Motor de culata plana

Un motor de cabeza plana , también conocido como motor de válvulas laterales ^{[ 1 ] [ 2 ]} o motor de válvulas en bloque , es un motor de combustión interna con sus válvulas de asiento contenidas dentro del bloque del motor , en lugar de en la culata , como en un motor de válvulas en cabeza .

Los motores de culata plana fueron ampliamente utilizados internacionalmente por los fabricantes de automóviles desde finales de la década de 1890 hasta mediados de la década de 1960 ^{[ 3 ]} , pero fueron reemplazados por motores de válvulas en cabeza y árbol de levas en cabeza más eficientes . Actualmente están experimentando un resurgimiento en motores aeronáuticos de bajas revoluciones, como el D-Motor . ^{[ 4 ]}

El mecanismo de distribución consta de un árbol de levas situado en la parte inferior del bloque de cilindros que acciona las válvulas de asiento mediante taqués y varillas de empuje cortas (o a veces sin varillas de empuje). El sistema de culata plana elimina la necesidad de otros componentes del tren de válvulas, como varillas de empuje largas, balancines, válvulas en cabeza o árboles de levas en cabeza . ^{[ 5 ]} Las válvulas laterales suelen estar adyacentes, situadas en un lado del cilindro o cilindros, aunque algunos motores de culata plana emplean la variante menos común de "flujo cruzado" o "culata en T" . En un motor de culata en T, los gases de escape salen por el lado opuesto del cilindro a la válvula de admisión.

La cámara de combustión del motor de válvulas laterales no se encuentra encima del pistón (como en un motor OHV (de válvulas en cabeza)), sino a un lado, encima de las válvulas. La bujía puede estar situada sobre el pistón (como en un motor OHV) o sobre las válvulas; sin embargo, los diseños de aeronaves con dos bujías por cilindro pueden utilizar cualquiera de las dos posiciones, o ambas. ^{[ 6 ]}

Los pistones "elevables" se pueden usar con culatas compatibles para aumentar la relación de compresión y mejorar la forma de la cámara de combustión para evitar el golpeteo . ^{[ 7 ]} Los pistones "elevables" se llaman así porque, en el punto muerto superior , sobresalen por encima de la parte superior del bloque de cilindros.

Las ventajas de un motor de válvulas laterales incluyen simplicidad, fiabilidad, bajo número de piezas, bajo coste, bajo peso, compacidad, potencia de respuesta rápida a bajas revoluciones, bajo nivel de ruido mecánico y baja sensibilidad a combustibles de bajo octanaje. La ausencia de un tren de válvulas complejo permite un motor compacto y económico de fabricar, ya que la culata puede ser poco más que una simple pieza de fundición metálica. Estas ventajas explican por qué los motores de válvulas laterales se utilizaron en turismos durante muchos años, mientras que los diseños OHV se especificaron únicamente para aplicaciones de alto rendimiento como aeronaves , coches de lujo , deportivos y algunas motocicletas .

En el punto muerto superior, el pistón se acerca mucho a la parte plana de la culata, y la turbulencia resultante produce una excelente mezcla de combustible y aire. Una característica del diseño de válvulas laterales (especialmente beneficiosa para un motor aeronáutico) es que , si una válvula se atasca en su guía y permanece parcialmente abierta, el pistón no se dañaría y el motor continuaría funcionando de forma segura con los demás cilindros.

Las principales desventajas de un motor de válvulas laterales son el flujo deficiente de gases, la forma inadecuada de la cámara de combustión y la baja relación de compresión, lo que resulta en un motor de bajas revoluciones con baja potencia ^{[ 8 ]} y baja eficiencia. ^{[ 9 ]} Debido a que los motores de válvulas laterales no queman el combustible de manera eficiente, sufren de altas emisiones de hidrocarburos. ^{[ 10 ]}

Los motores de válvulas laterales solo pueden utilizarse para motores que funcionan según el principio Otto . La forma de la cámara de combustión no es adecuada para los motores diésel , ^{[ 11 ]} que requieren una alta relación de compresión para que se produzca la ignición .

En un motor de válvulas laterales, los gases de admisión y escape siguen una ruta sinuosa, con una baja eficiencia volumétrica, o "mala respiración", principalmente porque los gases de escape interfieren con la carga entrante. Debido a que el escape sigue un largo camino para salir del motor, existe una tendencia a que el motor se sobrecaliente . (Nota: esto es cierto para los motores de culata plana tipo V, pero es un problema menor para los motores en línea, que normalmente tienen los puertos de admisión y escape en el mismo lado del bloque del motor). Aunque un motor de válvulas laterales puede funcionar de forma segura a alta velocidad, su eficiencia volumétrica se deteriora rápidamente, por lo que no es factible obtener altas potencias a altas velocidades. La alta eficiencia volumétrica era menos importante para los primeros automóviles porque sus motores rara vez mantenían altas velocidades prolongadas, pero los diseñadores que buscaban mayores potencias tuvieron que abandonar las válvulas laterales. Una solución de compromiso utilizada por Willys Jeep , Rover , Land Rover y Rolls-Royce en la década de 1950 fue la válvula "F-head" (o "admisión sobre escape"), que tiene una válvula lateral y una válvula en cabeza por cilindro. ^{[ 12 ]}

La cámara de combustión alargada del motor de culata plana es propensa a la preignición (o "golpeteo") si se aumenta la relación de compresión, pero mejoras como el encendido láser o el encendido mejorado por microondas podrían ayudar a prevenir el golpeteo. ^{[ 13 ]} Las ranuras de turbulencia pueden aumentar el remolino dentro de la cámara de combustión, aumentando así el par, especialmente a bajas rpm. Una mejor mezcla de la carga de combustible/aire mejora la combustión y ayuda a prevenir el golpeteo. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Un avance en la tecnología de los motores de culata plana fue resultado de la experimentación realizada en la década de 1920 por Sir Harry Ricardo , quien mejoró su eficiencia tras estudiar las características del flujo de gases de los motores de válvulas laterales. ^{[ 18 ] [ 9 ]}

La dificultad de diseñar un motor de culata plana con una alta relación de compresión hace que la mayoría tiendan a ser de encendido por chispa, y los motores diésel de culata plana son prácticamente desconocidos.

La disposición de válvulas laterales era especialmente común en los Estados Unidos y se utilizaba para motores de vehículos, incluso para motores con alta potencia específica. ^{[ 11 ]} Los diseños de válvulas laterales siguen siendo comunes para muchos motores pequeños de uno o dos cilindros , como cortadoras de césped , rotocultivadores , tractores de dos ruedas y otra maquinaria agrícola básica .

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