La Culata

LA CULATA

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.

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.

Constitución y partes:

Casi la totalidad de los motores refrigerados por agua están provistos de una culata independiente. Se une a él por medio de tornillos dispuestos de forma adecuada. Estos aseguran la unión e impiden deformaciones por la acción del calor y de la presión.

La culata acopla al bloque motor una junta de amianto. Esta realiza una unión entre ambos que impide la fuga de gases de la compresión o del líquido refrigerante.

Los huecos (B) labrados en la culata, forman las cámaras de combustión, que es donde están los gases encerrados al final de la compresión. Rodeando a estas cámaras hay unas cavidades, que comunican con las camisas de agua del bloque a través de orificios (C), por los que llega el líquido refrigerante. En la cámara de combustión, se dispone un orificio roscado (D) en el que se aloja la bujía. En los motores diesel se prevé el acoplamiento del inyector y en algunos una precámara. También en la cámara de combustión, se sitúan las válvulas de escape (E) y de admisión (A), labrándose en la culata los oportunos conductos de llegada y evacuación de gases.

MATERIALES DE FABRICACIÓN DE LAS CULATAS. VENTAJAS E INCONVENIENTES.

Se fabrica generalmente de fundición aleada con otros materiales, que añaden características de resistencia, rigidez y conductividad térmica. En otras ocasiones se usan aleaciones de aluminio. Este material combina la ligereza con un alto grado de conductividad térmica. Esta característica es muy deseable. Asegura que el calor de la combustión sea evacuado al exterior, evitándose la formación de puntos calientes que pueden ocasionar la detonación. Se logra con estas culatas elevar la relación de compresión, con la mejora del rendimiento del motor. En los motores refrigerados por aire, la culata suele formar parte del mismo cilindro y en ocasiones es desmontable.

TEORÍA DE LAS VÁLVULAS

Las válvulas tienen la misión de permitir la entrada y salida de gases al cilindro en los momentos adecuados de cada fase, cerrando herméticamente los conductos de acceso y evacuación de la cámara de combustión durante el tiempo restante del ciclo. Dado su funcionamiento, están sometidas a grandes solicitaciones mecánicas y térmicas.

La válvula, esta formada por dos partes fundamentales: la cabeza o plato (6), que aplicándose en su asiento en la cámara de combustión cierra el conducto de entrada o salida, y el vástago o cola (7), que sirve para guiar el movimiento y transmitir a la cabeza la carga del muelle de retención (3), al que se fija con las medias chavetas (1), que disponen unos resaltes internos, que encajan en la escotadura dispuesta en el vástago de la válvula, quedando en posición por medio del platillo (2). Estas escotaduras suelen ser diferentes para las válvulas de admisión y para las de escape.

El vástago de la válvula se desliza sobre una guía (8) de fundición, que suaviza el rozamiento y atenúa el desgaste debido al funcionamiento de la válvula. Dicha guía se monta a presión en la culata. El juego u holgura entre la cola de la válvula y su guía debe ser el adecuado a fin de impedir que pase aceite a la cámara de combustión a través de ambos. En algunas ocasiones se dispone un retén (4) en forma de anillo de caucho, emplazado en la guía de la válvula. El muelle descansa en la culata sobre el platillo (5) y por su extremo opuesto apoya en este, que a su vez aloja a las chavetas, que forman el sistema de fijación de la cola de la válvula.

La válvula se sitúa en la culata, de modo que el muelle (M), apoyándose por un extremo en la propia culata, tira de la cola de la válvula hacia arriba por medio del platillo (P) y chaveta (H), unidos al vástago en un rebaje apropiado. El empuje transmitido por el muelle, aplica a la cabeza de la válvula (D) contra su asiento (A) en la culata, impidiendo la comunicación entre la cámara de combustión (C) y el colector (B), que solamente se establece cuando la leva (L) presenta su saliente al balancín en su extremo (J), en cuyo caso, empuja por el extremo (K) a la cola de la válvula provocando su apertura.

La estanqueidad de la cámara de combustión se logra disponiendo en la cabeza de la válvula un perfil troncocónico (en la periferia), que generalmente adquiere un ángulo de 45°. Esta superficie apoya en un asiento de conicidad ligeramente menor y de ancho x, que con el funcionamiento y a consecuencia del desgaste normal, se adapta a la superficie de la cabeza de la válvula. Los asientos de válvula suelen ser postizos, con forma de anillo y se montan con interferencia en los alojamientos de la cámara de combustión. En el proceso de montaje se calienta el alojamiento de la culata y se enfría el asiento (zona rayada), montándolo a continuación. Cuando ambos adquieren la temperatura ambiente, el asiento queda aprisionado.

Los asientos de válvula se fabrican en la actualidad de aleaciones especiales de acero, capaces de soportar las elevadas temperaturas a que estarán sometidos. En algunas ocasiones se recubre de estelita (aleación de cobalto, tungsteno y cromo) la superficie de apoyo con la válvula. Las válvulas se abren desplazándose hacia el interior de la cámara de combustión, con lo que se favorece la estanqueidad, dado que la presión de los gases tiende a cerrarlas. La forma de la cabeza de la válvula y su acoplamiento al asiento se realizan de manera que, en consonancia con la alzada, se permita una gran sección de paso al gas y una orientación adecuada que frene lo menos posible su velocidad. Esta es la razón por la que el asiento forma generalmente un ángulo de 45° con el plano de la cabeza de la válvula. La unión de ésta al vástago se redondea siguiendo la forma más idónea para el recorrido del gas. Con el mismo objeto se adapta el colector a la cámara de combustión con la inclinación mas propicia.

En la mayor parte de los motores, las válvulas de admisión presentan una cabeza de mayor tamaño que las de escape, para facilitar el mejor llenado del cilindro. Las de escape, por el contrario, resultan de mayor resistencia a las altas temperaturas debido al menor tamaño de la cabeza. En otras ocasiones se disponen cuatro válvulas por cilindro con el mismo fin. En otros casos se emplean dos válvulas de admisión y una de escape por cilindro para mejorar el llenado del mismo. Dadas sus peculiares condiciones de funcionamiento, las válvulas deben resistir los repetidos golpes contra sus asientos que se producen en el cierre y las altas temperaturas a que están sometidas, sin que se produzcan deformaciones ni agrietamientos del material que, por estas causas, debe ser de una calidad excelente. Las válvulas son refrigeradas tanto mejor cuanto menor es el tamaño de su cabeza y mayor es el diámetro y longitud del vástago. Como las válvulas de escape quedan sometidas a la acción de los gases que salen todavía ardiendo en la fase de escape, en su construcción se emplean aceros especiales, con aleaciones al cromo-silicio o cromo-níquel, que les confieren una gran dureza, capaz de soportar los grandes esfuerzos a que estarán sometidas y las corrosiones debidas a las elevadas temperaturas de funcionamiento. En algunos casos, el vástago y parte de la cabeza son huecos y están rellenos de sodio, que con el calor pasa a su estado líquido, mejorando la transmisión de calor

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