Válvula de camisa

Bristol Perseus

La válvula de manga, válvula de camisa, o más correctamente válvula de camisa corredera, es un tipo de mecanismo de válvula para motores de pistones, distinto de la más común válvula de asiento. Tuvieron algún uso en autos de lujoy deportivos pre-SGM, en autos y camiones livianos de Willys-Knight; los autos de lujo de la Daimler británica y la Avions Voisin francesa también usaron el sistema similar de doble manga Willys-Knight. Se dejó de usar paulatinamente por los avances en la tecnología de las válvulas de asiento (refrigeradas por sodio) y por su tendencia a quemar cantidades considerables de aceite, o a agarrarse debido a la falta de él. La compañía escocesa Argyll usó su propio sistema de una sola manga, mucho más simple y eficiente, el cual luego de un extenso desarrollo, vio un uso considerable en motores de avión de los 40, como el Napier Sabre, el Bristol Hercules y el Centaurus, sólo suplantados por los motores de reacción.

Descripción

Una válvula de camisa corredera consiste en una o más camisas mecanizadas con agujeros o lumbreras en posición adecuada, que se ubican entre el pistón y la pared del cilindro, donde rotan y/o se deslizan para hacer coincidir sus agujeros con las lumbreras de admisión y escape del cilindro en el momento apropiado del ciclo del motor (ver ciclo Otto).

Tipos de válvulas de camisa

La primera válvula de corredera exitosa fue patentada por Charles Yale Knight, y usaba dos camisas alternates y deslizantes. Se usó en algunos automóviles de lujo, pero tenía un alto consumo de aceite.

La válvula de camisa corredera de Burt-McCollum, utilizada por la empresa escocesa Argyll para sus vehículos, y más tarde adoptada por la Bristol para sus motores radiales de aviación, utilizó una sola camisa que giraba sincronizada con un eje colocado a 90º del eje del cilindro. La válvula Burt-McCollum era mecánicamente más simple y robusta, y tenía la ventaja adicional de consumir menos aceite (comparada con otros diseños de válvulas de camisa), al mismo tiempo que mantenía la relación entre la cámara de combustión y las lumbreras del sistema del motor Knight.

Un pequeño número de diseños utilizaban una camisa en la culata de cilindro, en lugar de hacerlo en el cuerpo del cilindro, dando un perfil más "clásico" comparado con los motores con válvulas de asiento tradicionales. Este diseño tenía la ventaja de no contener el pistón en el interior de la válvula, aunque en los hechos parece haber tenido poco valor práctico. Como desventaja, este sistema limita el tamaño de las lumbreras de la culata, mientras que las válvulas de camisa ubicadas en el cilindro pueden tener aberturas de tamaño mucho mayor.

Ventajas y Desventajas

Ventajas

Las principales ventajas de los motores con válvulas de camisa son:

• Incremento en la eficiencia volumétrica debido a la gran apertura de las lumbreras de entrada, Sir Harry Ricardo demostró también una mayor eficiencia mecánica. Una ventaja adicional es la de que el tamaño de las lumbreras puede ser controlado fácilmente. Esto es de importancia cuando el motor funciona en un amplio rango de RPM, ya que la velocidad a la que el aire pueda entrar y salir del cilindro se define por el tamaño del conducto que conduce al cilindro y varía según el cubo de las RPM. En otras palabras, a mayor RPM del motor normalmente requiere que las lumbreras tengan una mayor apertura, algo que es bastante fácil de lograrse con las válvulas de camisa corredera, pero difícil en un sistema de válvulas de asiento.

• La válvula de camisa única ofrece un buen barrido de los gases de escape y una turbulencia controlada para la mezcla aire/combustible entrante; Cuando la lumbrera de admisión se abre, la mezcla aire/combustible puede entrar tangencialmente al cilindro. Esto ayuda al barrido cuando se usa el solapamiento de las lumbreras de escape y admisión (ver Cruce de válvulas) y se requiere un amplio rango de velocidades, mientras que el barrido en el sistema de válvulas de asiento puede diluir la mezcla aire/combustible entrante, siendo más dependiente de la velocidad (confiando principalmente en el ajuste de la resonancia del sistema escape/admisión para mantener separados las dos mazas de fluidos, la de la mezcla fresca y la de los gases quemados). Más libertad en el diseño de la cámara de combustión (con unas pocas restricciones, además de la ubicación de la bujía) significa que el torbellino de la mezcla combustible/aire en el PMS puede ser más controlado para permitir una mejora en el encendido y en la expansión de la llama, lo cual fue demostrado por Ricardo, lo que permite al menos una unidad más en la relación de compresión sin detonar, con respecto al sistema de válvulas de asiento.

• La cámara de combustión formada con las camisas en final del ciclo es ideal para una combustión de la carga completa y libre de detonaciones, ya que no tiene que lidiar con una cámara de forma comprometida y la válvula (de asiento) de escape caliente.

• No se usan muelles en el sistema de válvulas de camisa, por lo tanto la fuerza necesaria para operar las válvulas permanece constante con las RPM del motor, permitiendo operar a altas velocidad sin penalizaciones por ello. Un problema con los motores de alta velocidad que utilizan las válvulas de asiento es que a medida que aumenta la velocidad del motor, la velocidad a la cual la válvula se mueve también tiene que aumentar. Esto a su vez aumenta las cargas involucradas debido a la inercia de la válvula, que tiene que abrirse rápidamente, detenerse, invertir la dirección, cerrarse y luego detenerse otra vez. Las válvulas grandes que permiten un buen flujo de aire tienen una masa considerable y requieren fuertes resortes para sobreponerse a la inercia de la apertura. En este punto, el resorte de la válvula alcanza su frecuencia de resonancia, causando una onda de compresión que oscila dentro del resorte, que a su vez hace que disminuya su efectividad y por lo tanto es incapaz de cerrar correctamente la válvula. Esta "flotación de válvulas" puede resultar en que la válvula no se cierre tan rápido junto al perfil de la leva y puede golpear la parte superior del pistón a medida que éste sube. Además, el árbol de levas, las varillas de empuje y los taqués pueden suprimirse en un diseño de válvulas de corredera, siendo éstas generalmente manejadas por un solo engranaje controlado por el cigüeñal. Para un motor aeronáutico esto produce una deseable reducción en peso y complejidad.

• Otra ventaja en los primeros motores de automóvil (el motor Knight) era la durabilidad. Antes de la llegada de las gasolinas con plomo, los motores con válvulas de asiento requerían rectificar las vávlulas y sus asientos cada 30.000 a 50.000 km de servicio. Las válvulas de camisa no sufren el desgaste causado por el impacto repetido de la válvula contra su asiento. Las válvulas de camisa también sufren menos acumulación de calor intenso, debido a su mayor área de contacto con otras grandes superficies de metal. En el motor Knight, la acumulación de carbón en realidad contribuyó a mejorar el sellado de las válvulas de camisa, se decía que "mejoraban con el uso", en contraste con los motores de válvulas de asiento que pierden compresión y potencia cuando las válvulas se gastan. Debido al continuo movimiento de las camisas (tipo Burt-McCollum), los puntos de mayor desgaste relacionados con la mala lubricación en el PMI/PMS se suprimen, aumentando la durabilidad de los cilindros y los segmentos de los pistones.

• Otra gran ventaja es el hecho que no requiere alojar las válvulas en la culata, permitiendo colocar la bujía en el mejor lugar para lograr un encendido eficiente de la mezcla combustible. En los motores muy grandes, donde la velocidad de propagación de la llama limita tanto la velocidad de giro como el tamaño, la turbulencia inducida por las lumbreras y descrita por H. Ricardo puede ser una ventaja adicional.

La mayoría de estas ventajas fueron evaluadas y establecidas durante la década de 1920 por Sir Harry Ricardo, posiblemente el mayor defensor del motor con válvulas de camisa corredera. Reconoció sin embargo, que algunas de estas ventajas fueron significativamente superadas con las mejoras en los combustibles antes y durante la Segunda Guerra Mundial, y la introducción de las válvulas de escape refrigeradas por sodio en los motores de aviación de alta potencia.

Desventajas

La principal desventaja de las válvulas de camisa es que es difícil conseguir un sellado perfecto. En un motor con válvulas de asiento, el pistón posee aros (a menudo 3, pero puede llegar a 8) los cuales forman un sello con el cuerpo del cilindro. Durante el ablande del motor (proceso que se denomina también como "rodaje" o "asentado"), cualquier imperfección entre un componente raspa contra el otro, resultando en un buen ajuste. Este tipo de ablande o rodaje no es posible en un motor con válvulas de camisa debido a que el pistón y la camisa se mueven en diferentes direcciones, y en algunos sistemas incluso rotan en diferentes direcciones, en relación de uno con el otro. A diferencia de un motor tradicional, las imperfecciones del pistón no se mueven siguiendo el mismo "camino" en la camisa. En la década de 1940 esto no era una preocupación importante porque la válvula de asiento de ese entonces se gastaba más de lo que lo hacen hoy en día, de modo que el consumo de aceite fue deficiente en ambos casos.

El problema de consumo de aceite asociado al motor Knight de doble camisa fue solucionado con el sistema de válvula Burt-McCollum de una sola camisa, perfeccionado por Bristol. En el PMS, la única camisa del sistema rota en relación al pistón. Esto previene el desgaste por problema de lubricación en los límites, como el producido por los aros en los PMI y PMS. El límite del Bristol Hercules fue establecido en 5.000 Hrs^{[cita requerida]} con el acelerador abierto al máximo. Una desventaja inherente puede ser que el pistón en su recorrido tapa parcialmente las lumbreras, haciendo más difícil el intercambio de gases durante el cruce de válvulas usual en los motores rápidos modernos. El ingeniero alemán Max Bentele, que estudió un motor de aviación inglés capturado durante la 2ª GM, encontraba poco práctico que el motor tuviese más de 100 engranajes.​

Historia

Charles Yale Knight

En 1901 Knight (un impresor y editor de diarios) compró un automóvil Knox de tres ruedas con un motor monocilíndrico enfriado por aire, pero le molestaban sus ruidosas válvulas. Pensó que podía diseñar un mejor motor, y lo hizo, inventando su principio de doble camisa en 1904. Respaldado por el empresario de Chicago L.B. Kilbourne, se construyeron varios motores, seguido por el automóvil de turismo "Silent Knight" ("Knight silencioso", pero "Knight" quiere decir caballero, por lo que también es Caballero Silencioso) el cual fue mostrado en la Exposición del Automóvil de Chicago de 1906.

El diseño de Knight tenía dos camisas de hierro fundido por cilindro, una desplazándose dentro de la otra, con el pistón dentro de la camisa interior. Las camisas eran operadas por bielas pequeñas colocadas en un eje excéntrico. Las lumbreras estaban caladas en las camisas en la parte superior. El diseño era notablemente simple, y las válvulas de camisa necesitaban poca atención. Sin embargo, era más caro para fabricar debido a la precisión necesaria requerida en las superficies de las camisas. También consumía más aceite, y era más difícil de arrancar en tiempo frío.​

A pesar que inicialmente no pudo vender su motor Knight en Estados Unidos, un viaje a Europa garantizó que varias firmas fabricantes de automóviles de lujo estuvieran dispuestas a pagar sus precios más altos. Knight su diseño en Gran Bretaña en 1908. Como parte de los acuerdos por las licencias, 'Knight' debía incluirse en el nombre del automóvil.

Entre las compañías que usaron la tecnología de Knight están Gabriel Voisin (y sus automóviles Avions Voisin), Daimler (en su "Doble Seis V-12", 1909-1930), Panhard (1911-39), Mercedes (1909-24), Willys (como el Willys-Knight, mas el asociado Falcon-Knight), Stearns, Mors, Peugeot y la compañía belga Minerva, una treintena de empresas en total.​ Itala también experimentó con las válvulas de camisa.

Al regreso de Knight a Estados Unidos consiguió que algunas empresas utilicen su diseño; siendo su marca "Silent Knight" (1905-1907). El argumento de venta era que sus motores eran mas silenciosos que aquellos con válvulas convencionales. La más conocida fue la compañía F.B. Stearns de Cleveland, la cual vendió un automóvil llamado Stearns-Knight, y la firma Willys, que ofrecía un automóvil denominado Willys-Knight, el que se produjo en un número mucho mayor que cualquier otro automóvil con válvulas de camisa.

Burt-McCollum

La válvula Burt-McCollum consistía de una sola camisa la que combinaba el movimiento vertical con una rotación parcial. Fue desarrollada en 1909 y usada por primera vez en el automóvil de 1911 Argyll. Su mayor éxito fue en los grandes motores aeronáuticos de Brsitol, y también fue usado en los motores, también aeronáuticos, Napier Sabre y Rolls-Royce Eagle. El sistema de válvula simple también solucionaba el alto consumo de aceite asociado a la camisa doble de Knight.​

Varios motores de aviación con válvula de camisa fueron desarrollados luego que se publicara un artículo fundamental de investigación en 1927, escrito por Harry Ricardo de la RAE. Este documento describe las ventajas de la válvula de camisa, y sugería que los motores de válvulas de asiento no eran capaces de superar los 1.500 hp (1.100 kW). Napier and Bristol comenzaron sus desarrollos de motores e válvulas de camisa que resultaron en dos de los motores de pistones más potentes del mundo, el Napier Sabre y el Bristol Centaurus.

En cierta forma, el más potente de todos los motores de válvula de camisa (que nunca entró en producción) fue el Rolls Royce Crecy, un motor aeronáutico V-12 (extrañamente con una V a 90 grados) de dos tiempos con inyección directa, turbocomprimido y 26,1 litros de capacidad. Alcanzaba una potencia específica muy alta, y sorprendentemente un muy buen consumo específico. En 1945 el motor de pruebas (el E65) producía el equivalente de 5.000 hp (192 hp al freno por litro) con inyección de agua, aunque el V12 completo probablemente tenía una potencia inicial nominal cercana a los 2.500 hp (1.900 kW). Sir Harry Ricardo, que especificó el diseño y los objetivos de diseño, se sentía constantemente frustrado durante la guerra con los esfuerzos de Rolls Royce, él y Tizard aceptaron finalmente que si no se asignaba en forma específica a un avión, el desarrollo no recibiría la atención que merecía. Hives y Rolls Royce se centraron en el Merlin, el Griffon y el Eagle y más tarde en las turbinas de Whittle, quienes tenían unos objetivos de producción bien definidos. El concepto original del 'Spitfire con esteroides' para un interceptor de rápido ascenso con un motor Crecy de bajo peso, para 1945 se había convertido en un avión sin aplicaciones.

Luego de la Segunda Guerra Mundial la válvula de camisa dejó de usarse, cuando los problemas anteriores con el sellado y el desgaste de las válvulas de asiento se solucionaron con el uso de mejores materiales, y los problemas de inercia en las válvulas grandes se redujeron con el uso de varias válvulas pequeñas en su lugar, otorgando un mayor flujo y una menor masa. Hasta ese punto, la válvula de camisa simple superaba a la válvula de asiento en términos de cilindrada/potencia. La dificultad para endurecer por nitruración cuando se finalizaba la rectificación de la válvula de camisa, pudo ser un factor de su falta de aplicaciones comerciales.

Uso moderno

La válvula de camisa ha empezado a reaparecer tímidamente, debido a los modernos materiales y a las tolerancias muy altas que alcanza hoy la ingeniería, y a las técnicas de construcción, las cuales producen válvulas de camisa con muy pocas pérdidas de aceite. Sin embargo, las investigaciones en motores más avanzados se concentran en mejorar los diseños de motores de combustión interna totalmente diferentes, como el Wankel.

Se rumorea que (entrevista por Charles Fox en la revista Car & Driver, julio de 1972, The Bricklin) Mike Hewland y Keith Duckworth (del motor de F1 Cosworth) experimentaron con un motor de pruebas monocilíndrico con válvula de camisa simple, cuando buscaban un reemplazo para el Cosworth DFV. Hewland afirma haber obtenido 72 cv (54 kW) de un motor monocilíndrico de 500 cc, con un consumo específico de combustible de 170 g/cv/hr; el motor era capaz de funcionar con creosota, no precisaba lubricación específica para la camisa, siendo suficiente el barboteo procedente del resto, y también refiere que la temperatura máxima medida dentro del cilindro no superó los 150 °C.

Una forma inusual de motor de modelismo de cuatro tiempos, que esencialmente usa el formato de válvula de camisa, es la serie RCV británica de motores para modelismo "SP", los cuales usan una camisa de cilindro rotatoria impulsada a través de un engranaje cónico en la parte inferior de dicha camisa, y lo más inusual es que el eje de la hélice sale de lo que sería la parte superior del cilindro, en el extremo frontal del motor, consiguiendo una reducción de 2:1 con respecto al cigüeñal orientado verticalmente.

Motores de vapor

La válvula de camisa ha sido ocasionalmente usada en máquinas de vapor, por ejemplo la clase SR Leader.

Véase también

• Válvula de asiento

Referencias

• Ricardo, Sir Harry R.; Hempson, J G G (1968). The High-Speed Internal-Combustion Engine (quinta edición). London and Glasgow: Blackie & Son. pp. 290-322. 
• «Sleeve valve engines». Cambridge University Engineering Department. 

• Aircraft Engine Historical Society -AEHS- (USA): revista "Torque Meter", vol 7, nº 2-3-4

• Arnold E Biermann y Hermann H Ellebrook: "The design of fins for air cooled cylinders", NACA report Nº 726, 1939 (se puede bajar desde la página de la NASA)

• Robert J. Raymond: "Comparison of Sleeve and Poppet-Valve Aircraft Piston Engines", AEHS 2005

Enlaces externos

• Video mostrando un motor con válvulas de camisa
• Página web de los motores RCV
• Una introducción sobre los distintos tipos de valvulas.