Primero, probablemente sea importante revisar qué hacen las válvulas y cómo se supone que funcionan en un motor de combustión interna de cuatro tiempos.
¿Qué hacen las válvulas?
Esencialmente hay válvulas de admisión y válvulas de escape con un mínimo de una de cada por pistón, pero los autos F1 (y muchos autos modernos de carretera) usan dos de cada uno. La siguiente descripción usará "válvula" en singular, pero debe entenderse que en los motores de varias válvulas, las válvulas funcionan en sincronía, es decir, si el motor tiene una o dos válvulas de admisión, están en la misma posición en cada instantáneo en el tiempo
La válvula de admisión permite que la mezcla de combustible / aire entre en el cilindro a medida que el pistón se mueve hacia abajo (lejos de la válvula) y luego se cierra para que la mezcla pueda ser comprimida por el pistón ascendente. Luego se enciende por una chispa y la mini explosión resultante empuja el pistón hacia abajo. Ese es el golpe de poder. Finalmente, el pistón vuelve a subir cuando la válvula de escape se abre y el gas de escape sale del cilindro.
Cómo trabajan ellos
Como debería ser obvio por la descripción anterior, las válvulas deben estar exactamente sincronizadas con la operación de los pistones que se mueven hacia arriba y hacia abajo. Si se salieran de la sincronización, el motor tendría menos potencia (si están ligeramente fuera de sincronización), o no funcionaría en absoluto (si están muy fuera de sincronización) o destruiría el motor haciendo que los pistones chocaran las válvulas, doblar o romper las válvulas (en algunos diseños). Durante muchas décadas, y hasta el momento actual, la mayoría de los motores usan levas para empujar la válvula hacia abajo (abriéndola) y resortes para cerrar la válvula nuevamente. Es económico, confiable, eficiente y un diseño bien probado, pero existen limitaciones.
¡Vamos a correr!
Cuando las velocidades del motor aumentan, las válvulas tienen que ir más rápido. Un automóvil F1 está diseñado para rotar hasta 15,000 RPM de acuerdo con las regulaciones actuales; Los autos de temporadas anteriores se aceleraron aún más. Los automóviles típicos que circulan por carretera tienen una "línea roja" en torno a la mitad. ("Línea roja" se refiere a una línea roja real en el tacómetro que pretende indicar "si va más allá de este punto, es probable que se produzcan daños graves en el motor"). Cuando un motor gira tan rápido, el resorte se convierte en un problema. Primero, debe actuar muy rápidamente. Podemos hacer que cierre la válvula más rápido usando un resorte más rígido, pero luego necesitamos gastar más energía comprimiendo el resorte cada vez que la leva gira para cerrar la válvula. Además, se descubrió que a ciertas velocidades del motor cerca de la frecuencia de resonancia del resorte, las válvulas no se cierran tan rápido como deberían, por lo que algunos motores de carrera usan dos o tres resortes concéntricos con diferentes frecuencias de resonancia para superar esto.
Primavera en París
Un enfoque utilizado originalmente por Renault con éxito (sí, sé que en realidad no tienen su sede en París, pero no pude resistirme a usar el encabezado) y poco después, todos los fabricantes de motores de F1 fueron una válvula neumática. Esencialmente, es solo un diafragma lleno de un gas inerte como el nitrógeno que actúa como un resorte, pero más rápido. También tienen la ventaja de un peso más bajo, que siempre es de interés para los ingenieros de carreras. Tenga en cuenta que, si bien las válvulas neumáticas podrían usarse a RPM más bajas, el problema que deben resolver es a tan altas RPM muy por encima de las que el sedán familiar podría soportar, por eso no se usan (todavía) en la carretera coches. También hay un sistema llamado " desmodrómico"que esencialmente usa dos lóbulos de leva: uno para abrir la válvula y otro para cerrarla. Que yo sepa, nunca se ha usado en la F1 (¡ Perdóname Fangio, porque he pecado! El Mercedes-Benz W196 de 1954 empleó desmodrómico válvulas.), y el usuario principal es Ducati en sus motocicletas. Esto ya es lo suficientemente largo, así que no describiré esa aquí.
¿Podemos hacerlo aún mejor?
El sistema de levas que he estado describiendo funciona bien, pero es un compromiso. El tiempo y la duración de los períodos en que cada válvula está abierta está determinada por la forma de los lóbulos del árbol de levas y la velocidad del motor. En algún punto del rango de RPM del motor, un árbol de levas en particular proporciona la duración y la sincronización óptimas, pero solo en ese punto. Para cualquier otra velocidad del motor, será subóptima en términos de eficiencia o potencia o ambas. Idealmente, querríamos un mejor control de las válvulas para asegurar configuraciones ideales en más de un valor de RPM específico.
¿Cómo podemos mejorar el control de la válvula?
Hay varias formas de abordar esto. Una manera simple de hacerlo es tener dos lóbulos de leva por válvula y usar un actuador que cambie cuál realmente abre la válvula. Eso es esencialmente exactamente lo que hace el sistema VTEC de Honda . Podemos hacerlo aún mejor variando continuamente la sincronización de la leva, que es lo que hacen los sistemas VVT-i de Toyota, VANOS de BMW y Variocam de Porsche. Todos tienen la capacidad de variar ligeramente la sincronización de la leva para que el motor funcione a la potencia máxima en un rango mucho más amplio de velocidades del motor.
Eso es bueno, pero podemos imaginar ir aún más lejos. Aún mejor sería eliminar la cámara por completo y usar, por ejemplo, un solenoide bajo control de la computadora. Obviamente, tanto el solenoide como la computadora que lo controla tendrían que duplicar con precisión el tiempo que las cámaras proporcionan actualmente de forma mecánica, pero tiene una ventaja potencial significativa tanto en el ahorro de peso como en el control extremadamente flexible que permite ajustes dinámicos momento a momento. de la sincronización de la válvula. Sin embargo, esto ha resultado muy difícil de lograr de manera confiable, por lo que aún no se han producido motores de producción que utilicen este tipo de tecnología. Se rumorea que Koenigsegg está cerca, pero pocos de nosotros podremos pagar uno de esos.
¿Qué sistema de válvula variable se usa en F1?
La respuesta puede sorprenderte: ninguno de ellos . Si lees el Reglamento Técnico de Fórmula 1 de 2016 (¿y quién no?) Verás esto:
5.9.2 La sincronización variable de válvulas y los sistemas de perfil de elevación de válvula variable no están permitidos.
Conduce orgulloso!
Entonces ahí lo tienes. Si bien existe una gran tecnología en los motores F1, incluidos los "muelles" de válvulas neumáticas, puede conducir con suficiencia por la calle en su Honda Prelude 1999 de color gris con el guardabarros perdido y el capó abollado sabiendo que su motor realmente incorpora tecnología que no el auto F1 actual tiene una sincronización variable de válvulas.