Motor con árbol de levas en cabeza

La configuración más antigua de un motor con árbol de levas en cabeza es el diseño de árbol de levas en cabeza simple (SOHC). ^{[ 1 ]} Un motor SOHC tiene un árbol de levas por bancada de cilindros; por lo tanto, un motor en línea tiene un total de un árbol de levas y un motor en V o motor plano tiene un total de dos árboles de levas (uno para cada bancada de cilindros).

La mayoría de los motores SOHC tienen 2 válvulas por cilindro (a veces 3 o 4), 1 válvula de admisión y una de escape. ^{[ a ]} ​​El movimiento del árbol de levas se suele transmitir a las válvulas directamente (mediante un taqué ) o indirectamente a través de un balancín . ^{[ 1 ]}

Un motor de doble árbol de levas en cabeza tiene dos árboles de levas sobre cada bancada de la culata, ^{[ 1 ] [ 2 ]} uno para las válvulas de admisión y otro para las válvulas de escape. Por lo tanto, hay dos árboles de levas para un motor en línea y un total de cuatro árboles de levas para un motor en V o un motor plano.

El motor AV o motor plano requiere cuatro árboles de levas para funcionar como un motor DOHC, ya que tener dos árboles de levas en total resultaría en un solo árbol de levas por bancada de cilindros para estas configuraciones de motor. Algunos motores V con cuatro árboles de levas se han comercializado como motores "quad-cam" ^{[ 9 ]} , sin embargo, técnicamente "quad-cam" requeriría cuatro árboles de levas por bancada de cilindros (es decir, ocho árboles de levas en total), por lo tanto, estos motores son simplemente motores de doble árbol de levas en cabeza .

Muchos motores DOHC tienen 4 válvulas por cilindro (a veces 5, Audi o Volkswagen por ejemplo). ^{[ b ]} El árbol de levas generalmente acciona las válvulas directamente a través de un taqué de cubo . Un diseño DOHC permite un ángulo más amplio entre las válvulas de admisión y escape que en los motores SOHC, lo que mejora el flujo de la mezcla aire-combustible a través del motor. Otra ventaja es que la bujía se puede colocar en la ubicación óptima, lo que a su vez mejora la eficiencia de la combustión . Otra ventaja más reciente del diseño del motor DOHC es la capacidad de cambiar/fasear de forma independiente la sincronización entre cada árbol de levas y el cigüeñal. Esto proporciona una mejor economía de combustible al permitir una curva de par más amplia. Aunque cada fabricante importante tiene su propio nombre comercial para su sistema específico de sistemas de fase de levas variables, en general todos se clasifican como distribución variable de válvulas .

La rotación de un árbol de levas es impulsada por un cigüeñal . Muchos motores del siglo XXI utilizan una correa de distribución dentada hecha de caucho y kevlar para impulsar el árbol de levas. ^{[ 1 ] [ 10 ]} Las correas de distribución son económicas, producen un ruido mínimo y no necesitan lubricación. ^{[ 11 ] : 93} Una desventaja de las correas de distribución es la necesidad de reemplazarlas regularmente; ^{[ 11 ] : 94} la vida útil recomendada de la correa suele variar entre aproximadamente 50 000 y 100 000 km (31 000 y 62 000 millas) . ^{[ 11 ] : 94–95 [ 12 ] : 250} Si la correa de distribución no se reemplaza a tiempo y falla, y el motor es un motor de interferencia , es posible que se produzcan daños importantes en el motor. Es muy probable que también haya que restaurar o reconfigurar la sincronización del motor si se repara, ya que la sincronización, como la del encendido y el movimiento de las válvulas, normalmente estará desajustada.  

La primera aplicación automotriz conocida de correas de distribución para accionar árboles de levas en cabeza fue en los autos de carreras especiales Devin Panhard de 1953, construidos para la serie de carreras SCCA H-modified en los Estados Unidos. ^{[ 13 ] : 62} Estos motores se basaban en los motores bicilíndricos planos OHV de Panhard, que se convirtieron a motores SOHC utilizando componentes de motores de motocicletas Norton. ^{[ 13 ] : 62} El primer automóvil de producción en usar una correa de distribución fue el cupé compacto Glas 1004 de 1962. ^{[ 14 ]}

Otro método de transmisión del árbol de levas comúnmente utilizado en los motores modernos es la cadena de distribución , construida con una o dos filas de cadenas de rodillos metálicos . ^{[ 1 ] [ 10 ]} A principios de la década de 1960, la mayoría de los diseños de árboles de levas en cabeza de automóviles de producción utilizaban cadenas para accionar el/los árbol(es) de levas. ^{[ 15 ] : 17} Las cadenas de distribución no suelen requerir reemplazo a intervalos regulares; sin embargo, su desventaja es que son más ruidosas que las correas de distribución. ^{[ 12 ] : 253}

Un sistema de engranajes entre el cigüeñal y el árbol de levas se usa comúnmente en motores diésel con árbol de levas en cabeza utilizados en camiones pesados. ^{[ 16 ]} Los sistemas de engranajes no se usan comúnmente en motores para camiones ligeros o automóviles. ^{[ 1 ]}

Varios motores OHC hasta la década de 1950 usaban un eje con engranajes cónicos para accionar el árbol de levas. Algunos ejemplos son el Maudslay 25/30 de 1908-1911 , ^{[ 17 ] [ 18 ]} el Bentley 3 Litre , ^{[ 19 ]} el Liberty L-12 de 1917- ?, ^{[ 20 ]} el MG Midget de 1929-1932, la serie Velocette K de 1925-1948 , ^{[ 21 ]} el Norton International de 1931-1957 y el Norton Manx de 1947-1962 . ^{[ 22 ]} En tiempos más recientes, los motores de motocicleta Ducati Single de 1950 a 1974 , ^{[ 23 ]} el motor Ducati L-twin de 1973 a 1980 , Kawasaki W650 de 1999 a 2007 y Kawasaki W800 de 2011 a 2016 han utilizado ejes cónicos. ^{[ 24 ] [ 25 ]} El motor Crosley de cuatro cilindros fue el último motor automotriz en utilizar el diseño de torre de eje para accionar el árbol de levas, de 1946 a 1952; los derechos del formato del motor Crosley fueron comprados por varias compañías diferentes, incluyendo General Tire en 1952, seguido por Fageol en 1955, Crofton en 1959, Homelite en 1961 y Fisher Pierce en 1966, después de que Crosley cerrara las puertas de la fábrica de automóviles, y continuaron produciendo el mismo motor durante varios años más.

En el automóvil de lujo Leyland Eight de 1920-1923 , fabricado en el Reino Unido, se utilizó un sistema de transmisión por árbol de levas con tres juegos de bielas y cigüeñales en paralelo . ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} Un sistema similar se empleó en el Bentley Speed ​​Six de 1926-1930 y en el Bentley 8 Litre de 1930-1932 . ^{[ 28 ] [ 29 ]} Muchos modelos del NSU Prinz de 1958-1973 utilizaron un sistema de dos bielas con contrapesos en ambos extremos . ^{[ 15 ] : 16-18}

Entre los primeros motores con árbol de levas en cabeza se encontraban el motor Maudslay SOHC de 1902 fabricado en el Reino Unido ^{[ 18 ] : 210 [ 15 ] : 906 [ 30 ]} y el motor Marr Auto Car SOHC de 1903 fabricado en los Estados Unidos. ^{[ 31 ] [ 32 ]} El primer motor DOHC fue un motor de carreras Peugeot de cuatro cilindros en línea que impulsó el coche que ganó el Gran Premio de Francia de 1912. Otro Peugeot con un motor DOHC ganó el Gran Premio de Francia de 1913 , seguido por el Mercedes-Benz 18/100 GP con un motor SOHC que ganó el Gran Premio de Francia de 1914 .

El Isotta Fraschini Tipo KM — fabricado en Italia entre 1910 y 1914 — fue uno de los primeros automóviles de producción en utilizar un motor SOHC. ^{[ 33 ]}

Durante la Primera Guerra Mundial, tanto las Potencias Aliadas como las Centrales ; específicamente las fuerzas aéreas Luftstreitkräfte del Imperio Alemán , buscaron aplicar rápidamente la tecnología de árbol de levas en cabeza de los motores de carreras a los motores de aviones militares. El motor SOHC del automóvil Mercedes 18/100 GP (que ganó el Gran Premio de Francia de 1914) se convirtió en el punto de partida para los motores de aviones tanto de Mercedes como de Rolls-Royce. Mercedes creó una serie de motores de seis cilindros que culminaron en el Mercedes D.III . Rolls-Royce realizó ingeniería inversa del diseño de la culata de Mercedes basándose en un automóvil de carreras dejado en Inglaterra al comienzo de la guerra, lo que dio lugar al motor Rolls-Royce Eagle V12. Otros diseños SOHC incluyeron el motor español Hispano-Suiza 8 V8 (con un tren de transmisión completamente cerrado), el motor estadounidense Liberty L-12 V12, que siguió de cerca el diseño posterior del tren de válvulas SOHC parcialmente expuesto del Mercedes D.IIIa; y el motor BMW IIIa de seis cilindros en línea, diseñado por Max Friz y fabricado en Alemania . El motor Napier Lion W12 DOHC se empezó a fabricar en Gran Bretaña en 1918.

La mayoría de estos motores utilizaban un eje para transmitir la fuerza motriz desde el cigüeñal hasta el árbol de levas en la parte superior del motor. Los grandes motores de aeronaves, especialmente los refrigerados por aire, experimentaban una considerable dilatación térmica, lo que provocaba que la altura del bloque de cilindros variara durante su funcionamiento. Esta dilatación causaba dificultades en los motores de varillas de empuje, por lo que un motor con árbol de levas en cabeza que utilizara una transmisión por eje con estrías deslizantes era la forma más sencilla de compensar esta dilatación. Estos ejes cónicos solían estar alojados en un tubo externo fuera del bloque y se conocían como "ejes de torre". ^{[ 34 ]}

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  1914-1918 Motor de avión Hispano-Suiza 8A SOHC
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  Motor de aviación Hispano-Suiza 8Be SOHC de 1914-1918 con "ejes de torre" en la parte trasera de cada bancada de cilindros.
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  Boceto de detalles del tren de válvulas superior del Mercedes D.III de producción posterior (1917-18) , cuyas características de diseño fueron copiadas por los motores BMW III y Allied Liberty L-12.
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  Detalle en primer plano del tren de válvulas superior de un Liberty L-12 , que muestra la similitud con el diseño de producción posterior de Mercedes.

Un ejemplo temprano de motor de producción estadounidense con árbol de levas en cabeza fue el motor de ocho cilindros en línea SOHC utilizado en el automóvil de lujo Duesenberg Modelo A de 1921-1926. ^{[ 35 ]}

En 1926, el Sunbeam 3 litre Super Sports se convirtió en el primer automóvil de producción en utilizar un motor DOHC. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

En Estados Unidos, Duesenberg incorporó motores DOHC (junto con sus motores SOHC ya existentes) con el lanzamiento en 1928 del Duesenberg Modelo J , que estaba propulsado por un motor de ocho cilindros en línea DOHC. El Stutz DV32 (1931-1935) fue otro de los primeros automóviles de lujo estadounidenses en utilizar un motor DOHC. También en Estados Unidos, el motor de competición Offenhauser DOHC se presentó en 1933. Este motor de cuatro cilindros en línea dominó las carreras de monoplazas en Norteamérica desde 1934 hasta la década de 1970.

Otros motores SOHC de los primeros tiempos para automóviles fueron el Wolseley Ten de 1920-1923 , el MG 18/80 de 1928-1931, el Singer Junior de 1926-1935 y el Alfa Romeo 6C Sport de 1928-1929. Entre las primeras motocicletas con árbol de levas en cabeza se incluyen la Velocette Serie K de 1925-1949 y la Norton CS1 de 1927-1939 .

El Crosley CC Four de 1946-1948 fue posiblemente el primer automóvil estadounidense de producción en masa en utilizar un motor SOHC. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} Este pequeño motor de producción en masa impulsó al ganador de las 12 Horas de Sebring de 1950. ^{[ 38 ] : 121}

El uso de una configuración DOHC aumentó gradualmente después de la Segunda Guerra Mundial, comenzando con los autos deportivos. Los icónicos motores DOHC de este período incluyen el motor de seis cilindros en línea Lagonda de 1948-1959 , el motor de seis cilindros en línea Jaguar XK de 1949-1992 y el motor de cuatro cilindros en línea Twin Cam Alfa Romeo de 1954-1994. ^{[ 41 ] [ 42 ]} El motor de cuatro cilindros en línea Twin Cam Fiat de 1966-2000 fue uno de los primeros motores DOHC en usar una correa de distribución dentada en lugar de una cadena de distribución. ^{[ 43 ]}

En la década de 1980, la necesidad de aumentar el rendimiento a la vez que se reducían el consumo de combustible y las emisiones de escape impulsó el uso creciente de motores DOHC en vehículos convencionales, comenzando con los fabricantes japoneses. ^{[ 41 ]} A mediados de la década de 2000, la mayoría de los motores de automóviles utilizaban una configuración DOHC.