Válvula de asiento - Poppet valve

Válvula de asiento y componentes
Válvula de asiento y componentes, incluido el sello de aceite del vástago de la válvula. La pintura amarilla es una marca de resistencia elástica.

Una válvula de asiento (también llamada válvula de hongo ) es una válvula que se usa típicamente para controlar la sincronización y la cantidad de flujo de gas o vapor en un motor.

Consiste en un orificio o cámara de extremo abierto, generalmente de sección transversal redonda u ovalada, y un tapón, generalmente en forma de disco en el extremo de un eje conocido como vástago de válvula. El extremo de trabajo de este tapón, la cara de la válvula, se rectifica típicamente en un bisel de 45 ° para sellar contra un asiento de válvula correspondiente rectificado en el borde de la cámara que se está sellando. El eje viaja a través de una guía de válvula para mantener su alineación.

Un diferencial de presión en cualquier lado de la válvula puede ayudar o afectar su desempeño. En aplicaciones de escape , una presión más alta contra la válvula ayuda a sellarla, y en aplicaciones de admisión , una presión más baja ayuda a abrirla.

La válvula de asiento fue inventada en 1833 por American EAG Young de Newcastle y Frenchtown Railroad . Young había patentado su idea, pero el incendio de la Oficina de Patentes de 1836 destruyó todos los registros.

Etimología

La palabra poppet comparte etimología con " puppet ": proviene del inglés medio popet ("joven" o "muñeca"), del francés medio poupette , que es un diminutivo de poupée . El uso de la palabra poppet para describir una válvula proviene de la misma palabra que se aplica a las marionetas , que, como la válvula de poppet, se mueven corporalmente en respuesta al movimiento remoto transmitido linealmente. En el pasado, "válvula de marioneta" era sinónimo de válvula de asiento ; sin embargo, este uso de "títere" ahora está obsoleto.

Operación

La válvula de asiento es fundamentalmente diferente de las válvulas deslizantes y oscilantes; en lugar de deslizarse o balancearse sobre un asiento para descubrir un puerto, la válvula de asiento se levanta del asiento con un movimiento perpendicular al plano del puerto. La principal ventaja de la válvula de asiento es que no tiene movimiento en el asiento, por lo que no requiere lubricación.

Esta animación muestra una válvula de asiento activada por presión (rojo) y una válvula de asiento activada por leva (azul), en un cilindro de un motor de combustión interna.
Válvulas de asiento en acción en la parte superior del cilindro

En la mayoría de los casos, es beneficioso tener un "vástago equilibrado" en una válvula de acción directa. Se necesita menos fuerza para mover el disco porque todas las fuerzas en el disco son anuladas por fuerzas iguales y opuestas. La bobina del solenoide debe contrarrestar solo la fuerza del resorte.

Las válvulas de asiento son más conocidas por su uso en motores de combustión interna y de vapor, pero se utilizan en muchos procesos industriales, desde el control del flujo de leche hasta el aislamiento del aire estéril en la industria de los semiconductores.

Presta y válvulas Schrader utilizados en neumáticos neumáticos son ejemplos de válvulas de asiento. La válvula Presta no tiene resorte y depende de un diferencial de presión para abrirse y cerrarse mientras se infla.

Las válvulas de asiento se emplean ampliamente en el lanzamiento de torpedos desde submarinos . Muchos sistemas utilizan aire comprimido para expulsar el torpedo del tubo , y la válvula de asiento recupera una gran cantidad de este aire (junto con una cantidad significativa de agua de mar) para reducir la nube reveladora de burbujas que, de otro modo, podrían traicionar el barco. posición sumergida.

Motor de combustión interna

Las válvulas de asiento se utilizan en la mayoría de los motores alternativos para abrir y cerrar los puertos de admisión y escape en la culata . La válvula suele ser un disco plano de metal con una varilla larga conocida como "vástago de la válvula" unida a un lado.

En los primeros motores de combustión interna (c. 1900) era común que la válvula de admisión fuera automática, es decir, se abría por la succión en el motor y regresaba mediante un resorte ligero. La válvula de escape tuvo que accionarse mecánicamente para abrirla contra la presión en el cilindro. El uso de válvulas automáticas simplificó el mecanismo, pero el " flotador de válvulas " limitó la velocidad a la que podía funcionar el motor, y alrededor de 1905 se adoptaron cada vez más válvulas de admisión operadas mecánicamente para motores de vehículos.

La operación mecánica generalmente se realiza presionando el extremo del vástago de la válvula, y generalmente se usa un resorte para devolver la válvula a la posición cerrada. A altas revoluciones por minuto (RPM), la inercia del resorte significa que no puede responder lo suficientemente rápido como para devolver la válvula a su asiento entre ciclos, lo que lleva a la flotación de la válvula, también conocida como "rebote de la válvula". En esta situación , se pueden utilizar válvulas desmodrómicas que, al cerrarse mediante una acción mecánica positiva en lugar de un resorte, pueden circular a las altas velocidades requeridas en, por ejemplo, motores de motocicletas y de carreras de automóviles .

El motor normalmente opera las válvulas presionando los vástagos con levas y seguidores de leva . La forma y la posición de la leva determina la elevación de la válvula y cuándo y con qué rapidez (o lentamente) se abre la válvula. Las levas se colocan normalmente en un árbol de levas fijo que luego se engrana al cigüeñal , funcionando a la mitad de la velocidad del cigüeñal en un motor de cuatro tiempos . En los motores de alto rendimiento, el árbol de levas es móvil y las levas tienen una altura variable, por lo que, al mover axialmente el árbol de levas en relación con las RPM del motor, la elevación de la válvula también varía. Ver sincronización variable de válvulas .

Para ciertas aplicaciones, el vástago y el disco de la válvula están hechos de diferentes aleaciones de acero , o el vástago de la válvula puede ser hueco y estar relleno de sodio para mejorar el transporte y la transferencia de calor . Aunque es un mejor conductor de calor, una culata de aluminio requiere inserciones de asiento de válvula de acero , donde una culata de hierro fundido a menudo habría empleado asientos de válvula integrales en el pasado. Debido a que el vástago de la válvula se extiende hacia la lubricación en la cámara de la leva, debe sellarse contra el escape para evitar que los gases del cilindro se escapen al cárter , aunque el espacio entre el vástago y la válvula es muy pequeño, típicamente 0.04-0.06 mm, por lo que una goma El sello de labio se usa para asegurar que no se extraiga un exceso de aceite del cárter en la carrera de inducción y que los gases de escape no entren en el cárter en la carrera de escape. Las guías de válvula gastadas y / o los sellos de aceite defectuosos a menudo se pueden diagnosticar por una bocanada de humo azul del tubo de escape al soltar el pedal del acelerador después de permitir que el motor se acelere , cuando hay un alto vacío en el colector . Tal condición ocurre al cambiar de marcha.

En los motores de válvulas múltiples , la configuración convencional de dos válvulas por cilindro se complementa con un mínimo de una válvula de admisión adicional (culata de tres válvulas) o, más comúnmente, con una admisión adicional y una válvula de escape adicional (cuatro válvulas). culata de la válvula), lo que significa que las RPM más altas son, teóricamente, alcanzables. También se utilizan cinco diseños de válvulas (con tres válvulas de entrada y dos de escape). Más válvulas por cilindro significa que se puede lograr un flujo de gas mejorado y masas recíprocas más pequeñas, lo que lleva a una mayor eficiencia del motor y, en última instancia, a una mayor potencia de salida y una mejor economía de combustible. Los motores multiválvula también permiten una bujía ubicada en el centro, lo que mejora la eficiencia de la combustión y reduce la detonación.

Posición de la válvula

En los primeros diseños de motores, las válvulas estaban "al revés" en el bloque, paralelas a los cilindros . Este fue el llamado diseño de motor de cabeza en L, debido a la forma del cilindro y la cámara de combustión , también llamado ' motor de cabeza plana ' ya que la parte superior de la culata era plana. El término preferido fuera de los EE. UU. (Aunque también se usa ocasionalmente allí) era válvula lateral ; de ahí su uso en nombre del Ford Sidevalve Owners 'Club, con sede en el Reino Unido. Aunque este diseño hizo una construcción simplificada y barata, tenía dos inconvenientes principales: la trayectoria tortuosa seguida por la carga de admisión limitaba el flujo de aire y evitaba efectivamente velocidades superiores a 3600 RPM, y la trayectoria del escape a través del bloque podía causar un sobrecalentamiento en condiciones sostenidas. carga pesada. Este diseño evolucionó a " Intake Over Exhaust ", IOE o F-head , donde la válvula de admisión estaba en la cabeza y la válvula de escape estaba en el bloque; más tarde ambas válvulas se trasladaron a la cabeza. Aunque desapareció en gran medida de los motores automotrices en la década de 1960, el diseño de cabeza plana todavía se usa ampliamente para motores pequeños de un solo cilindro (donde la potencia de salida no es una preocupación) como los que se encuentran en maquinaria de jardín, generadores y motocicletas pequeñas.

En la mayoría de estos diseños, el árbol de levas permanecía relativamente cerca del cigüeñal y las válvulas se operaban a través de varillas de empuje y balancines . Esto condujo a importantes pérdidas de energía en el motor, pero fue más simple, especialmente en un motor en V donde un árbol de levas puede accionar las válvulas para ambos bancos de cilindros ; por esta razón, los diseños de motores de varillas de empuje han persistido más en estas configuraciones que en otras.

Los diseños más modernos tienen el árbol de levas en la parte superior de la culata, presionando directamente sobre el vástago de la válvula (nuevamente a través de seguidores de leva, también conocidos como taqués ), un sistema conocido como árbol de levas en cabeza ; si solo hay un árbol de levas, se trata de un motor de árbol de levas único o SOHC . A menudo hay dos árboles de levas, uno para la admisión y otro para las válvulas de escape, lo que crea la doble árbol de levas o DOHC . El árbol de levas es impulsado por el cigüeñal  , a través de engranajes, una cadena o una correa de distribución .

Desgaste de la válvula

En los primeros días de la construcción de motores, la válvula de asiento era un problema importante. Faltaba metalurgia y la rápida apertura y cierre de las válvulas contra las culatas provocaba un rápido desgaste. Deberían volver a rectificarse en un proceso conocido como " trabajo de válvula ". La adición de tetraetilo de plomo a la gasolina redujo un poco este problema, el plomo que recubre los asientos de las válvulas lubricaría, de hecho, el metal. En vehículos más modernos y motores antiguos correctamente mecanizados, los asientos de las válvulas pueden estar hechos de aleaciones mejoradas como estelita y las válvulas de acero inoxidable. En general, estas mejoras han erradicado este problema y han ayudado a convertir el combustible sin plomo en la norma.

La quemadura de la válvula (sobrecalentamiento) es otro problema. Provoca un desgaste excesivo de la válvula y un sellado defectuoso, así como golpes en el motor (la válvula caliente hace que el combustible se encienda prematuramente). Puede solucionarse mediante sistemas de refrigeración de válvulas que utilizan agua o aceite como refrigerante. En motores de alto rendimiento o turboalimentados , a veces se utilizan vástagos de válvula llenos de sodio . Estos vástagos de válvula actúan luego como un tubo de calor . Una de las principales causas de las válvulas quemadas es la falta de holgura de la válvula en el taqué; la válvula no puede cerrarse completamente. Esto reduce su capacidad para conducir calor a la culata a través del asiento y puede permitir que los gases de combustión calientes fluyan entre la válvula y su asiento. Las válvulas quemadas causarán una baja compresión en el cilindro afectado y pérdida de potencia.

Máquina de vapor

Válvula de asiento balanceada de la patente de EE.UU. 339,809. El vapor de alta presión entra por A y sale por B. El vástago de la válvula D se mueve hacia arriba para abrir los discos de la válvula C
Válvula de asiento oscilante en una de las locomotoras 4-6-2 reconstruidas de Chapelon .

James Watt estaba usando válvulas de asiento para controlar el flujo de vapor en los cilindros de sus motores de viga en la década de 1770. Una ilustración en sección del motor de viga de Watt de 1774 que usa el dispositivo se encuentra en Thurston 1878: 98, y Lardner (1840) proporciona una descripción ilustrada del uso de Watt de la válvula de asiento.

Cuando se usa en aplicaciones de alta presión, por ejemplo, como válvulas de admisión en motores de vapor, la misma presión que ayuda a sellar las válvulas de asiento también contribuye significativamente a la fuerza requerida para abrirlas. Esto ha llevado al desarrollo de la válvula de asiento balanceado o de doble latido , en la que dos tapones de válvula se montan en un vástago común, con la presión en un tapón equilibrando en gran medida la presión en el otro. En estas válvulas, la fuerza necesaria para abrir la válvula está determinada por la presión y la diferencia entre las áreas de las dos aberturas de la válvula. Sickels patentó un engranaje de válvula para válvulas de asiento de doble latido en 1842. En la revista Science en 1889 se informó de críticas a las válvulas de asiento de equilibrio (llamadas en el artículo "válvula de títere estadounidense o doble o equilibrada") en uso para motores de vapor de paletas. que por su naturaleza debe tener una fuga del 15 por ciento.

Las válvulas de asiento se han utilizado en locomotoras de vapor , a menudo junto con engranajes de válvulas Lentz o Caprotti . Los ejemplos británicos incluyen:

Sentinel Waggon Works usaba válvulas de asiento en sus vagones de vapor y locomotoras de vapor. La marcha atrás se logró mediante un sencillo sistema de árbol de levas deslizante .

Muchas locomotoras en Francia, particularmente aquellas reconstruidas con los diseños de Andre Chapelon, como la SNCF 240P , usaban válvulas de asiento de leva oscilante Lentz, que eran operadas por el engranaje de válvulas Walschaert con el que las locomotoras ya estaban equipadas.

La válvula de asiento también se utilizó en la American ferrocarril de Pennsylvania 's T1 duplex locomotoras , aunque las válvulas fallaron comúnmente debido a que las locomotoras fueron operados comúnmente en exceso de 160 km / h (100 mph), y las válvulas no eran para las tensiones de la tales velocidades. Las válvulas de asiento también le dieron a la locomotora un distintivo sonido de "resoplido".

Ver también

Referencias