Válvula desmodrómica - Desmodromic valve

En términos mecánicos generales, la palabra desmodrómico se usa para referirse a mecanismos que tienen diferentes controles para su actuación en diferentes direcciones.
Válvula de asiento desmodrómica en motor Ducati.

Una válvula desmodrómica es una válvula de asiento de motor alternativo que se cierra positivamente mediante un sistema de leva y palanca, en lugar de un resorte más convencional.

Las válvulas en un motor típico de cuatro tiempos permiten que la mezcla de aire / combustible en el cilindro al comienzo del ciclo y los gases de escape sean expulsados ​​al final del ciclo. En un motor convencional de cuatro tiempos, las válvulas se abren mediante una leva y se cierran mediante un resorte de retorno. Un motor que usa válvulas desmodrómicas tiene dos levas y dos actuadores, cada uno para apertura y cierre positivos sin resorte de retorno.

Etimología

La palabra proviene de las palabras griegas desmos ( δεσμός , traducido como "vínculo" o "nudo") y dromos ( δρόμος , "pista" o "camino"). Esto denota la característica principal de que las válvulas estén continuamente "unidas" al árbol de levas.

Idea

El sistema de resorte de válvula común es satisfactorio para los motores tradicionales producidos en serie que no aceleran mucho y tienen un diseño que requiere poco mantenimiento. En el período de desarrollo desmodrómico inicial, los resortes de válvulas eran una limitación importante en el rendimiento del motor porque se romperían por la fatiga del metal. En la década de 1950, los nuevos procesos de fusión al vacío ayudaron a eliminar las impurezas del metal en los resortes de las válvulas, lo que aumentó su vida útil y su eficiencia en gran medida. Sin embargo, muchos resortes aún fallarían en funcionamiento sostenido por encima de 8000 RPM. El sistema desmodrómico se diseñó para remediar este problema eliminando por completo la necesidad de un resorte. Además, a medida que aumentan las RPM máximas, se requiere una mayor fuerza del resorte para evitar la flotación de la válvula , lo que conduce a una mayor masa del resorte (es decir, inercia) y arrastre de la leva y un mayor desgaste de las piezas a todas las velocidades, problemas que aborda el mecanismo desmodrómico.

Diseño e historia

Ejemplo de válvula de asiento desmodrómica.

El movimiento de válvulas totalmente controlado se concibió durante los primeros días del desarrollo del motor, pero diseñar un sistema que funcionara de manera confiable y no fuera demasiado complejo llevó mucho tiempo. Los sistemas de válvulas desmodrómicas se mencionan por primera vez en las patentes de 1896 de Gustav Mees. El motor marino de Austin de 1910 producía 300 CV y ​​se instaló en una lancha rápida llamada "Irene I"; su motor de aluminio con dos válvulas en cabeza tenía magnetos gemelos, carburadores gemelos y válvulas desmodrómicas. El Grand Prix Delage y Nagant de 1914 (ver Pomeroy "Grand Prix Car") usaban un sistema de válvulas desmodrómicas (bastante diferente al sistema Ducati actual ).

Azzariti, un fabricante italiano de corta duración entre 1933 y 1934, produjo motores bicilíndricos de 173 cc y 348 cc, algunos de los cuales tenían engranajes de válvulas desmodrómicas, con la válvula cerrada por un árbol de levas separado.

El coche de carreras de Fórmula Uno Mercedes-Benz W196 de 1954-1955 y el coche de carreras deportivo Mercedes-Benz 300SLR de 1955 tenían accionamiento de válvula desmodrómica.

En 1956, Fabio Taglioni , un ingeniero de Ducati, desarrolló un sistema de válvulas desmodrómicas para la Ducati 125 Grand Prix, creando la Ducati 125 Desmo.

Se le citó para decir:

El propósito específico del sistema desmodrómico es forzar a las válvulas a cumplir con el diagrama de tiempo de la manera más consistente posible. De esta manera, cualquier pérdida de energía es insignificante, las curvas de rendimiento son más uniformes y la confiabilidad es mejor.

Los ingenieros que vinieron después de él continuaron ese desarrollo, y Ducati poseía una serie de patentes relacionadas con la desmodrómica. La activación de la válvula desmodrómica se ha aplicado a las motocicletas Ducati de producción de gama alta desde 1968, con la introducción de los cilindros individuales Mark 3 "widecase".

En 1959, los hermanos Maserati introdujeron uno de sus diseños finales: un motor desmodrómico de cuatro cilindros y 2000 cc para su último OSCA Barchetta.

Comparación con trenes de válvulas convencionales

En los motores modernos, la falla del resorte de la válvula a altas RPM se ha solucionado principalmente. El principal beneficio del sistema desmodrómico es la prevención de la flotación de la válvula a altas rpm.

En la actuación tradicional de la válvula de resorte, a medida que aumenta la velocidad del motor, la inercia de la válvula eventualmente superará la capacidad del resorte para cerrarla completamente antes de que el pistón alcance el punto muerto superior (TDC). Esto puede ocasionar varios problemas. Primero, y más dañino, el pistón choca con la válvula y ambos se destruyen. En segundo lugar, la válvula no regresa completamente a su asiento antes de que comience la combustión. Esto permite que los gases de combustión escapen prematuramente, lo que lleva a una reducción de la presión del cilindro que provoca una disminución importante en el rendimiento del motor. Esto también puede sobrecalentar la válvula, posiblemente deformarla y provocar una falla catastrófica. En los motores de válvula de resorte, el remedio tradicional para el flotador de válvula es endurecer los resortes. Esto aumenta la presión del asiento de la válvula (la presión estática que mantiene cerrada la válvula). Esto es beneficioso a velocidades del motor más altas debido a una reducción en el flotador de la válvula antes mencionado. El inconveniente es que el motor tiene que trabajar más para abrir la válvula a todas las velocidades del motor. La mayor presión del resorte provoca una mayor fricción (por lo tanto, temperatura y desgaste) en el tren de válvulas.

El sistema desmodrómico evita este problema, porque no tiene que vencer la fuerza del resorte. Aún debe superar la inercia de la válvula al abrirse y cerrarse, y eso depende de la masa efectiva de las partes móviles. La masa efectiva de una válvula tradicional con resorte incluye la mitad de la masa del resorte de la válvula y toda la masa del retenedor del resorte de la válvula. Sin embargo, un sistema desmodrómico debe lidiar con la inercia de los dos balancines por válvula, por lo que esta ventaja depende en gran medida de la habilidad del diseñador. Otra desventaja es el punto de contacto entre las levas y los balancines. Es relativamente fácil usar empujadores de rodillo en trenes de válvulas convencionales, aunque agrega una masa en movimiento considerable. En un sistema desmodrómico, se necesitaría el rodillo en un extremo del balancín, lo que aumentaría enormemente su momento de inercia y anularía su ventaja de "masa efectiva". Por lo tanto, los sistemas desmo generalmente han necesitado lidiar con la fricción por deslizamiento entre la leva y el balancín y, por lo tanto, pueden tener un mayor desgaste. Los puntos de contacto de la mayoría de los balancines de Ducati están cromados para reducir este desgaste. Otra posible desventaja es que sería muy difícil incorporar ajustadores de juego de válvulas hidráulicas en un sistema desmodrómico, por lo que las válvulas deben ajustarse periódicamente, pero esto es cierto en las motocicletas típicas orientadas al rendimiento, ya que el juego de válvulas se ajusta típicamente usando una laina debajo de una leva. seguidor.

Desventajas

Antes de los días en que la dinámica de la transmisión de válvulas podía analizarse por computadora, la transmisión desmodrómica parecía ofrecer soluciones para problemas que empeoraban con el aumento de la velocidad del motor. Desde esos días, las curvas de sustentación, velocidad, aceleración y tirones de las levas han sido modeladas por computadora para revelar que la dinámica de las levas no es lo que parecían. Con un análisis adecuado, los problemas relacionados con el ajuste de válvulas, empujadores hidráulicos , varillas de empuje, balancines y, sobre todo, flotador de válvulas , se convirtieron en cosas del pasado sin accionamiento desmodrómico.

Hoy en día, la mayoría de los motores automotrices usan levas en cabeza , impulsando un empujador plano para lograr el camino más corto, liviano y más inelástico de la leva a la válvula, evitando así elementos elásticos como la varilla de empuje y el balancín . Las computadoras han permitido un modelado de aceleración bastante preciso de los sistemas de trenes de válvulas.

Antes de que los métodos de cálculo numérico estuvieran disponibles, la aceleración solo se podía lograr diferenciando los perfiles de elevación de la leva dos veces, una para la velocidad y otra para la aceleración. Esto genera tanto hash (ruido) que la segunda derivada (aceleración) fue inútilmente inexacta. Las computadoras permitieron la integración de la curva jerk, la tercera derivada de la sustentación, que es convenientemente una serie de líneas rectas contiguas cuyos vértices se pueden ajustar para dar cualquier perfil de sustentación deseado.

La integración de la curva de tirón produce una curva de aceleración suave, mientras que la tercera integral proporciona una curva de elevación esencialmente ideal (perfil de leva). Con tales levas, que en su mayoría no se parecen a las que los "artistas" diseñaron anteriormente, el ruido de las válvulas (despegue) desapareció y la elasticidad del tren de válvulas quedó bajo escrutinio.

Hoy en día, la mayoría de las levas tienen perfiles de imagen especular (simétricos) con idéntica aceleración positiva y negativa al abrir y cerrar válvulas. Sin embargo, algunos motores de alta velocidad (en términos de RPM del motor) ahora emplean perfiles de leva asimétricos para abrir rápidamente las válvulas y colocarlas en sus asientos con más suavidad para reducir el desgaste. Además, los vehículos de producción han empleado perfiles de lóbulos de leva asimétricos desde finales de la década de 1940, como se ve en el Ford V8 de 1948. En este motor, tanto los perfiles de admisión como de escape tenían un diseño asimétrico. Las aplicaciones más modernas de árboles de levas asimétricos incluyen los motores armados de 2,3 litros de Cosworth, que utilizan perfiles agresivos para alcanzar más de 280 caballos de fuerza de frenado. Una leva asimétrica abre o cierra las válvulas más lentamente de lo que podría, con la velocidad limitada por la tensión de contacto hertziana entre la leva curva y el empujador plano, lo que garantiza una aceleración más controlada de la masa combinada de los componentes alternativos (específicamente la válvula, empujador y resorte).

Por el contrario, el accionamiento desmodrómico utiliza dos levas por válvula, cada una con balancines separados (empujadores de palanca). La aceleración máxima de la válvula está limitada por la tensión de excoriación de la leva a la leva y, por lo tanto, está gobernada tanto por la masa en movimiento como por el área de contacto de la leva. La máxima rigidez y la mínima tensión de contacto se logran mejor con empujadores planos y resortes convencionales cuya tensión de elevación y cierre no se ve afectada por la fuerza del resorte; ambos ocurren en el círculo de la base, donde la carga del resorte es mínima y el radio de contacto es mayor. Los empujadores curvos (de palanca) de las levas desmodrómicas causan una mayor tensión de contacto que los empujadores planos para el mismo perfil de elevación, lo que limita la velocidad de elevación y cierre.

Con las levas convencionales, la tensión es mayor en la elevación completa, cuando se gira a velocidad cero (inicio del arranque del motor), y disminuye al aumentar la velocidad a medida que la fuerza de inercia de los contadores de válvulas contrarresta la presión del resorte, mientras que una leva desmodrómica esencialmente no tiene carga a velocidad cero ( en ausencia de resortes), siendo su carga totalmente inercial y, por tanto, aumentando con la velocidad. Su mayor esfuerzo de inercia recae en su radio más pequeño. Las fuerzas de aceleración para cualquiera de los métodos aumentan con el cuadrado de la velocidad resultante de la energía cinética .

Se analizó el flotador de la válvula y se descubrió que estaba causado en gran parte por la resonancia en los resortes de la válvula que generaban ondas de compresión oscilantes entre las bobinas, al igual que un Slinky . La fotografía de alta velocidad mostró que a velocidades de resonancia específicas, los resortes de las válvulas ya no hacían contacto en uno o ambos extremos, dejando la válvula flotando antes de estrellarse contra la leva al cerrarse.

Por esta razón, hoy en día hasta tres resortes de válvula concéntricos a veces se encajan uno dentro del otro; no para obtener más fuerza (los internos no tienen una constante de resorte significativa), sino para actuar como amortiguadores para reducir las oscilaciones en el resorte externo.

Una de las primeras soluciones a la masa de resorte oscilante fue la trampa para ratones o el resorte de horquilla utilizado en los motores Norton Manx . Estos evitaban la resonancia, pero eran poco agradables para ubicarlos dentro de las culatas de los cilindros.

Los resortes de válvula que no resuenan son progresivos , enrollados con un paso o un diámetro variable llamados resortes de colmena por su forma. El número de bobinas activas en estos resortes varía durante la carrera, las bobinas enrolladas más estrechamente están en el extremo estático, volviéndose inactivas a medida que el resorte se comprime o como en el resorte de la colmena, donde las bobinas de diámetro pequeño en la parte superior son más rígidas. Ambos mecanismos reducen la resonancia porque la fuerza del resorte y su masa en movimiento varían con la carrera. Este avance en el diseño del resorte eliminó el flotador de la válvula , el impulso inicial para el accionamiento de la válvula desmodrómica.

Ejemplos de

Ejemplos famosos incluyen los exitosos autos de carrera Mercedes-Benz W196 y Mercedes-Benz 300 SLR y, más comúnmente, las modernas motocicletas Ducati .

Las motocicletas Ducati con válvulas desmodrómicas han ganado numerosas carreras y campeonatos, incluidos los Campeonatos del Mundo de Superbikes de 1990 a 1992, 1994–96, 1998–99, 2001, 2003–04, 2006, 2008 y 2011. El regreso de Ducati a las carreras de motos de Gran Premio estaba propulsado por un motor desmodrómico V4 de 990 cc en la moto GP3 ( Desmosedici ), que consiguió varias victorias, incluido un doblete en la última carrera de MotoGP de 990 cc en Valencia, España en 2006. Con el inicio de la En la era de los 800 cc en 2007, en general todavía se consideran los motores más potentes del deporte, y han llevado a Casey Stoner al Campeonato de MotoGP 2007 y a Ducati al campeonato de constructores con la GP7 ( Desmosedici ).

Ver también

Fuentes

enlaces externos