Mecanismo de apertura y cierre de válvulas del motor

El esquema 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 mas adelante han quedado casi en desuso, aunque por su simplicidad resulta bueno para la comprensión.

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 deempujadores hidráulicos.

Construcción de las válvulas.

En la figura 1 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.

En el esquema 2 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.

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 3 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 4 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 5 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.