Una válvula de asiento (también llamada a veces válvula de hongo [1] ) es una válvula que se utiliza normalmente para controlar el tiempo y la cantidad de gasolina (gas) o flujo de vapor que entra o sale de un motor, pero que tiene muchas otras aplicaciones.
Consiste en un orificio o cámara abierta, 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, generalmente está rectificado 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 se desplaza a través de una guía de válvula para mantener su alineación.
Una diferencia de presión en ambos lados de la válvula puede ayudar o perjudicar su rendimiento. 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 el estadounidense EAG Young, del ferrocarril de Newcastle y Frenchtown . Young había patentado su idea, pero el incendio de la Oficina de Patentes de 1836 destruyó todos los registros de la misma. [2]
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 aplicada a las marionetas , que, como la válvula de poppet, se mueven corporalmente en respuesta al movimiento remoto transmitido linealmente. [3] [4] En el pasado, "válvula de marioneta" era un sinónimo de válvula de poppet ; [5] [6] sin embargo, este uso de "puppet" ahora está obsoleto.
La válvula de asiento es diferente de las válvulas de corredera 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. [7]
En la mayoría de los casos, resulta beneficioso tener un "válvula de asiento equilibrada" en una válvula de acción directa. Se necesita menos fuerza para mover la válvula de asiento porque todas las fuerzas que actúan sobre ella se anulan con fuerzas iguales y opuestas. La bobina del solenoide tiene que contrarrestar únicamente la fuerza del resorte. [8]
Las válvulas de asiento son más conocidas por su uso en motores de combustión interna y de vapor, pero se utilizan en circuitos neumáticos e hidráulicos generales donde se desea un control de flujo pulsado. El pulso se puede controlar mediante una combinación de presión diferencial y carga de resorte según sea necesario.
Las válvulas Presta y Schrader que se utilizan en los neumáticos son ejemplos de válvulas de asiento. La válvula Presta no tiene resorte y depende de una diferencia 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 de burbujas que de otro modo podría delatar la posición sumergida del barco. [9]
Las válvulas de asiento se utilizan en la mayoría de los motores de pistón para controlar el flujo de gases de admisión y escape a través de la culata y hacia la cámara de combustión . El lado de la válvula de asiento que se encuentra dentro de la cámara de combustión es un disco plano, mientras que el otro lado se estrecha desde la forma del disco hasta una varilla cilíndrica delgada llamada "vástago de la válvula".
En los motores de producción en masa modernos típicos, las válvulas son sólidas y están hechas de aleaciones de acero . Sin embargo, algunos motores utilizan válvulas huecas rellenas de sodio para mejorar la transferencia de calor .
Muchos motores modernos utilizan una culata de aluminio. Aunque esto proporciona una mejor transferencia de calor, requiere el uso de insertos de acero para los asientos de las válvulas ; en las culatas de hierro fundido más antiguas , los asientos de las válvulas suelen ser parte de la culata. Hay un espacio de 0,4 a 0,6 mm (0,016 a 0,024 pulgadas) alrededor del vástago de la válvula, por lo que se utiliza un sello de aceite del vástago de la válvula para evitar que el aceite entre en el colector de admisión y la cámara de combustión. Normalmente, se utiliza un sello de tipo labio de goma. Un síntoma común de guías de válvulas desgastadas o sellos de aceite defectuosos es una bocanada de humo azul del tubo de escape en momentos de mayor vacío en el colector de admisión , como cuando se cierra el acelerador de forma abrupta.
Históricamente, las válvulas tenían dos problemas importantes, ambos resueltos gracias a las mejoras en la metalurgia moderna . El primero era que en los primeros motores de combustión interna, las altas tasas de desgaste de las válvulas significaban que era necesario un trabajo de rectificado de las válvulas a intervalos regulares. En segundo lugar, los aditivos de plomo se habían utilizado en la gasolina desde la década de 1920 para evitar el golpeteo del motor y proporcionar lubricación a las válvulas. Los materiales modernos para las válvulas (como el acero inoxidable) y los asientos de las válvulas (como la estelita ) permitieron que la gasolina con plomo se eliminara gradualmente en muchos países industrializados a mediados de la década de 1990.
Las válvulas de escape están sujetas a temperaturas muy altas y, en aplicaciones de rendimiento extremadamente alto, pueden estar refrigeradas con sodio . La válvula es hueca y está llena de sodio, que se derrite a una temperatura relativamente baja y, en su estado líquido, aleja el calor de la cabeza de la válvula caliente hacia el vástago, donde puede conducirse a la culata. Común en los motores de pistón de la segunda guerra mundial, ahora solo se encuentra en motores de alto rendimiento. [10]
Los primeros motores de las décadas de 1890 y 1900 utilizaban una válvula de admisión "automática", que se abría con el vacío en la cámara de combustión y se cerraba con un resorte ligero. La válvula de escape debía accionarse mecánicamente para abrirla contra la presión del cilindro. El uso de válvulas automáticas simplificó el mecanismo, pero el flotador de la válvula limitaba la velocidad a la que podía funcionar el motor y, hacia 1905, las válvulas de admisión operadas mecánicamente se adoptaron cada vez más en los motores de los vehículos.
El funcionamiento mecánico se realiza generalmente presionando el extremo del vástago de la válvula, y generalmente se utiliza un resorte para devolver la válvula a la posición cerrada. A altas velocidades del motor ( RPM ), el peso del tren de válvulas significa que el resorte de la válvula no puede cerrar la válvula con la suficiente rapidez, lo que provoca que la válvula flote o rebote . Las válvulas desmodrómicas utilizan un segundo balancín para cerrar mecánicamente las válvulas (en lugar de utilizar resortes de válvula) y, a veces, se utilizan para evitar que la válvula flote en motores que funcionan a altas RPM.
En la mayoría de los motores fabricados en serie, el árbol de levas controla la apertura de las válvulas a través de varios mecanismos intermedios (como varillas de empuje , balancines de rodillos y elevadores de válvulas ). La forma de las levas del árbol de levas influye en la elevación de las válvulas y determina el momento en que se abren.
Los primeros motores de cabeza plana (también llamados motores de cabeza en L ) tenían las válvulas ubicadas al lado del cilindro o cilindros, en una orientación "al revés" paralela al cilindro. [11] Aunque este diseño permitió una construcción simplificada y barata, la trayectoria sinuosa de los gases de admisión y escape tenía grandes inconvenientes para el flujo de aire, lo que limitaba las RPM del motor [12] y podía hacer que el bloque del motor se sobrecalentara bajo una carga pesada sostenida. El diseño de cabeza plana evolucionó hasta convertirse en un motor de admisión sobre escape (IOE) , utilizado en muchas de las primeras motocicletas y varios automóviles. En un motor IOE, las válvulas de admisión estaban ubicadas directamente sobre el cilindro (como los motores de válvulas en cabeza posteriores ), sin embargo, la válvula de escape permanece al lado del cilindro en una orientación al revés.
Estos diseños fueron reemplazados en gran medida por el motor de válvulas en cabeza (OHV) entre 1904 y finales de la década de 1960 y principios y mediados de la década de 1970, en el que las válvulas de admisión y escape están ubicadas directamente sobre el cilindro (con el árbol de levas ubicado en la parte inferior del motor). A su vez, los motores OHV fueron reemplazados en gran medida por los motores de árbol de levas en cabeza (OHC) entre la década de 1950 y la de 1980. La ubicación de las válvulas es básicamente la misma entre los motores OHV y OHC, sin embargo, los motores OHC tenían el árbol de levas ubicado en la parte superior del motor con las válvulas y los motores OHC a menudo tienen más válvulas por cilindro. La mayoría de los motores OHC tienen una válvula de admisión adicional y una válvula de escape adicional por cilindro (culata de cuatro válvulas), en comparación con el diseño de dos válvulas por cilindro utilizado por la mayoría de los motores OHV. Sin embargo, algunos motores OHC han utilizado tres o cinco válvulas por cilindro.
James Watt utilizaba válvulas de asiento para controlar el flujo de vapor hacia los cilindros de sus máquinas de vigas en la década de 1770. Una ilustración seccional de la máquina de vigas de Watt de 1774 que utilizaba el dispositivo se encuentra en Thurston 1878:98, [13] y Lardner (1840) proporciona una descripción ilustrada del uso de la válvula de asiento por parte de Watt. [14]
Cuando se utilizan en aplicaciones de alta presión, por ejemplo, como válvulas de admisión en máquinas de vapor, la misma presión que ayuda a sellar las válvulas de asiento también contribuye significativamente a la fuerza necesaria para abrirlas. Esto ha llevado al desarrollo de la válvula de asiento balanceada o de doble golpe , en la que dos tapones de válvula se deslizan sobre un vástago común, y la presión en un tapón equilibra en gran medida la presión en el otro. [15] [16] 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 mecanismo de válvula para válvulas de asiento de doble golpe en 1842. En 1889, la revista Science publicó críticas sobre las válvulas de asiento de equilibrio (llamadas por el artículo "válvula de doble o balanceada o válvula de marioneta americana") en uso para motores de vapor de paletas, ya que por su naturaleza debe tener una fuga del 15 por ciento. [17]
Las válvulas de asiento se han utilizado en locomotoras de vapor , a menudo junto con mecanismos de válvulas Lentz o Caprotti . Algunos ejemplos británicos son:
Sentinel Waggon Works utilizaba válvulas de asiento en sus vagones y locomotoras de vapor. La marcha atrás se lograba mediante un sencillo sistema de árbol de levas deslizante .
Muchas locomotoras en Francia, particularmente aquellas reconstruidas según los diseños de André Chapelon, como la SNCF 240P , usaban válvulas de asiento de leva oscilante Lentz, que eran operadas por el mecanismo de válvulas Walschaert con el que ya estaban equipadas las locomotoras.
La válvula de asiento también se utilizó en las locomotoras dúplex T1 de American Pennsylvania Railroad , aunque las válvulas fallaban con frecuencia porque las locomotoras solían funcionar a más de 160 km/h (100 mph) y las válvulas no estaban diseñadas para soportar las tensiones de tales velocidades. Las válvulas de asiento también le daban a la locomotora un sonido de "resoplado" característico.
RPM 2200 — 3600