Culata de los cilindros
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La culata de los cilindros también conocida como tapa de los cilindros, es por lo general una pieza de fundición que cubre toda una fila de cilindros. Culatas individuales para cada cilindro se utilizan generalmente en los motores con refrigeración por aire. En los motores muy potentes con cilindros de gran diámetro se hacen a veces culatas agrupadas para dos o tres cilindros.
En los motores modernos la culata de los cilindros es postiza. Con esto se simplifica la fundición y se eleva su calidad, resul1a más fácil la inspección de los espejos de los cilindros, el esmerilado de las válvulas, la limpieza de la carbonilla que se forma en la cámara de combustión, y el desmontaje y examen del grupo del émbolo. Además, en este caso la culata de los cilindros se puede hacer de distintos materiales (fundiciones aleadas, aleaciones de aluminio) que el bloque.
Sumario
Estructura
La estructura de la culata de los cilindros depende de la forma de la cámara de combustión, del número y disposición de las válvulas, de las bujías de encendido o de los inyectores, de los conductos de admisión y de escape, del sistema de refrigeración y de las formas que tengan las tuberías exteriores.
Elementos de la culata
La culata de los cilindros consta de los elementos siguientes:
- La cámara de combustión, que forma con el émbolo y las paredes del cilindro.
- Los conductos de admisión y de escape.
- Las paredes y los huecos para el líquido de refrigeración o las aletas (en los motores de refrigeración por aire).
Diseño y construcción
Al diseñar y construir las culatas de los cilindros hay que tener en cuenta que deben satisfacer las siguientes condiciones:
- Tener la suficiente rigidez y resistencia.
- Ser cómodos para el montaje, inspección y regulación del mecanismo de las válvulas.
- Asegurar una forma de la cámara de combustión que contribuya a mejorar los procesos de combustión para alcanzar los valores máximos de la presión efectiva media y los gastos específicos mínimos de combustible con una relación de compresión dada.
- Ser de estructura simple y poco costo de fabricación.
La culata de los cilindros tiene una forma geométrica complicada. Al diseñarla hay que procurar que las transiciones sean suaves y que las paredes tengan igual espesor, lo que aumenta la seguridad de la culata al actuar sobre ella las cargas mecánicas y térmicas. Las secciones de paso de los conductos de admisión y escape, dentro de las culatas de los cilindros, no deben variar bruscamente ni ser menores que la sección de paso de la válvula en el instante de su elevación máxima.
Si la refrigeración es por líquido, en las culatas de los cilindros debe asegurarse una circulación uniforme del líquido de refrigeración. Los orificios para la entrada del líquido de refrigeración se recomiendan situarlos cerca de las zonas que se calientan más y de ser posible junto a los espárragos que sujetan la culata de los cilindros al bloque-cárter, para evitar fugas. Para prevenir la formación de bolsas de vapor, los orificios para la salida del líquido de refrigeración de la culata de los cilindros deben situarse en los puntos más elevados.
En los motores con refrigeración por aire la uniformidad de ésta se consigue por medio de las aletas y de la orientación adecuada de las corrientes del aire de refrigeración.
En las culatas de los cilindros con válvulas en cabeza los tabiques entre aquéllos y las propias válvulas son las partes de la cámara de combustión que más se calientan. Por esto, para evitar la combustión detonante, las bujías de encendido se colocan cerca de la zona más caliente, es decir, de la válvula de escape. En este caso la parte de la mezcla carburada que primero arde es la más caliente. Cuando las válvulas van en cabeza las bujías de encendido se colocan inclinadas lateralmente, por la parte de la pared más cargada del cilindro, en un hueco especial.
Las bujías de encendido se fabrican con roscas de 10, 14 y 18 mm de diámetro. Cuanto más elevado sea el régimen térmico del motor, tanto menor deberá ser el diámetro de la rosca.
Las bujías de encendido se atornillan en unos resaltes macizos de la culata de los cilindros que deberán estar bañados por todas partes por el líquido de refrigeración. El régimen térmico de la bujía debe conservarse constante para evitar el encendido por caldeo si se recalienta o se engrasa ésta, o la excesiva formación de carbonilla en la superficie de la cámara de combustión si la bujía se enfría demasiado. La temperatura del extremo del aislador y del electrodo central de la bujía debe encontrarse entre los límites de 500 - 900° C.
La forma de la cámara de combustión debe ser compacta. Esto se consigue mejor en los motores con válvulas en cabeza.
En una cámara de combustión compacta, a igualdad de las demás condiciones, disminuye la distancia entre el sitio donde se produce la inflamación de la mezcla de trabajo y la región más apartada de la cámara y se reducen las pérdidas térmicas, lo que hace que se eleve la economía del motor.
La relación del área de la superficie de la cámara de combustión, que está en contacto directo con el líquido de refrigeración, al área de la superficie total de sus paredes caracteriza la intensidad de la transmisión de calor a dicho liquido. En los motores de automóvil esta relación oscila entre 0,4 y 0,55.
Con las válvulas en cabeza se tolera una relación de compresión más elevada (e=7,5%12). En este caso la resistencia a la admisión será menor y, por consiguiente, el coeficiente de llenado, mayor. Todo esto permite elevar la potencia por litro y la economía del motor.
En los motores de carburador con válvulas en cabeza se ha difundido mucho el empleo de culatas de cilindros con cámara de combustión en cuña y colocación bilateral de las válvulas. En el caso de la disposición lateral de las válvulas la culata más eficaz es la de cámara de combustión en L invertida.
Al diseñar las culatas de los cilindros hay que prestar especial atención al suministro de agua a los tetones de los casquillos, guías de la válvula de escape, cuyo funcionamiento seguro depende mucho de la estabilidad del régimen térmico, Para disminuir la temperatura de la válvula de escape su guía debe hacerse directamente en la culata de los cilindros. Las válvulas de escape situadas en la culata de los cilindros deben refrigerarse en toda su longitud.
En los motores Diesel la forma de la cámara de combustión, correspondiente al procedimiento de formación de la mezcla que se halla elegido, determina la estructura de la culata de los cilindros. La estructura de las culatas de los cilindros de los motores Diesel es más compleja que la de las culatas de los motores de carburador.
En la fig. 1, a se muestra la cámara de inyección directa (combustión no separada) de un motor Diesel de cuatro tiempos, y en la fig. 1 b, una cámara de torbellino (combustión separada). En este último caso la parte superior de la cámara de torbellino forma una pieza de fundición con la culata, y la parte superior, con el conducto de comunicación, se hace de acero resistente a las altas temperaturas y se coloca por la parte del plano de apoyo de la culata de los cilindros.
Los inyectoreses, se montan en unos huecos de fundición mecanizados que hay en la culata de los cilindros o en unos casquillos de cobre postizos, con lo que mejora sula refrigeración.
La temperatura de las superficies exteriores de las culatas de los cilindros, en las zonas más calientes entre las válvulas, no debe ser mayor de 215 – 230 °C y únicamente con regímenes forzados se toleran elevaciones de temperatura de poca duración de hasta 260 °C. La temperatura de la culata de los cilindros debe ser uniforme en lo posible.
La superficie de refrigeración de la culata de los cilindros constituye el 60 - 75% de toda la superficie de las aletas del cilindro. Para que la distribución del flujo de calor sea más regular, en la culata de los cilindros se sitúan las aletas excéntricamente con respecto al eje del cilindro y se practican cortes en ellas. Estas últimas hacen qué disminuya la tensión térmica en las aletas y evitan las deformaciones de los asientos de las válvulas.
En la fig. 2 se muestra la estructura de la culata de un cilindro con las válvulas en V y cámara de combustión hemisférica. El ángulo entre los ejes de las válvulas es de 80 aproximadamente. Este esquema corresponde a la conducción del aire perpendicular al plano de los ejes de las válvulas. En los motores de refrigeración por aire la culata de cada cilindro, junto con él, se sujeta al cárter por medio de cuatro espárragos.
Materiales
Las culatas de los cilindros se fabrican de fundición gris y otras con aditivos de níquel, cromo, manganeso, etc., y de aleaciones de aluminio que poseen altas propiedades mecánicas a elevadas temperaturas.
Las culatas de los cilindros de los motores con refrigeración por aire se hacen de aleación de aluminio colada o forjada; la utilización de aleaciones de aluminio mejora la extracción de calor.
La dureza de las culatas de fundición no debe ser menor de HB 180 - 240. Las tensiones residuales que se producen durante la colada se eliminan calentando las culatas de fundición hasta la temperatura de 400 - 500° C durante 10 - 15 horas y enfriándolas después paulatinamente. Las culatas de aluminio se calientan hasta 200 °C de temperatura durante 6 - 8 horas.
Las culatas de los cilindros se someten a pruebas hidráulicas bajo presión de 0,4 MN/m2 (4 kgf/cm2) durante 3 - 5 minutos, para comprobar la estanqueidad del espacio dedicado al agua; no se toleran las fugas ni incluso el humedecimiento de las superficies de las paredes. Además, las culatas de los cilindros de algunos motores deben sufrir un ensayo hidráulico, para comprobar la resistencia de la pared que queda frente al émbolo, a una presión del agua de hasta 10 MN/m2 (100 kgf/cm2) o más.
Dimensiones estructurales
Las principales dimensiones estructurales de las culatas de los cilindros son: la altura, el espesor de las paredes y la masa.
Altura
La altura de las culatas de los cilindros de los motores de carburador con refrigeración, por líquido depende del tipo de cámara de combustión: Hcc = (l,0 % 1,2) D; en los motores con cámara de combustión hemisférica alcanza (1,6 % 2,0) D.
En los motores de carburador con refrigeración por aire la altura de las culatas de los cilindros, que se sujetan con espárragos o tornillos, es Hcc = (l,25 %1,80) D, y la de las culatas roscadas, Hcc=(1,4 % 1,5) D. La altura de las culatas de los motores Diesel también depende del tipo de la cámara de combustión y, además, del ángulo de inclinación y de las dimensiones del inyector.
En los motores Diesel con refrigeración por líquido Hcc =(0,8 % l,2) D, y en los que se refrigeran por aire Hcc=(1,0 %1,7) D.
En los motores con refrigeración por aire la altura de las aletas de las cabezas alcanza 50 - 60 mm. El de las culatas de forja la altura no excede de 80 mm.
Espesor de las paredes
En las culatas de los cilindros de aleaciones de aluminio la pared de apoyo se hace aproximadamente 2 mm más gruesa que en las culatas de fundición. El espesor de las paredes de las cámaras de fundición no es mayor de 9 - 10 mm, y el de las de aleaciones de aluminio, l0 - 12 mm (con frecuencia se hace igual al espesor de la pared inferior de apoyo). El espesor de las culatas de forja puede reducirse hasta 1,5 mm siendo el paso entre ellas de hasta 3,5 - 4,0 mm.
La anchura mínima del espacio para el agua entre las paredes oscila entre los límites de 10 - 15 mm, y el espesor de las paredes de los conductos es de cerca de 5 mm.
Si se utiliza la colada de fundición con paredes delgadas el espesor de las de la camisa de agua puede llegar a 3,2 - 4,0 mm. En este caso la rigidez necesaria del bloque-cárter se puede conseguir fortaleciendo los tabiques y reforzando con nervios su parte inferior.
Masa
La masa de las culatas de fundición, cuando las válvulas son laterales, no es mayor del 8 - 9% de la masa total del motor; cuando las válvulas van en cabeza constituye un 12 - 13% de aquella. La masa por unidad de longitud de las culatas de los cilindros de los motores de carburador con válvulas laterales es igual a 0,25 - 0,30 kg/cm, la de las válvulas en cabeza 0,4 - 0,5 kg/cm.
Fuente
- M.S. Jóvaj y G.S. Máslov. Motores de automóvil. Traducido por Ing. Antonio Molina García; editado por Editorial Pueblo y Educación, 1985 430 - 437 p.
