Motor sin árbol de levas

Los actuadores reales fabricados para controlar las válvulas de motores que pueden girar a más de 12.000 rpm son muy sofisticados, y se basan en tecnologías no divulgadas. Pero los principios de funcionamiento son muy sencillos y bastante fáciles de explicar y entender. La solución presentada (una de las muchas posibles) se basa en un actuador neumático de doble efecto y controlado con dos electroválvulas.

La figura adjunta representa un cilindro neumático de doble efecto. El aire a presión (representado en azul) hace desplazarse el pistón cuando actúa sobre cualquiera de sus dos caras. De manera parecida, un actuador de doble efecto movido por aire a presión provoca el movimiento deseado de la válvula de motor si el vástago del actuador está unido al vástago de la válvula.^[1]

Una válvula de solenoide se basa en el desplazamiento de un núcleo de material ferromagnético dispuesto en el eje de un solenoide cuando circula por la bobina una corriente eléctrica. Un actuador de solenoide puede ser de simple acción (actuando contra un muelle mecánico) o de doble acción (con dos solenoides de efecto contrario).

Un actuador neumático de doble acción (con una área de 10 cm², por ejemplo, y una presión de trabajo de 20kg/cm²) puede aplicar una fuerza de 200 kg. Una electroválvula de solenoide con un obturador de 2 mm²= 0,02 cm² solo necesita hacer una fuerza de 20 kg/cm²x0,02 cm² = 0,4 kg para controlar el actuador. De este modo, es posible regular un actuador potente con una potencia eléctrica reducida.

Las válvulas que equipan muchos motores de combustión interna se tienen que mover de manera sincronizada, abriéndose y cerrándose de forma programada. El sistema tradicional de accionamiento (mediante árboles de levas mecánicos) determina ángulos de apertura y cierre fijos (o al menos, difíciles de modificar y regular) de las válvulas de los motores. Según los apartados anteriores, es posible fabricar motores con sistemas sin árboles de levas. El movimiento de cada válvula se verifica gracias a un actuador de doble efecto, controlado por una electroválvula.

• Los actuadores eléctricos de solenoide directo no son prácticos por las fuerzas necesarias para mover las válvulas.
• Los actuadores neumáticos se pueden aplicar a motores rápidos utilizados en automóviles (hasta 12.000 rpm). El fluido motriz es aire a presión.
  • Hay sistemas para motores de automóvil con actuadores hidráulicos. Por ejemplo, en el sistema Empa el fluido es una mezcla de agua y glicol.^[2]
• Los actuadores hidráulicos se pueden aplicar en motores lentos (hasta 600 rpm). El fluido motriz acostumbra a ser el mismo aceite de lubrificación del motor (a unos 200 kg/cm²).
• Ambos tipos de actuadores anteriores van controlados por electro-válvulas accionadas por solenoides pequeños y de bajo consumo eléctrico. Los solenoides funcionan comandados por circuitos electrónicos y programas adecuados, que permiten una sincronización correcta y la regulación de algunas variables fundamentales.

En los motores de pistones con distribución mecánica convencional, el movimiento de las válvulas en relación con la posición del cigüeñal está predeterminado. En cada ciclo (dos vueltas en motores de cuatro tiempos y una vuelta en motores de dos tiempos) cada válvula se abre, permanece abierta, se cierra y permanece cerrada con los mismos ángulos. El recorrido de una válvula es siempre el mismo y todas las válvulas se mueven sincrónicamente con el cigüeñal (sin posibilidad de desconexión).

Al suprimir la conexión mecánica, las posibilidades de regulación son muchas. Cada válvula puede ser abierta o cerrada a voluntad en función de las necesidades del motor. Es posible optimizar los ángulos de trabajo, la carrera de cada válvula y su movimiento o desconexión. Los parámetros de operación (temperatura del motor, temperatura del aire de admisión, temperatura de los gases de escape, posición del acelerador, ...) se estudian experimentalmente y se incorporan a un programa informático integrado en el sistema.

Las ventajas de un motor sin árbol de levas son las siguientes:

• Reducción de los rozamientos mecánicos (y del consumo de combustible por este concepto)
• Aumento de la potencia y del par motor
• Disminución de la contaminación^[3]
• Motor más pequeño y más ligero, a igualdad de potencia

Cualquier sistema de distribución electromecánica de las válvulas exige una modificación del extremo del vástago de cada válvula para permitir su unión al actuador, un actuador por cilindro, un circuito electrónico y un programa informático especial. También tiene que incorporar una serie de sensores (de temperatura y posición, del acelerador, ...) que faciliten los datos de entrada al programa. Estas exigencias implican unos gastos importantes de desarrollo y puesta a punto, y de costes del equipamiento final que dificultan la adaptación del sistema.

Un segundo inconveniente es el de la fiabilidad. Los sistemas convencionales han demostrado una fiabilidad adecuada en condiciones reales bajo situaciones extremas de temperatura, vibraciones y otras. Y con una vida del equipamiento muy larga sin reparaciones ni mantenimiento exagerados. No está demostrada una fiabilidad comparable en las distribuciones sin árboles de levas.

Un tercer inconveniente, desde el punto de vista teórico, haría referencia a los tiempos de respuesta de los actuadores electromecánicos a altas velocidades de giro del motor. En los motores lentos (hasta 300 rpm) no habría problemas, pero en motores más rápidos (a partir de 6000 rpm, por ejemplo) la respuesta de los actuadores podría dar problemas en condiciones extremas.