Válvulas de admisión y escape

Las válvulas del motor son componentes metálicos que permiten el paso de la mezcla de combustible y aire y la salida de los productos de la combustión. Son esenciales para el funcionamiento del motor. Constan de una parte alargada “vástago” y una parte plana “placa o cabeza”.

La parte alargada se encuentra en la culata y se apoya en el árbol de levas, mientras que la cabeza de la válvula se encuentra en el cilindro. Hay dos tipos: válvulas de admisión (las más grandes) y las válvulas de escape.

Estas difieren en tamaño debido a las diferentes presiones que pueden soportar. Las válvulas de admisión tienen una presión cercana a la atmosférica, lo que contribuye a su mayor tamaño. En cambio, las válvulas de escape manejan presiones más altas, por lo que no tienen que ser tan grandes, pero sí más robustas en su construcción y composición.

Por tal razón, hay diferencias en los materiales con los que se fabrican, ya que tienen que soportar diferentes temperaturas. Mientras que las válvulas de admisión pueden soportar 200 grados Celsius, las de escape pueden soportar 700 grados Celsius.

Válvula de admisión

Todos los motores de combustión interna necesitan aire y combustible para funcionar correctamente. Para ello, las aperturas en la cámara del cilindro permiten aspirar este par de elementos y luego expulsar los gases resultantes por las de escape. Estas aberturas, que se abren y cierran continuamente en milisegundos, están controladas por las válvulas. Siendo las válvulas de admisión las responsables del suministro de combustible y aire.

Dado que controlan la entrada y salida del componente líquido o gaseoso en un espacio cerrado con temperaturas y presiones muy elevadas, las válvulas de admisión deben estar fabricadas con materiales muy robustos y con una precisión quirúrgica. Es importante tener en cuenta la diferencia entre los motores de carburador y los de inyección: en los primeros, la mezcla de combustible y aire es creada por la válvula de admisión, mientras que, en los segundos, los inyectores son los responsables de inyectar el combustible en el cilindro.

Válvula de escape

Son piezas metálicas en forma de clavo con una cabeza normalmente menos grande que las de admisión. Su objetivo es garantizar que los gases formados en el cilindro del motor tras la combustión de la mezcla de combustible y aire en una explosión acaben en el medio ambiente. Los motores suelen tener una sola válvula de escape por cilindro, pero algunos motores modernos pueden tener dos.  Están fabricadas con aceros de aleación especial que pueden soportar las altas temperaturas causadas por la fricción y los gases.

¿Qué función cumplen las válvulas de admisión y escape?

En una definición general, una válvula de admisión es aquella que permite la mezcla de aire y combustible en el cilindro. Como ocurre con la válvula de escape, está diseñada para abrirse y cerrarse en momentos precisos con el fin de permitir que el motor funcione de forma eficiente a todas las velocidades de giro. La operación está controlada por unos lóbulos (levas) en un eje giratorio (árbol de levas), y se impulsa por una cadena, una correa o un conjunto de engranajes del cigüeñal.

Por lo tanto, la válvula de admisión de los motores de los coches es la encargada de controlar la cantidad de combustible que entra en las cámaras de combustión. Esta tiene un tamaño mayor que la válvula de escape motivada por las condiciones de entrada a la hora de hacer la mezcla, puesto que no son las mismas que las de la salida de los gases de escape. La válvula de escape debe soportar temperaturas más elevadas que la de admisión “pre-ignición vs. post-ignición”, de en torno a 700 grados centígrados (°C) en lugar de 300 °C de la admisión.

En los motores de cuatro tiempos con varios cilindros, los mismos cuatro ciclos se repiten en cada uno de los pistones, pero están secuenciados para que el motor entregue una potencia y un par uniforme y minimice el ruido y las vibraciones. La secuencia del movimiento del pistón, de la válvula y el encendido se consigue a través del diseño mecánico preciso y sincronización eléctrica de las señales de encendido a las bujías “o calentadores si es diésel”, que generan la mezcla de aire y combustible pertinente en casa momento exacto.

La función de la válvula de escape es ahora ventilar los gases de escape a través del orificio que deja la válvula cuando se abre, por acción de la leva. Las válvulas se encuentran en la culata, con la cabeza de la válvula apoyada en ella y cerrando completamente la abertura. Por otro lado, el vástago de la válvula, es decir, la parte larga de la válvula, realiza su movimiento a través del árbol de levas.

Desde el punto de vista funcional, la válvula debe ser capaz de soportar repetidos impactos sobre los asientos y las altas temperaturas a las que está expuesta a lo largo de su vida útil-la válvula de escape puede alcanzar los 750°C- sin deformarse. Por lo tanto, debe estar hecho de un material que pueda soportar altas temperaturas. Suelen estar fabricadas con aleaciones de acero especiales.

La válvula de escape se encuentra en la culata de un motor de combustión interna. Una vez que la mezcla de aire y combustible se enciende en el cilindro, los gases de escape salen por esta válvula.  Coordinar la apertura y el cierre de la válvula de escape en el momento óptimo es un logro importante para crear potencia y ahorro de combustible en los motores modernos. Por ello, el árbol de levas está situado en posición central y está equipado con levas rectificadas que permiten un flujo óptimo de las válvulas en el cilindro. Al abrir la válvula de escape en un punto crítico del proceso de combustión, el pistón puede expulsar todos los gases de escape de la cámara de combustión sin afectar al flujo de admisión en el cilindro.

Hay varios factores que ayudan a la válvula de escape a realizar su trabajo. Una cámara de válvulas correctamente preparada en la culata es crucial. Al igual que la válvula de escape, la cámara o cubeta de la válvula también debe estar despejada para permitir que los gases de escape salgan de la cámara de combustión rápidamente y sin obstáculos. El puerto de escape también debe estar libre de obstrucciones y un método popular para conseguirlo es una junta combinada.

Al estar alineado el orificio de escape de la culata y del colector de escape para que coincida con la abertura de la junta del colector de escape, el flujo no se interrumpe al entrar los gases en contacto con el borde biselado de la junta o del colector de escape. Esta transición suave evita la contrapresión, que podría impedir el flujo de los gases de escape del motor. El sellado del radio de la copa de escape en la culata también contribuye a aumentar el flujo, creando un camino suave y sin obstáculos para que el escape salga del cilindro.

Al rectificar el asiento de la válvula de escape, se pueden rectificar hasta seis ángulos diferentes en una sola superficie de la válvula en una aplicación de alta calidad. Cada ángulo corresponde a un ángulo existente que ha sido rectificado en el asiento de la válvula en la culata. El rectificado en ángulo no sólo asegura un buen sellado al cerrar la válvula, sino que también garantiza un flujo suave de gas alrededor de los bordes de la válvula. En un turismo típico, se utiliza un rectificado triangular del asiento de la válvula porque el flujo de escape no es tan alto como en un motor de alto rendimiento.

Características de las válvulas de admisión y escape

  • Las características de la válvula de admisión, dependiendo de la distribución de la válvula, suelen estar hechas del mismo metal de acero con una aleación de cromo y silicio que proporciona una buena resistencia al calor y al desgaste.
  • El metal suele estar endurecido en determinadas zonas para reducir el desgaste, como el asiento, el vástago y la cabeza.
  • La válvula se enfría principalmente por el contacto con la mezcla de aire y combustible, que cede la mayor parte de su temperatura, normalmente en contacto con el vástago. La temperatura de funcionamiento está entre 200ºC y 300ºC.

Las válvulas de escape están constantemente en contacto con gases de escape muy calientes y, por tanto, deben ser más robustas que las válvulas de admisión.

  • El 75% del calor almacenado en la válvula se transfiere a través del asiento de la misma y, como es lógico, éste alcanza temperaturas de unos 800ºC.
  • Debido a su función única, esta válvula debe estar hecha de materiales diferentes. La cabeza y el vástago de la válvula suelen ser de una aleación de cromo-manganeso, muy resistente a la oxidación y al calor. La parte superior del vástago suele ser de cromo-silicio.
  • Para la disipación del calor, se fabrican placas huecas y aleaciones rellenas de sodio, que disipan rápidamente el calor en la zona de enfriamiento, bajando la temperatura en la placa a 100°C.

Partes de las válvulas de admisión y escape

Asientos

La función de los asientos de válvula es sellar el cilindro con las válvulas. Se encuentran en la cámara de combustión y tienen forma cónica. Deben encajar perfectamente en la cabeza de la válvula, con el asiento de la válvula normalmente colocado en un ángulo de 45°.

Cabeza

Es el elemento responsable de completar el proceso de combustión. Tiene varias formas: plana, convexa y cóncava.

Guías

Las guías de válvulas son casquillos cilíndricos colocados en la culata de manera que la prolongación de su eje pasa por el centro del asiento de la válvula.

Vástago de la válvula

El vástago de la válvula es el cuerpo de la válvula. Es una pieza alargada conectada a la cabeza del cilindro en un extremo.

Llave inglesa o chaveta

La chaveta de la válvula se encarga de conectar el asiento del muelle a la válvula para que el muelle mantenga siempre la válvula en la posición correcta.

El muelle

La función de los muelles es cerrar las válvulas y mantener la estanqueidad dentro del cilindro. Estos muelles deben tener una tensión suficiente para cerrar la válvula incluso a altas velocidades, pero al mismo tiempo su tensión debe ser lo más baja posible para no causar un esfuerzo indebido al abrir la válvula.

¿Cómo se refrigeran las válvulas?

La válvula de admisión se enfría principalmente por el contacto con la mezcla de combustible y aire, que libera gran parte de su temperatura, normalmente en contacto con el vástago, y tiene una temperatura de funcionamiento de entre 200 y 300ºC.

Por otra parte, las válvulas de escape están en contacto constante con los gases de escape, que tienen una temperatura muy alta, por lo que el 75% del calor almacenado en la válvula se transfiere a través del asiento de la misma.

Debido a su función única, esta válvula debe estar hecha de materiales diferentes. La cabeza y el vástago de la válvula suelen ser de una aleación de cromo-manganeso, muy resistente a la oxidación y al calor. La parte superior del vástago suele ser de cromo-silicio.

Para garantizar la conductividad térmica, se fabrican placas huecas y aleaciones rellenas de sodio, cuya finalidad es conducir el calor rápidamente a la zona de enfriamiento, reduciendo así la temperatura en el interior de la placa a 100ºC.

Material con que fabrican las válvulas de admisión y escape

El material de las válvulas de admisión mas utilizado es el acero al carbono con una aleación de silicio cromado mientras que para las de escape se utiliza acero al carbono con una aleación de silicio y níquel cromo para poder soportar la alta temperatura y tensión.

Ubicación de las válvulas en el motor

Como ha habido muchas configuraciones diferentes a lo largo de la historia, la válvula de admisión suele estar situada en la parte superior de los cilindros, en la llamada culata. En primer lugar, la cabeza de la válvula suele estar conectada a esta pieza, que se encarga de garantizar el correcto sellado del cilindro. El vástago inferior está situado en el bloque y tiene la misión de facilitar el movimiento de apertura o cierre de las válvulas, en función del funcionamiento del árbol de levas.

¿Cuál válvula es más grande, la admisión o escape?

Técnicamente, la válvula de admisión (por donde entra la mezcla) es más grande que la de escape (por donde salen los gases). La razón de esta diferencia de tamaño se debe a las condiciones de entrada y salida. La presión donde entra la mezcla es igual a la presión de la atmósfera, por lo que es mayor para facilitar el proceso.

Sin embargo, cuando la mezcla ya ha explotado, los gases están a una presión mayor, por lo que no es necesario que sean tan grandes las de escape. Los materiales de los que están hechos también son diferentes. Una válvula de entrada puede soportar temperaturas de 200 ºC, mientras que una válvula de salida puede soportar 700 ºC, por lo que sus piezas son más resistentes que las de una válvula de entrada.

Para distinguir un tipo de válvula de otro, basta con fijarse en el tamaño y la forma de la cabeza. Sabemos que las válvulas de entrada tienen una cabeza más grande pero también una cara plana, mientras que las válvulas de salida no sólo tienen una cabeza más pequeña sino también una cara más cónica, veamos más cómo diferenciarlas.

¿Cómo diferenciar la válvula de admisión de la válvula de escape?

Aunque la tarea de ambas válvulas es básicamente la misma, cada una tiene una función específica, por lo que las diferencias son mínimas. Empecemos por la válvula de entrada/admisión:

  • Suele ser de una aleación de cromo y silicio, que resiste bien el calor y las tensiones mecánicas.
  • Disipa el calor poniendo el vástago en contacto con el aire que entra en la cámara de combustión.
  • La temperatura de funcionamiento es de 300ºC.
  • El diámetro se aumenta aproximadamente un 15% para facilitar el flujo de la mezcla.
  • En los motores con carburador, la mezcla de combustible y aire entra por la válvula de admisión. En los motores de inyección, el inyector es responsable del suministro de combustible.

En cuanto a la válvula de escape, los aspectos más importantes a tener en cuenta son:

  • La cabeza y el vástago suelen ser de una aleación de cromo-manganeso, resistente a la oxidación y a las altas temperaturas. Sin embargo, la parte superior del vástago suele ser de cromo-silicio.
  • Como la temperatura de funcionamiento es de unos 700 °C, las placas y los ejes son huecos y están rellenos de sodio para una mejor disipación del calor.
  • Son más pequeñas porque los gases salen del cilindro a una presión mayor que las de admisión.

Fallas de la válvula de admisión y escape

  • Ajuste incorrecto del juego de las válvulas.
  • Montaje incorrecto del muelle de la válvula.
  • Montaje incorrecto del balancín hidráulico.
  • Mecanizado incorrecto.
  • Juego excesivo de la guía de la válvula.
  • Juego insuficiente de la guía de la válvula.
  • Válvulas de admisión y escape notoriamente defectuosas.
  • Ajuste incorrecto de la separación de las válvulas

El juego de la válvula es demasiado pequeño.

La válvula no se cierra correctamente. Los productos de la combustión que pasan por el asiento de la válvula calientan la cabeza de la válvula. La cabeza de la válvula se sobrecalienta y se quema alrededor del asiento de la válvula.

Instalación incorrecta del muelle de la válvula

Si el muelle se instala incorrectamente durante el montaje, se deforma, haciendo que el vástago de la válvula se extienda lateralmente.

Instalación incorrecta del balancín hidráulico

Si después de montar el pistón, no se respetó el tiempo de espera recomendado antes de arrancar el motor “30 minutos” o según el fabricante. Puede dar como resultado, exceso de aceite en la cámara de trabajo del pistón que no tiene tiempo de salir. Si el motor se pone en marcha demasiado pronto, las válvulas pueden golpear los pistones, se doblan o se rompen.

Funcionamiento incorrecto

La válvula no cierra bien, se sobrecalienta y el asiento se quema. También pueden producirse grietas por fatiga en la zona del molde hueco debido a la carga unilateral del cabezal de la válvula.

Juego excesivo en las guías de las válvulas

Los conductos de combustible calientes pueden provocar graves carbonizaciones en la zona de la guía del vástago. La válvula se mueve demasiado, no se cierra y se produce un sobrecalentamiento “combustión, detonación” en la superficie del asiento.

Hay muy poco juego en las guías de las válvulas

Esto provoca una lubricación insuficiente, problemas de movimiento y el agarrotamiento del vástago de la válvula en la guía de la válvula. Esto puede causar más daños, por ejemplo, el sobrecalentamiento de la placa y el asiento.

Síntomas de fallas en la válvula y admisión y escape

Los primeros motores tenían muchos problemas con la longevidad de las válvulas porque la metalurgia no estaba tan avanzada como ahora y los materiales utilizados no eran capaces de soportar las altas exigencias.

Para solucionar este problema, se añadió tetraetilo de plomo a la gasolina, que formaba una capa protectora para estas piezas y reducía en cierta medida el desgaste. Con el desarrollo de los metales, se añadió al acero cromo-cobalto, lo que prácticamente eliminó el problema.

-El desgaste de las válvulas es una consecuencia normal, ya que este componente es capaz de soportar altas temperaturas y fuerzas. Su estado puede determinarse cuando se extraen de la culata. Si presentan ligeras marcas, pueden reutilizarse, pero siempre en el mismo lugar, ya que deben adherirse al mismo asiento para formar una junta estanca.

-Una sombra visible en el asiento indica que la válvula no funciona correctamente. Si la válvula se rompe, es señal de que hay altas temperaturas en la zona de trabajo de la válvula. La causa suele ser una sobrecarga debida a una mezcla muy rica, un filtro de aire sucio, inyectores dañados, junta de culata defectuosa, una sincronización incorrecta o un sobrecalentamiento del motor.

-La principal causa del desgaste prematuro de las válvulas son los cuerpos extraños, como la suciedad, el polvo o el metal suelto.

-Una mala lubricación del vástago de la válvula suele provocar un sobrecalentamiento y una deformación de la válvula, que también puede manifestarse como un color azulado o gris en algunas zonas de la válvula.

-La rotura del muelle provoca problemas en la válvula, que se atasca y no vuelve a su posición a tiempo. En muchos casos, afecta al pistón, rompiendo las válvulas y la cabeza del pistón, mellando el cilindro y rompiendo los árboles de levas.

-Además, la primera forma, de saber si una válvula está defectuosa es notar que los gases de salida arden. El problema puede reconocerse por un sonido de soplado seguido de una notable pérdida de potencia del vehículo.

-No esta demás mencionar, ya que muchos se preguntan qué es eso de una válvula flameante. Pues esto se debe a que las válvulas, especialmente las de escape, se calientan mucho. Un calor excesivo en la válvula puede dañar la matriz cristalina del metal y provocar grietas, tanto microscópicas como visibles.

-Si el daño en una válvula es lo suficientemente grave el cilindro podría dejar de funcionar ya que no habría compresión.

¿Cuándo remplazar las válvulas de admisión y escape?

Como ya hemos mencionado, las válvulas de admisión y escape son esenciales para el buen funcionamiento de un motor de combustión interna. Por lo tanto, deben ser sustituidos si están dañados o desgastados, si se detectan incrustaciones, si hay defectos mecánicos en la culata al momento de un mantenimiento o reparación del motor.

El motivo de la sustitución de la válvula es el daño debido al desgaste, el agarrotamiento, un defecto mecánico en la estructura del asiento de la culata sobre el que se apoya la válvula para sellar el cilindro, o un daño irreparable en la culata que requiera su sustitución.

Por tal razón, las válvulas no tienen tiempo de reemplazo estipulado, y solo se reemplazan cuando fallan o cuando se detecta algún problema en la estructura. Cuando una válvula falla, el motor presentará notables problemas, los cuales en muchas ocasiones se pueden detectar mediante una prueba de compresión.

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