Tapa de cilindros con microchips
Los motores modernos logran rendimientos térmicos cada vez más elevados, que se traducen en mejores prestaciones y menor consumo, al tiempo que están muy solicitados y requieren de medidas especiales para cumplir su trabajo de manera fiable y por largo tiempo.
Los motores destinados a propulsar automóviles no siempre tuvieron tapa de cilindros desmontable. De hecho, y hasta la década de 1920 y salvo algunas excepciones, los motores eran fabricados con culata integral, es decir que el bloque motor integraba también a la tapa de cilindros o, lo que es lo mismo, había un sólo componente que cumplía con la función de los cilindros y su parte superior. Así lo expresa el ingeniero británico T.P. Newcomb, de la universidad tecnológica de Loughborough. Sin embargo, la fusión de un monobloque con la culata integral no era una empresa sencilla; además, el mantenimiento hacía sentir sus exigencias. Para limpiar la cámara de combustión, controlar y esmerilar las válvulas, era necesario extraer todo el bloque, operación que no era nada fácil. Estos problemas se resolvieron con la separación de la culata (tapa) del bloque de cilindros, hecho importante en la evolución técnica que determinó un progreso decisivo del motor y de su fabricación en serie. Se hizo posible entonces estudiar diferentes disposiciones de los conductos de admisión y escape, las válvulas y las bujías, y seleccionar materiales distintos para las culatas y los cilindros, por ejemplo tapa de aluminio o magnesio y bloque de hierro, aunque la tendencia actual es “todo aluminio” e incluso “todo magnesio”. A su vez, esta separación de componentes hizo necesario instalar una junta apropiada entre ambos, con la finalidad de evitar la pérdida de gases de la combustión y de líquidos como el agua de enfriamiento y el aceite de lubricación.
La junta plana
Es la usada en la tapa de cilindros y es designada como una lámina de diferentes formas obtenidas de material compresible, que tiene la función de garantizar la retención de los gases y de los líquidos entre dos superficies planas. La junta interpuesta entre las superficies (adecuadamente mecanizadas para reducir las rugosidades) es comprimida por medio de tornillos o espárragos hasta llegar a rellenar los espacios libres eventuales entre las dos piezas unidas. La junta de culata o de tapa de cilindros tiene una importancia fundamental, pues, como hemos señalado, consigue el sellado de los gases y líquidos de la planta propulsora. Su espesor depende del acabado de las superficies entre las que es comprimida la junta; generalmente es de 1-2 mm. La junta tiene una forma muy compleja, puesto que debe contener todos los agujeros correspondientes a los pasos de agua, del aceite y de los cilindros. La compresión de la junta debe ser elevada, pero no excesiva, pues no debe superar la carga de fluctuación, de manera que pueda seguir las dilataciones térmicas del bloque. La junta de tapa de cilindros es solicitada mecánicamente por el apriete de los elementos roscados (de unión), químicamente por los productos de la combustión y térmicamente por las temperaturas
alcanzadas por el motor. Se construyen generalmente de cobre, aluminio, chapa de acero y amianto. Existen también juntas de culata constituidas por dos materiales diferentes: el tipo más clásico es el formado por una placa de amianto con incrustaciones metálicas por un lado, por ambos lados o en los bordes. Esta junta es muy compresible, tiene una pequeña recuperación elástica y requiere una notable presión para la retención. También podemos citar a las juntas de material sintético que reemplaza al amianto, un material contaminante, con incrustaciones metálicas y de trama metálica sumergida en material plástico; y a las juntas de grafito. Las juntas de última generación son del tipo multicapa de acero con un recubrimiento parcial o total de elastómero (caucho sintético).
Exigencias
Las dimensiones, la dureza y otras características de las juntas están sujetas a alteraciones por efecto del calor, los agentes atmosféricos y la absorción de líquidos. Por tanto, la elección de una junta depende de las condiciones de funcionamiento y ambientales. Se fijan frecuentemente normas de aceptación, donde se especifican las tolerancias para las dimensiones y, según las condiciones de empleo, se efectúan pruebas de resistencia a los carburantes, a los aceites lubricantes y al agua. También se determinan: las resistencias a las temperaturas bajas (hasta -50 ºC) y a las temperaturas elevadas (aproximadamente, +250 ºC), la dureza, la deformación, así como la resistencia a la abrasión y al desgarre. Dichas pruebas son determinadas por las condiciones de funcionamiento de los motores y la duración mínima que el constructor pretende obtener.
La junta inteligente
Utilizada en varios tipos de motores de muy reciente concepción y que ya se aplican en modelos de automóviles alemanes y norteamericanos, la junta inteligente que integra a un pequeño sensor electrónico constituye otro de los hitos tecnológicos de los motores de combustión interna. Este notable invento ha sido descrito con todo detalle en el trabajo del ingeniero Marek T. Wlodarezyk, un especialista en Detroit en temas de óptica electrónica. Esta junta de tapa de cilindros trabaja en conjunto con los nuevos sistemas de enfriamiento con bomba de agua eléctrica y control computadorizado del flujo de líquido que recorre el motor. Como en los motores modernos se alcanzan temperaturas de gases de escape de hasta 1.100 ºC (en motores turbo a nafta), las solicitaciones que se imponen a las juntas son enormes. Por ello actualmente sólo se utiliza el acero para la construcción de las mismas, por lo menos en los motores más exigidos. La novedad del sensor integrado a la junta de tapa de cilindros es que permite registrar los valores reales de la temperatura en la parte alta de motor. También registra la presión de combustión. Es así como transmite esta información a la computadora de mando del sistema de enfriamiento, para que a través de una variación en el flujo de agua en el interior del motor, mantenga los valores ideales para lograr que el catalizador trabaje siempre de manera eficiente y para obtener una disminución en el consumo de combustible. Por ejemplo, y cuando el motor está muy frío después del arranque, el sensor hace posible que la bomba de agua restrinja el caudal de líquido en el motor, a la vez que se actúa sobre el termostato electrónico. De esta forma la máquina se calienta más rápida
mente y entra en funciones el catalizador que, como es sabido, necesita varios cientos de grados antes de que cumpla con su función específica de hacer disminuir las emisiones por el escape. En el caso contrario, y cuando el motor trabaja a plena potencia, el sensor envía datos de las elevadísimas temperaturas y la bomba de agua eléctrica trabaja a pleno para entregar el máximo caudal de líquido y evitar peligrosos sobrecalentamientos. Gracias a estos sensores también es posible reducir el consumo de combustible y de emisiones contaminantes, tema de apremiante actualidad. Este tipo de juntas inteligentes se hará cada vez más popular en las nuevas generaciones de motores, porque a medida que crecen los desafíos, hay que incorporar soluciones novedosas que no obstaculicen las demandas de mayores performances. Básicamente, los sensores electrónicos trabajan con dos fibras ópticas de 125 micrones de diámetro, herméticamente selladas en una cápsula de acero inoxidable. Su principio de operación se basa en las variaciones de la intensidad de la luz transmitido por las fibras cuando un diafragma de inconel (acero al cromo níquel) se mueve bajo los efectos de la presión y de la temperatura. El circuito comprende, además de las fibras, un diodo LED y un fotodiodo. Este micro chip mide 12,7 mm x 20 mm y resiste 380 ºC de temperatura continua.
Termostatos electrónicos
Otra de las soluciones que los técnicos adoptan para mejorar el desempeño de la tapa de cilindros y del motor en conjunto es la utilización de un termostato electrónico, ubicado a la salida de la tapa, en el conducto del líquido que va al radiador a enfriarse. Este termostato incluye una resistencia eléctrica en su interior, acoplada a la unidad electrónica del motor (ECU, por sus siglas en inglés), la que a su vez recibe señales de diferentes captadores instalados en el motor, que informan acerca de valores de temperatura de agua y aceite y de esfuerzos mecánicos, por ejemplo inducidos por la detonación o una sobrecarga excesiva (en los motores sobrealimentados). Dicha resistencia actúa complementado el trabajo del bloque de cera en el cuerpo del termostato. La cera, al licuarse, se expande y hace abrir la válvula principal del termostato. Gracias al control computadorizado del termostato, la temperatura en la compleja estructura interna de la tapa de cilindros es mucho más uniforme, lo que beneficia mucho al efecto de enfriamiento y evita zonas localizadas muy calientes en algún punto de la tapa que podrían causar fenómenos anormales de la combustión. Normalmente, tanto la junta de tapa de cilindros inteligente como el termostato electrónico se asocian en los más recientes motores con la bomba de agua eléctrica, capaz de adaptarse al instante a las diferentes condiciones de operación de la máquina, algo imposible de lograr con las bombas de agua convencionales mecánicas. Ahora bien, también los termostatos electrónicos, por muy avanzados que sean, empiezan a ser reemplazados por válvulas especiales computadorizadas (en motores de BMW, Bugatti y Audi).
Interacción con otros dispositivos
No olvidemos que las tapas de cilindros actuales no trabajan “solas” como cuando las válvulas eran laterales y por ello se veían libradas de las mismas. Ahora están a la cabeza, es decir forman parte del mecanismo de la distribución integrado a la tapa de cilindros, con sus árboles de levas, botadores, engranajes, correas o cadenas y multitud de otras piezas, algunas de ellas ya accionadas hidráulica o eléctricamente, como los mencionados botadores y los árboles de levas para el sistema de diagrama variable de la distribución. La tapa de cilindros “no se lleva muy bien” con tantos componentes mecánicos, eléctricos e hidráulicos que aunque funcionen correctamente, siempre tratarán de culpar de algunos de sus males a la tapa. Es entonces cuando aparece el gran protector de la tapa de cilindros, el accionamiento electromagnético de las válvulas, que barre de una vez y para siempre al clásico pero muy molesto árbol de levas. Con este ultra preciso comando de las válvulas, la tapa sufre menos tensiones mecánicas, su vida útil se alarga mucho y de ella emanan menos vibraciones y ruidos.
Conclusión
Cuando otros componentes mecánicos empiezan a batirse en retirada, como el árbol de levas, los resortes de válvulas, el comando por correa dentada o por cadena, los engranajes de la distribución y hasta la bomba de agua convencional, la tapa de cilindros sigue allí, indiferente e insensible a lo que le ocurre a sus compañeros, pero con la suficiente percepción de la realidad que le permite adaptarse a los tiempos que corren.