Análisis Técnico – Válvulas

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En los motores de combustión interna pueden existir dos tipos de válvulas: las válvulas de admisión, encargadas de permitir la entrada de gases frescos al cilindro y las válvulas de escape, las que a su vez permiten la salida de los gases quemados al exterior.

Ambas funcionan por un accionamiento mecánico acoplado al cigüeñal del motor a través de un mecanismo de engranajes, de cadena y catalina, o de correa y polea dentadas, que garantiza el adecuado sincronismo entre el movimiento del pistón y el momento de la apertura y cierre de las válvulas, debido a que son mecanismos de transmisión sin patinaje. El mecanismo de transmisión señalado, hace girar un árbol con levas llamado árbol de levas.

En el árbol de levas existe una leva por cada una de las válvulas, estas levas accionan sendos empujadores o pulsadores los que en el extremo opuesto a la leva se apoyan los vástagos de las válvulas, de manera que cuando el árbol de levas gira, la leva mueve el empujador y este a su vez acciona la válvula y la abre, un resorte recuperador se ocupa de cerrarla “siguiendo” el perfil de la leva. Cabe añadir que para el motor de cuatro tiempos, el árbol de levas gira la mitad de las vueltas que el cigüeñal debido a que el ciclo de trabajo se completa por cada dos vueltas de este.

En esta imagen se ilustra como actúa la leva-válvula para uno de los tipos de montaje de estos sistemas, conocido como válvulas en L o laterales, pese a que hayan quedado prácticamente en desuso. Sin embargo, para mas claridad en la explicación el vástago de la válvula ha sido cortado. El árbol de levas al girar hará que la leva empuje el pulsador y este a su vez moverá hacia arriba la válvula venciendo la fuerza del resorte recuperador. El regulador o comúnmente el uso de un tornillo, es necesario para compensar el desgaste de las piezas en contacto por el uso y para establecer una pequeña holgura que debe existir entre el pulsador y la válvula, debido al cambio de longitud del vástago de esta entre fría y caliente. Este tornillo de regulación de la holgura no es necesario en los sistemas hidráulicos.

El cuerpo de la válvula tiene forma de hongo, con un vástago largo y de poco diámetro que termina en un platillo de mucho mayor diámetro que se acopla al vástago mediante un cono de transición. En el platillo se ha elaborado un asiento fino y también cónico, que se apoya en un borde en el orificio de entrada de gases del cuerpo del motor y sirve para cerrarlo. En la parte superior del vástago hay una ranura de fijación que sirve para sujetar la válvula al collar superior a través de unas cuñas en cuyo interior tienen un saliente que se ajusta a la ranura del vástago. Las cuñas exteriormente son cónicas para alojarse de manera segura dentro del cono interior del collar. Este collar a su vez es el tope del resorte de recuperación que no se muestra en la figura.

Cuando la válvula se monta en el collar, el vástago de ésta sobresale por encima, y allí es donde recibe el empuje del pulsador o taqué. Las válvulas están construidas de aceros especiales endurecidos, especialmente las de escape, que trabajan en el ambiente corrosivo y caliente de los gases quemados. A los vástagos de ambas válvulas no puede llegar el aceite del motor, porque a las temperaturas de trabajo de estos, el aceite se descompone y forma lacas sólidas que pueden terminar atascando la válvula. Además de resultar en un consumo excesivo de aceite, por eso todas están provistas de un aditamento de sellaje que impida al aceite llegue a la válvula.

Las válvulas se accionan con un árbol de levas a través de un pulsador y, en el desarrollo del motor, éstas, y su mecanismo de accionamiento, han ido cambiando de posición y de diseño dentro del bloque por diferentes razones:

Válvulas en L o laterales

Este método de sistema de válvulas por sencillez fue el primero en utilizarse, pero tiene fuertes desventajas que hicieron que fuera abandonado por el uso de las válvulas a la cabeza. Hoy en día todavía pueden encontrarse pequeños motores monocilíndricos dotados de ese tipo de válvulas.

En este mecanismo el árbol de levas se mueve por la acción de un par de ruedas dentadas desde el cigüeñal ya que la distancia del cigüeñal al árbol de levas es corta y puede cubrirse perfectamente con engranajes. El empujador se apoya directamente en el árbol de levas, y a continuación, arriba está la válvula, que se mueve en una guía montada en el bloque motor.

El resorte se monta en una apertura apropiada dentro del mismo bloque. Además de la simplicidad inherente al mecanismo, se tiene la ventaja adicional de que por la posición vertical y hacia abajo de la válvula, el aceite está por diseño eliminado como problema.

Esta solución tiene el inconveniente de que resulta imprescindible un espacio sobre la válvula para permitir su movimiento. Este espacio inevitable resulta parte del volumen de la cámara de combustión, lo que implica que el volumen final sea relativamente grande, afectando la posibilidad de obtener relaciones de compresión elevadas que son claves para mejorar la eficiencia del motor.

Inicialmente este problema no ha sido tan importante debido al octanaje bajo de las gasolinas que impedían relaciones de compresión altas. Esto se convirtió en un problema grave ya que los carburantes fueron mejorando en ese sentido y con este método no podían aprovecharse plenamente para mejorar la eficiencia del motor. Por esta razón, los ingenieros de la industria fabricaron las válvulas a la cabeza que permiten reducir notablemente el volumen de la cámara de combustión.

Cabe aclarar que es muy necesario para un buen funcionamiento del motor acoplar el engranaje de mando del árbol de levas adecuadamente con el del cigüeñal para lograr el exacto tiempo de apertura y cierre de las válvulas de acuerdo a la posición del pistón.

Válvulas a la cabeza

En este caso el árbol de levas también está acoplado al cigüeñal por medio de un engranaje, pero las válvulas son accionadas a través de un mecanismo mas complejo. Los pulsadores siguen el perfil de las levas donde hay unas varillas relativamente largas que accionan piezas en forma de balancín. Este balancín pivota cerca del centro y en el extremo opuesto acciona la válvula.

Con esta nueva disposición se puede lograr una ostensible disminución de la cámara de combustión, ya que la cabeza de la válvula puede moverse hacia el espacio dejado por el pistón cuando baja en la carrera de admisión, durante la apertura, y se cierra durante la carrera de compresión, por lo que nunca estaría en el camino del pistón en su movimiento. Se puede decir que las válvulas “persiguen” al pistón para ocupar el espacio dejado por este en la cámara de combustión. Se entiende la importancia de acoplar los engranajes del cigüeñal y el árbol de levas de manera precisa o de lo contrario se corre el riesgo del choque entre válvulas y pistón con consecuencias desastrosas para el motor.

El principal inconveniente de este sistema es el peso de todo el conjunto, ya que a las válvulas en L se le han agregado las varillas y los balancines. Este peso adicional se convierte en un problema cuando sube la velocidad de giro del motor, debido a que la inercia del mecanismo puede llegar a ser tal que el procedimiento no pueda seguir el perfil de las levas. Hay que tener en cuenta que un motor actual que pueda girar a más de 7000rpm el tiempo total del proceso de apertura y cierre de las válvulas es muy breve, lo que implica una alta velocidad de movimiento de las piezas que tienen en general un movimiento reciprocante.

Este asunto, junto con la tendencia de los motores a ser cada vez mas rápidos ha hecho que sus problemas inerciales se convirtieran en una limitante del desarrollo. Pero la limitante estaba en el peso, no en la posición de las válvulas, ya que este método había demostrado su efectividad en el incremento de la eficiencia del motor. Por ello, los fabricantes comenzaron a pasar al árbol de levas sobre cabeza del motor, accionando directamente las válvulas sin varillas ni balancines intermedios y así la velocidad de giro podía seguir incrementando.

Árbol de levas sobre cabeza

Como el cigüeñal generalmente está en la parte inferior del motor, el asunto de colocar el árbol de levas en la parte alta del motor para que accione directamente las válvulas, y con ello reducir el peso del mecanismo, incrementa notablemente la distancia entre ellos, por lo que no podía ser posible el uso de un par de ruedas dentadas para transmitir el movimiento. Pero, debido al desarrollo tecnológico y a la posibilidad de cada vez mejores materiales para construir cadenas y correas, se acudió a ellas para salvar el gran espacio intermedio.

En este sistema se eliminan varias piezas del mecanismo tradicional de válvulas a la cabeza, con un árbol de levas que mueve directamente las válvulas con el uso de un empujador hueco en forma de vaso invertido, el que sirve a su vez para evitar la entrada de aceite al vástago de la válvula. En este caso no existe ningún dispositivo para regular la holgura entre válvula y empujador, por lo que esta regulación en caso de ser necesaria se hace cambiando el pulsador por otro de dimensiones adecuadas.

El inconveniente mayor de este modo de trasmisión es la relativa poca durabilidad de la correa, por lo que se debe sustituir como parte del mantenimiento de rutina programado por el fabricante (entre 60000 y 80000km) sin riesgo de fractura y/o choque entre pistones y válvulas. No obstante, como las correas no requieren lubricación, sino todo lo contrario, estar lejos del aceite, éstas siempre están como una pieza externa del motor y su cambio es relativamente fácil.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google, wikipedia

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