Brian] utiliza sensores de efecto Hall en el árbol de levas original para disparar los solenoides. Esta ruta es un excelente trampolín antes de dar el salto al control electrónico total.

No haría falta mucho trabajo para ampliar estos proyectos a un motor multicilíndrico. ¡Todo lo que estamos esperando es al hacker adecuado para aceptar el desafío!