Válvula de asiento

Válvulas de asiento con resortes, casquillos y retenes de aceite.

En los motores de combustión interna , una válvula de asiento (también llamada a veces válvula de hongo ^{[ 1 ]} ) es una válvula que se usa normalmente para controlar el momento y la cantidad de gasolina (gas) o flujo de vapor hacia dentro o hacia fuera de un motor, pero con muchas otras aplicaciones.

Consta de un orificio o cámara abierta, generalmente redonda u ovalada, y un tapón, normalmente en forma de disco, situado en el extremo de un vástago conocido como vástago de válvula. El extremo de trabajo de este tapón, la cara de la válvula, suele estar biselado a 45° para sellar contra un asiento de válvula correspondiente , mecanizado en el borde de la cámara que se está sellando. El vástago se desplaza a través de una guía de válvula para mantener su alineación.

Una diferencia de presión a ambos lados de la válvula puede favorecer o perjudicar su funcionamiento. En aplicaciones de escape , una mayor presión contra la válvula ayuda a sellarla, y en aplicaciones de admisión , una menor presión ayuda a abrirla.

La palabra poppet comparte etimología con " puppet ": proviene del inglés medio popet ("joven" o "muñeco"), 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 aplicada a las marionetas , que, como la válvula poppet, se mueven corporalmente en respuesta a un movimiento remoto transmitido linealmente. ^{[ 2 ] [ 3 ]} En el pasado, "válvula poppet" era sinónimo de válvula poppet ; ^{[ 4 ] [ 5 ]} sin embargo, este uso de "puppet" ahora está obsoleto.

La válvula de asiento se diferencia tanto de las válvulas de corredera como de las oscilantes. En lugar de deslizarse o balancearse sobre un asiento para descubrir un orificio, la válvula de asiento se levanta del asiento con un movimiento perpendicular al plano del orificio. La principal ventaja de la válvula de asiento es que no tiene movimiento sobre el asiento, por lo que no requiere lubricación. ^{[ 6 ]}

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 asiento porque todas las fuerzas que actúan sobre él se anulan mediante fuerzas iguales y opuestas. La bobina del solenoide solo tiene que contrarrestar la fuerza del resorte. ^{[ 7 ]}

Las válvulas de asiento son conocidas principalmente por su uso en motores de combustión interna y de vapor, pero también se utilizan en circuitos neumáticos e hidráulicos en general, donde se requiere un control de flujo pulsado. El pulso se puede controlar mediante una combinación de presión diferencial y carga de resorte, según sea necesario.

Las válvulas Presta y Schrader, utilizadas en neumáticos, son ejemplos de válvulas de asiento. La válvula Presta no tiene resorte y se abre y se cierra durante el inflado gracias a una diferencia de presión.

Las válvulas de asiento se emplean ampliamente en el lanzamiento de torpedos desde submarinos . Muchos sistemas utilizan 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 podría revelar la posición sumergida del submarino. ^{[ 8 ]}

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 de disco hasta convertirse en una varilla cilíndrica delgada llamada "vástago de válvula".

Número y ubicación de las válvulas

Motor de culata plana (válvula mostrada en azul claro)

Motor con árbol de levas en cabeza

Los primeros motores de cabeza plana (también llamados motores de cabeza en L ) tenían las válvulas ubicadas al lado del cilindro o cilindros, en una orientación "invertida" paralela al cilindro. ^{[ 11 ]} Si bien este diseño simplificaba y abarataba la construcción, el recorrido sinuoso de los gases de admisión y escape tenía grandes inconvenientes para el flujo de aire, lo que limitaba las RPM del motor ^{[ 12 ]} y podía causar el sobrecalentamiento del bloque del motor bajo carga pesada sostenida. El diseño de cabeza plana evolucionó al motor de admisión sobre escape (IOE) , utilizado en muchas motocicletas antiguas y varios automóviles. En un motor IOE, las válvulas de admisión estaban ubicadas directamente encima del cilindro (como en los motores de válvulas en cabeza posteriores ), pero 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 se ubican directamente encima del cilindro (con el árbol de levas ubicado en la 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 las décadas de 1950 y 1980. La ubicación de las válvulas es prácticamente la misma entre los motores OHV y OHC; sin embargo, en los motores OHC el árbol de levas se ubica en la parte superior del motor junto con las válvulas, y los motores OHC suelen tener más válvulas por cilindro. La mayoría de los motores OHC tienen una válvula de admisión y una de escape adicionales por cilindro (culata de cuatro válvulas), en comparación con el diseño de dos válvulas por cilindro utilizado por la mayoría de los motores OHV. No obstante, algunos motores OHC han utilizado tres o cinco válvulas por cilindro.

James Watt utilizaba válvulas de asiento para controlar el flujo de vapor hacia los cilindros de sus máquinas de vapor en la década de 1770. Una ilustración en sección de la máquina de vapor de Watt de 1774 que utilizaba este dispositivo se encuentra en Thurston 1878:98, ^{[ 13 ]} y Lardner (1840) proporciona una descripción ilustrada del uso que Watt hacía de la válvula de asiento. ^{[ 14 ]}

Cuando se utilizan en aplicaciones de alta presión, por ejemplo, como válvulas de admisión en máquinas de vapor, la misma presión que ayuda a sellar las válvulas de asiento también contribuye significativamente a la fuerza necesaria para abrirlas. Esto ha llevado al desarrollo de la válvula de asiento equilibrada o de doble latido , en la que dos obturadores se deslizan sobre un vástago común, y la presión en un obturador equilibra en gran medida la presión en el otro. ^{[ 15 ] [ 16 ]} 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 mecanismo de válvulas para válvulas de asiento de doble latido en 1842. En 1889, la revista Science publicó críticas sobre las válvulas de asiento de equilibrio (denominadas en el artículo como "válvula doble, equilibrada o americana") utilizadas en máquinas de vapor de paletas, argumentando que, por su naturaleza, debían tener una fuga del 15 por ciento. ^{[ 17 ]}

Las válvulas de asiento se han utilizado en locomotoras de vapor , a menudo junto con el mecanismo de distribución Lentz o Caprotti . Algunos ejemplos británicos son:

• Clase B12 de LNER
• Clase D49 de LNER
• Clase P2 de LNER
• LMS Stanier Clase 5 4-6-0
• BR clase estándar 5
• Locomotora BR Standard Clase 8 71000 Duke of Gloucester .

Sentinel Waggon Works utilizaba válvulas de asiento en sus vagones y locomotoras de vapor. La inversión de marcha se lograba mediante un sencillo sistema de árbol de levas deslizante .

Muchas locomotoras en Francia, en particular las reconstruidas según los diseños de Andre Chapelon, como la SNCF 240P , utilizaban válvulas de asiento de leva oscilante Lentz, que eran accionadas por el mecanismo de distribución Walschaert con el que ya estaban equipadas las locomotoras.

La válvula de asiento también se utilizó en las locomotoras dúplex T1 del ferrocarril estadounidense Pennsylvania Railroad , aunque estas válvulas solían fallar debido a que las locomotoras operaban habitualmente a velocidades superiores a 160 km/h (100 mph) , y las válvulas no estaban diseñadas para soportar las tensiones de tales velocidades. Además, las válvulas de asiento le daban a la locomotora un característico sonido de "resoplido".  

Un diseño de válvula de asiento fue inventado en 1833 por el estadounidense EAG Young del ferrocarril Newcastle and Frenchtown . Young patentó su idea, pero el incendio de la Oficina de Patentes de los Estados Unidos en 1836 destruyó todos los registros. ^{[ 18 ]}