¿Qué hace un árbol de levas?

En el corazón de todo motor de combustión se encuentra el árbol de levas, un componente cuyo papel es crucial pero a menudo subestimado. Es esencial reconocer que esta pieza de genio ingenieril influye directamente en el rendimiento y la eficiencia del motor.

Fundamentos del árbol de levas

Las piezas clave de cualquier árbol de levas son los lóbulos. Al girar el árbol de levas, los lóbulos abren y cierran las válvulas de admisión y escape al ritmo del movimiento del pistón. Resulta que existe una relación directa entre la forma de los lóbulos y el comportamiento del motor en diferentes rangos de velocidad.

Para entender por qué ocurre esto, imagine que hacemos funcionar un motor extremadamente despacio —a solo 10 o 20 revoluciones por minuto (RPM)— de modo que al pistón le lleve un par de segundos completar un ciclo. En la práctica sería imposible hacer funcionar un motor normal a esa velocidad, pero imaginemos que pudiéramos. A esa velocidad lenta, querríamos lóbulos con una forma tal que:

• Justo cuando el pistón comienza a moverse hacia abajo en la carrera de admisión (llamado punto muerto superior, o PMS), se abriría la válvula de admisión. La válvula de admisión se cerraría justo cuando el pistón llega al fondo.
• La válvula de escape se abriría justo cuando el pistón llega al fondo (llamado punto muerto inferior, o PMI) al final de la carrera de combustión, y se cerraría cuando el pistón completa la carrera de escape.

Esta configuración funcionaría muy bien para el motor mientras funcionara a esta velocidad muy lenta. Pero ¿qué ocurre si se aumenta el régimen? Averigüémoslo.

Al aumentar el régimen, la configuración de 10 a 20 RPM para el árbol de levas no funciona bien. Si el motor gira a 4.000 RPM, las válvulas se abren y cierran 2.000 veces por minuto, o 33 veces por segundo. A estas velocidades, el pistón se mueve muy rápido, por lo que la mezcla de aire y combustible que entra en el cilindro también se mueve muy rápido.

Cuando se abre la válvula de admisión y el pistón inicia su carrera de admisión, la mezcla de aire y combustible en el conducto de admisión comienza a acelerarse hacia el cilindro. Cuando el pistón llega al fondo de su carrera de admisión, la mezcla se mueve a gran velocidad. Si cerráramos la válvula de admisión de golpe, toda esa mezcla se detendría y no entraría en el cilindro. Al dejar la válvula de admisión abierta un poco más, el momento de la mezcla en movimiento sigue empujando aire y combustible hacia el cilindro mientras el pistón inicia su carrera de compresión. Así, cuanto más rápido va el motor, más rápido se mueve la mezcla y más tiempo queremos que permanezca abierta la válvula de admisión. También queremos que la válvula se abra más a altas velocidades: este parámetro, llamado alzado de válvula, lo determina el perfil del lóbulo.

La animación anterior muestra cómo un árbol de levas normal y uno de rendimiento tienen un sincronismo de válvulas diferente. Observe que los ciclos de escape (círculo rojo) y admisión (círculo azul) se solapan mucho más en el árbol de levas de rendimiento. Debido a esto, los coches con este tipo de leva tienden a funcionar de forma muy irregular al ralentí.

Cualquier árbol de levas solo es perfecto a una velocidad del motor. A cualquier otra velocidad, el motor no rinde a su máximo potencial. Por tanto, un árbol de levas fijo siempre es un compromiso. Por eso los fabricantes han desarrollado sistemas para variar el perfil de la leva a medida que cambia la velocidad del motor.

Existen varias disposiciones diferentes de árboles de levas en los motores. Hablaremos de algunas de las más comunes. Seguramente habrá oído la terminología:

En la siguiente sección veremos cada una de estas configuraciones.

En los motores de uno o dos árboles de levas en cabeza, las levas son accionadas por el cigüeñal mediante una correa o cadena llamada correa de distribución o cadena de distribución. Estas correas y cadenas deben sustituirse o ajustarse a intervalos regulares. Si se rompe una correa de distribución, la leva dejará de girar y el pistón podría golpear las válvulas abiertas.

Algunos coches utilizan un dispositivo que puede adelantar la distribución de válvulas. Esto no mantiene las válvulas abiertas más tiempo; en cambio, las abre y las cierra más tarde. Se consigue girando el árbol de levas unos grados por delante. Si las válvulas de admisión normalmente se abren a 10 grados antes del punto muerto superior (PMS) y se cierran a 190 grados después del PMS, la duración total es de 200 grados. Los tiempos de apertura y cierre se pueden desplazar con un mecanismo que hace girar la leva ligeramente por delante mientras gira. Así, la válvula podría abrirse a 10 grados después del PMS y cerrarse a 210 grados después del PMS. Cerrar la válvula 20 grados más tarde es bueno, pero sería mejor poder aumentar la duración durante la que la válvula de admisión está abierta.

Ferrari tiene una forma realmente ingeniosa de hacerlo. Los árboles de levas de algunos motores Ferrari están tallados con un perfil tridimensional que varía a lo largo del lóbulo. En un extremo del lóbulo está el perfil menos agresivo y en el otro, el más agresivo. La forma de la leva combina suavemente estos dos perfiles. Un mecanismo puede deslizar lateralmente todo el árbol de levas para que la válvula entre en contacto con distintas partes de la leva. El eje sigue girando como un árbol de levas normal, pero al deslizar gradualmente el árbol de levas lateralmente a medida que aumentan la velocidad y la carga del motor, la distribución de válvulas se puede optimizar.

Varios fabricantes de motores están experimentando con sistemas que permitirían una variabilidad infinita de la distribución de válvulas. Por ejemplo, imagine que cada válvula tuviera un solenoide que pudiera abrirla y cerrarla mediante control informático en lugar de depender de un árbol de levas. Con este tipo de sistema se obtendría el máximo rendimiento del motor a cualquier régimen. Algo que esperar en el futuro...