Válvula de asiento
Una válvula de asiento (también llamada válvula de hongo) es una válvula que normalmente se usa para controlar la sincronización y la cantidad de flujo de gas o vapor en un motor.
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 obturador, la cara de la válvula, normalmente se esmerila en un bisel de 45° para sellar contra un asiento de válvula correspondiente esmerilado 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 American E.A.G. Joven 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.
Etimología
La palabra poppet comparte etimología con "puppet": proviene del papa del inglés medio ("youth" o "doll"), 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, al igual que la válvula de poppet, se mueven corporalmente en respuesta al movimiento remoto transmitido linealmente. En el pasado, la "válvula de marioneta" era un sinónimo de válvula de asiento; sin embargo, este uso de "títere" ahora está obsoleto.
Diseño
La válvula de asiento es fundamentalmente 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.
En la mayoría de los casos, es beneficioso tener un asiento "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 del solenoide tiene que 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 controlar el flujo de leche hasta aislar el aire estéril en la industria de los semiconductores.
Las válvulas Presta y Schrader utilizadas en neumáticos son ejemplos de válvulas de asiento. La válvula Presta no tiene resorte y se basa en 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 usan 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 traicionar al barco& #39;s posición sumergida.
Uso en motores de combustión interna
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 válvula".
Materiales y durabilidad
En los típicos motores modernos de producción en masa, las válvulas son sólidas y están hechas de aleaciones de acero. Sin embargo, algunos motores usan 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 que se usa 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.. Por lo general, se utiliza un sello tipo labio de goma. Un síntoma común de guías de válvula desgastadas y/o sellos de aceite defectuosos es una bocanada de humo azul del tubo de escape en momentos de mayor vacío del múltiple de admisión, como cuando el acelerador se cierra abruptamente.
Históricamente, hubo dos problemas importantes con las válvulas, los cuales se han resuelto mediante 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 se requería un trabajo de válvula para reafilar 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 la detonación 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 el estelita) permitieron que la gasolina con plomo se eliminara gradualmente en muchos países industrializados a mediados de la década de 1990.
Válvulas de escape refrigeradas por sodio
Las válvulas de escape están sujetas a temperaturas muy altas y, en aplicaciones de alto rendimiento extremo, 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, expulsa el calor por convección de la cabeza de la válvula caliente hacia el vástago, donde puede ser conducido a la cabeza del cilindro. Común en los motores de pistón de la segunda guerra mundial, ahora solo se encuentra en motores de alto rendimiento.
Método de actuación
Los primeros motores de las décadas de 1890 y 1900 usaban un motor "automático" válvula de admisión, que fue abierta por el vacío en la cámara de combustión y cerrada por un resorte ligero. La válvula de escape tenía que ser accionada 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, las válvulas de entrada operadas mecánicamente se adoptaron cada vez más para los motores de los 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 de la válvula . Las válvulas desmodrómicas usan un segundo balancín para cerrar mecánicamente las válvulas (en lugar de usar resortes de válvula) y, a veces, se usan para evitar que la válvula flote en motores que funcionan a altas RPM.
En la mayoría de los motores fabricados en serie, los árboles de levas controlan la apertura de las válvulas a través de varios mecanismos intermedios (como varillas de empuje, balancines de rodillos y levantaválvulas). La forma de las levas en el árbol de levas influye en la elevación de la válvula y determina el momento en que se abren las válvulas.
Número y ubicación de válvulas
Los primeros motores de cabeza plana (también llamados motores de cabeza en L) veían las válvulas ubicadas junto a los cilindros, en una posición "invertida" orientación paralela al cilindro. Aunque este diseño hizo una construcción simplificada y económica, la trayectoria torcida de los gases de admisión y escape tenía inconvenientes importantes para el flujo de aire, lo que limitaba las RPM del motor 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 en varios automóviles. En un motor IOE, las válvulas de admisión estaban ubicadas directamente sobre el cilindro (como los últimos motores de válvulas en cabeza), 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, donde las válvulas de admisión y escape están ubicadas directamente sobre el cilindro (con el árbol de levas ubicado en el 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 1950 y 1980. La ubicación de las válvulas es básicamente la misma entre los motores OHV y OHC, sin embargo, los motores OHC vieron 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 admisión adicional y una válvula de escape adicional por cilindro (culata de cilindro 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.
Uso en máquinas de vapor
James Watt estaba usando válvulas de asiento para controlar el flujo de vapor en los cilindros de sus motores de balancín en la década de 1770. En Thurston 1878:98 se encuentra una ilustración seccional del motor de haz de Watt de 1774 usando el dispositivo, 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 balanceada o válvula de doble golpe, en la que dos obturadores de válvula se desplazan sobre un vástago común, con la presión en un obturador equilibrando en gran medida la presión sobre 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 pulsación en 1842. En 1889 se informó de críticas en la revista Science sobre las válvulas de asiento de equilibrio (llamadas en el artículo "válvula de marioneta americana o doble o equilibrada") en uso para los motores de vapor de paletas, que por su naturaleza debe tener fugas 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:
- Clase LNER B12
- Clase LNER D49
- Clase LNER P2
- LMS Stanier Class 5 4-6-0
- Clase estándar BR 5
- BR clase estándar 8 71000 Duque de Gloucester.
Sentinel Wagon Works utilizó válvulas de asiento en sus vagones y locomotoras de vapor. La marcha atrás se logró mediante un simple sistema de árbol de levas deslizante.
Muchas locomotoras en Francia, particularmente aquellas reconstruidas según los diseños de Andre Chapelon, como la SNCF 240P, usaban válvulas de asiento de leva oscilante Lentz, que eran operadas por el engranaje de válvula Walschaert con el que las locomotoras ya estaban equipadas.
La válvula de asiento también se usó en las locomotoras dúplex T1 de American Pennsylvania Railroad, aunque las válvulas solían fallar porque las locomotoras solían funcionar a más de 160 km/h (100 mph) y las válvulas no destinado a las tensiones de tales velocidades. Las válvulas de asiento también dieron a la locomotora un distintivo "chuffing" sonido.