Cuatro válvulas por cilindro, ¿por qué es la elección óptima entre los motoristas?

En un motor de combustión de cuatro tiempos, tanto si es gasolina como Diesel, es necesario un sistema de conductos que permita la mejor circulación posible de los gases –tanto de admisión como escape– a través del mismo, de cara a maximizar tanto el llenado como el vaciado de los cilindros. Para este cometido se hace necesario un conjunto formado por colectores y pipas, pero lo verdaderamente esencial son las válvulas que abren y cierran el paso a la cámara de combustión.

Hay un gran abanico de factores que condicionan la efectividad del flujo de gases, pero es en el conjunto de la válvula y su asiento donde éstos encuentran la mayor restricción al paso, por lo que es vital realizar allí un diseño óptimo. En el artículo de hoy vamos a centrarnos en ellas y, más concretamente, en por qué es cuatro el número de válvulas elegido por la gran mayoría de fabricantes de motores.

Para ello debemos conocer un concepto denominado 'área de cortina'. Éste describe la superficie a través de la cual puede circular el flujo de gases y queda definida por el diámetro de la válvula y su correspondiente alzada.

Con ello entendido, es fácil figurarse que, cuanto mayor sea el diámetro de la válvula, mayor será el área de cortina y tanto mejor respirará la mecánica. Pasaría lo mismo al aumentar la alzada, pero este parámetro está más restringido debido a las dimensiones de la cámara de combustión y la relación de compresión, aunque sería igualmente válido para tal cometido.

Pues bien, esta visión era la que tenían los fabricantes de motores desde hacía mucho tiempo: cuanto más partido se le quiere sacar al motor, mayor es el diámetro de las válvulas que debo de colocar. No obstante, con ello sobreviene un problema de peso, literalmente, puesto que a más potencia, mayor es el régimen al que debe funcionar el motor y, con unas válvulas sobredimensionadas, las inercias generadas son de una magnitud importante y se requiere un mayor esfuerzo para realizar el trabajo.

Lo que había de conseguirse era una reducción del tamaño de las válvulas pero sin perder área de cortina. ¿La solución? Disminuir el tamaño, pero multiplicar su cantidad. Esta solución lleva aparejada otra ventaja y es que, a altas revoluciones, es más sencillo hacer circular un flujo a través de dos canales diferenciados que a través de uno solo. El único pero de este sistema es la complejidad mecánica, pues se hace necesario montar un árbol de levas extra.

En el apartado de la eficiencia, además, entra ahora en juego un nuevo término: 'swirl'. El 'swirl' o torbellinado, como se podría traducir al castellano, es un fenómeno que los ingenieros de motores buscan a la hora de llenar el cilindro. Básicamente se trata de crear un torbellino que distribuya de la manera más uniforme posible la mezcla fresca antes de la compresión y posterior explosión, para así obtener la mejor y más eficiente combustión. Hablamos de un fenómeno muy buscado en los motores de gasolina con inyección directa, pero que también es utilizado en las mecánicas Diesel.

Tomemos como ejemplo a Renault, quien lo utiliza en sus motores dCi con cuatro válvulas por cilindro. En el caso del motor de 1.6 litros, uno de los dos canales de admisión cuenta con una válvula de mariposa que es capaz de abrir y cerrarse para generar mayor o menor 'swirl' según sean las condiciones. En el caso del motor de 2.0 litros se utiliza otro método pero con la misma filosofía, pues las entradas de admisión y escape están cruzadas en lugar de emparejadas, lo que favorece el torbellinado sin necesidad de colocar ninguna mariposa.

A la izquierda, la válvula de mariposa está abierta. A la derecha, se encuentra parcialmente cerrarda, lo que crea mayor 'swirl'

Los experimentos a lo largo de la historia reciente del motor han sido varios hasta llegar a la conclusión de que hacer uso de cuatro válvulas es la mejor solución: en los años 70, Honda equipó al Civic, por primera vez, con tres válvulas por cilindro –dos para admisión y una de escape–. Se mejoraba la eficiencia y les permitía además preservar un único árbol de levas para contener los costes. Otro pionero es el Citroën XM de 1989, el cual fue el primer Diesel en montar motores con tres válvulas.

En el otro lado tenemos, por ejemplo, a Ferrari y el F355 de 1994, el cual presentaba una mecánica V8 con cinco válvulas por cilindro. Esta misma solución se extendió al F50 con motor V12 y posteriormente al sucesor del primero, el 360 Modena.

En definitiva, y como es norma en ingeniería, los fabricantes han llegado a un compromiso aceptable entre eficiencia, potencia y complejidad mecánica con el uso de cuatro válvulas por cilindro. No obstante, el estudio de la eficiencia del flujo en el sistema de circulación de gases de un motor de combustión interna es un campo amplísimo, del que apenas hemos arañado la superficie en este artículo.