Solape de válvulas: definición, diagrama, propósito, ventajas y desventajas

El solape de válvulas son los grados de rotación del cigüeñal durante los cuales la válvula de admisión y la de escape permanecen abiertas al mismo tiempo. El solape de válvulas se produce unos grados antes del final de la carrera de escape o unos grados después del inicio de la carrera de admisión.

La siguiente figura muestra el diagrama real de distribución de válvulas de un motor de combustión interna de 4 tiempos, que indica la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape en relación con el ángulo del cigüeñal.

La figura anterior muestra que la válvula de admisión se abre unos grados antes de que el pistón llegue al PMS durante la carrera de escape, y que la válvula de escape se cierra unos grados después de que el pistón comience a moverse hacia abajo durante la carrera de admisión.

Así, durante este periodo, desde la apertura de la válvula de admisión hasta el cierre de la válvula de escape, ambas válvulas permanecen abiertas al mismo tiempo, lo que se conoce como solape de válvulas.

Se mide en términos del ángulo girado por el cigüeñal desde la apertura de la válvula de admisión hasta el cierre de la válvula de escape.

Los propósitos son los siguientes:

?)Favorece el barrido:
El pistón no supera el PMS del cilindro, por lo que el propio pistón no puede expulsar los gases de escape en la región del volumen de holgura.

Debido al flujo de los gases de escape, se crea una pequeña región de baja presión sobre la cabeza del pistón. Durante el solape de válvulas, la carga fresca de admisión llena esta región de baja presión y ayuda a expulsar por completo los gases de escape.

?)Evita la dilución de la carga:
Sin solape de válvulas, parte de los gases de escape permanece en el cilindro. Durante la carrera de admisión, estos gases se mezclan con la carga de admisión y diluyen la mezcla fresca.

Como el solape de válvulas ayuda a expulsar la máxima cantidad de gases de escape, contribuye a evitar la dilución de la mezcla de aire y combustible.

?)Enfriamiento de la válvula de escape: El solape también ayuda a enfriar la válvula de escape.

La cantidad de solape depende de los siguientes factores:

?)Velocidad del motor:
Los motores que funcionan a mayores velocidades (p. ej., coches deportivos) requieren un mayor ángulo de solape de válvulas para que el motor tenga tiempo suficiente de barrido a alta velocidad.

Mientras que el motor que funciona a menores RPM (p. ej., coches de calle) puede obtener suficiente tiempo de barrido con un ángulo de solape menor.

?)Número de válvulas presentes en la culata:
Como el motor de 4 válvulas tiene más flujo de admisión y escape que el motor de 2 válvulas, el motor de 4 válvulas requiere menos solape de válvulas que el de 2 válvulas.

?)Pérdida de mezcla de admisión:
El solape excesivo de válvulas provoca pérdida de mezcla de admisión a través de la válvula de escape. Por tanto, el solape máximo debe optimizarse para evitar la pérdida de mezcla fresca de admisión.

Si se conoce el ángulo del cigüeñal durante la apertura de la válvula de admisión y el cierre de la válvula de escape, entonces el solape de válvulas viene dado por:

Donde:

IVO = apertura de la válvula de admisión

EVC = cierre de la válvula de escape

TDC = punto muerto superior

Si se conocen la duración de admisión y la duración de escape (en términos de ángulo de cigüeñal) y el ángulo de separación de lóbulos (tratado más abajo), entonces el solape de válvulas viene dado por:

Puede calcularse mediante los dos métodos siguientes:

Para el diagrama de distribución de válvulas anterior, el solape de válvulas (VO) se mide de la siguiente manera:

Ejemplo: Considere, para el motor en particular, que las válvulas de admisión y escape funcionan de la siguiente manera:
Apertura de la válvula de admisión (IVO): 24° antes del PMS
Cierre de la válvula de admisión (IVC): 50° después del PMI
Apertura de la válvula de escape (EVO): 60° antes del PMI
Cierre de la válvula de escape (EVC): 20° después del PMS

Con la información anterior, el diagrama de distribución de válvulas es el siguiente:

Así, el solape de válvulas (VO) viene dado por:

    = [Angle between IVO & TDC] + [Angle between EVC & TDC]

    = 24° + 20°

La siguiente figura muestra la posición de los lóbulos de las levas de las válvulas de admisión y escape.

El ángulo de separación de lóbulos [LSA] es el ángulo entre la línea central del lóbulo de la válvula de admisión y la línea central del lóbulo de la válvula de escape.

En este caso, el solape de válvulas (VO) viene dado por:

Donde:

Duración de admisión = ángulo girado por el cigüeñal durante el periodo en que la válvula de admisión está abierta

Duración de escape = ángulo girado por el cigüeñal durante el periodo en que la válvula de escape está abierta

Ejemplo:
Consideremos un motor con las siguientes especificaciones:
Duración de admisión: 254°
Duración de escape: 260°
Ángulo de separación de lóbulos de la leva [LSA]: 110°

Así, en este caso, el solape de válvulas (VO) viene dado por:

Las ventajas son las siguientes:

1. Favorece el barrido.
2. Ayuda a aumentar la entrada de carga fresca a alta velocidad del motor, lo que aumenta la potencia punta del vehículo.
3. Ayuda a enfriar las válvulas de escape.

Las desventajas son las siguientes:

1. A menor velocidad, el motor crea menos vacío en el colector de admisión, lo que afecta al sistema de freno asistido; por tanto, el pedal del freno se siente más duro.
2. El solape de válvulas no se utiliza en motores que funcionan a bajas RPM por la pobre potencia a bajas revoluciones.
3. El solape excesivo provoca pérdida de carga fresca de admisión a través de la válvula de escape.