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Un motor de cabeza plana , también conocido como motor de válvulas laterales [1] [2] o motor de válvulas en bloque , es un motor de combustión interna con sus válvulas de asiento contenidas dentro del bloque del motor , en lugar de en la culata , como en un motor de válvulas en cabeza .
Los fabricantes de automóviles utilizaron ampliamente los motores de válvulas planas a nivel internacional desde finales de la década de 1890 hasta mediados de la década de 1960 [3], pero fueron reemplazados por motores con válvulas en cabeza y árboles de levas en cabeza más eficientes . Actualmente están experimentando un resurgimiento en los motores aeronáuticos de bajas revoluciones , como el D-Motor [4] .
El mecanismo de válvulas consta de un árbol de levas ubicado en la parte baja del bloque de cilindros que opera las válvulas de asiento a través de taqués y varillas de empuje cortas (o, a veces, sin varillas de empuje en absoluto). El sistema de cabezal plano evita la necesidad de componentes adicionales del tren de válvulas , como varillas de empuje largas, balancines, válvulas en cabeza o árboles de levas en cabeza . [5] Las válvulas laterales suelen estar adyacentes, ubicadas en un lado del cilindro o cilindros, aunque algunos cabezales planos emplean la variante "T-head" de " flujo cruzado" menos común . En un motor de cabezal en T, los gases de escape salen por el lado opuesto del cilindro desde la válvula de admisión.
La cámara de combustión del motor de válvulas laterales no está sobre el pistón (como en un motor OHV (válvulas en cabeza)), sino a un costado, sobre las válvulas. La bujía puede estar ubicada sobre el pistón (como en un motor OHV) o sobre las válvulas; pero los diseños de aeronaves con dos bujías por cilindro pueden utilizar una o ambas posiciones. [6]
Los pistones "emergentes" se pueden utilizar con cabezales compatibles para aumentar la relación de compresión y mejorar la forma de la cámara de combustión para evitar detonaciones . [7] Los pistones "emergentes" se denominan así porque, en el punto muerto superior , sobresalen por encima de la parte superior del bloque de cilindros.
Las ventajas de un motor de válvulas laterales incluyen: simplicidad, confiabilidad, bajo número de piezas, bajo costo, bajo peso, compacidad, potencia reactiva a baja velocidad, bajo ruido mecánico del motor e insensibilidad al combustible de bajo octanaje. La ausencia de un tren de válvulas complicado permite un motor compacto que es barato de fabricar, ya que la culata puede ser poco más que una simple fundición de metal. Estas ventajas explican por qué los motores de válvulas laterales se utilizaron para automóviles de pasajeros durante muchos años, mientras que los diseños OHV llegaron a especificarse solo para aplicaciones de alto rendimiento como aeronaves , automóviles de lujo , automóviles deportivos y algunas motocicletas . [ cita requerida ]
En el punto muerto superior, el pistón se acerca mucho a la parte plana de la culata que se encuentra por encima, y la turbulencia resultante produce una mezcla excelente de combustible y aire. Una característica del diseño de válvula lateral (particularmente beneficiosa para un motor de aviación) es que si una válvula se atasca en su guía y permanece parcialmente abierta, el pistón no se dañaría y el motor continuaría funcionando de manera segura con sus otros cilindros. [ cita requerida ]
Las principales desventajas de un motor de válvulas laterales son el flujo de gas deficiente, la forma deficiente de la cámara de combustión y la baja relación de compresión, todo lo cual da como resultado un motor de bajas revoluciones con baja potencia de salida [8] y baja eficiencia. [9] Debido a que los motores de válvulas laterales no queman el combustible de manera eficiente, sufren altas emisiones de hidrocarburos. [10]
Los motores de válvulas laterales solo se pueden utilizar en motores que funcionan según el principio Otto . La forma de la cámara de combustión no es adecuada para los motores diésel [11] , que requieren una alta relación de compresión para que se produzca la ignición .
En un motor de válvulas laterales, los gases de admisión y escape siguen una ruta tortuosa, con baja eficiencia volumétrica o "mala respiración", sobre todo porque los gases de escape interfieren con la carga entrante. Debido a que el escape sigue un largo camino para salir del motor, existe una tendencia a que el motor se sobrecaliente . (Nota: esto es cierto para los motores de válvulas planas de tipo V, pero es un problema menor para los motores en línea que generalmente tienen los puertos de admisión y escape en el mismo lado del bloque del motor). Aunque un motor de válvulas laterales puede funcionar de manera segura a alta velocidad, su eficiencia volumétrica se deteriora rápidamente, por lo que no es posible obtener altas potencias a alta velocidad. La alta eficiencia volumétrica era menos importante para los primeros automóviles porque sus motores rara vez mantenían altas velocidades prolongadas, pero los diseñadores que buscaban mayores potencias tuvieron que abandonar las válvulas laterales. Un compromiso utilizado por Willys Jeep , Rover , Land Rover y Rolls-Royce en la década de 1950 fue la "cabeza F" (o válvula de "admisión sobre escape"), que tiene una válvula lateral y una válvula en cabeza por cilindro. [12]
La cámara de combustión alargada del motor de cabeza plana es propensa a la preignición (o "detonación") si se aumenta la relación de compresión, pero las mejoras como la ignición por láser o la ignición mejorada por microondas pueden ayudar a prevenir la detonación. [13] Las ranuras de turbulencia pueden aumentar el remolino dentro de la cámara de combustión, lo que aumenta el par, especialmente a bajas revoluciones. Una mejor mezcla de la carga de combustible y aire mejora la combustión y ayuda a prevenir la detonación. [14] [15] [16] [17]
Un avance en la tecnología de los motores de válvulas planas fue el resultado de la experimentación en la década de 1920 por parte de Sir Harry Ricardo , quien mejoró su eficiencia después de estudiar las características del flujo de gas de los motores de válvulas laterales. [18] [9] [ aclaración necesaria ]
La dificultad de diseñar un motor de cabeza plana con una alta relación de compresión significa que la mayoría tienden a ser diseños de encendido por chispa, y los motores diésel de cabeza plana son prácticamente desconocidos.
La disposición de válvulas laterales era especialmente común en los Estados Unidos y se usaba para motores de vehículos de motor, incluso para motores con alta potencia específica de salida. [11] Los diseños de válvulas laterales todavía son comunes para muchos motores pequeños de un solo cilindro o de dos cilindros , como cortadoras de césped , motocultores , tractores de dos ruedas y otra maquinaria agrícola básica . [ cita requerida ]
Los motores de cabeza plana multicilíndrica se utilizaron para automóviles como el Ford Modelo T y el Ford Modelo A , el motor Ford V8 de cabeza plana y el motor Ford Sidevalve . Cadillac produjo motores de cabeza plana V-16 para sus automóviles de lujo Serie 90 entre 1938 y 1940. [19] Packard produjo motores de cabeza plana de 8 cilindros en línea hasta 1954. También en el Morris Eight británico y el Morris Minor serie I.
Después de la Segunda Guerra Mundial , los diseños de válvulas en cabeza (OHV) comenzaron a reemplazar los diseños de válvulas en cabeza (flathead valve). Las válvulas en cabeza ya no eran comunes en los automóviles , pero continuaron en vehículos más rudimentarios, como los Jeeps militares todoterreno . En los círculos de automóviles personalizados y hot rod de EE. UU. , todavía se ven ejemplos restaurados de los primeros Ford V8 de válvula en cabeza. [1] [20]
La simplicidad, ligereza, compacidad y fiabilidad pueden parecer ideales para un motor de avión , pero debido a su baja eficiencia, los primeros motores de válvulas planas se consideraron inadecuados. Dos excepciones notables fueron el motor de avión bimotor opuesto Aeronca E-107 estadounidense de 1930 y el Continental A40 de cuatro cilindros planos de 1931, que se convirtió en uno de los motores de aviones ligeros más populares de la década de 1930. Dos motores de válvulas planas modernos son los belgas D-Motor de cuatro cilindros planos y los de seis cilindros planos . [21] Estos son motores de avión extremadamente cuadrados y compactos con transmisión directa a una hélice. [22] [23]
Los diseños de cabezal plano se han utilizado en varias motocicletas anteriores a la guerra, en particular las V-twin estadounidenses como Harley-Davidson e Indian , algunas monocilíndricas británicas, las flat twin de BMW y copias rusas de las mismas. [24] La Cleveland Motorcycle Manufacturing Company produjo un motor de motocicleta de cuatro cilindros en línea con cabezal en T en la década de 1920.
Intentar recuperar la relación de compresión mediante el uso de pistones emergentes puede mejorar el flujo de aire siempre que se preste la debida atención al área de transferencia y a la interfaz general entre el pistón y la cámara de combustión. El mejor equilibrio ha sido objeto de debate durante más de 60 años. Actualmente, el enfoque más popular es utilizar un pistón emergente grande, pero con una hendidura en el lado adyacente a las válvulas para mantener despejada el área de transferencia entre las válvulas y el orificio del cilindro. Las relaciones de compresión recomendadas para el consumo de gasolina de calle son de entre 7,5 y 8:1 en motores de aspiración natural y de 6,5 a 7,0:1 con un soplador.
Con la combustión mejorada por plasma, se formó un núcleo de llama grande y aumentó la velocidad de propagación de la llama. En el motor monocilíndrico, mejoró la estabilidad de la combustión y la ignición mejorada por microondas aumentó el límite de mezcla pobre de 19,3 a 24,1.
En noviembre de 2002, Singh recibió uno de esos permisos de un fabricante para probar su modificación en sus motores. El fabricante era Briggs and Stratton, y los motores eran dos de 149 cc con válvulas laterales.
Mecánicamente, los coches de la Serie 90 compartían los avances de la Serie 75. La transmisión manual de tres velocidades del coche V-8 se consideró a la altura de la tarea de manejar el par del V-16, en parte porque el motor más grande entregaba sus impulsos con mucha suavidad.
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