DISTRIBUCIÓN - Definición - Significado

Concepción y funcionamiento • Posibles soluciones en fase de proyecto • Válvulas laterales y en cabeza • Número y disposición de los árboles de levas • La correa dentada • Los muelles y rebote de válvulas

En un motor térmico se entiende por distribución el conjunto de los órganos de apertura y cierre de los conductos que transportan el aire o la mezcla a los cilindros. Elementos fundamentales de la distribución son: las lumbreras de paso, las válvulas o los diafragmas que obturan tales lumbreras y el sistema de accionamiento que transmite el movimiento.

Existen 2 tipos fundamentales de distribución: la distribución con válvulas, en la que la apertura se obtiene por el desplazamiento de un disco o platillo en el sentido del movimiento del fluido, y la distribución por camisas o manguitos, en la que la apertura se obtiene por desplazamiento de un manguito en dirección normal al movimiento del fluido, con una traslación o rotación, pero siempre deslizándose sobre la camisa fija. En el primer caso la apertura de las válvulas puede ser automática o accionada: las válvulas automáticas se usaban mucho a principios de siglo para la admisión, mientras que en la actualidad sólo se usan en el control de las lumbreras de admisión de grandes motores lentos de 2 tiempos. Para los demás casos las válvulas son accionadas, tanto para la admisión como para el escape.

Sistemas de camisas o manguitos: distribución por correderas

Las distribuciones por manguitos, tuvieron una cierta aplicación desde 1906: entre ellas la más importante es la llamada por Correderas; en este tipo una o dos camisas coaxiles con el cilindro se hacen girar para abrir o cerrar las lumbreras de paso de los gases (Knight o sin válvulas). La diversidad de las fases de admisión y escape exige que el movimiento de la camisa esté compuesto de otros 2 alternativos, de rotación y traslación o que se adopten 2 camisas. Las ventajas de esta distribución son la ausencia de golpes, la mayor superficie de paso disponible y su funcionamiento silencioso; los inconvenientes son la gran inercia del sistema, la escasa estanquidad y la insuficiente lubricación.

Fueron propuestas incluso distribuciones con camisa rotativa (Aspin, Barison) que resolvían los problemas de la inercia, permitiendo teóricamente grandes velocidades de rotación, pero conservaban los problemas ya citados de la distribución por correderas y, además, un bajo rendimiento mecánico. Los diversos sistemas de distribución sin válvulas no alcanzaron gran difusión y han sido abandonados para los motores de 4 tiempos.

Distribución con válvulas

En casi la totalidad de los motores de automóviles la distribución es con válvulas accionadas; se trata de válvulas de hongo (de vastago) tanto para la admisión como para el escape, que se abren hacia el interior de la cámara de explosión y vuelven hacia la posición de cierre por la acción de los muelles de válvula. El objeto del mecanismo de accionamiento de la distribución es asegurar su apertura y cierre en el instante más oportuno para suministrar el mayor llenado de cilindro y la menor contrapresión durante el escape.

El desarrollo histórico de la distribución se corresponde con el del motor. De la disposición con válvulas laterales y árbol de levas en el bloque, como se hizo en los primeros motores de baja relación de compresión y forma alargada de la cámara de combustión, se ha pasado a válvulas en cabeza sin cambiar la posición del árbol de levas, para adquirir así una gran libertad en el diseño de la culata y obtener cámaras de combustión más compactas. Con cámaras más reducidas (menor relación superficie/volumen) el calor perdido en el agua de refrigeración es más pequeño y aumenta de esta manera el rendimiento del motor.

Con válvulas laterales no se alcanzaban velocidades superiores a 4.000 rpm y esto principalmente por la forma poco acertada del conducto de admisión. No obstante, por su mayor facilidad de construcción y por razones de coste, los motores con válvulas laterales han sido utilizados durante mucho tiempo en los coches de turismo; la casi totalidad de los motores de automóvil de grandes series tenían esta estructura hasta el final de los años treinta. Hay firmas, como la Alfa Romeo, que han utilizado siempre la disposición de válvulas en cabeza para una producción limitada de modelos deportivos. En cambio, otras marcas, por ejemplo la Morris y la Simca, abandonaron las válvulas laterales en los años cuarenta.

En una etapa intermedia entre estas 2 disposiciones se realizaron distribuciones con válvulas de admisión en cabeza y laterales de escape, solución usada aún recientemente por la Rolls Royce y la Rover.

La solución de árbol de levas en cabeza surgió para simplificar la cadena cinemática de accionamiento de la válvula, eliminando una serie de componentes que tienen la posibilidad de deformaciones y juegos, y para disminuir la inercia de las partes en movimiento alternativo, permitiendo de esta manera un mejor llenado del cilindro y mayores velocidades de rotación. El accionamiento de la distribución puede ser realizado por una transmisión de cadena, de engranajes, de correa dentada o con árbol de reenvío (intermediario) provisto de ruedas dentadas. Los tipos de cadena y de engranajes son los más difundidos, en cuanto que encuentran aplicación, tanto con árbol de levas laterales como en cabeza. El accionamiento con correa dentada se emplea en los motores modernos de uno o dos árboles en cabeza. El accionamiento por árbol de reenvío tuvo cierto éxito, antiguamente, sobre automóviles con árbol de levas en cabeza.

La correa dentada fue introducida (a mediados de los años sesenta en el Pontiac y en 1967 en el Fiat 124 Sport) por su mayor simplicidad de construcción y por el poco ruido que originaba. Las correas están constituidas por neopre-no estampado con refuerzo interior de fibra de vidrio y recubiertas por un tejido resistente al rozamiento. La fibra de vidrio garantiza la estabilidad longitudinal, el neopreno constituye la parte elástica y el dentado, mientras que el recubrimiento sirve para proteger la correa. Las ventajas de esta solución han conducido a su adopción en motores incluso bastante distintos entre sí: del Fiat 128 al Alfasud, del Lamborghini Urraco al Diño V8 y también en motores Diesel pequeños y rápidos (Ford Transit).

Otro tipo de transmisión es el formado por 2 bielas montadas sobre 2 excéntricas, después de una reducción por engranajes del cigüeñal; se obtiene así un cuadrilátero articulado que acciona la válvula: este sistema no ha tenido gran difusión (ejemplo, NSU Prinz).

Otro tipo de accionamiento, utilizado en el pasado, por ejemplo en el *Ansaldo, e incluso sobre algunas motocicletas para disminuir las partes en movimiento alternativo (empujado-res, varillas), y evitar los inconvenientes dimensionales de un accionamiento por cadena, está constituido por un eje, perpendicular al cigüeñal, que recibe y transmite el movimiento (a las válvulas en cabeza) a través de 2 pares de engranajes cónicos.

El perfil de la leva define la elevación o alzada y el tiempo de apertura de la válvula. Este perfil está formado por: un círculo base, tramo circular correspondiente a la fase en reposo de la válvula, 2 flancos tangentes al círculo base, curvos o rectos, correspondientes a las fases de apertura y cierre, y un tramo curvo que une los 2 flancos, correspondiente a la máxima apertura. La determinación del perfil de las levas es muy delicado porque de ella dependen las aceleraciones de las válvulas y, por tanto, todo el conjunto de las fuerzas que intervienen en la distribución. El perfil de las levas, constituido antes como conjunto de arcos de círculo enlazados oportunamente (leva policéntrica o tradicional), se determina en la actualidad partiendo de las aceleraciones máximas admisibles de las válvulas en fase de apertura o cierre, de la elevación y de la duración de la apertura. Mediante una oportuna ley de variación de las aceleraciones, se determinan sus valores en cada instante del movimiento y, con un proceso matemático de integración doble, es posible obtener para cada punto de la leva el correspondiente radio de curvatura y, en consecuencia, la posición de la cabeza de la válvula o del balancín. Incluso es posible obtener la ley del movimiento de la herramienta que durante la mecanización genera el perfil.

La rotación de la leva acciona el desplazamiento de un órgano intermedio, que se llama empujador o taqué si tiene movimiento rectilíneo (alternativo) o balancín si el movimiento es rotativo (alternativo). En ambos casos este órgano tiene la función de absorber el empuje lateral que proviene del contacto con la leva. Hay 2 tipos de empujadores: uno con superficie de contacto con la leva, plana, y otro con rodillos; este último, que no se ha usado mucho en motores de automóvil, se aplica en algunos motores para vehículos industriales. En ambos casos el contacto con la leva es lineal. El empujador de plato, por ser la superficie de contacto siempre perpendicular al eje del movimiento alternativo, sufre un empuje lateral dado por la componente de rozamiento entre la leva y el plato, pero ésta resulta, por lo general, pequeña, dadas las buenas condiciones de lubricación.

Las dilataciones de los órganos de la distribución en los distintos regímenes térmicos no son uniformes: el vastago de la válvula se dilata más que la estructura de su alrededor, y esto obliga a dejar cierto juego (de 0,15-0,5 mm), para evitar que en la fase de cierre las válvulas se apoyen sobre la distribución en lugar de sobre su asiento, no garantizando así la estanquidad. En cambio, en la apertura el contacto entre empujador y válvula (y entre válvula y asiento, durante el cierre) no puede tener lugar con velocidad de traslación nula, por la presencia del citado juego, sino con un golpe. Además, la apertura de las válvulas resulta retrasada en un cierto ángulo correspondiente al espacio de huelgo, y análogamente resulta anticipado al cierre. Estas consecuencias se diminuyen modificando el perfil de la primera parte de la rampa de ataque, haciéndola de escasa pendiente y, por tanto, de baja velocidad de golpe. Los empujadores con compensación automática del juego (empujadores hidráulicos) se utilizan en algunos coches de lujo, como el Rolls Royce, y en casi toda la producción norteamericana. El empujador en este caso está constituido por un pequeño cilindro, lleno de aceite, cerrado por un émbolo que acciona las varillas de las válvulas. El cilindro está en comunicación con el sistema de lubricación, pero el aceite sólo puede entrar en el cilindro (pero no salir del mismo) por la presencia de una válvula unidireccional. Si en la fase de cierre de la válvula existe cierto juego entre la varilla y el émbolo, el aceite fluye en el cilindro desplazando el émbolo y recuperando el huelgo. Durante las sucesivas carreras se obtiene un silencio mayor en cada una de las condiciones del motor. Sin embargo, este dispositivo no puede ser utilizado en motores rápidos o de competición.

En la mayor parte de los casos las válvulas son dos, una de admisión y la otra de escape, pero para mejorar la potencia específica y limitar las solicitaciones de las válvulas, cuando son demasiado grandes, se adoptan 3 y, sobre todo, 4 válvulas por cilindro, tanto en motores de competición, como en el Ferrari 512 S o el Bugatti (1919), como en los motores Diesel de 4 tiempos, cuando el diámetro es superior a 150 mm (Scania, Volvo).

Ha habido incluso algunos ejemplos de motores con una única válvula de hongo, que realiza ambas funciones, seguida por una válvula conmutadora o deflectora, que alternativamente abre los conductos de admisión y de escape. Las ventajas de la doble área de paso para los gases en cada fase quedan contrarrestadas por los inevitables defectos de hermeticidad de la válvula conmutadora.

Con el árbol de levas en el bloque, la puesta a punto de la distribución es muy sencilla. El reglaje de taques es dificil, por la escasa accesibilidad, si las válvulas son laterales, mientras es bastante simple si están en cabeza. En el caso de accionamiento indirecto se actúa generando sobre un tornillo de regulación ubicado en el balancín, o bien sobre la posición del eje de balancines. En el caso de accionamiento directo se regula el juego con discos de espesor adecuado, colocados entre la leva y su empu-jador, o bien con sombreretes colocados en el extremo de la válvula, que sólo son accesibles desmontando el árbol de levas. En el motor del Alfasud es posible regular un sombrerete atornillado con una llave especial, que pasa a través de un agujero realizado en la leva. En algunos motores las cazoletas de los empujadores están provistas de un plano inclinado despla-zable (Vauxhall Víctor y Chevrolet Vega).

Diagrama de la distribución

Los fenómenos dinámicos que intervienen en los gases durante las fases de admisión y escape de .un motor de combustión interna y los tiempos relativamente breves de que se dispone para accionar las válvulas, exigen oportunos avances de apertura y retrasos de cierre de las válvulas de admisión y de escape.

Por tanto, la válvula de admisión no se abre en el punto muerto superior, es decir, al inicio de la fase de admisión, como sería suficiente en un motor que girara muy lentamente, sino que debe abrirse con un cierto avance para que el conducto esté ya en comunicación con el cilindro en el momento en que el pistón inicia la carrera de admisión; análogamente, el cierre de la misma válvula se retrasa respecto al punto muerto inferior cerca de 50°, para beneficiarse de la energía cinética adquirida por los gases. Lo mismo sucede para el escape; se anticipa la apertura de la válvula, porque la presión de los gases al inicio de la fase de escape es ligeramente superior a la atmosférica, y se retrasa el cierre para utilizar la energía cinética impuesta a los gases por el movimiento del pistón. Entre el avance de la admisión y el retraso del escape existe un cierto tiempo (cruce de válvulas), en el que ambas válvulas están abiertas.

Cada fase está compuesta de apertura de la válvula (velocidad positiva) y cierre (velocidad negativa), que son generalmente simétricas. La fase de apertura está compuesta de un primer tramo a velocidad constante, que corresponde a la compensación del juego de funcionamiento, es decir hasta que entra en contacto la leva con el empujador; un segundo tramo de elevación (alzada) con la máxima aceleración, compatible con las cargas de compresión soportables por la leva, y un tercer tramo en el que la aceleración disminuye y cambia el sentido, pero continuando la fase de elevación, mientras la válvula se aproxima gradualmente a la fase de alzada máxima. La fase de cierre de la válvula es generalmente simétrica.

Para altas velocidades del motor, las rápidas variaciones de la aceleración impuestas por la leva producen (debido a la elasticidad del conjunto de la distribución, varillas, empujadores y balancines) alteraciones de la ley de la propia distribución. En los muelles de válvula el problema es grave cuando se originan vibraciones que se propagan como ondas, provocando compresiones y extensiones de las espiras que conducen a los empujadores o balancines a chocar violentamente contra las levas, dando lugar a un ruido típico conocido como rebote de váliru-las. En algunos casos el muelle o la válvula pueden incluso romperse, y en particular la válvula puede golpear la cabeza del pistón. Se evita el rebote de válvulas aplicando dos muelles en lugar de uno (generalmente con la hélice al revés o de paso variable) y con sus espiras en contacto para atenuar así con el rozamiento estas vibraciones.

Para alcanzar velocidades aún más elevadas, como en algunos motores de gran turismo (Mercedes 300 SRL) o de competición, se ha utilizado un accionamiento de las válvulas sin necesidad de muelles incluso en la fase de cierre, denominado mando *desmodrónico.

Motores de 2 tiempos y Wankel

En el motor de combustión interna de 2 tiempos los problemas son distintos: para tener una mejor renovación de los gases es necesario el barrido, es decir la eliminación forzada de los gases quemados con la introducción de la mezcla fresca. La distribución se realiza entonces casi siempre por el propio pistón, que descubre orificios adecuados en el cilindro. Por estos orificios entra aire a presión, que expulsa los gases quemados y es comprimido a su vez en el momento en que el pistón tapa estos orificios. La ley de distribución es, pues, simétrica respecto al punto muerto inferior. Para evitar esta excesiva limitación, en los motores de mayores solicitaciones se adoptan 2 ó 4 válvulas de escape.

Tampoco el motor de pistón rotativo (Wankel) tiene necesidad de válvulas: la distribución la hace el propio pistón, que descubre las lumbreras de admisión y escape. Éstas están realizadas sobre la trocoide, en el motor NSU; en el motor Mazda, la admisión es lateral y el escape periférico, pero siempre descubierto por el pistón. Se emplean distribuciones similares en otros tipos de motores rotativos.

Distribución variable

En cada distribución los valores escogidos de avance y retraso para las válvulas son adecuados sólo para una velocidad de los gases en los conductos y, por tanto, para una velocidad del motor, y ello debido a que los fenómenos dinámicos exigen ángulos de fase mayores al crecer la velocidad y la carga del motor, y ángulos más reducidos a bajo régimen. Por ejemplo, el retraso al cierre de las válvulas de admisión, que tiene lugar 45-70° después del punto muerto inferior, se ha calculado para recuperar la energía cinética de los gases de 5.000 rpm; en cambio, provoca un rechazo de la mezcla a 1.000 rpm cuando la energía cinética es escasa.

Por estos motivos se han intentado muchas veces sistemas de distribución con puesta a punto variable, es decir, capaz de variar según el número de vueltas, la elevación y el tiempo de apertura de las válvulas. Los dispositivos para obtener esta variabilidad se basan en levas cónicas que se desplazan axilmente, o bien en balancines con eje desplazable. En una de las soluciones propuestas (Fiat) el mecanismo está constituido por un cuadrilátero articulado, que transforma el movimiento rotativo continuo del eje de accionamiento en un movimiento alternativo; el elemento final es una leva que acciona, a través de un balancín, la apertura de la válvula. Los balancines giran alrededor de un eje que puede oscilar y cuya posición es controlada automáticamente por un mecanismo hidráulico sensible al régimen y a la carga.

El mejoramiento del par obtenible con estos dispositivos puede alcanzar, a bajos regímenes, valores de un 20 % y algunas reducciones en el consumo y la emisión de contaminantes.