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Mecanismo de apertura y cierre de válvulas del motor de
combustión interna
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 residuales al exterior.
Ambas funcionan por un accionamiento mecánico
acoplado
al cigüeñal del
motor
a
través
de un mecanismo de engranes, 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
todos 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. Vale aclarar
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.
La figura 1 ilustra la
acción leva-válvula para uno de los tipos de
montaje de ellas, conocido como válvulas en L o laterales, que
como
veremos más adelante han quedado casi en desuso, aunque por su
simplicidad resulta bueno para la comprensión.
Figura 1. Mecanismo
de empuje de una
válvula.
Figura 2.
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Para
mas claridad el
vástago de la válvula ha sido cortado, observe que 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
(generalmente 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 de empujadores hidráulicos.
Construcción
de las válvulas.
En la figura 2 se muestra la forma típica de una válvula
de motor de
combustión interna, así como las piezas que sirven para
la sujeción.
Observe que 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 maquinado al efecto en el orificio de entrada de
gases del cuerpo del motor y sirve para cerrarlo. En la parte superior
del vástago hay una ranura bajorrelieve que sirve para sujetar
la válvula
al collar superior a través de unas semi-cuñas en cuyo
interior tienen
un saliente que se ajusta a la ranura del vástago. Note que las
semi-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 se monta la válvula con el collar, el vástago de
esta sobresale
un tanto por encima, y allí es donde recibe el empuje del
pulsador,
también conocido como 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. En el esquema no se muestra.
Sistemas de montaje
de las válvulas.
Aunque en todos los casos las válvulas se accionan con un
árbol de
levas a través de un taqué, en el desarrollo del motor,
estas, y su
mecanismo de accionamiento, han ido cambiando de posición y de
diseño
dentro del bloque por diferentes razones. A continuación haremos
una
descripción de los sistemas utilizados que son:
1.- Válvulas en L o
laterales
2.- Válvulas a la
cabeza.
3.- Árbol de levas sobre
cabeza.
Figura 3. Válvula
en L.
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Válvulas en L.
Este método de sistema de válvulas por su simplicidad fue
el primero en
utilizarse, pero tiene fuertes desventajas que hicieron que fuera
abandonado por el uso de las válvulas a la cabeza que se
describen mas
abajo. Hoy en día todavía pueden encontrarse
pequeños motores
mono-cilíndricos dotados de ese tipo de válvulas.
En la figura 3 se muestra
un esquema del montaje de ese tipo de válvulas. Note la
simplicidad del
mecanismo, en él, el árbol de levas se mueve por la
acción de un par de
ruedas dentadas desde el cigüeñal (no representadas) ya que
la
distancia cigüeñal-árbol de levas es corta y puede
cubrirse
perfectamente con engranes. 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 del motor. El resorte se monta
en una
oquedad 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.
Este método, tiene el inconveniente de que resulta
imprescindible un espacio sobre la válvula para permitir su
movimiento.
Este espacio inevitable resulta finalmente 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 era tan importante debido al
octanaje bajo de las gasolinas que impedían relaciones de
compresión altas, pero luego, se convirtió en un problema
grave ya que las gasolinas fueron mejorando en ese sentido y con este
método no podían aprovecharse plenamente para mejorar la
eficiencia del
motor.
Dado este inconveniente, los ingenieros automotrices crearon las
válvulas a la cabeza que permiten reducir notablemente el
volumen de la
cámara de combustión.
Figura 4. Válvulas
a la cabeza.
Figura
5. Animado de las válvulas a la cabeza.
Figura 6.
Accionamiento por correa.
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Resulta
importante 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. Los fabricantes de autos siempre
proporcionan el modo de hacer este acople, lo mas común es el
uso de marcas en las caras de los engranes.
Válvulas a la cabeza.
En el figura 4 se muestra
de forma esquemática el mecanismo completo del accionamiento de
las válvulas a la cabeza, el nombre proviene del hecho de que
estas están en la parte superior de motor.
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. Observe que sobre los
taqués que
siguen el perfil de las levas 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 notable
disminución de
la cámara de combustión, ya que la cabeza de la
válvula puede moverse
hacia el volumen 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" el
pistón para
ocupar el espacio dejado por este en la cámara de
combustión. Se
comprenderá que es muy importante acoplar los engranes 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 método 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 sistema
puede llegar a ser tal, que el mecanismo no pueda
seguir el perfil de las levas. Tenga en cuenta que en un motor actual
que puede girar a mas de 7000 RPM 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 hizo 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. Ante esto, los
fabricantes comenzaron a pasar al árbol de levas sobre cabeza
del
motor, accionando directamente las válvulas sin varillas ni
balancines
intermedios. La velocidad de giro podía seguirse incrementando.
En la figura 5 se muestra un esquema animado de las válvulas a
la cabeza.
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, incrementaba notablemente la distancia entre ellos, por lo
que ya 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 la figura 6 se muestra
un esquema de árbol de levas sobre cabeza accionado por una
correa
dentada para evitar el patinaje. En el esquema puede verse que se usa
una rueda tensora para mantener la tensión en la correa.
Aquí se han eliminado varias piezas del mecanismo tradicional de
válvulas a la cabeza, y el árbol de levas 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. Note que 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
taqué por otro
de dimensiones adecuadas que están disponibles en el mercado.
El
inconveniente mayor de este modo de trasmisión es la relativa
poca
durabilidad de la correa, por lo que debe sustituir como parte del
mantenimiento de rutina programado por el fabricante (normalmente entre
60,000 y 80,000 Km) so pena de su fractura y el riesgo de choque entre
pistones y válvulas.
No obstante, como las correas no requieren lubricación, si no
todo lo
contrario, estar lejos del aceite, estas siempre están como una
pieza
externa del motor y su cambio es relativamente fácil.
Figura 7. Accionamiento
por cadena.
En cuanto a la forma de contacto entre las levas y las válvulas
se
distinguen dos tipos básicos, los de leva sobre vaso invertido
que ya
vimos, y el de palanca pivotante, ambos se muestran a
continuación en
las figuras 8 y 9.
Figura 8. Modo de leva sobre vaso
invertido.
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Figura 9. Modo de leva sobre
palanca pivotante.
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Una vista más real de como funciona el sistema de apertura y cierre de
válvulas la tendrás si ves este video
de 1Mb.
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