mini|300px|Culata de aluminio de un motor Lamborghini de 6 cilindros y 24 válvulas
La culata es la pieza que asegura el cierre de los cilindros por su parte superior, y agrupa ciertas funciones en un motor de pistón alternativo. En muchos tipos de motores, las válvulas de admisión y de escape se alojan aquí. Su forma y características siempre han estado íntimamente ligadas a la evolución de los motores y, más particularmente, están vinculadas al tipo de ciclo del motor (4 tiempos o 2 tiempos), al tipo de distribución y a la forma de la cámara de combustión.Motorlegend, Technique : La culasse, p1 Excepcionalmente, algunos tipos de motores de explosión no convencionales carecen de culata, como el motor de pistones opuestos.
Historia thumb|right|250px|Culata de un motor Ford mini|250px|Culata con árbol de levas en cabeza con balancines (OHC)
A comienzos del , los primeros motores de automóviles de los principales fabricantes estaban equipados con una culata que formaba parte del bloque del motor. Esta solución permitía obtener un conjunto más resistente y reducía los problemas de estanqueidad, pero complicaba su mecanización. En consecuencia, la práctica totalidad de los fabricantes prefirió la estructura en la que la culata es una pieza independiente y desmontable atornillada al bloque de cilindros, cuya unión se hace estanca mediante la denominada junta de culata.
Uno de los primeros propulsores fabricados en masa a partir de 1908, el robusto motor tetracilíndrico del Ford T, incorporaba un sistema de válvulas laterales montadas sobre el bloque, de forma que la culata desmontable tenía una forma relativamente sencilla, que contenía los orificios para las bujías. La adopción generalizada de la culata plana con las válvulas laterales en el bloque permitió estudiar con mayor precisión la forma de la cámara de combustión para mejorar la eficiencia del combustible. Así, la culata diseñada por el ingeniero británico Harry Ricardo en los años 1920 fue fundamental para el diseño de la mayoría de los motores de la época. Su configuración fue capaz de mantener la sencilla disposición de las válvulas laterales, pero a la vez era capaz de proporcionar una relación de compresión relativamente alta y una adecuada turbulencia para favorecer la adecuada combustión del carburante.Motorlegend, Technique : La culasse, p2
La tendencia a partir de los años 1930 de obtener mayores potencias de propulsores económicos de tamaño reducido, se tradujo en el diseño de motores con relaciones de compresión cada vez más altas, una circunstancia potenciada después de la Segunda Guerra Mundial por la disponibilidad de gasolinas con mayores octanajes. Esto a su vez propició que se adoptara de forma masiva el diseño de culatas con válvulas en cabeza (OHV), una tecnología con la que ya contaba el prototipo del primer motor diésel de 1894 que usaba válvulas de asiento en cabeza accionadas por un árbol de levas, varillas de empuje y balancines, y que en 1896 había sido objeto de una patente presentada por William F. Davis en Estados Unidos que no llegó a ponerse en práctica.
La generalización de los motores con culatas OHV a partir de 1950 fue seguida por la progresiva introducción de árboles de levas en cabeza (denominados en inglés «OHC»: primero sencillos «SOHC» y luego dobles «DOHC») que permitieron multiplicar la eficiencia de los propulsores, generalizándose el incremento del número de válvulas por cilindro de dos a cuatro en aplicaciones de alto rendimiento. Con este tipo de soluciones, el tren de válvulas colocado en la culata queda expuesto al aire, por lo que se beneficia de una buena refrigeración y se facilita su mantenimiento.
Descripción mini|Árbol de levas doble de un motor Honda K20Z3 mini|Culata Morini de un scooter (motor de dos tiempos). Agujeros para bujía y 4 tornillos. Las cabezas de los motores se fabrican de diferentes materiales: 1° aluminio, 2° fundición o 3° hierro colado mini|Culata con refrigeracón por aire de una Suzuki GS550
La culata es una pieza compleja, generalmente construida utilizando hierro fundido o alguna aleación de aluminio. Las culatas se suelen fabricar mediante moldeo del material fundido. En el caso de un motor de cuatro tiempos su estructura se incluyen los elementos siguientes: Los conductos de admisión Los conductos de escape Los conductos para la circulación del refrigerante en los motores refrigerados por agua o las aletas en los motores refrigerados por aire.
Por otro lado, dependiendo de los tipos de motores y las tecnologías seleccionadas, sirve de soporte a los siguientes dispositivos: Las válvulas y su sistema de control (distribución) y el subsistema de lubricación asociado Los dispositivos de inyección y/o encendido Los dispositivos de montaje de la culata sobre el bloque del motor
En un motor de dos tiempos y en todos los demás motores sin válvulas, la culata suele ser una pieza muy simple, con un solo orificio perforado para la bujía.
La culata cierra la parte superior de los cilindros para formar las cámaras de combustión. Generalmente, se ensambla al bloque de cilindros por medio de tornillos o espárragos. Entre la culata y el bloque de cilindros se coloca la junta de culata. En los motores equipados con cilindros ciegos, la culata está fijada permanentemente al cilindro (motores de pistón de aviones ligeros, como los motores Lycoming y Continental) o incluso fundida en una sola pieza con los cilindros (como en el caso de algunos antiguos motores Bugatti).
En los motores de automóvil modernos, una sola culata por banco de cilindros forma la parte superior del motor. Por otro lado, en los motores aeronáuticos refrigerados por aire y en los grandes motores diésel estacionarios y marinos de servicio pesado, siempre que la sincronización esté ubicada lateralmente en el bloque de cilindros y no en la culata, cada cilindro tiene su propia culata (como en el caso de los Citroën 2 CV), lo que las hace menos sensibles a la deformación del plano de unión y facilita su mantenimiento.
Las culatas están sujetas a grandes esfuerzos mecánicos, químicos y térmicos. Están cuidadosamente refrigeradas por grandes cámaras de agua (o aletas si el motor está refrigerado por aire) que rodean las cámaras de combustión y los conductos de escape. Pasajes en el plano de unión conectan estas cámaras de agua con las del bloque de cilindros y el circuito general de refrigeración del motor. El aceite llega a la distribución bajo presión a través de tuberías de lubricación que a menudo cruzan la junta de culata.
Estudios preliminares mini|160px|Esquema de una culata con doble árbol de levas en cabeza en funcionamiento
En el estudio de una culata destinada a un motor de combustión interna moderno se tienen en cuenta tres objetivos principales: buen rendimiento, muy bajo nivel de contaminación y muy bajo coste de fabricación. Estos tres objetivos no siempre son compatibles.
La forma y la inclinación de los conductos de admisión y de escape están estudiadas para crear la mayor turbulencia posible en la cámara de combustión sin reducir, sin embargo, la velocidad de introducción de los gases y, por lo tanto, la tasa de llenado. Debe prestarse especial atención a que la sección transversal de los conductos conserve un diámetro constante en toda su longitud o, por defecto, una conicidad despreciable. Las dimensiones y la forma de la cámara de combustión dependen de la relación diámetro/carrera.Motorlegend, Technique : La culasse, p3
El área de la válvula de escape generalmente debe ser alrededor del 60-80% del área de la válvula de admisión. Dado que casi todo el espacio disponible de la cámara de explosión se utiliza para alojar las válvulas en las mejores condiciones, solo queda un margen muy pequeño para la bujía, que debe colocarse sobre todo teniendo en cuenta su accesibilidad para el desmontaje.
La forma de la cámara está condicionada por los requisitos de mecanizado y la necesidad de conseguir economía en su fabricación. Se debe tener especial cuidado al diseñar los conductos de refrigeración para simplificar el mecanizado de los revestimientos internos, así como para obtener un intercambio de calor eficiente y evitar la formación de puntos calientes en la culata.Si se forman puntos calientes en la culata existe el riesgo de que se produzcan deformaciones irregulares o preencendido. Las mismas consideraciones son válidas para el estudio de los conductos de lubricación de los balancines y de los cojinetes del árbol de levas en cabeza. El retorno de aceite al cárter se realiza a través de conductos especiales.
Distintas arquitecturas de culatas según el tipo de motor En la tabla adjunta se muestra un resumen de los diseños de motores de automoción en función de la arquitectura de su distribución de válvulas y árboles de levas en el bloque o en la culata:
mini|Culata del motor de un Duesenberg de 1929
+ Configuraciones de válvulas y árboles de levas Tipo Posición delárbol de levas Posición de las válvulas de admisión Posición de las válvulas de escape Válvulas laterales(SV o Cabeza plana) Bloque Bloque Bloque Admisión sobre el escape (IOE) Bloque Culata Bloque Válvulas en cabeza (OHV) Bloque Culata Culata Árbol de levas en cabeza (OHC) Culata Culata Culata
Motor de válvulas laterales (SV) thumb|El cilindro visto desde arriba, con la culata desmontada. Se observan las muescas en las cabezas de las válvulas, destinadas a facilitar su ajuste thumb|Vista exterior del mismo cilindro. Pueden verse claramente los vástagos de las válvulas apuntando hacia abajo
La culata tiene solo un sistema de enfriamiento y el sistema de encendido o inyección, las válvulas y el(los) árbol(es) de levas están en el bloque del motor.
Ejemplo: el primer motor de del Renault Juvaquatre.
Ventajas Simplicidad Robustez
Desventajas Debido a la posición de las válvulas, la eficiencia del motor es baja Difícil mantenimiento (ajuste del juego de válvulas)
Uso Este tipo de culata/motor solo requiere una lubricación básica. Por eso siempre se encuentra en motores "simples": cortacéspedes o diésel marino. Este tipo de motor ya no se utiliza para la motorización de automóviles desde los años 1950.
Motor de levas laterales (OHV) Las válvulas están en la culata, el árbol de levas está en el bloque del motor. El árbol de levas pulsa sobre unas varillas de empuje, que a su vez actúan sobre los balancines, y estos últimos accionan las válvulas oscilando sobre sus ejes.
Ejemplo: motor del Renault 4 (denominado Cléon-Fonte)
Ventajas Robustez Fácil ajuste y desmontaje Fácil desmontaje de la culata Fácil lubricación del árbol de levas Repuestos económicos
Desventajas Debido a la cantidad de piezas, la gran masa en movimiento y la cantidad de conexiones involucradas, este tipo de motor no admite altas velocidades (problema del flotado de válvulas)
Usos Este tipo de motor/culata fue ampliamente utilizado en la industria de automóviles de turismo desde la década de 1950 hasta finales del (como por ejemplo en el motor C3G del RenaultTwingo I, algunos motores V8 americanos en los y Rolls-Royce-Bentley). Han dejado prácticamente de producirse, con algunas excepciones (para reediciones de coches clásicos de gran potencia con los motores Chrysler Hemi y V10 Viper y LS de GM). Todavía se utiliza en el sector de camiones y marinos; Todavía se usa en algunos modelos de motocicletas (Moto Guzzi, Harley-Davidson o Yamaha MT-01)
Motores de árbol de levas en cabeza con balancines thumb|Motor de árbol de levas en cabeza con balancines de un Honda CR-X Si de 1987
Las válvulas están en la culata al igual que el árbol de levas, de forma que las válvulas son accionadas por balancines.
Ventajas Mecánica simplificada de la distribución Permite obtener más revoluciones del motor
Desventajas Lubricación más delicada Los balancines todavía limitan las rpm máximas