Culatas

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Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica Unidad Ticomán
Ingeniería en Sistemas Automotrices
Elementos Fijos de un MCI: “CULATA”
Por : Zarate Torres Xavier Alejandro

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ÍNDICE
1. Definición
2. Propósito de una culata
3. Partes de una culata
4. Juntas de cilindros
5. Rectificación de culatas
6. Clasificación de las culatas
7. Cámaras de combustión
8. Consideraciones de diseño en una
culata
9. Manufactura de Culatas

z ¿Qué es una culata?
Una culata es un elemento
estructural de los motores de
combustión interna, va fijada
sobre el bloque motor creando
estanqueidad en los cilindros.
Culata

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¿Qué es una culata?
Varían sus características dependiendo de los siguientes factores:
▪ El tipo de motor (2 tiempos, 4 tiempos o de ciclo diésel)
▪ El Sistema de refrigeración (por liquido o por aire forzado)
▪ La disposición del sistema de distribución (SV, OHC, OHV, DOHC, SOHC)
Culata de aleación de
aluminio con doble árbol
de levas.

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Funciones que desempeña una culata
▪ Mantener la estanqueidad de la cámara de combustión, de los
ductos de lubricación y de refrigeración.
▪ Resistir la presión generada por los gases
▪ Tener buena capacidad para evacuar el calor
▪ Alojar todos o parte de los elementos de la distribución
▪ Alojar la bujía y los inyectores
▪ Alojar toda o parte de la cámara de combustión

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Partes de una culata
Conductos de Lubricación
Conductos de refrigeración
Cámara de Combustión
Ductos de
Admisión
Ductos
de escape
Puerto de la bujía Barrenos para los
tornillos

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Puertos de admisión
Alojamientos de los inyectores

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Puertos de escape

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Junta de cilindros
Su función es garantizar la estanqueidad entre los
cilindros y la culata, impidiendo que se junten los fluidos
de refrigeración y lubricación, debe absorber las
irregularidades del plano del monoblock y la culata.
Son sometidas a esfuerzos y temperaturas elevadas.
Microscópicamente las superficies tienen
irregularidades.

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Materiales para la construcción de
la junta de cilindros
▪ La fabricación de las juntas de culata es a base de capas de materiales metálicos
o compuestos, selladores y un núcleo.
▪ Existen juntas que pueden torquearse en repetidas ocasiones y juntas que se
desechan.
▪ Antiguamente, era necesario el uso de selladores para garantizar el buen
funcionamiento de las juntas
▪ Antiguamente fabricadas en fibras de asbesto, un material a base de silicatos,
cubiertas por dos placas de acero (cancerígeno y en desuso).

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Junta de metal-elastómero
▪ Las capas tienen dobleces
en zonas específicas, para
mejorar el sello entre la
cámara de combustion y
los ductos de fluidos.
Sello de la cámara de combustión
Capa portadora
Sellos de elastómero
Capa central
Sellador

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Junta Metálica
▪ Están fabricadas en
acero de alto carbono
para favorecer la
elasticidad.
Capa funcional
de la junta
Guías de la junta
Capa selladora
Capa con
recubrimiento
s exteriores

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Junta de metal-material suave
▪ Usadas en motores de
prestaciones
inferiores a la actual.
Capa de material
suave recubierto
Guías de la junta
Capa selladora
de la junta
Capa inferior con
recubrimiento

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Tolerancias para la rectificación de
culatas
Para altas relaciones de compresión
Longitud Planicidad
100mm (Longitudinal) 0.03mm
100mm (Transversal) 0.03
400mm (Longitudinal) 0.05
Para altas bajas relaciones de compresión
Longitud Planicidad
100mm (Transversal) 0.03mm
Ondulaciones Rugosidad
20µm 7µm-20µm
Rugosímetro

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la culata (Motores a gasolina)
▪ No varían los espesores de la junta de culata, cuando se rectifica la culata no
se contempla variar el espesor.
▪ La rectificación de las culatas aumenta la relación de compresión de los
motores.
▪ Se deben rectificar también los asientos de las válvulas para evitar que el
pistón golpee las válvulas.

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la culata (Motores a diésel)
▪ En los motores diésel, varían los espesores de la junta de cilindros en 1, 2 p 3
muescas.
▪ El espesor de la junta esta dado con respecto a la altura de la cabeza del pistón
con respecto al bloque motor.
Motor Atmosférico (mm) Motor Turbo (mm) Muescas en la culata
0.868 0.073 1
0.868-1 0.073-0.206 2
1 en adelante 0.206 en adelante 3
Tabla de juntas de culata en función de la distancia de la
cabeza del pistón al plano del bloque motor

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Daños típicos en culatas las culatas
Descompostura Causas Solución
Perdida en planitud
Calentamiento excesivo y
fallos del sistema de
refrigeración
Rectificación en culata y
asientos.
Grietas y fisuras en
asentamientos y precámaras
Calentamientos Irremediable
Asientos y guías de válvulas
desgastados
Calentamientos y fallas de
lubricación o desgaste
Rectificar asientos y
sustituir guías
Rotura en asientos Calentamientos Sustituir asientos
Desgaste de los asientos y
cola de válvula
Suciedad o desgaste
Rectificar los asientos, las
válvulas no pueden
rectificarse en motores
turbocargados

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Flujos de admisión a la culata
▪ Para incrementar la energía obtenida
de un motor y reducir las emisiones, es
necesario tener parámetros específicos.
▪ La Ra/c de un motor es14.7:1, por lo
que por cada partícula de combustible,
deben entrar 14.7 de aire.
▪ Además de estos factores, las
turbulencias en las cámaras de
combustión también tienen influencia
en la eficiencia de los motores.
▪ Por ello los flujos de admisión
adquieren importancia en el
desempeño de los motores.Simulación de las turbulencias en el interior
de un cilindro

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Culatas en motores de flujo
transversal
La admisión se encuentra de un lado de la culata y se encuentra en el lado
opuesto al de la admisión.
Sección de una culata
con flujo transversal
Puertos de
escape
Puertos de
admisión

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Culatas en motores de flujo lateral
La admisión y el escape de los gases tiene lugar por el mismo lado de
la culata.
Culata de un motor
Chrysler 225
AdmisiónEscape

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Cámaras de combustión
Objetivo Propósito
Combustión
Debe ser lo más completa posible en un tiempo del
orden de 2ms
Turbulencia
Favorecer la mezcla homogénea de aire y
combustible
Acelerar el frente de llama
La velocidad del frente de llama se expresa como
la velocidad de la combustión, mas la expansión de
los gases quemados:
𝑢 𝑓 = 𝑢 𝐶 + 𝑢 𝑎
Se busca un frente de llama laminar.
Minimizar pérdidas de calor
Aprovechar al máximo la energía producida en el
ciclo
Evitar la detonación
La culata no debe ser susceptible a tener partes
calientes debido a la acumulación de ollín.

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Culata de flujo lateral con cámara de combustión en forma de cuña.

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Distribución de las bujías en la
cámara de combustión
El número y la posición de las bujías en un
motor también tiene una influencia en la
eficiencia que se extrae del motor.
En motores de doble bujía la combustión
es más uniforme

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Turbulencias en la cámara de
combustión
▪ Caída (Tumble)
▪ Arremolinamiento (Squirling)

z Cámaras de combustión en
motores a gasolina
▪ En forma de bañera
▪ En forma de cuña
▪ Hemisféricas
▪ De Herón
▪ Bihemisféricas
▪ Para inyección
directa

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Cámaras de combustión en
motores diésel
▪ Cámaras de precombustión: El aire en compresión entra por (1) a la precámara (2) y el
inyector (3) inyecta el combustible ardiendo y expandiéndose. El orificio (1) ayuda a la
pulverización y a una combustión más completa. Suelen ser de 1/3 del volumen de la
cámara total

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motores diésel
▪ Cámaras de turbulencia de Ricardo-Comet: : El aire en compresión entra por
(1) a la precámara (2) adquiriendo una gran turbulencia y el inyector (3)
inyecta el combustible ardiendo y expandiéndose. El orificio (1) ayuda a la
pulverización y a una combustión más completa. Suelen ser de 2/3 del
volumen de la cámara total

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motores diésel
▪ Cámara de combustión mecanizada en el pistón: La cámara de combustión se
encuentra mecanizada en el pistón, se usa para los motores de inyección
directa.

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Culatas en motores diésel de 4T
Ford Ranger 2.5L turbo diésel
Cummins 4BT

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Culatas en motores diésel de 2T
▪ Tiene aplicación en motores de
uso marítimo, actualmente los
motores diésel 2T se encuentran
en desuso

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Culatas en motores a gasolina de 4T
Motor Hemi
Culata de Ferrari con 5 válvulas por
cilindro

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Culatas en motores a gasolina de 2T
Culata de Yamaha 250
refrigerada por liquido
Aletas en culata de
dos tiempos
refrigerada por aire
forzado

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Variaciones en culatas en función
de la distribución
Disposición Definición
SV Side valve, las válvulas van alojadas en el monoblock al igual
que todos los componentes de la distribución, servía para
motores con bajas relaciones de compresión.
OHV Over head valve, las válvulas van alojadas en la culata, pero el
accionamiento es mediante varillas y balancines ya que el
cigüeñal sigue alojado en el monoblock
OHC Over head camshaft, el árbol de levas y las válvulas ya están
integradas sobre la culata
DOHC Double over head camshaft, el sistema de distribución posee
dos arboles de levas para el accionamiento de las válvulas
SOHC Single over head camshaft

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Fijación de la culata
Las culatas llevan una fijación mediante una serie de tornillos, el torque de los
mismos es de gran importancia, ya que si un tornillo se aprieta más allá de su
limite elástico, esto garantizará un apriete uniforme.
Al reducir el área transversal del tornillo, llegaremos
más rápido a la zona plástica y reduciremos el peso.
Orden de apriete en una culata
(helicoidal)

z Criterios de diseño en culatas
▪ El principal factor para las averías en culatas es el sobrecalentamiento, por lo
que nos interesa que el material tenga buenas propiedades para evacuar el calor.
▪ La culata debe soportar las elevadas presiones de los gases de combustión
▪ Debe estar manufacturada de un material ligero y maquinable.
La presión en la culata varía con el
régimen de revoluciones
Producción de calor en un motor en función del
combustible

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Influencia de los materiales para a
manufactura de las culatas
Propiedades AC4B A356-T6
Módulo Elastico (MPa) 71e3 72e3
Limite elástico a
Compresión (MPa)
166 172
Límite elástico a tensión
(MPa)
159 164
Relación de Poisson 0.33 0.33
Densidad (kg/m^3) 2740 1713
Conductividad Térmica
(W/m·K)
130 151

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