Culata.
La integración en el
bloque y la disposición de las válvulas. - Rendimiento, contaminación y coste.
- La culata de los motores Diesel. - Los principales defectos y el
mantenimiento en las culatas modernas.
Parte del motor que cierra los cilindros por su lado superior y en
correspondencia con la cual suelen ir colocadas las válvulas de admisión y de
escape.
La forma y las características de la culata siempre han ido
estrechamente ligadas a la evolución de los motores y, en especial, han venido
condicionadas por el tipo de distribución y por la forma de la cámara de
combustión.
Aunque algunos de los primeros motores para automóviles
presentaban la culata separada del bloque de cilindros, la mayoría de los
constructores prefirió adoptar la solución de culata y cilindros en un bloque
único. De esta forma se conseguía mayor solidez y se evitaba el mecanizado de
las superficies de unión entre la culata y los cilindros, eliminando
simultáneamente cualquier problema de estanquidad.
En lo relativo a la distribución, en los primeros motores de gas
se adoptaron válvulas bilaterales en cabeza, es decir, situadas en 2 filas, con
las de escape frente a las de admisión.
Sin embargo, las mayores velocidades y presiones alcanzadas pronto
sugirieron, para evitar complicaciones de construcción, la adopción de válvulas
de admisión automáticas accionadas por la depresión que se creaba en el
cilindro durante la carrera de admisión. Posteriormente, cuando las velocidades
de rotación aumentaron, este sistema se reveló poco eficiente. En efecto, para
cerrar la válvula era preciso un muelle y, por tanto, una buena parte de la
carrera de admisión se perdía para crear la depresión suficiente para
determinar la apertura de la válvula. Por ello fue necesario adoptar sistemas
de accionamiento también para las válvulas de admisión.
En los primeros automóviles, los mecanismos de accionamiento de
las válvulas sobresalían de las culatas e iban expuestas al aire, tanto por
necesidades de refrigeración como para evitar complicaciones de construcción,
así como para permitir un mantenimiento más fácil. Efectivamente, la acción de
martilleo de la válvula sobre su asiento provocaba una disminución del juego
del sistema de distribución, hasta tal punto que, en aquellos tiempos, en el
curso de un viaje de una duración de un día, se hacía preciso regular, al menos
una vez, el juego de taqués. Esto explica la razón por la cual los
rendimientos, las presiones específicas y los regímenes de rotación eran tan
bajos.
Las culatas se diseñaban principalmente con la finalidad de
facilitar su mantenimiento y esto explica el éxito obtenido desde el principio
por la culata con disposición en T, con las válvulas laterales accionadas por 2
árboles de levas distintos. Esta forma poseía el inconveniente de determinar
una distribución no uniforme de la temperatura, con un lado frío y otro
caliente, lo cual daba lugar a distorsiones. Por este motivo se pasó más tarde
a una disposición en L, con las 2 válvulas del mismo lado y con la bujía
situada en las proximidades de la válvula de admisión, de forma que estuviese
refrigerada por la mezcla entrante.
Hasta el momento en que las culatas fueron separadas de los
cilindros, el acceso a las válvulas se conseguía a través de unos tapones
roscados de latón o de bronce fosforoso. Ello tenía como consecuencia unas
zonas escasamente refrigeradas en correspondencia con el escape. Para obtener
una refrigeración mayor, en los motores con sistema por aire, los tapones se
construían de aleación ligera e iban dotados de aletas.
Sin embargo, la introducción de las culatas separadas de los
cilindros permitió eliminar estos tapones y estudiar con mayor atención la
forma de la cámara de combustión a fin de mejorar el rendimiento.
Entre las formas de elevado rendimiento, hizo escuela la ideada
por Ricardo en torno a 1920, la cual, aunque conservaba las válvulas laterales,
permitía mayor relación de compresión y un buen efecto de turbulencia debido:
squish inducido en el pistón.
El paso siguiente fue el alejamiento de las 2
válvulas, con el fin de evitar la transferencia de calor de los gases de escape
a la mezcla fresca.
El resultado fue una serie de motores con válvula de admisión en
cabeza y válvula de escape lateral, sistema que se empleó hasta no hace mucho
en los Rolls Royce, Bentley y Rover. La bujía se acercó a la válvula de escape
siguiendo la teoría de que el frente de llama se propaga desde el punto más
caliente al más frío. Con esta disposición, las válvulas de escape iban
situadas en el bloque de cilindros.
Las culatas de este tipo eran de construcción bastante sencilla y,
a pesar de que ya se habían experimentado motores con todas las válvulas en cabeza,
se prefirió dejar, durante cierto tiempo, esta solución para los motores
deportivos y de prestaciones elevadas. Esta elección derivó también del hecho
de que, en caso de roturas de las válvulas o de los muelles, el motor no
resultaba dañado gravemente.
Este inconveniente y otros, tales como el desgaste y
agarrotamiento de las guías, que, en aquellos tiempos y con los materiales
empleados, eran bastante frecuentes, hicieron que las culatas con distribución
por válvulas en forma de hongo no fueran las únicas empleadas. Entre los demás
sistemas, baste recordar la distribución sin válvulas, mediante correderas, de
Knight y Burt, que se adoptó especialmente para los automóviles de lujo.
Con el progreso de los materiales y de la técnica, la solución que
se impuso gradualmente fue la de todas las válvulas en cabeza. En efecto,
aunque las culatas con válvulas laterales en el bloque eran de construcción más
sencilla, no permitían alcanzar regímenes de rotación superiores a 4.000
r.p.m., sobre todo debido a la forma de los colectores.
Para simplificar su construcción las válvulas en cabeza se
colocaron inicialmente en posiciones contiguas y paralelas al eje del cilindro.
Sin embargo, esta disposición no permitía emplear válvulas demasiado grandes,
debido a que, por lo general, los motores poseían una carrera grande y un
diámetro reducido. Para aumentar el diámetro de las válvulas, se ensanchó la
cámara de combustión hasta superar las dimensiones del diámetro. También esta
solución fue superada por la introducción de las válvulas inclinadas con cámara
triangular y de las válvulas situadas en V.
En los años sesenta se fue imponiendo progresivamente, también en
los automóviles de serie, la distribución mediante árboles de levas en cabeza
con accionamiento directo de las válvulas o con balancines. Esta solución
proporciona indudables ventajas desde el punto de vista del rendimiento global
del motor, pero presenta mayores dificultades de construcción en la realización
de la culata, que, la mayoría de las veces, se hace desmontable separando el
soporte del árbol de levas de la culata propiamente dicha.
Durante los años setenta los problemas creados por la
contaminación atmosférica y las respectivas normas a que deben atenerse los
motores de los automóviles han impuesto a los fabricantes restricciones cada
vez más rigurosas y, consecuentemente, complicaciones de construcción aún
mayores.
Como ejemplo de lo dicho, baste citar el motor proyectado por la
Honda, capaz de superar los estándares norteamericanos para 1976. Este motor,
denominado CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion) es, en realidad, un motor
del tipo de carga estratificada con cámara de combustión desdoblada, con una
válvula de admisión principal y otra secundaria ara la introducción de la
mezcla en la precámara.
La culata de los motores Diesel.
En la panorámica desarrollada hasta aquí, o se ha hecho mención
alguna acerca de la rama de las culatas de los motores Diesel. Ese tipo de
motor fue aplicado en el terreno automovilístico a principios de los años
treinta, por o que, de entrada, se adoptaron las válvulas en cabeza. Por lo
demás, la culata es de construcción diferente de la de un motor de gasolina
causa de la distinta forma de la cámara de combustión y debido a la presencia
del sistema e inyección.
En el caso de motores de 2 tiempos, la culata suele ser más
sencilla, faltando, salvo casos articulares, las válvulas de admisión y de
escape.
Construcción y materiales.
En el estudio de proyecto de una culata para un motor de
combustión interna moderno existen 3 objetivos principales que el proyectista
trata de alcanzar: buen rendimiento, poca contaminación y bajo costo de
construcción. Estas 3 metas no siempre son compatibles y, frecuentemente,
obligan a soluciones de compromiso. En especial, es probable que la
introducción de normas anticontaminación cada vez más rigurosas, conduzca a
sacrificar el rendimiento y el valor de la potencia máxima. En general, se
estudian la forma y la inclinación de los conductos de admisión y de escape de
forma que se cree la mayor turbulencia inducida en la cámara de combustión, sin
disminuir la velocidad de la carga y, por tanto, el rendimiento
volumétrico.
En particular, la sección transversal de los conductos debe
conservarse constante durante toda su longitud o, como máximo, con pequeñas
conicidades.
Las dimensiones de la cámara de combustión y su forma están
estrechamente relacionadas con la elección de una relación carrera/diámetro
adecuada. Precisamente el problema de la contaminación parece favorecer un
retorno a los motores de carrera larga, es decir, con cámaras compactas, en las
cuales la combustión se desarrolla mejor. Como consecuencia de ello, se reduce
el espacio disponible para las válvulas y, por tanto, es preciso recurrir a una
disposición que permita un mejor aprovechamiento del espacio. Por lo normal, se
considera que la superficie de la válvula de escape debe ser aproximadamente
igual al 60-80 % de la válvula de admisión. En el caso de motores de
prestaciones elevadas se suele recurrir a la complicada solución de adoptar
tres o cuatro válvulas por cilindro. En efecto, la sección efectiva de paso de
dos válvulas pequeñas es considerablemente superior, para una misma elevación,
que la de una sola válvula de superficie igual a la suma de las superficies de
las dos válvulas de diámetro inferior.
Debido a que casi todo el espacio disponible en la cámara se
emplea para colocar convenientemente las válvulas, quedan pocas opciones para
la situación de la bujía que, por encima de todo, debe colocarse teniendo en
cuenta al mismo tiempo la necesidad de desmontaje para su mantenimiento. Sin
embargo, su proximidad a una de las válvulas depende también de las
características de forma de la cámara.
Es preciso recordar que, con frecuencia, la forma de la cámara
está condicionada por exigencias de mecanizado y, por tanto, de economía de
realización. Por ejemplo, para simplificar la construcción en el Alfa Romeo
Alfasud, la culata era plana y la cámara de combustión se hallaba practicada
totalmente en el pistón.
Tras la determinación de los conductos y de la cámara de
combustión, el proyectista efectúa la elección del tipo de mando de la
distribución, por lo general relacionado con consideraciones económicas. La
solución con árbol de levas en cabeza complica la fusión de manera
considerable. En efecto, las almas interiores resultan más complicadas o de
construcción más Costosa. Por ello, en este caso la culata se descompone
frecuentemente en 2 partes: la inferior comprende las cámaras de combustión,
los conductos de admisión y escape y las válvulas, mientras que la superior
lleva los soportes del árbol de levas y las guías para los empujadores o los
bulones de soporte de los balancines.
Se pone un cuidado especial en el estudio de las canalizaciones
para el paso del agua de refrigeración, tanto para simplificar las
realizaciones internas como para obtener un intercambio térmico eficiente y
evitar la formación de puntos calientes en la culata, con las consiguientes
deformaciones Y fenómenos de preencendido de la mezcla, que pueden determinar
la perforación de los pistones.
Un razonamiento análogo vale para el estudio de los conductos que
llevan el aceite de lubricación de las válvulas, balancines y árbol de levas en
cabeza. El retorno de este aceite al cárter tiene lugar a través de los
orificios de las varillas (árbol de levas lateral) o de canalizaciones
adecuadas.
Las culatas se construyen tanto de fundición como de aleación de
aluminio. En los motores más modernos se prefieren generalmente las aleaciones
ligeras, debido a la notable ventaja en términos de reducción de peso y a las
inmejorables características de fusibilidad y disipación del calor. Los soportes
de la distribución se obtienen mediante fusión a presión, que permite realizar
piezas con acabados óptimos y de paredes delgadas. La parte inferior de la
culata se realiza mediante colada en coquilla o, algunas veces, en arena;
experimentalmente se han realizado también por el método anterior.
Las guías de las válvulas se introducen a presión en la culata en
el caso de que ésta sea de fundición. Dichas guías se construyen de fundición,
cuya composición debe estudiarse de acuerdo con el material empleado para las válvulas,
a fin de evitar el peligro de agarrotamiento. Para las culatas de aleación
ligera se emplean guías de bronce, que se adaptan mejor a las dilataciones del
material. También los asientos de las válvulas se introducen a presión en la
culata y, al igual que las guías, se les da su medida definitiva mediante
mecanizados sucesivos una vez introducidos. Dichos asientos se construyen de
fundición o de acero, con un aporte eventual de material resistente a las
temperaturas elevadas y a la corrosión (estelita) en el caso de los asientos de
las válvulas de escape.
Inconvenientes y mantenimiento.
Los inconvenientes que pueden derivar de un procedimiento de
fabricación imperfecto son de varios tipos.
Por defecto de fusión, las culatas pueden presentar grietas o
sopladuras. Las grietas pueden deberse a estados anormales de solicitación
interna del material, motivados por errores de proyecto de la pieza o por una
refrigeración defectuosa del molde de fusión. Las sopladuras o porosidades son
imperfecciones de la colada debidas corrientemente a malas características de
la aleación. En ambos casos pueden producirse, durante el funcionamiento, pasos
de agua al aceite (a los conductos de lubricación) o viceversa, o bien pasos de
agua a la cámara de combustión.
Todos estos defectos son raros y normalmente requieren la
substitución de la culata. Otro defecto de fabricación, y también muy raro en
los automóviles actuales, es el de un mecanizado defectuoso de los planos de unión
entre la enlata y el bloque. También en este caso pueden existir filtraciones
de agua y aceite, siendo además muy fácil quemar la junta de la culata.
En cambio, hay otros defectos que son consecuencia de un
mantenimiento inadecuado o bien de averías producidas en otras partes del
motor. En general, en todos lo motores, después de los primeros 1.500-2.000
km., es preciso verificar el apriete de las tuercas de la culata. Esta
operación es asimismo indispensable después dé toda revisión, siempre que se haya
substituido la junta de la culata. En efecto, la nueva junta, tras cierto
número de horas de funcionamiento, sufre un asentamiento, comprimiéndose por
efecto del golpeteo sobre la culata, debido a la fuerza de compresión
desarrollada por los gases durante la combustión.
Esta operación debe efectuarse con el motor frío, con una llave
dinamométrica y con una acción progresiva siguiendo el orden de apriete
aconsejado por el fabricante.
En general, para los motores en línea, se comienza apretando las
tuercas centra es y, sucesiva y alternativamente, las situadas a la derecha y a
la izquierda de las centrales. Para evitar falsas lecturas provocadas por el
rozamiento inicial, es preciso, una vez efectuado el primer apriete, aflojar
las tuercas un cuarto de vuelta y luego apretarlas nuevamente con el par
indicado. Cuando se efectúa esta operación, es preciso verificar y
eventualmente reponer el juego del sistema de distribución.
La ausencia de un control del apriete de las tuercas de la culata
puede dar lugar a deformaciones, que son más frecuentes en las culatas de
fundición de hierro. El mismo inconveniente puede producirse por
sobrecalentamiento debido a la ausencia de agua o a un funcionamiento
defectuoso del termostato, o bien a la rotura de la bomba de agua, el
ventilador, etc. Como se ha indicado, con la deformación suele llegar a
quemarse la junta de la culata.
Para verificar el planeado de la culata, tras haber desmontado las
válvulas, debe disponerse de un plano de contraste apropiado. En este plano,
sobre el que se habrá esparcido negro de humo, se hace deslizar la culata. Si
la superficie presenta estrías irregulares, es preciso recurrir al rectificado
de la culata. El planeado se efectúa con máquinas especiales, las cuales
arrancan poco material (0,2 mm como máximo).
Otro inconveniente típico que se produce durante el funcionamiento
es el del desgaste progresivo de las válvulas y de sus asientos, en especial
las de escape, que se resienten particularmente debido a la corrosión de los
gases de escape.
También las guías pueden agarrotarse o desgastarse de forma
excesiva con efectos incluso sobre la estanquidad de las propias válvulas.
Además, con el uso progresivo del motor, se tiene un continuo
depósito de incrustaciones en la cámara de combustión, que a su vez, dejan
sentir su efecto sobre el rendimiento o pueden impedir el perfecto cierre de
las válvulas.
En todos estos casos, el rendimiento del motor es imperfecto; en
particular, cuando la estanquidad de las válvulas, por varios motivos, deja de
ser completa, se tienen dificultades de las válvulas para el arranque en frío,
ciclos irregulares, retornos de llama, motor que no funciona bien al mínimo,
etc. En cualquier caso se hace necesaria una operación de revisión de culata.
CULATA CALIENTE (Motor de):El motor de culata
caliente o incandescente presenta un; tipo particular de autoencendido que, por
su sencillez y economía, encuentra aplicación en las instalaciones fijas y en
el sector agrícola.
En su construcción, estos motores son muy similares a los Diesel,
diferenciándose de ellos por su menor relación de compresión que, en sí misma,
no es suficiente para provocar el autoencendido de la mezcla de aire y
combustible. En efecto, éste se produce debido a la presencia de un punto
caliente constituido por un casquete (en forma de cámara pequeña, técnicamente
aislada y carente de refrigeración), en cuya dirección se inyecta el
combustible. En contacto con la superficie sobrecalentada, el combustible se
vaporiza, aumentando la compresión, y se inflama. El ciclo termodinámico se
acerca mucho al de Otto ya que, contrariamente al caso Diesel, la combustión se
produce prácticamente a volumen constante.
Un tipo más moderno de motor de culata caliente es el denominado
semidiesel. Funciona según el ciclo de Diesel normal, pero posee la culata sin
refrigeración, con el fin de provocar un calentamiento previo del aire, antes
de que comience la inyección de combustible. Para facilitar la puesta en marcha
en frío, en la culata de estos motores va alojada una bujía, con el fin de
permitir el funcionamiento con gasolina durante el calentamiento.
Los motores de culata caliente presentan, con relación a los
demás, ventajas de economía considerables, debido a la posibilidad de emplear
varios combustibles, incluso de tipo no refinado, y a su gran sencillez en la
construcción.
En efecto, el encendido por culata
caliente permite relaciones de compresión más pequeñas, es decir, menores
solicitaciones en los órganos en movimiento, permitiendo que funcionen con
autoencendido los motores de 2 tiempos con cárter seco, a pesar de que este
esquema no alcanza por si mismo las presiones necesarias para desarrollar el
ciclo de Diesel.