Válvula rotativa

La adopción generalizada de válvulas rotativas en lugar de válvulas de asiento en motores de combustión se vio obstaculizada por el problema del sellado. Las válvulas de asiento tienen un sello alrededor de la brida cónica de la abertura, y este sello mejora con el aumento de la presión de trabajo en la cámara de combustión, ya que la presión fuerza el cierre de la válvula. En cambio, las válvulas rotativas deben moverse libremente para funcionar y necesitan lubricación con aceite, lo que genera problemas al mantener presiones de hasta 100 bar a temperaturas de 1000 grados Celsius, con la consiguiente dilatación térmica de los diversos sellos y el cuerpo de la válvula. Esta dilatación de la válvula provoca una desalineación en la interfaz válvula-sello a medida que el motor pasa de la temperatura ambiente a la temperatura máxima de funcionamiento. Si los sellos se presionan contra la válvula con mayor presión para compensar esta dilatación, se produce una alta fricción y pérdida de potencia, además de un alto desgaste. ^{[ 8 ]}

El motor de combustión con válvula rotativa presenta varias ventajas significativas sobre los motores convencionales, incluyendo relaciones de compresión y revoluciones por minuto considerablemente mayores, lo que se traduce en mayor potencia; una culata mucho más compacta y ligera; y una complejidad reducida, lo que implica mayor fiabilidad y menor coste. Dado que la admisión y el escape suelen estar combinados, se debe prestar especial atención a la refrigeración de las válvulas para evitar el golpeteo del motor .

Las válvulas rotativas se han utilizado en varios diseños de motores diferentes. R. A. Reynolds obtuvo una patente (US 1002756, 1911) para una válvula rotativa de disco en un motor de cuatro tiempos. El concepto fue reinterpretado por Felix Wankel, un especialista en estanqueidad autodidacta que nunca tuvo un diploma de ingeniero ni licencia de conducir, para el motor de torpedo Jumo KM-8. La empresa Itala tuvo éxito con un tipo diferente de válvula rotativa. En Gran Bretaña, la National Engine Company Ltd. anunció su motor de válvula rotativa para su uso en los primeros aviones, en una época en que las válvulas de asiento eran propensas a fallar por atascarse o quemarse. ^{[ 9 ]}

A finales de la década de 1930, Frank Aspin desarrolló un diseño con una válvula rotativa que giraba sobre el mismo eje que el orificio del cilindro, pero con un éxito limitado. ^{[ 10 ]}

La empresa estadounidense Coates International Ltd. ha desarrollado una válvula rotativa esférica para motores de combustión interna que sustituye al sistema de válvulas de asiento . Este diseño en particular es de cuatro tiempos, con las válvulas rotativas accionadas por ejes superiores en lugar de árboles de levas superiores (es decir, en línea con una bancada de cilindros). La primera venta de un motor de este tipo fue como parte de un generador de gas natural . ^{[ 11 ]}

Las válvulas rotativas son potencialmente muy adecuadas para motores de altas revoluciones, como los utilizados en coches deportivos de competición y monoplazas de F1 , en los que las válvulas tradicionales con muelles pueden fallar debido a la flotación de la válvula y la resonancia del muelle, y donde el mecanismo de válvulas desmodrómico es demasiado pesado, voluminoso y complejo para su correcta sincronización y diseño. Las válvulas rotativas podrían permitir un diseño de culata más compacto y ligero. Giran a la mitad de la velocidad del motor (o a un cuarto) y carecen de las fuerzas de inercia de los mecanismos de válvulas recíprocas. Esto permite mayores velocidades del motor, ofreciendo aproximadamente un 10 % más de potencia. El motor MGN W12 de F1 de la década de 1980 utilizaba válvulas rotativas, pero nunca llegó a competir. Entre 2002 y 2004, el desarrollador australiano Bishop Innovation y Mercedes-Ilmor probaron válvulas rotativas para un motor V10 de F1. ^{[ 12 ]}

La patente de Bishop Innovations para el motor de válvula rotativa fue adquirida por BRV Pty Ltd, propiedad de Tony Wallis, uno de los diseñadores originales de las válvulas. BRV ha construido varios motores funcionales utilizando la tecnología de válvula rotativa, como una Honda CRF 450 , que tenía mayor par motor tanto a bajas (aumento del 17%) como a altas (aumento del 9%) velocidades del motor, y también producía más caballos de fuerza al freno hasta alrededor de un 30% más a velocidades de motor funcionales. ^{[ 12 ]} El motor también era considerablemente más pequeño y ligero, ya que el conjunto de la culata no era tan grande.

Una empresa del Reino Unido llamada Roton Engine Developments logró avances en 2005 con un motor monocilíndrico de motocicleta Husaberg de dos rotores (uno para admisión y otro para escape). Presentaron patentes y consiguieron poner en marcha un prototipo en 2006, pero contaban con el respaldo de MG Rover , que posteriormente quebró, dejando a Roton sin fondos suficientes para continuar. Los diseños reaparecieron años después en Australia con Engine Developments Australia Pty Ltd. En 2013 se fabricó un prototipo con una unidad bicilíndrica paralela Kawasaki Ninja 300. Esta unidad aún se encuentra en fase de desarrollo, pero es significativa, ya que tiene el potencial de alcanzar relaciones de compresión mucho mayores que otros motores de válvula rotativa gracias a un novedoso método de refrigeración de la cámara de combustión, aún no revelado, y a la capacidad de eliminar completamente el acelerador, lo que, según afirman, la hace mucho más económica a bajas revoluciones.

En 1989, Ralph Ogden Watson, de Auckland, Nueva Zelanda, desarrolló un motor de válvula rotativa para automóviles de probada eficacia. Desde su creación, el automóvil con válvula rotativa ha recorrido muchos kilómetros sin problemas y continúa en uso. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Una empresa estadounidense llamada VAZTEC ha creado un sistema de sellado de válvula rotativa flexible que resuelve los problemas de fricción y sellado de los diseños anteriores. ^{[ 15 ]} Han construido diez motores prototipo, desde un V-8 de 5,3 L hasta un motor de cuatro tiempos portátil de 28 cc. VAZTEC también ha construido un motor diésel exitoso que soportaba las altas presiones de compresión de un motor de encendido por compresión (relación de compresión de 20:1, presión de combustión de 100 bar). Están trabajando con varios fabricantes de equipos originales para comercializar su diseño. ^{[ 16 ]} Varias patentes cubren el sello flexible, incluida la patente estadounidense 9,903,239 . Un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) de la válvula rotativa VAZTEC se puede ver en este enlace.

Una válvula rotativa en forma de disco plano, también conocida como válvula de disco, se utiliza en motores de motocicletas de dos tiempos , donde la disposición ayuda a evitar el flujo inverso hacia el puerto de admisión durante la carrera de compresión. El fabricante de motores austriaco Rotax utilizó válvulas de admisión rotativas en su diseño de motor de dos tiempos Rotax 532 de 64 hp (48 kW) , ahora fuera de producción , y continúa utilizando válvulas de admisión rotativas en el sucesor del 532, el Rotax 582 de 64 hp (48 kW) de producción actual . ^{[ 17 ]} Wifredo Ricart , un ingeniero español que trabajó en Alfa Romeo y luego en Pegaso , que había solicitado el sistema de accionamiento de válvulas 'Desmodrómico' en 1924, patente FR590149; patentó, ES166367, 1944, una válvula rotativa para 2 tiempos; también un tipo de válvula Itala, patente ES0117737. Lotus intentó algo similar, documento técnico SAE 920779.