Durante la Segunda Guerra Mundial, los ingenieros nazis construyeron algunas de las armas aéreas más afiladas que el mundo jamás haya visto. El Focke-Wulf Fw 190 no era un caza más; durante un tiempo, superó a cualquier cosa que los aliados pudieran volar. Fue rápido. Fue mortal. Y fue un problema.
Afortunadamente para las potencias aliadas, la ingeniería finalmente hizo retroceder el péndulo. No ganaron con una bomba más llamativa o más rápida. Ganaron con un motor del que la mayoría de la gente hoy en día nunca ha oído hablar. Un motor robusto y poco convencional neutralizó a la Luftwaffe. A su manera, este motor ayudó a ganar la guerra.
El motor de válvulas de camisa impulsaba veloces cazas británicos como el Hawker Typhoon y el Hawker Tempest. Con potencia bruta, estos aviones controlaban los cielos. Proporcionaron apoyo aéreo a las tropas terrestres. Pusieron fin al conflicto.
Pero, ¿qué es un motor con válvulas de manguito? ¿Por qué tiene un nombre tan extraño? ¿Y por qué ha desaparecido prácticamente hoy?
Cómo funciona el motor con válvula de manguito
El nombre proviene del hardware. Las mangas metálicas de paredes delgadas se deslizan hacia arriba y hacia abajo dentro de cada cilindro. Los orificios en la camisa y los orificios en la pared del cilindro se alinean a intervalos predecibles. Este movimiento aspira aire fresco y expulsa los gases de escape.
Funcionó. Pero la compleja configuración perdió terreno frente a las válvulas de empujador que utilizamos hoy en día en los motores de combustión interna. En la aviación, los motores de pistón dieron paso en gran medida a los aviones a reacción.
No lo descartes todavía como una reliquia inútil.
Al menos una empresa está intentando recuperar la venerable válvula de manguito. Vuelve con giros modernos. Estamos viendo qué lo hace girar. Por qué cayó en desgracia. Y por qué ahora lo convocan para un tipo diferente de pelea.
La tecnología detrás del ruido
Llegado durante el apogeo de la era industrial, el motor de válvulas de manguito parece un accesorio de una novela steampunk. Los ingenieros modernos se maravillan de su inteligencia. También cacarean ante su alta complejidad.
Es algo hermoso una vez que entiendes las piezas. Arremángate. Nos estamos deprimiendo y ensuciando.
Este motor desafía una descripción simple. Pero aquí está la lógica básica. Los motores con válvulas de manguito pueden tener muchas configuraciones. Una disposición, el motor de válvula radial que se usa en los aviones, parece un cruce entre un robot Rock ‘Em Sock ‘Em y un centinela de The Matrix.
Para conseguirlo, primero comprenda qué no es. No es el motor de válvula de asiento. Las válvulas de asiento son el estándar de facto en la actualidad. Las válvulas en forma de hongo se abren y cierran rítmicamente bajo la tensión del resorte. Controlan el combustible, el aire y los residuos.
La válvula de manguito utiliza un manguito deslizante y a veces giratorio. Controla la cantidad de aire y combustible que se detona con cada carrera de compresión. La premisa es la misma. Enciende el combustible y el aire. Pistones de accionamiento. Girar un cigüeñal.
En los diseños en los que la funda gira, los puertos cortados en ella se alinean con los puertos de entrada o de escape. Depende del trazo. Un pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro del manguito. La manga se desliza hacia adelante y hacia atrás. Los engranajes conectados al cigüeñal impulsan el movimiento del manguito.
¿Aún te rascas la cabeza? Aquí están los pasos.
- Carrera de compresión: El pistón se acerca al punto muerto superior. Todos los puertos están cerrados. La bujía se dispara. La mezcla de combustible y aire se enciende.
- Carrera de combustión: El encendido fuerza el pistón hacia abajo. Cuando llega al punto muerto inferior, el revestimiento se desplaza. Sus aberturas recortadas se alinean con los puertos de escape del cilindro.
- Carrera de escape: Se expulsan los gases de escape. El pistón vuelve a subir. Los puertos de escape se cierran.
- Carrera de admisión: El manguito gira en sentido contrario. Expone los puertos de entrada de aire. El pistón desciende. Aspira aire fresco. La funda se mueve para cerrar el puerto de entrada. El proceso se repite.
Multiplica eso por varios cilindros. Añade un cigüeñal. Tienes un motor con válvula de manguito.
Si suena complicado, lo es. Una de las principales críticas a estos motores fue su complejidad. Tiene sentido cuando ves el proceso en acción. Mira vídeos para visualizarlo.
Por qué es importante la eficiencia volumétrica
Entonces, ¿por qué andar con un motor tan complicado? Tenían mucha sed de aceite lubricante. No les agradaban las impurezas como la arena.
La respuesta es la eficiencia volumétrica.
Estos motores son mucho mejores que los motores normales para hacer entrar y salir aire de la cámara de combustión. La disposición de los puertos proporciona mejores características de turbulencia. Eso es ingeniería para crear aire turbulento. La mezcla de aire y combustible se quema de manera más eficiente.
“La válvula de manguito, por otro lado, utiliza un manguito deslizante, a veces giratorio, para controlar la cantidad de aire y combustible que se detona con cada carrera de compresión”.
Charles Yale Knight no era sólo el hijo de un granjero de Indiana con un cuaderno. Era un hombre que odiaba el ruido. Alrededor de 1901, compró un automóvil Knox de tres ruedas principalmente para desplazarse a su diario agrícola. El ruido mecánico de los segmentos del pistón y de las válvulas de asiento era insoportable. Arruinó su paz. Entonces hizo lo que hacen los ingenieros cuando están molestos. Construyó un motor más silencioso.
Con dinero en efectivo de un patrocinador adinerado, Knight no se limitó a modificar un diseño. Reinventó el tren de válvulas. En 1906, presentó el “Silent Knight” en el Salón del Automóvil de Chicago. Era una máquina de 4 cilindros y 40 caballos de fuerza que desafiaba el status quo.
La ingeniería era elegante en su sencillez. La mayoría de los motores de la época usaban válvulas de asiento, esas pequeñas estructuras en forma de martillo que se abren y cierran. Eran ruidosos. Eran frágiles. Requerían ajustes frecuentes. ¿La solución de Knight? Dos camisas por cilindro.
Piense en ello como un pistón dentro de un pistón. La funda interior se deslizó dentro de una funda exterior. El pistón real se movió dentro de esa manga interior. El flujo de gas no estaba controlado por las trampillas que se abrían. Estaba controlado por el movimiento físico de estas mangas. El resultado fue exactamente lo que prometía el nombre: silencio.
Los fabricantes de automóviles nacionales lo ignoraron. ¿Por qué? Porque estaban atrapados en la fabricación de válvulas de asiento. La infraestructura, las herramientas, la experiencia, todo apuntaba a la antigua usanza. El Silent Knight era superior en durabilidad y reducción de ruido, pero la industria simplemente no cedió.
Al otro lado del Atlántico, la historia fue diferente.
Las mejoras en el diseño llamaron la atención de los fabricantes británicos. Daimler en Inglaterra (la empresa original, mucho antes de la fusión de Mercedes-Benz) adoptó la tecnología. No fue sólo una novedad. Fue una declaración. Otras marcas siguieron su ejemplo. Al final, Willys en Estados Unidos se impuso, al igual que Mercedes-Benz y Rolls-Royce. Si querías un lujo tranquilo en la década de 1910 y principios de la de 1920, compraste un motor Knight.
Pero el progreso no se detiene. En la década de 1920, la arquitectura de las válvulas de manguito comenzó a evolucionar. El diseño de doble manga de Knight era robusto, pero pesado. Complejo. Caro de mecanizar.
Introduzca el diseño de una sola manga.
Empresas como Burt-McCollum simplificaron la mecánica. Una manga en lugar de dos. Encendedor. Menos fricción. Más barato de producir. Para los fabricantes del mercado masivo, la economía era innegable. El diseño del Knight estaba siendo superado por sus propios sucesores.
Luego vinieron las alas.
Los fabricantes de motores como Bristol y Rolls-Royce tomaron los conceptos refinados de válvulas de manguito y los llevaron a la aviación. El motor de pistón del avión necesitaba confiabilidad en altitud y una entrega de potencia suave. Las válvulas de manga ofrecían un área de válvula grande en relación con su tamaño, lo que permitía una mejor respiración a altas RPM. No sufrieron el mismo estrés térmico que las válvulas de asiento.
La válvula de manguito no murió por incompetencia. Fue superado por la eficiencia y el ahorro de peso. Pero por un breve momento dominó el mundo del automóvil de alta gama y luego conquistó los cielos.
¿Por qué fallaron las válvulas de manguito en la producción en masa?
La razón principal por la que las válvulas de manguito desaparecieron del garaje del conductor promedio no fue una falla técnica
Harry R. Ricardo no necesitó una sala de conferencias para aprender ingeniería. Nacido en Londres en 1885, el hombre que más tarde se convertiría en Sir Harry Ricardo pasó su niñez metido hasta las rodillas en un taller mecánico local. Absorbió la mecánica del movimiento y luego se llevó ese conocimiento crudo a casa para construir sus propios motores. Mirando hacia atrás, Ricardo admitió que esos primeros intentos fallidos le enseñaron más sobre la fabricación real que cualquier educación formal.
Creció hasta convertirse en un triunfador incurable. Durante la Primera Guerra Mundial, modificó los motores de los tanques para ayudar a romper el punto muerto. Fue pionero en el sistema de clasificación de octanaje que todavía utilizamos hoy para calificar la calidad del combustible. Pero su contribución a la Segunda Guerra Mundial fue posiblemente la más significativa desde el punto de vista mecánico.
La solución de válvula de manguito al dominio de la Luftwaffe
En 1941, la Royal Air Force estaba sufriendo una paliza. El Spitfire británico, el pilar de su fuerza de combate, fue superado por el Focke-Wulf Fw 190 de Alemania. Los aviones alemanes lanzaron ataques terrestres a baja altitud casi con impunidad. Nada podría atraparlos. Nada, hasta que el Hawker Typhoon entró en servicio en 1942.
El Typhoon era una bestia. Estaba propulsado por un motor Napier Sabre de 2180 caballos de fuerza con un diseño de motor de válvula de manga. Ricardo había teorizado en la década de 1920 que los motores de avión con válvulas de manguito podían generar relaciones de compresión más altas que los motores comparables con válvulas de taqué, lo que resultaba en una mayor potencia. Tenía razón.
El par adicional le dio al Typhoon la capacidad de levantarse y ponerse en marcha no sólo para derribar a los intrusos de la Luftwaffe sino también para transportar bombas. Más adelante en la guerra, los Typhoon equipados con bombas y cohetes resultaron fundamentales. Apoyaron a las fuerzas terrestres aliadas mientras el lazo se estrechaba alrededor de los nazis.
“Cuando era niño, siempre me fascinaron los motores y los movimientos mecánicos en general y, sobre todo, el gran misterio de cómo se hacían realmente esas cosas… Mirando hacia atrás, creo que aprendí más valor real de estos primeros y muy toscos intentos de diseño y fabricación que de cualquier otra cosa”.
Por qué la tecnología de válvulas de manguito es importante para los mercados en desarrollo
A pesar de su ejemplar historial militar, el motor de válvulas de camisa se enfrentó a una dura prueba de la realidad. Se acercaban los motores a reacción. Dominarían la aviación comercial y militar en los años de la posguerra. La época dorada del motor de combustión interna para la aviación prácticamente había terminado.
Pero el legado no desapareció. Los entusiastas conmemoraron la tecnología en modelos construidos en casa y archivos en línea. Algunos modelos de aviones voladores todavía utilizan versiones en miniatura. Y ahora, la tecnología puede estar experimentando un resurgimiento en los mercados automotrices más grandes y de más rápido crecimiento del mundo.
¿Es el motor de válvula de manguito un callejón sin salida en la evolución?
Veamos el ciclo más amplio. Hollywood recicla viejos conceptos cuando las ideas se agotan. La industria automotriz también lo hace. Los coches eléctricos eran un gran problema antes de que el motor de arranque eléctrico hiciera práctica la combustión interna. Los aparatos eléctricos desaparecieron hasta que las preocupaciones medioambientales los sacaron de la tumba a principios de siglo.
El mismo patrón podría estar desarrollándose con el motor de válvula de manguito para aplicaciones automotrices modernas.
Pinnacle Technologies, con sede en San Carlos, California, está apostando por la demanda reprimida de transporte limpio y barato en Asia. Están desarrollando una interpretación moderna de la válvula de manguito. Su motor es un diseño de pistones opuestos, encendido por chispa (SI) de cuatro tiempos.
El fundador Monty Cleeves afirma que el motor patentado produce una mejora de eficiencia del 30 al 50 por ciento con respecto a los motores de combustión interna actuales.
“Esta tecnología de motor proporciona la economía de combustible y las emisiones de CO2 de un híbrido a un precio que todo el mundo puede permitirse”
A Pinnacle no le preocupa que los vehículos eléctricos (EV) hagan que su tecnología quede obsoleta pronto. Ven una gran oportunidad en mercados de rápido crecimiento como India y China. Estas naciones en desarrollo quieren frenar las emisiones de gases de efecto invernadero y al mismo tiempo mejorar los niveles de vida mediante la propiedad de vehículos de motor. Los vehículos eléctricos y los híbridos todavía tienen una prima de precio significativa.
La válvula de manguito rediseñada de Pinnacle actúa como una “tecnología puente”. Ofrece un término medio hasta que la electricidad sea asequible para todos.
La empresa ha conseguido varios millones de dólares en capital riesgo. Están buscando un acuerdo de licencia con un fabricante de automóviles asiático. Se esperaba que la producción comenzara en 2013. Queda por ver si ese cronograma se mantuvo o si desde entonces la tecnología ha encontrado un hogar permanente en la cadena de suministro global. Pero la promesa central permanece: alta eficiencia, bajo costo y un diseño basado en una idea centenaria de un niño al que le gustaba desarmar máquinas.
