VALVULAS DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

1. INTRODUCCIÓN

El presente trabajo se refiere a la aplicación de la válvula en la rama de ingeniería mecánica, en este caso es en la de un motor de combustión interna de cuatro tiempos.

Las válvulas son una parte importante dentro del sistema de distribución de un motor ya que se encargan de regular la entrada de la mezcla aire combustible, si es un motor encendido por chispa, o la del aire, si es un motor encendido por comprensión.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Dar a conocer la función que cumple las válvulas en un motor de combustión interna.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Escoger un material adecuado para cada tipo de válvula (admisión y escape), que resista las condiciones a las que esté expuesta.

Describir el ciclo de cuatro tiempos de un motor de combustión interna. Saber porque se dan los avances y retrocesos de apertura y cierre en las

válvulas.

3. MARCO TEÓRICO

Las válvulas son elementos del sistema de distribución (sistema encargado de manejar la entrada y salida de gases dentro del cilindro) de un motor de combustión interna, tienen la función de permitir el ingreso de la mezcla aire-combustible a la cámara de combustión y la salida de los gases de esta que se producen después de la explosión por eso deben de estar en sincronización con el movimiento de subida y bajada de los pistones.

Por su función las válvulas se clasifican en dos:

Válvulas de admisión: Se abre en el momento adecuado para permitir que la mezcla aire-combustible, procedente del carburador, entre a la cámara de combustión del motor para que se efectúe el tiempo de admisión.

Válvula de escape: Su misión es permitir la expulsión al medio ambiente de los gases de escape que se generan dentro del cilindro del motor después que se quema la mezcla aire-combustible en durante el tiempo de explosión.

Válvula de admisión y de escape

Las válvulas de admisión son más grandes porque es más difícil llenar el cilindro que vaciarlo. Las válvulas de escape, por el contrario, suelen hacerse con menor diámetro de cabeza para darle mayor consistencia, ya que estarán sometidas a las elevadas temperaturas de la salida de los gases. En algunos caso el vástago esta hecho de un material y la válvula de otro material que resiste más la temperatura.

Se utilizan dos válvulas por lo menos para cada cilindro (una de admisión y una de escape), aunque actualmente hay muchos motores con 3, 4 y hasta 5 válvulas por cilindro.

Configuración del número de válvulas por cilindro.

MATERIAL DE LAS VÁLVULAS

Las válvulas se fabrican de aceros especiales con grandes contenidos de cromo y níquel, que le dan una gran dureza, pues tienen que soportar grandes esfuerzos y resistir el desgaste y las corrosiones debidos a las grandes temperaturas a que están sometidas. La válvula de admisión puede llegar a temperaturas de funcionamiento de 400 ºC y eso que es refrigerada por los gases frescos de admisión. La válvula de escape esta sometida al paso de los gases de escape por lo que puede alcanzar temperaturas de hasta 800 ºC. Para soportar estas temperaturas, tiene que estar fabricada con materiales que soporten estas condiciones de trabajo.

El calor que soportan las válvulas es evacuado en mayor parte a través de los asientos en la culata, el resto es evacuando a través de las guías de las válvulas. Para evacuar mas calor las dimensiones de las guías son distintas dependiendo que sea para la válvula de escape o de admisión. La guía utilizada para la válvula de escape será mas larga para evacuar más calorEn algunos casos, el vástago es hueco y esta relleno de sodio, que tiene la propiedad de que con el calor se hace líquido y transmite muy bien el calor, con lo que se consigue que la elevada temperatura de la cabeza de la válvula se disipe rápidamente a través del vástago. El sodio tiene un bajo punto de fusión (97 ºC) y es muy buen conductor del calor. Al calentarse el sodio se funde y pasa a estado líquido, con el movimiento de subir y bajar de la válvula, el sodio se desplaza dentro de la válvula transmitiendo el calor de la cabeza hacia el vástago. Se consigue así rebajar en mas de 100 ºC la temperatura de la cabeza de la válvula.

Válvula de escape refrigerada por sodio

4. DESARROLLO DEL TEMA

CICLO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

1. Primer tiempo o admisión: En esta fase el descenso del pistón aspira la

mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado (motores

Otto) o el aire en motores de encendido por compresión(motores diesel).

La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está

abierta. En el primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º y la

válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.

2. Segundo tiempo o compresión: Al llegar al final de la carrera inferior, la

válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara

por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de

levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera

es ascendente.

3. Tercer tiempo o explosión/expansión: al llegar al final de la carrera superior

el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido

provocado o de ciclo Otto salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación

de la mezcla, mientras que en los motores diesel, se inyecta a través

del inyector el combustible muy pulverizado, que se autoinflama por la presión

y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez

iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la

temperatura y la presión en el interior del cilindro y expandiendo los gases que

empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este

tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas gira 90º

respectivamente, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es

descendente.

4. Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento

ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de

escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior,

se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo.

En este tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas gira 90º.

AVANCES Y RETRASOS DE VÁLVULAS (Ciclo real)

Se denomina avances y retrasos de válvulas a los cambios en los momentos en que abren y cierran las válvulas en los motores de combustión interna de cuatro tiempos, con relación al momento teórico para hacerlo. El momento teórico para abrir y cerrar las válvulas es en el PMS y en el PMI (las válvulas de admisión abren en el PMS y cierran en el PMI, mientras que las válvulas de escape lo hacen a la inversa; ver Ciclo Otto), pero al adelantar las aperturas y retrasar los cierres, se consigue aumentar en forma significativa el rendimiento y las prestaciones del motor, al mejorar la velocidad con la que se vacía el cilindro de los gases de la combustión, y aumentar la cantidad de mezcla aire/combustible que ingresa al cilindro.

Avances y retrocesos

Estos cambios son calculados por los ingenieros al diseñar el motor, y están

relacionados con la posición de las levas en el árbol de levas. Para cambiar los

avances y retrocesos de las válvulas, por ejemplo para aumentar la potencia en un

motor destinado a competiciones, es necesario reemplazar el árbol de levas

completo. Tanto el avance como el retroceso se mide en los grados que gira el

cigüeñal antes o después de que el pistón alcance el PMS (punto muerto superior)

o el PMI (punto muerto inferior). Los avances y retrocesos son cuatro, a saber:

Avance de la Apertura de Admisión (AAA)

Si analizamos el funcionamiento de un motor de cuatro tiempos, vemos que el

mejor momento para abrir la válvula de admisión es cuando el pistón se encuentra

en el punto más alto de su recorrido (llamado punto muerto superior). Sin

embargo, debido a que la mezcla aire/combustible se encuentra en movimiento, al

abrir la válvula de admisión antes que el pistón llegue al PMS, permite que esta

ingrese por más tiempo al cilindro, consiguiendo un mejor llenado.

Retraso del Cierre de Admisión (RCA)

Por la misma razón, debido a la inercia que mantiene la mezcla aire/combustible,

si mantenemos la válvula de admisión abierta un tiempo después que el pistón

alcanzó el PMI, incluso cuando este está ya subiendo, permitimos que continúe

entrando la mezcla, lo que permite un llenado aun mayor del cilindro, con el

consiguiente aumento del rendimiento del motor. Otro motivo es el aumento de

rendimiento o de aprovechamiento del trabajo que puede producir el motor al

conseguir una carrera de expansión más larga que la de admisión, sin embargo

construir un motor que consiga esto mecánicamente requiere muchísima

complejidad y además de ello las perdidas mecánicas serían incluso mayores al

aprovechamiento, por no hablar de que la carrera de compresión también sería

más larga, así que no sería rentable. Al retrasar el cierre de la admisión la carrera

de compresión es más corta que la de expansión, consiguiendo este mayor

aprovechamiento.

Avance de la Apertura de Escape (AAE)

Suele ser de unos 40-45° antes del PMI, lo que permite vaciar el cilindro más

rápidamente. Teóricamente, con esto se pierde potencia al estar los gases de la

combustión haciendo presión sobre el pistón durante menos tiempo, pero esta

pérdida es muy baja y se compensa con creces al aumentar la velocidad de

vaciado del cilindro.

Retraso del Cierre de Escape (RCE)

Al igual que en los casos anteriores, debido a la inercia que mantienen los gases

de escape, éstos continúan saliendo por su válvula, incluso cuando el pistón pasó

el PMS e inició la carrera descendente. La apertura de la válvula de admisión se

efectúa momentos antes del cierre del escape, para optimizar, nuevamente debido

a la inercia que presentan los gases frescos y quemados, el intercambio de los

mismos dentro del cilindro.

El carácter compresible de la mezcla aire/combustible, unido a los fenómenos de

inercia que se producen, permiten ampliar el espacio de apertura de las válvulas,

optimizando el proceso de vaciado y llenado del cilindro (lo que suele llamarse la

respiración del motor), haciéndolo más eficiente. Los gases producto de la

combustión han alcanzado una alta velocidad al ser barridos por el pistón en su

carrera ascendente, acercándose al PMS. Los gases de escape continúan

saliendo por efecto de la inercia, aun cuando el pistón ha pasado el PMS y

comienza a descender. Manteniendo abierta la válvula de escape se logra vaciar

completamente el cilindro de estos gases, que continúan saliendo por efecto de la

inercia ya mencionada, a pesar que el pistón se encuentra descendiendo, ya en la

fase de admisión.

Previo a lo expuesto anteriormente, adelantando la apertura de la admisión antes

que el pistón llegue al PMS, permite que los gases de escape, que están ya

saliendo a gran velocidad, arrastren tras de sí a los gases frescos, presentes en la

lumbrera de admisión. Así se consigue un llenado del cilindro más rápido y

completo. Cuantos mayores sean los ángulos AAA y RCE mayor será el

intercambio. Por esta razón, para poder elevar las RPM del motor (al margen de

otros cambios que pueden o deben hacerse en el motor), hay que acelerar el

vaciado y llenado del cilindro. Esto se consigue, entre otras cosas, aumentando el

cruce de válvulas. En cambio, a bajas RPM parte de los gases frescos escaparán

por la válvula de escape antes que esta se cierre, con lo que la fuerza de la

explosión es menor, y en consecuencia, disminuyen el par motor y la potencia.

5. CONCLUSIONES

Las válvulas son elementos que abren y cierran los conductos de admisión

y escape sincronizados con el movimiento de subida y bajada de los

pistones. A su vez mantiene estanca o cerrada la cámara de combustión

cuando se produce la carrera de compresión y combustión del motor.

Las válvulas están hechas de aleaciones de acero con grandes contenidos

de cromo y níquel, ya que este material les brinda resistencia al desgaste y

soportar grandes esfuerzos y altas temperaturas a las que están sometidas,

las válvulas de escape generalmente son más costosas ya que necesitan

una mayor concentración de níquel-cromo, debido a que se encuentra

expuesta a más altas temperaturas.

Un ciclo de un motor está dividido en cuatro tiempos: El pistón desciende y

la válvula de admisión deja entrar la mezcla aire combustible; el pistón

asciende comprimiendo la mezcla en la cámara de combustión; se produce

la chispa y los gases se expanden empujando al pistón y así se produce

trabajo; el pistón asciende empujando a los gases quemados al medio

ambiente.

Los avances de apertura y el retroceso de los cierres de las válvulas se dan

para mejorar el rendimiento del motor y aumentar la potencia del motor.

6. BIBLIOGRAFÁ YLINKGRAFÍA

http://www.aficionadosalamecanica.net/motor-distribucion.htm

http://es.slideshare.net/DIXON57/valvulas-8757524