Una válvula de asiento (también llamada a veces válvula de hongo [1] ) es una válvula que se usa típicamente para controlar la sincronización y la cantidad de flujo de gas o vapor hacia o desde un motor, pero con muchas otras aplicaciones.
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, normalmente 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 viaja a través de una guía de válvula para mantener su alineación.
Un diferencial de presión en cualquiera de los 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 "muñeco"), del francés medio poupette , que es un diminutivo de poupée . El uso de la palabra asiento para describir una válvula proviene de la misma palabra aplicada a las marionetas , que, al igual que la válvula de asiento, se mueven corporalmente en respuesta a un movimiento remoto transmitido linealmente. [3] [4] En el pasado, "válvula de marioneta" era sinónimo de válvula de marioneta ; [5] [6] sin embargo, este uso de "títere" ahora está obsoleto.
La válvula de asiento es 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. [7]
En la mayoría de los casos, resulta beneficioso tener un "obturador equilibrado" en una válvula de acción directa. Se necesita menos fuerza para mover el disco porque todas las fuerzas sobre el disco son anuladas por fuerzas iguales y opuestas. La bobina magnética sólo debe contrarrestar la fuerza del resorte. [8]
Las válvulas de asiento son más conocidas por su uso en motores de vapor y de combustión interna, pero se usan en circuitos neumáticos e hidráulicos en general 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 utilizadas en 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 delatora nube de burbujas que, de otro modo, podría delatar el rumbo del barco. posición sumergida. [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 del cilindro 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 válvula".
En los típicos motores modernos de producción en masa, las válvulas son sólidas y están hechas de aleaciones de acero . Sin embargo, algunos motores utilizan válvulas huecas llenas 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 asiento de válvula de acero; En las culatas de cilindros de hierro fundido más antiguas , los asientos de las válvulas suelen formar 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 tanto, se utiliza un sello del vástago de la válvula para evitar que los gases de combustión se escapen a través de este espacio o que el aceite entre en la cámara de combustión. Normalmente se utiliza un sello de tipo labio de goma. Un síntoma común de guías de válvulas desgastadas y/o sellos de aceite defectuosos es una bocanada de humo azul que sale del tubo de escape en momentos de aumento del vacío del colector de admisión , como cuando el acelerador se cierra abruptamente.
Históricamente, hubo dos problemas importantes con las válvulas, los cuales se resolvieron gracias a mejoras en la metalurgia moderna . La primera fue que en los primeros motores de combustión interna, las altas tasas de desgaste de las válvulas significaban que era necesario rectificarlas 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 fuera eliminada progresivamente en muchos países industrializados a mediados de los años 1990.
Las válvulas de escape están sujetas a temperaturas muy altas y, en aplicaciones de rendimiento extremadamente alto, pueden enfriarse con sodio . La válvula es hueca y está llena de sodio, que se funde a una temperatura relativamente baja y, en su estado líquido, conduce el calor desde la cabeza de la válvula caliente al vástago, donde puede conducirse a la culata del cilindro. Común en los motores de pistón de la Segunda Guerra Mundial, ahora sólo 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 mediante el vacío en la cámara de combustión y se cerraba mediante un resorte ligero. La válvula de escape tenía que accionarse mecánicamente para abrirla contra la presión del cilindro. El uso de válvulas automáticas simplificó el mecanismo, pero el flotador de la válvula limitó la velocidad a la que podía funcionar el motor, y alrededor de 1905 se adoptaron cada vez más válvulas de entrada operadas mecánicamente para los 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 velocidades del motor ( RPM ), el peso del tren de válvulas significa que el resorte de la válvula no puede cerrar la válvula lo suficientemente rápido, 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 la flotación de las válvulas en motores que funcionan a altas RPM.
En la mayoría de los motores producidos en serie, el o los árboles de levas controlan 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 en el árbol de levas influye en la elevación de las válvulas y determina el momento en que se abren las válvulas.
Los primeros motores de cabeza plana (también llamados motores de cabeza L ) tenían las válvulas ubicadas al lado de los cilindros, en una orientación "invertida" paralela al cilindro. [11] Aunque este diseño permitía una construcción simplificada y económica, la trayectoria torcida de los gases de admisión y escape tenía importantes inconvenientes para el flujo de aire, lo que limitaba las RPM del motor [12] y podía provocar 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 en varios automóviles. En un motor IOE, las válvulas de admisión estaban ubicadas directamente encima del cilindro (como los motores con válvulas en cabeza posteriores ), sin embargo, la válvula de escape permanece al lado del cilindro en una orientación invertida.
Estos diseños fueron reemplazados en gran medida por el motor de válvulas en cabeza (OHV) entre 1904 y finales de la década de 1960/principios y mediados de la década de 1970, en el que las válvulas de admisión y de escape estaban ubicadas directamente encima del cilindro (con el árbol de levas ubicado en la parte inferior del motor). motor). A su vez, los motores OHV fueron reemplazados en gran medida por motores de árbol de levas en cabeza (OHC) entre los años 1950 y 1980. La ubicación de las válvulas es prácticamente 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 y una válvula de escape adicionales 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 usaba válvulas de asiento para controlar el flujo de vapor hacia los cilindros de sus motores de viga en la década de 1770. Una ilustración en sección del motor de haz de Watt de 1774 usando el dispositivo se encuentra en Thurston 1878:98, [13] y Lardner (1840) proporciona una descripción ilustrada del uso de Watt de la válvula de asiento. [14]
Cuando se utiliza 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 necesaria para abrirlas. Esto ha llevado al desarrollo de la válvula de asiento equilibrada o de doble batido , en la que dos obturadores de válvula se desplazan sobre un vástago común, y la presión sobre un obturador equilibra en gran medida la presión sobre 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 engranaje de válvulas para válvulas de asiento de doble golpe en 1842. En la revista Science se informaron críticas en 1889 sobre las válvulas de asiento de equilibrio (llamadas en el artículo "válvula de asiento doble o equilibrada o americana") utilizadas para motores de vapor de paletas. que por su naturaleza debe filtrar el 15 por ciento. [17]
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 utilizó válvulas de asiento en sus vagones de vapor y locomotoras de vapor. La marcha atrás se logró mediante un simple sistema de árbol de levas deslizante .
Muchas locomotoras en Francia, en particular las reconstruidas según los diseños de André Chapelon, como la SNCF 240P , utilizaban válvulas de asiento de leva oscilante Lentz, que eran accionadas por el engranaje de válvulas Walschaert con el que ya estaban equipadas las locomotoras.
La válvula de asiento también se usó en las locomotoras dúplex T1 del American Pennsylvania Railroad , aunque las válvulas comúnmente fallaban porque las locomotoras operaban comúnmente a más de 160 km/h (100 mph), y las válvulas no estaban diseñadas para las tensiones de tales velocidades. Las válvulas de asiento también daban a la locomotora un distintivo sonido de "resoplido".
RPM 2200-3600