En un motor de combustión interna , la culata (a menudo abreviada informalmente como solo cabeza ) se encuentra sobre los cilindros en la parte superior del bloque de cilindros . [1] Se cierra en la parte superior del cilindro, formando la cámara de combustión . Esta junta está sellada por una junta de culata . En la mayoría de los motores, la culata también proporciona espacio para los pasajes que alimentan aire y combustible al cilindro y que permiten que escape el escape . La cabeza también puede ser un lugar para montar las válvulas , las bujías y los inyectores de combustible..
Motores de válvulas laterales
En un motor de válvula de cabeza plana o lateral , las partes mecánicas del tren de válvulas están todas contenidas dentro del bloque, y se puede usar una 'cabeza de cataplasma' que es esencialmente una placa de metal simple atornillada a la parte superior del bloque.
Mantener todas las partes móviles dentro del bloque tiene una ventaja para los motores físicamente grandes, ya que el engranaje impulsor del árbol de levas es pequeño y, por lo tanto, sufre menos los efectos de la expansión térmica en el bloque de cilindros. Con una transmisión por cadena a un árbol de levas en cabeza, la longitud adicional de cadena necesaria para un diseño de árbol de levas en cabeza podría ocasionar problemas por el desgaste y la inclinación de la cadena sin un mantenimiento frecuente.
Los primeros motores de válvulas laterales se utilizaban en una época de química de combustible simple, índices de octanaje bajos y, por lo tanto, requerían relaciones de compresión bajas . Esto hizo que el diseño de su cámara de combustión fuera menos crítico y hubo menos necesidad de diseñar sus puertos y flujo de aire con cuidado.
Una dificultad experimentada en este momento fue que la baja relación de compresión también implicaba una baja relación de expansión durante la carrera de potencia. [a] Por lo tanto, los gases de escape estaban todavía calientes, más calientes que un motor contemporáneo, y esto conducía a problemas frecuentes con las válvulas de escape quemadas.
Una mejora importante en el motor sidevalve fue la llegada de Ricardo 's cabeza turbulenta diseño. Esto redujo el espacio dentro de la cámara de combustión y los puertos, pero al pensar cuidadosamente en las rutas del flujo de aire dentro de ellos, permitió un flujo más eficiente dentro y fuera de la cámara. Lo más importante es que utilizó turbulencias dentro de la cámara para mezclar bien la mezcla de aire y combustible. Esto, por sí mismo, permitió el uso de relaciones de compresión más altas y un funcionamiento más eficiente del motor.
El límite del rendimiento de la válvula lateral no es el flujo de gas a través de las válvulas, sino más bien la forma de la cámara de combustión. Con motores de alta velocidad y alta compresión, la dificultad limitante pasa a ser la de lograr una combustión completa y eficiente, evitando al mismo tiempo los problemas de pre-detonación no deseada. La forma de una cámara de combustión de válvula lateral, siendo inevitablemente más ancha que el cilindro para alcanzar los puertos de la válvula, entra en conflicto con lograr tanto una forma ideal para la combustión [b] como también el pequeño volumen (y baja altura) necesario para una alta compresión. Los motores modernos y eficientes tienden así hacia los diseños de techo reprimido o hemi, donde las válvulas se acercan al centro del espacio.
Cuando la calidad del combustible es baja y el índice de octanaje es bajo, las relaciones de compresión estarán restringidas. En estos casos, el motor de válvulas laterales todavía tiene mucho que ofrecer. Particularmente en el caso del motor IOE desarrollado para un mercado con combustibles pobres, motores como Rolls-Royce serie B o Land-Rover utilizan una disposición complicada de válvulas inclinadas, una línea de culata en ángulo con el orificio y en ángulo correspondiente pistones para proporcionar una cámara de combustión compacta que se acerca al ideal casi hemisférico. Dichos motores se mantuvieron en producción hasta la década de 1990, y solo se reemplazaron finalmente cuando los combustibles disponibles "en el campo" se volvieron más propensos a ser diésel que gasolina.
Detalle
Internamente, la culata tiene pasajes llamados puertos o tractos para que la mezcla de aire / combustible viaje a las válvulas de entrada desde el colector de admisión y para que los gases de escape viajen desde las válvulas de escape al colector de escape. En un motor enfriado por agua , la culata también contiene conductos y pasajes integrales para el refrigerante del motor, generalmente una mezcla de agua y anticongelante, para facilitar la transferencia del exceso de calor lejos de la culata y, por lo tanto, del motor en general.
En el diseño de válvulas en cabeza (OHV), la culata contiene las válvulas de asiento y las bujías, junto con tractos o "puertos" para los gases de entrada y escape. La operación de las válvulas es iniciada por el árbol de levas del motor , que está ubicado dentro del bloque de cilindros, y su momento de operación se transmite a las varillas de empuje de las válvulas , y luego a los balancines montados en un eje de balancines; los balancines y el eje también son ubicado dentro de la culata de cilindros.
En el diseño del árbol de levas en cabeza (OHC), la culata contiene las válvulas, las bujías y los conductos de admisión / escape al igual que el motor OHV, pero el árbol de levas ahora también está contenido dentro de la culata. El árbol de levas puede estar asentado en el centro entre cada fila de compensación de válvulas de admisión y escape, y aún utilizando balancines (pero sin varillas de empuje), o el árbol de levas puede asentarse directamente encima de las válvulas eliminando los balancines y utilizando taqués de 'cucharón' .
Implementación
El número de culatas de cilindros en un motor depende de la configuración del motor . Casi todos los motores en línea (rectos) actuales utilizan una sola culata que sirve a todos los cilindros. Un motor V (o Vee) tiene dos culatas, una para cada banco de cilindros de la 'V'. Para algunos motores compactos en V de 'ángulo estrecho', como el Volkswagen VR6 , el ángulo entre los bancos de cilindros es tan estrecho que utiliza un solo cabezal que abarca los dos bancos. Un motor plano (básicamente un motor en V, donde el ángulo entre los bancos de cilindros es ahora de 180 °) tiene dos cabezas. La mayoría de los motores radiales tienen una culata para cada cilindro, aunque normalmente es de forma monobloque en la que la culata forma parte integral del cilindro. Esto también es común para las motocicletas, y dichos componentes de culata / cilindro se denominan barriles .
Algunos motores, en particular los motores diésel de mediana y gran capacidad construidos para fines industriales, marinos, de generación de energía y de tracción pesada ( camiones grandes , locomotoras , equipo pesado , etc.) tienen culatas individuales para cada cilindro. Esto reduce los costos de reparación, ya que se puede cambiar una sola cabeza defectuosa en un solo cilindro en lugar de una unidad más grande y mucho más cara que se ajuste a todos los cilindros. Este diseño también permite a los fabricantes de motores producir fácilmente una 'familia' de motores de diferentes diseños y / o números de cilindros sin requerir nuevos diseños de culatas.
El diseño de la culata es clave para el rendimiento y la eficiencia del motor de combustión interna, ya que la forma de la cámara de combustión, los conductos de admisión y los puertos (y, en menor medida, el escape) determina una parte importante de la eficiencia volumétrica y la compresión. relación del motor. [2]
Nombres comunes | Árbol de levas | Válvulas de admisión | Válvulas de escape | Notas |
---|---|---|---|---|
Doble árbol de levas en cabeza DOHC, Twin-Cam, Cammer | Cabeza | Cabeza | Cabeza | Permite un posicionamiento óptimo de las válvulas para una culata de flujo cruzado Los árboles de levas dobles se utilizan para permitir la actuación directa de válvulas bien colocadas, sin balancines Ampliamente diseminado en el diseño de automóviles modernos Generalmente permite el funcionamiento a las RPM más altas de los diseños enumerados |
Árbol de levas en cabeza simple OHC, SOHC, cámara única, "cascabeleo único", leva | Cabeza | Cabeza | Cabeza | Ampliamente utilizado para automóviles en las últimas décadas, pero cada vez más reemplazado por DOHC A veces utiliza balancines para accionar algunas válvulas Algunos diseños usan un árbol de levas para accionar directamente todas las válvulas, como los diseños DOHC |
Válvula en cabeza OHV, I-Head, Varilla de empuje, Cam-In-Block | Cuadra | Cabeza | Cabeza | Todavía se usa en algunos motores V8 de gran cilindrada, generalmente de origen estadounidense, australiano o británico Necesita varillas de empuje y balancines para accionar las válvulas a través de un solo árbol de levas Los motores OHV generalmente son físicamente más pequeños para el mismo desplazamiento en comparación con los OHC |
Válvula lateral de cabeza plana, cabeza en L, cabeza en T | Cuadra | Cuadra | Cuadra | Una vez universal, ahora obsoleta La configuración más simple posible; Los árboles de levas operan directamente en las válvulas Todavía se encuentran comúnmente en los motores de equipos eléctricos de cuatro tiempos (es decir, cortacésped, cortadora de malezas, motosierra) |
El exceso de entrada de escape OIE, F-Head, Ingesta-Over-escape | Cuadra | Cabeza | Cuadra | Siempre poco común, obsoleto durante décadas Más eficientes que los diseños de válvulas laterales, pero también más complejos, más grandes y más costosos de fabricar |
Galería
Una culata cortada por la mitad que muestra las válvulas de admisión y escape, los puertos de admisión y escape, los conductos de refrigerante, las levas, los empujadores y los resortes de las válvulas.
Una culata de cilindro de árbol de levas en cabeza (SOHC) de un Honda D15A3 .
Una culata de doble árbol de levas en cabeza (DOHC) de un Honda K20Z3 .
La parte inferior (izquierda) y superior (derecha) de una culata Malossi para scooters monocilíndrico de dos tiempos . Agujero en el medio para la bujía, cuatro agujeros para los postes de los tornillos del cilindro.
Vista aérea de una culata refrigerada por aire de una Suzuki GS550 que muestra dos árboles de levas, ruedas dentadas y aletas de refrigeración.
La culata de una camioneta GMC . Las válvulas y parte del colector de escape son visibles.
Ver también
- Culata de cilindro de flujo cruzado
- Tonto
- Cabeza monobloque
Notas
- ^ El trabajo realizado en el pistón durante la carrera de expansión está limitado por la carrera que hay para lograrlo.
- ^ En el nivel más simple, una esfera se acerca a la forma ideal para la combustión ya que tiene los caminos más cortos a través de los cuales propagar el frente de la llama. Como una de las paredes de este es el pistón móvil, los hemisferios se eligen más comúnmente.
Referencias
- ^ Wright, G. (2015). Fundamentos de los motores diésel de servicio mediano / pesado . Jones y Bartlett Learning. pag. 310. ISBN 978-1-284-06705-7. Consultado el 7 de noviembre de 2020 .
- ^ Señor johnson, https://latesttechn.com/engine . "[2]" .
enlaces externos
- Medios relacionados con culatas en Wikimedia Commons
- Montaje de la simulación 3D del motor Ford Duratec: vídeo que muestra la construcción y el funcionamiento de un motor de combustión interna de cuatro cilindros.