Culata: diagrama, piezas, funciones, tipos y usos
¿Qué es la culata?
En un motor, la parte superior del cilindro se cierra con una pieza fundida separada llamada culata. La culata se atornilla a la parte superior del bloque de cilindros. Esta unión está cubierta por una junta de culata. Consta de una cámara de combustión, bujías y, a veces, válvulas (en las culatas tipo I y F).
En la mayoría de los motores, la culata incluye pasajes que suministran aire y combustible a los cilindros y que permiten la salida de los gases de escape. La culata suele estar hecha de hierro gris o aleación de aluminio. El aluminio tiene las ventajas de ser ligero y tener una alta conductividad térmica.
Ahora analizaremos la construcción de la culata.
Se funde por separado del bloque de cilindros para facilitar la limpieza del carbón y el rectificado de las válvulas. Para mantener la compresión dentro del cilindro, se coloca una junta plana entre la culata y el bloque de cilindros.
En algunos casos, como en los motores de coches de carreras, no se utiliza una culata separada. Sin embargo, fabricar el bloque de cilindros y la culata como una sola pieza es difícil y más costoso, y las piezas internas del motor no son tan accesibles.
Según la disposición de las válvulas, la culata puede tener árboles de levas, balancines y válvulas. Se proporcionan conductos de agua para alojar los asientos de válvulas y bujías. Desde el punto de vista mecánico, los detalles de diseño de una culata desmontable son quizás los más difíciles.
Se deben tener en cuenta los siguientes puntos al fabricar culatas desmontables:
- El diámetro del cilindro o de la camisa no debe distorsionarse por la tracción de los espárragos de fijación.
- La circulación del refrigerante en la culata debe llevarse lo más lejos posible hacia el extremo superior.
- Para garantizar una junta hermética a los gases, los espárragos de fijación deben distribuirse lo más uniformemente posible alrededor de la circunferencia de cada cilindro.
Ahora definiremos cada componente que se encuentra en la culata.
La culata tiene varios orificios que conectan el bloque de cilindros con la culata. Algunos de los orificios están diseñados para alojar camisas de agua para una circulación adecuada, lo que proporciona refrigeración y lubricación.
También hay algunos componentes críticos del motor en la culata, incluidos la válvula de admisión, la válvula de escape, las guías de válvula, los inyectores, las bujías, etc. La cámara de combustión del motor de encendido por chispa (SI) también se encuentra en la culata. Además, hay un conjunto para la bujía de precalentamiento y la inyección en la culata.
Hay una válvula termostática instalada en el codo de la salida del radiador para la circulación del agua. La cámara de combustión es parte de la propia culata. En ella se quema gasolina o diésel a través de una variedad de válvulas de los colectores de admisión y salida. Además, tiene orificios para suministrar aceite al cilindro en cada etapa.
A continuación se indican las piezas de la culata:
- Junta de culata
- Puertos de admisión y escape
- Válvulas de la culata
- Cámara de combustión de la culata
- Bujías
- Inyectores de combustible
- Árbol de levas de la culata
- Otras piezas de la culata
#1 Junta de culata
Se encuentran entre la culata y el bloque del motor. Una junta de culata se atornilla sobre la carcasa del motor. Estas juntas actúan como sello entre la culata y el bloque del motor. Esto evita que el aceite y el refrigerante del motor tengan fugas o se mezclen.
#2 Puertos de admisión y escape
Los puertos de admisión y escape forman parte de la culata. El puerto de admisión se encarga de hacer circular el aire a través de un canal hacia la culata y la cámara de combustión.
Después del proceso de combustión, los gases se eliminan de la cámara de combustión a través del puerto de escape. Esto evita la acumulación de presión interna, que podría provocar una explosión.
#3 Válvulas de la culata
Un motor tiene válvulas para cerrarse y abrirse, cuyo propósito es detener o impedir la entrada de aire y combustible a la cámara de combustión. En un motor de combustión interna, cada cilindro tiene dos válvulas: la válvula de admisión suele ser más grande y la de escape más pequeña.
#4 Cámara de combustión de la culata
La cámara de combustión de la culata se llama el núcleo del motor. En ella, la mezcla de aire y combustible se quema para generar la potencia que mueve el vehículo. Las cámaras de combustión están disponibles en varias formas y tamaños. Depende del motor que tenga y de la aplicación del vehículo.
#5 Bujías
La bujía proporciona energía a la cámara de combustión para encender la mezcla de aire/combustible. Las bujías se montan en las culatas, con sus puntas dirigidas directamente a la cámara de combustión. Generalmente están roscadas para garantizar un sello hermético.
#6 Inyectores de combustible
También encontrará inyectores de combustible en la cubierta de la culata. En un motor diésel, los inyectores empujan el combustible hacia la cámara de combustión mediante una bomba de inyección.
#7 Árbol de levas de la culata
La culata también incluye el árbol de levas. En ella, el árbol de levas opera para abrir y cerrar las válvulas. El cigüeñal es uno de los componentes del bloque del motor y utiliza una correa para accionar el árbol de levas de la culata.
#8 Otras piezas de la culata
La culata también tiene puertos para fines de lubricación y refrigeración del motor. Los diseños de los puertos de la culata varían, al igual que los diseños de las culatas. Básicamente, el propósito de cada tipo de construcción es hacer la pieza lo más eficiente posible.
Para comprender dónde se encuentran estas piezas, observe el diagrama de la culata a continuación.
La culata desempeña un papel importante en un vehículo de motor. La estructura de la culata es compleja y consta de muchos puertos. Uno de estos puertos está diseñado para funcionar, y sus funciones comunes explican el valor de esta pieza del motor.
Proporciona el montaje de varios componentes, como válvulas y conductos de admisión y escape, bujías, inyectores de combustible y árboles de levas. Además, da paso al refrigerante, al aceite y a los gases de combustión.
La culata absorbe el calor producido por el motor y, por tanto, genera refrigeración para evitar fallas del motor. Sella la cámara de combustión y sirve como centro de control mecánico del motor. También absorbe la compresión resultante de la presión de combustión.
Las figuras muestran cuatro diseños de culatas y la ubicación de las válvulas.
- En (a) se muestra la construcción popular de válvulas laterales con todas las válvulas en línea, siendo la culata desmontable de tipo turbulencia. El pistón se aproxima mucho a la posición plana de la culata.
- En (b) se muestra la construcción de válvulas invertidas de la culata, que proporciona una buena eficiencia volumétrica, ya que se puede usar una válvula de admisión de gran diámetro, y el puerto de válvula da acceso directo al cilindro.
- En (c) se muestra una culata con válvulas verticales en una sola línea, lo que permite el mecanismo simple de varilla de empuje y balancines.
- En (d) se muestra una culata hemisférica ideal que se utiliza en muchos diseños de alto rendimiento. En este diseño, el recorrido de la llama es corto y se puede proporcionar fácilmente una alta relación de compresión con una corona de pistón abombada.
La culata se ha dividido en varias categorías. También depende de cómo estén configurados los puertos y las válvulas.
- Culata de flujo en bucle
- Culata de flujo cruzado descentrado
- Culata de flujo cruzado en línea
- Culata plana
- Culata de válvulas en cabeza (OHV)
- Culata de árbol de levas en cabeza (OHC)
- Motor refrigerado por agua
- Motor refrigerado por aire
Ahora examinaremos cada uno de estos tipos de culata individualmente.
#1 Culata de flujo en bucle
Los puertos de admisión y escape en una culata de flujo en bucle están ubicados en el mismo lado del motor. En la culata, los gases se introducen y, al salir, cambian de dirección.
En un motor de flujo en bucle, la carga de admisión inicial y el gas de escape que sale del motor giran en la misma dirección, lo que ayuda a precalentar el aire de admisión. Pero cuando los puertos de admisión y escape están alineados, no hay tanto espacio en un lado de la culata, lo que resulta en un área de puerto más pequeña que en una culata de flujo cruzado.
#2 Culata de flujo cruzado descentrado
Cuando los puertos de admisión y escape están en lados opuestos, se dice que la culata es de flujo cruzado. En este tipo, los gases se introducen para fluir a través de la culata. Este diseño de culata es lo opuesto al tipo de flujo en bucle, que tiene los puertos en el mismo lado.
También pueden ser operadas por árboles de levas en cabeza, o por un tren de válvulas que contiene los árboles de levas en el bloque de cilindros, y las válvulas se accionan mediante varillas de empuje y balancines. En comparación con la culata de flujo en bucle, el tipo de flujo cruzado ofrece mejor rendimiento y eficiencia.
#3 Culata de flujo cruzado en línea
Tanto el tipo de flujo cruzado descentrado como el de flujo cruzado en línea tienen características similares. Aquí hay una diferencia importante porque las válvulas están dispuestas transversalmente e inclinadas.
Sin embargo, los puertos de admisión y escape están colocados uno frente al otro, en lados diferentes de la culata. Esta configuración es superior en términos de rendimiento y eficiencia. Sin embargo, como la fabricación sería costosa, no sería práctica.
Las culatas vienen en dos variedades según la cantidad de refrigeración necesaria:
#1 Motor refrigerado por agua
En la culata del motor refrigerado por agua, se utilizan varias camisas de agua para hacer circular el agua. El sistema del motor refrigerado por agua está presurizado y sellado. El sistema presurizado eleva el punto de ebullición del agua (por encima de 110 °C).
Como resultado, el agua se puede usar durante más tiempo porque la tasa de evaporación se reduce. Los componentes calientes del motor, como la culata y el bloque de cilindros, liberan su calor a través de la circulación del agua.
Cuando el agua circula a través del radiador, se utiliza un ventilador de refrigeración para mantenerla fría. Un motor refrigerado por líquido o agua es aquel que usa líquido para enfriar su motor de combustión interna (IC).
La mayoría de las motocicletas, automóviles y otros vehículos modernos tienen motores refrigerados por líquido o agua.
#2 Motor refrigerado por aire
Los motores refrigerados por aire utilizan aletas para una refrigeración máxima. Son ligeros y están hechos de una aleación de aluminio. Durante el funcionamiento, el aire circula sobre las partes calientes del motor para enfriarlas, de modo que la temperatura del motor se mantenga dentro del rango de operación.
La mayor parte del calor producido se pierde a través del escape, pero algo también se pierde a través de las aletas metálicas del motor refrigerado por aire. Para eliminar el calor del motor, estos motores tienen algunas aletas que se extienden hacia afuera.
Luego, se fuerza aire frío sobre las aletas mediante un ventilador. Un motor refrigerado por aire disipa directamente el calor generado a la atmósfera. En contraste, se utiliza un sistema de circuito cerrado con refrigerante en los motores refrigerados por líquido o agua.
La culata se clasifica en tres tipos según su funcionamiento:
#1 Culata plana
Estos tipos de culatas consisten en una sola pieza de metal de hierro fundido sin partes mecánicas. Aparte del diseño simple, el tipo de culata plana tenía sus inconvenientes.
Las válvulas están ubicadas en los lados del bloque del motor. Esto hace que los gases de admisión se muevan en un ángulo de 90°, lo que lleva a una combustión ineficiente y a una baja relación de compresión. Debido a sus defectos de diseño, el cilindro de culata plana ya no se ve como algo común.
Son fáciles de fabricar y requieren bajo costo; la culata permite que el refrigerante fluya eficazmente. Es ligera y permite un motor compacto. Se puede encontrar en motores pequeños como los utilizados en cortacéspedes, tractores pequeños y vehículos agrícolas.
#2 Culata de válvulas en cabeza (OHV)
Las culatas de válvulas en cabeza son de construcción compleja y también se conocen como culatas tipo I. Incluyen las partes del tren de válvulas, las bujías y los pasajes para los gases de admisión y escape.
Los motores con culatas tipo OHV tienden a rendir mejor debido a la ubicación de las válvulas y los pasajes de admisión. En ellas, el flujo de los gases de admisión es rápido y suave gracias al mejor diseño de los conductos.
La ventaja de instalar este tipo es que los puertos de escape también son más eficientes, además de que la culata no se calienta tanto en comparación con el tipo plano. También acerca el árbol de levas al cigüeñal.
#3 Culata de árbol de levas en cabeza (OHC)
Estos tipos de culatas permiten alojar las partes del tren de válvulas, las bujías y los puertos de admisión y escape, además de albergar el árbol de levas en la culata. En ellas, la ubicación de los árboles de levas en la culata varía. Puede estar en el medio, en medio de una fila de válvulas, o en la parte superior de la válvula.
Una culata OHC está disponible en dos configuraciones: simple y doble. En una culata OHC simple, hay válvulas de admisión y escape en un solo árbol de levas. En una culata OHC doble, hay dos árboles de levas separados para las válvulas de admisión y escape.
A continuación, las culatas se clasifican según cómo están dispuestos los puertos y las válvulas.
Los motores de automóviles se clasifican en cuatro categorías según la disposición de la válvula de admisión y la válvula de escape. Estas disposiciones incluyen las culatas tipo "L", "I", "F" y "T".
Recordar la palabra "LIFT" le ayudará a recordar la disposición de las cuatro válvulas, lo que hará que este tema sea fácil de entender.
#1 Motor de culata en F
Los motores de culata en I y en L se combinan para formar el motor de culata en F. La válvula de escape de este tipo de motor está ubicada en el bloque de cilindros. Del mismo modo, la válvula de admisión suele estar ubicada en la culata. Se utiliza un árbol de levas individual para operar ambas válvulas.
#2 Motor de culata en I
En un diseño de culata en I, tanto la válvula de admisión como la de escape están alojadas en la misma culata. Todas las válvulas son operadas por una sola válvula. Estos tipos de motores se encuentran típicamente en automóviles.
#3 Motor de culata en L
En estos motores, las válvulas de admisión y escape están ubicadas una al lado de la otra y son operadas por un solo árbol de levas. La cámara de combustión y el cilindro se combinan para formar una L invertida.
#4 Motor de culata en T
La válvula de admisión y la válvula de escape están situadas a cada lado del cilindro en los motores de culata en T. Este sistema requiere dos árboles de levas para funcionar. La válvula de admisión es operada por un árbol de levas y la de escape por el otro.
Las siguientes son las ventajas del cilindro y la culata de aleación de aluminio:
- Mayor conductividad térmica, aproximadamente tres veces la del hierro fundido.
- Peso ligero.
- Mayor relación de compresión sin detonación gracias a la conductividad térmica.
- Mejor refrigeración mientras el motor está en funcionamiento.
- Mayor potencia de salida y bajo consumo de combustible debido a la mayor relación de compresión y al mejor efecto de refrigeración.
- El motor se calienta más rápido y requiere un radiador más pequeño.
Las siguientes son las desventajas del cilindro y la culata de aleación de aluminio:
- El motor cuesta más debido a la aleación de aluminio.
- Es susceptible de deformarse por la presión de los espárragos de fijación debido al bajo módulo de elasticidad.
- Debido a la mayor expansión térmica, se requiere una mayor holgura entre el pistón y el cilindro.
- Mayor posibilidad de corrosión por el agua de refrigeración.
- A veces, es necesario utilizar asientos de válvula de hierro fundido e insertos de bujías.
- Debido a la corrosión intermetálica entre los espárragos de acero y las aleaciones de aluminio, la culata puede quedarse pegada al bloque de cilindros.
Las siguientes son las aplicaciones de la culata:
- La culata se integra con el bloque de cilindros, algo que se hace comúnmente en algunos casos en los coches de carreras para lograr una junta hermética a los gases.
- El tipo de culata desmontable tiene más beneficios que la construcción integral.
- Sin embargo, algunos motores de servicio pesado que requieren mayores tasas de refrigeración, como los de los coches de carreras, pueden usar aleaciones de cobre.