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Sep 24, 2023

¿Dónde están todos los motores sin levas?

Los coches eléctricos están de moda últimamente, pero no nos olvidemos de los viejos

Los coches eléctricos están de moda últimamente, pero no nos olvidemos del viejo recurso: la combustión interna. El motor de combustión interna moderno es una maravilla de la ingeniería. Los motores de hoy y los sistemas circundantes tienen mejor potencia, mayor economía de combustible y menos emisiones que todo lo que ha existido antes. Siglos de horas de ingeniería se han dedicado a 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 impulsado por pistones. La ironía aquí es que los motores sin levas son relativamente fáciles de construir. El hacker promedio podría modificar un pequeño motor de cuatro tiempos para que funcione sin leva 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 de varios cilindros es un baile complejo. Cientos de partes deben moverse en sincronía. Las válvulas se abren y cierran, los inyectores rocían el combustible, las bujías se encienden y los pistones se mueven hacia arriba y hacia abajo. Todos siguen el ciclo Otto de cuatro tiempos "Admisión, Compresión, Combustión, Escape". 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 en el eje presionan los taqués que luego mueven los vástagos de las válvulas y las propias válvulas. El árbol de levas en sí es impulsado a la mitad de la velocidad del cigüeñal a través de engranajes de distribución, cadenas o una correa. Algunos trenes de válvulas son relativamente simples, como los motores de árbol 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 qué tan rápido se abre una válvula. Los entusiastas de las carreras de autos y el rendimiento a menudo cambian los árboles de levas por otros con perfiles más agresivos y diferentes compensaciones de sincronización según los requisitos del motor. Sin embargo, todo tiene un costo. Un árbol de levas maquinado para potencia máxima generalmente no funcionará bien en vacío 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 han pasado años trabajando en torno a las limitaciones del árbol de levas. Los resultados son innumerables soluciones propietarias. Honda tiene VTEC, abreviatura de Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. 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 al permitir 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 simple sería ir con 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 en un número infinitamente variable de formas. Las válvulas pueden incluso mantenerse abiertas indefinidamente, cerrando efectivamente un cilindro cuando la potencia máxima no es necesaria.

Entonces, ¿por qué no estamos todos conduciendo motores sin levas? Hay unas pocas razones. Las ventajas de los motores sin levas frente a los motores de 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) enciende 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 da?

Los hackers de más de 30 años 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 la década de 1950. El sistema no se generalizó hasta que entraron en vigor las estrictas leyes contra la contaminación de los años 70. Era posible fabricar un motor carburado limpio y de bajo consumo de combustible, pero se requerían tantos actuadores mecánicos y electrónicos que el EFI era una mejor alternativa. Entonces, las leyes de los años 70 regularon efectivamente la eliminación de los carburadores. Estamos viendo más o menos lo mismo con los motores sin leva. Lo que falta es la normativa para forzar el tema.

Todos los grandes fabricantes han experimentado con el concepto camless. El mejor esfuerzo hasta la fecha ha sido de Freevalve, una subsidiaria 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 de voz, la misma tecnología que mueve las cabezas en su disco duro. Nada de esto significa que no pueda tener un motor sin cámara ahora: compañías como Wärtsilä y Man tienen motores disponibles comercialmente. Sin embargo, estos son motores diésel gigantes que se utilizan para impulsar barcos grandes o generar energía. ¡No es exactamente lo que querrías poner en tu automóvil subcompacto! Para el conjunto de piratas informáticos, la mejor manera de tener en sus manos un motor sin cámara hoy es piratear uno usted mismo.

Los motores simples sin leva de un solo cilindro son relativamente fáciles de construir. Comience con un motor de válvulas en cabeza de cuatro tiempos de un quitanieves, 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 alimentación y algunos solenoides. A partir de ahí solo es cuestión de crear un sistema de control. Los ejemplos están en todo el 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 un sistema de rotor y tapa de distribuidor. 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 el cierre. [Brian Miller] también construyó un motor sin levas para la universidad, en este caso, el motor sin levas de Idaho de la Universidad Brigham Young. 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 completo.

No tomaría mucho trabajo expandir estos proyectos a un motor de varios cilindros. ¡Todo lo que estamos esperando es al hacker adecuado para aceptar el desafío!