GENERALIDADES DE LA CULATA

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 defomaciones 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 de la cabeza al vástago y la evacuación del mismo a través de éste y su guía. Las válvulas de admisión se construyen generalmente con aleaciones de acero al níquel, de inferior calidad, dado que su trabajo es sensiblemente menor que el de las de escape.

El emplazamiento de las válvulas en el cilindro y su sistema de mando, difiere de unos motores a otros. Actualmente se ha generalizado la disposición de las válvulas en la culata, bien accionadas desde el árbol de levas emplazado en el bloque motor (sistema OHV), o bien situado en la culata (sistema OHC)

 MUELLES DE VÁLVULAS

El cierre de las válvulas se encomienda a la acción de un muelle, cuya tensión debe ser suficientemente alta para cerrar la válvula rápidamente, aún en los altos regímenes y, al mismo tiempo, lo mas baja posible para no dificultar en exceso la apertura de la válvula. Se construyen generalmente en acero aleado con silicio-magnesio.

Se deforman por igual en todas sus espiras cuando son cargados de una manera lenta y progresiva, pero si se le somete a un brusco aumento o disminución de la carga como ocurre durante el funcionamiento del motor, la inercia de sus espiras interviene modificando el comportamiento. Si se le somete bruscamente a una compresión, las espiras más cercanas al extremo donde se aplica la carga, experimentan un mayor acercamiento entre sí, se comprimen mas, que posteriormente se transmite a las espiras centrales y las del extremo opuesto. La deformación de las espiras del muelle sigue un movimiento de acordeón, comenzando por el extremo donde se aplica la carga. Cuando se distiende el muelle, el movimiento de acordeón es de sentido contrario. La conclusión de este hecho es que las espiras centrales del muelle se acercan y alejan alternativamente de ambos extremos.

Este fenómeno puede provocar la rotura del muelle cuando el periodo de las oscilaciones alcanza un determinado valor, que depende del tipo de muelle y también del régimen de giro del motor. Cuando esto ocurre, se dice que el muelle ha entrado en resonancia.

En la construcción de los muelles, se tiene en cuenta la resonancia, el limite de fatiga del material empleado y el tratamiento térmico necesario, todo ello atendiendo a las condiciones de temperatura del funcionamiento.

En ocasiones, se utilizan dos muelles para el cierre de la válvula. Son de distintas características, lo que hace que cada uno tenga su propia frecuencia de resonancia, distinta una de la del otro, lo que dificulta que esta se produzca. Con el fin de elevar la frecuencia de resonancia, se pueden fabricar los muelles de manera que las espiras están más juntas en un extremo que en otro. Este extremo de espiras más juntas se debe montar siempre del lado de la culata.

 DESMONTAJE DE LA CULATA EN EL MOTOR Y FUERA DE ÉL

El conjunto de los mecanismos que integran un motor se ve sometido en su funcionamiento a un trabajo considerable, en cuanto a dureza del mismo se refiere. Los rozamientos entre las piezas móviles se traducen en desgastes, que generan holguras en el acoplamiento de los distintos componentes. Es lógico pensar que en el transcurso del tiempo, los desgastes de las piezas móviles de un motor y las holguras aparecidas a consecuencia de ello, modifiquen substancialmente el funcionamiento del mismo. Cuando el motor no desarrolla la potencia debida, funciona incorrectamente o se producen ruidos anormales en su funcionamiento, deberá procederse a su verificación, con el fin de determinar las posibles causas de la anomalía.

En el desmontaje, se irán soltando del conjunto todos los órganos auxiliares como: distribuidor de encendido, alternador, carburador, etc., y posteriormente se retirarán la culata, cárter inferior, piñones de distribución, cigüeñal y pistones. El desmontaje de estos componentes se efectuará siguiendo un orden lógico, en función de la accesibilidad de cada uno de ellos, comenzando generalmente por los más voluminosos, corno el alternador, los colectores, la bomba de inyección, etc. El despiece de los componentes internos se inicia generalmente con la tapa de distribución, piñones, cadena y tensor de la misma, todo ello emplazado en la cara delantera del motor. Seguidamente se desmontan la tapa de balancines, árbol de levas, balancines, culata, volante motor y cárter, finalizando la operación con el desmontaje del cigüeñal, pistones y bielas.

En el desmontaje de la culata es necesario tener presente que en la mayor parte de los casos ésta se encuentra pegada al bloque, con interposición de la junta correspondiente. Para despegarla no deben utilizarse destornilladores ni cualquiera otra herramienta que pueda ser introducida entre ambas. El despegado se consigue golpeando ligeramente en una de las esquinas de la culata con un martillo de plástico, intentando hacerla girar sobre su propio plano de apoyo en el bloque. También puede despegarse la culata haciendo girar el cigüeñal, para que sea la presión generada en el interior de los cilindros la encargada de realizar esa función. En este caso, los tornillos de fijación no se retiran totalmente, sino que se aflojan sólo algunas vueltas, generalmente en forma de espiral.

Como norma general, se marcará la posición de cada una de las piezas que se van desmontando, con el fin de asegurar el posterior montaje correcto de las mismas.

 LIMPIEZA DE LA CULATA

Con anterioridad a las verificaciones debe realizarse una escrupulosa limpieza de los componentes, durante la cual, se inspeccionará detenidamente cada uno de ellos, con el fin de detectar posibles desgastes, rozamientos irregulares, roturas, etc. Al montarlos de nuevo, una vez realizadas las verificaciones pertinentes, se impregnarán en aceite abundante, para evitar los eventuales peligros de agarrotamiento en el período inicial de funcionamiento. La limpieza de los componentes puede realizarse en una pila de lavado, donde se sumergen todas las piezas en una solución de agua y sosa, a la temperatura de 80°C aproximadamente, durante una veintena de minutos. Seguidamente se someterán estas piezas a un fuerte chorro de agua a presión, secándolas posteriormente con aire a presión.

Una vez efectuada la limpieza del bloque de cilindros, se procederá a realizar una inspección del mismo, asegurándose de que han sido eliminadas completamente las partículas adheridas a las superficies de uniones provistas de juntas de estanqueidad, como las zonas de acoplamiento de la culata, cárter inferior, cárter de la distribución, etc. En ocasiones quedan restos de las juntas pegados a estas superficies, que son difíciles de desprender. En estos casos, se humedecen las superficies con un producto disolvente y se raspan después con una espátula de madera o plástico, cuidando de que los, restos no se introduzcan en los orificios de los tornillos de fijación, conductos de aceite o de agua, etc.

Con anterioridad a cualquier verificación que deba realizarse en la culata, es necesario proceder a una esmerada limpieza de la misma. La carbonilla depositada en las cámaras de combustión, se rasca con una escobilla de alambres acoplada a un pequeño motor eléctrico (taladradora). Dicha carbonilla es producto del aceite que se hace llegar a la parte alta del cilindro para su engrase y se quema en la fase de combustión, quedando adherida a la superficie de la cámara, válvulas y cabeza del pistón. Con el tiempo va disminuyendo el volumen de la cámara, lo que a su vez puede ocasionar el incidente de autoencendido e incluso la detonación.

Durante la fase de limpieza de la cámara de combustión, ha de ponerse sumo cuidado para que no se produzcan ralladuras de su superficie, pues los puntos salientes que se forman alcanzan temperaturas excesivas en la fase de combustión, que pueden ocasionar el autoencendido.

Este sistema de limpieza asegura la desincrustación rápida de la superficie, al mismo tiempo que efectúa un pulido de la misma que dificulta posteriormente la adhesión de nuevas partículas de carbonilla. También deben ser limpiadas las cámaras de agua en la culata, valiéndose de un pequeño rasquete que pueda ser introducido en ellas por los orificios de comunicación con el bloque de cilindros.

Igualmente debe limpiarse escrupulosamente el plano de la culata que acopla con el bloque de cilindros, quitando de él toda traza de depósitos de la junta de culata. Existen productos en el mercado capaces de reblandecer estos restos, que después salen con facilidad rascando con una cuña de madera, de manera similar a como se realizó en el bloque de cilindros. En esta operación se pondrá especial cuidado de no rayar la superficie.

Una vez limpia la culata, deberá efectuarse un perfecto lavado de la misma con petróleo y posteriormente con agua, secándola a continuación con aire a presión. A la limpieza seguirá una inspección, tratando de localizar deformaciones, grietas, o cualquier otro defecto. Especial atención merecen las cámaras de combustión y los conductos de acceso a ella, así como la superficie plana de unión al bloque de cilindros. Las grietas pueden ser detectadas con mayor facilidad vertiendo un poco de petróleo sobre la superficie sospechosa. Después de seco queda resaltada la grieta, si existe.

 COMPROBACIÓN DE LA PLANITUD. RECTIFICADO DE LA CULATA

Efectuada la limpieza, se procederá a la verificación individual de cada uno de los componentes del motor, efectuando las mediciones oportunas con los equipos de medida adecuados. Durante esta fase se tendrá presente que el fabricante determina en sus manuales de reparación unas tolerancias máximas de desgaste y otras de montaje, a las cuales habrá que atenerse, así como a las instrucciones de montaje y desmontaje. Antes de dar comienzo a esta operación, resulta conveniente observar si existen fugas de aceite, agua, etc., si es así, en el posterior montaje deben corregirse estas fugas.

La culata de un motor está sometida en el funcionamiento del mismo a grandes temperaturas y elevadas presiones, que producen dilataciones importantes, seguidas de las correspondientes con tracciones al enfriarse el motor una vez parado. Como consecuencia de todo ello, pueden producirse deformaciones permanentes e incluso grietas, que dificultan el buen funcionamiento del motor.

La verificación de planitud de la superficie de apoyo con el bloque se realiza con la ayuda de una regla y un Juego de láminas calibradas. Posicionada la regla se comprobará con la lámina calibrada que el mayor alabeo es inferior a 0,05 mm. Si se encuentran deformaciones o alabeos, deberá procederse a la rectificación del plano, cuidando de quitar la menor cantidad posible de material, ya que con el rectificado disminuye el volumen de las cámaras de combustión y, en consecuencia, aumenta la relación de compresión.

En el transcurso de la revisión de una culata, deberá verificarse también la estanqueidad de las cámaras de agua, para lo cual se cierran los orificios de comunicación con el bloque por medio de una placa metálica (1), provista de la correspondiente junta de estanqueidad que se fija a la culata (3) por mediación de tornillos alojados en los lugares previstos para la fijación al bloque motor. En un lugar apropiado, como puede ser el previsto para el montaje de algún accesorio que comunique con las cámaras de agua, se fija el grifo (4) conectado a una bomba manual capaz de suministrar una presión de aire de 3 a 4 bares, indicados por un manómetro acoplado a ella. Por el conducto (2) se hace llegar agua a las cámaras a una temperatura aproximada de 800°C. En estas condiciones se aplica por el orificio (4) una presión de 3 a 4 bares y se observa la lectura del manómetro. Si la aguja permanece inmóvil es síntoma de buena estanqueidad. Por el contrario, si se observa una caída de presión al dejar de bombear aire, significa que existen fugas, que de otra parte pueden hacerse visibles por el agua que se pierde a su través. En este caso es necesario sustituir la culata.

COMPROBACIÓN DE GUÍAS Y ASIENTOS DE VÁLVULAS. HOLGURAS Y MEDICIÓN DE HOLGURAS

Las holguras entre el vástago y su guía, así como las deformaciones del primero, se comprueban por medio de un comparador, cuyo palpador se pone en contacto con la periferia de la cabeza estando la válvula montada en su alojamiento. Una vez hecho esto, se hace girar la válvula sobre su eje observando si existen derivaciones de la aguja del comparador. Si hubiese oscilaciones, el vástago o cabeza de válvula están deformados y es preciso sustituirla.

La holgura entre el vástago y su guía se comprueba moviendo la válvula lateralmente para acercarla y alejarla del palpador del comparador. La diferencia de las lecturas obtenidas en ambas posiciones determina el huelgo existente, que nunca debe sobrepasar los 0,15mm. Si el huelgo es excesivo, se sustituye la guía teniendo que volver a realizar la verificación. La tolerancia de montaje es de 0.02 a 0,06mm. En el caso de sobrepasarla con la nueva guía, se sustituirá también la válvula, pudiendo comprobarse el desgaste mediante un tornillo micrométrico.

ESMERILADO DE VÁLVULAS CON VENTOSA Y CON MAQUINA

Una vez rectificadas las válvulas y sus asientos, es necesario un esmerilado para conseguir un mejor acoplamiento de las válvulas a los asientos mejorando la estanqueidad en el cierre. El esmerilado consiste en frotar alternativamente la cabeza de la válvula contra su asiento interponiendo entre ambas una pasta de esmeril de grano sumamente fino, que se realiza con ayuda de una ventosa con mango fijada en la cabeza de la válvula. Para comprobar que las superficies quedan con un acabado suficientemente afinado, sólo hay que marcar unos trazos con un lápiz sobre el asiento y frotar contra él la válvula en seco; si los trazos desaparecen, la operación ha sido realizada correctamente.

 DISTINTOS TIPOS DE CÁMARAS PARA GASOLINA

Cámara de bañera (A): se utiliza por su fácil construcción, porque las válvulas quedan paralelas entre sí facilitando la localización de su sistema de mando propiciando alzadas de válvulas importantes, con las que se consigue un buen llenado. La colocación de la bujía puede ser bien centrada, aunque tiene el inconveniente de que la distancia a recorrer por el frente de llama es excesiva. Este tipo de motores se utiliza en su mayoría en motores de cilindrada pequeña.

Cámara de cuña (B): Desde el punto de vista de la detonación es una de las más eficientes. Dado a su forma especial, resultan favorecidas del modo más simple y racional las condiciones que dificultan la aparición del fenómeno de la detonación, ya que se concentra la mayor parte de la mezcla en las proximidades de la bujía. Son utilizados en motores con alta relación de compresión debido a su buena relación superficie-volumen, que es ligeramente mejor al de las hemisféricas y además con una construcción más económica y sencilla.

Cámara hemisférica (C): Es la más propicia para conseguir elevadas potencias específicas debido a su forma, que permite la utilización de grandes válvulas y la colocación de la bujía en posición central. Estas cámaras proporcionan un mejor rendimiento ya que permiten altos regímenes de rotación. El mayor problema que ofrecen estas cámaras es el complicado sistema de mando de las válvulas.

También se emplean las cámaras de alta turbulencia, en las que el conector de admisión se posiciona tomando una ligera inclinación sobre la culata con el fin de lograr una turbulencia adecuada de los gases de admisión, que es favorecida por la forma que tiene la cámara internamente, orientándolos hacia abajo en el cilindro siguiendo un movimiento en forma de torbellino, con el que se mejora en gran manera el llenado.

En algunos motores de la actualidad se usan otros modelos más sofisticados de cámaras en los que a la cámara principal se le añade otra auxiliar, en comunicación con ella, en la que se consigue una elevada turbulencia de los gases a su entrada en el cilindro, mediante la cual se logra una optima homogeneización de la mezcla antes y durante la combustión.

 MEDICIÓN DEL VOLUMEN DE LA CÁMARA

El volumen de las cámaras de combustión se verifica disponiendo de un plástico transparente tapando la cámara, sellando el cercado de la cámara con grasa consistente. Por un taladro (que lleva el plástico) se va llenando la cámara con agua (o líquido de frenos) sin que desborde. La medida nos dará el volumen de las distintas cámaras que deben ser idénticas. Se admite una tolerancia de +\- 3 cm3.

Para realizar esta verificación deben estar montadas en la culata tanto las válvulas como la bujía.

 MONTAJE DE LOS ELEMENTOS DE LA CULATA Y MONTAJE EN EL BLOQUE MOTOR

En el montaje de la culata sobre el bloque de cilindros, es necesario resaltar que el apriete de los tomillos de fijación debe realizarse en dos fases como mínimo, siguiendo un determinado orden, partiendo de los centrales hasta ambos extremos, siguiendo un orden de rotación. Con ello se consigue un buen acoplamiento y que no se produzcan deformaciones en la culata en la operación de montaje