Motores Diesel. Hablemos de las Válvulas de Aspiración y Escape

El trabajo de las válvulas de los motores no es nada fácil. Trabajan en condiciones adversas: bajo calor, alta presión, fricción y, a veces incluso sin lubricación suficiente.

Deben funcionar siempre, durante mucho tiempo y con la máxima seguridad posible. Al mismo tiempo, deben ser más leves a cada nueva generación de motores.

Deben conciliar las altas cargas mecánicas, térmicas y tribológicas resultantes del sistema y, como masa en movimiento, afectan directamente a las cargas mecánicas en el tren de válvulas y en las pérdidas por fricción.

En pocas palabras: Las válvulas tienen un trabajo duro.

Producción de válvulas: el material es lo que importa

Materiales de alta tecnología ofrecen soluciones convincentes... e ideas de diseño.

Dependiendo de dónde son usadas (en la admisión o escape, en motores sobrealimentados o naturalmente aspirados), las válvulas están hechas de materiales diferentes.

El material básico es la aleación cromo silicio.
Para válvulas de escape bajo alta carga, es usada una aleación de níquel Nimonic, lo que también genera nuevos patrones en términos de maleabilidad, soldabilidad y resistencia a la temperatura.

Referente a su construcción ¿Mono, bi o hueca?

Válvulas monometálicas.

Están fabricadas con un solo material, seleccionado para responder a las dos exigencias fundamentales: resistencia a las altas temperaturas y tener buenas cualidades de deslizamiento.

Válvulas bimetálicas.

En estas válvulas se combinan dos materiales. Uno de ellos presenta resistencia a las altas temperaturas (cabeza de la válvula), y el otro es acero templado con buenas características de deslizamiento (vástago de la válvula). La unión de los dos materiales se realiza mediante una soldadura de frio.

Las diferentes partes de una válvula bimetalica

La válvula hueca rellena de sodio. Enfriar con metal líquido.

Un proyecto innovador es la válvula hueca, con excelentes características de enfriamiento: la cavidad de la válvula es parcialmente rellenada con sodio, que se vuelve líquido a 97,5ºC y disipa mejor el calor de la cabeza caliente hacia el tallo.

En el funcionamiento del motor el sodio se hace líquido, convirtiéndose en un excelente transmisor de calor; mediante los movimientos de arriba a abajo, el sodio líquido transporta el calor desde la cabeza de válvula hasta el vástago de válvula, donde se disipa por las guías a la cabeza del cilindro y al circuito de refrigeración.

Asientos templados y recubiertos de estelita.

Las válvulas de escape están sometidas a elevados esfuerzos térmicos y químicos. Por esta razón es necesario reforzar su asiento, por templado o por recubrimiento de estelita.
En el primer caso, para los motores de alto rendimiento, se templa por inducción el asiento de las válvulas de admisión.
En el segundo caso es una capa de cobalto y cromo que es primeramente soldada y después mecanizada.

Primero la capa de estelita es soldada en la válvula y luego mecanizada

Punta del vástago.

El balancín mecánico o hidráulico somete a la punta del vástago a grandes esfuerzos. Para evitar un desgaste prematuro de esta zona de la válvula, se templa por inducción el extremo del vástago. Cuando el tipo de acero con que está fabricado el vástago no permite templar, se le recubre de estelita, o bien se le suelda una plaquita templada.Los grandes motores instalados en los barcos

En la parte naval, donde se utilizan grandes motores diesel, el motor de dos tiempos es reconocido como el más económico y fiable por parte de las flotas comerciales transoceánicas. Sin embargo, el objetivo de reducir las necesidades de mantenimiento y mejorar la fiabilidad en uso, es básico para la competitividad de las mismas.

Al quemar fuel-oil en un Motor Diesel se producen corrosiones , principalmente en las válvulas de escape , debidas al ataque químico de la aleación por compuestos formados a partir de las impurezas que contiene el fuel-oil, principalmente Vanadio, Sodio y Azufre , aunque otras impurezas metálicas también influyen en menor grado.

Estos compuestos, a las altas temperaturas que soportan las válvulas de escape (superiores a los 800º C en la combustión y 350-400º C en los gases de escape), son inevitablemente corrosivos.
Para evitar una excesiva velocidad de corrosión de válvulas, se utilizan aleaciones especiales de última generación en su construcción, las cuales han sido adoptadas por la generalidad de fabricantes como premisa fundamental para paliar en parte el problema de la corrosión. A pesar de ello, el problema no está resuelto totalmente y se siguen ensayando nuevos materiales y diseños.

El sistema de escape supone una parte sustancial del coste del motor, ya que su funcionamiento, en condiciones extremas de corrosividad y temperatura, plantea la necesidad de emplear materiales avanzados de elevado coste.

Para la construcción de las válvulas de escape, por ejemplo, se requieren materiales capaces de resistir tanto las condiciones extremas de erosión y la adhesión de depósitos corrosivos, como las elevadas presiones del sistema. El material más apropiado para este tipo de válvulas es una aleación Nimonic, aunque para la construcción de válvulas estándar se utilicen aún, preferentemente, aceros para alta temperatura, con un endurecimiento local del asiento de la válvula.

El coste de estos materiales y la necesidad de optimizar los intervalos de revisión justifican el desarrollo de procedimientos efectivos de mantenimiento y de reacondicionamiento de los componentes de las válvulas.

Con el objetivo de superar las limitaciones técnicas y económicas que se ofrecen en la actualidad, INASMET-Tecnalia ha iniciado el proyecto OFIENGINE, cuyo objetivo final es incrementar la duración de diversos componentes del sistema de escape y del motor en su conjunto, mediante la aplicación de una nueva tecnología de recubrimiento por proyección térmica, la tecnología OFI (Oxy-Fuel Ionisation).

Esta tecnología está basada en un proceso de combustión supersónico asistido por plasma y se prevé que sea capaz, no sólo de generar los recubrimientos técnicos necesarios para combatir los mecanismos de desgaste identificados, sino también para competir con los procesos de proyección térmica actuales en coste, fiabilidad y accesibilidad industrial.

En la actualidad, los procedimientos habituales implican la realización de recargas de estelite mediante soldadura en los asientos de las válvulas y el uso de recubrimientos ceramometálicos, aplicados sobre el eje de la válvula mediante la técnica de proyección térmica de alta velocidad HVOF (High Velocity Oxy-Fuel).

Si bien estas técnicas están incluidas en las especificaciones de muchos de los fabricantes de equipos y de las empresas de mantenimiento más avanzadas, su uso está condicionado por una serie de limitaciones técnicas y económicas que limitan su aplicación generalizada en la fabricación de estos componentes.

Las finalidades prácticas del proyecto OFIENGINE se centran en reducir las necesidades de mantenimiento requeridas para componentes críticos en motores diesel marítimos a través de su adecuación superficial, entre los que cabe destacar, un aumento de la resistencia a la corrosión y al desgaste en ejes y asientos de válvulas.