Bujía
Para la ciudad de Cabilia, Argelia, véanse Bugía.
La bujía es el elemento que produce el encendido de la mezcla de combustible y aire en los cilindros, mediante una chispa, en un motor de combustión interna de encendido provocado (MEP), tanto alternativo de ciclo Otto como Wankel. Su correcto funcionamiento es crucial para el buen desarrollo del proceso de combustión/expansión del ciclo Otto, ya sea de 2 tiempos (2T) como de cuatro (4T) y pertenece al sistema de encendido del motor.
Historia
Las primeras patentes para la bujía son de Nikola Tesla, en 1898.1 Casi al mismo tiempo Richard Simms (GB 24859/1898, 1898) y Robert Bosch (GB 26907/1898). Karl Benz también tiene el crédito de esta invención. Pero sólo debe darse crédito a la primera de ellas comercialmente viable económicamente y de alto voltaje inventada por el ingeniero de Robert Bosch llamado Gottlob Honold en 1902 que hizo posible el desarrollo de los motores de combustión interna.
Funcionamiento
La bujía tiene dos funciones primarias:
- Inflamar la mezcla de aire y combustible;
- Disipar el calor generado en la cámara de combustión hacia el sistema de refrigeración del motor (rango térmico).
Una bujía debe tener las siguientes características:
- Estanca a la presión: a pesar de las distintas condiciones de funcionamiento no debe permitir el paso de gases desde el interior del cilindro al exterior del mismo.
- Resistencia del material aislante a los esfuerzos térmicos, mecánicos y eléctricos: no debe ser atacado por los hidrocarburos y los ácidos que se forman durante la combustión. Debe mantenerse sus propiedades de aislamiento eléctrico sin partirse por las exigencias mecánicas.
- Adecuada graduación térmica: para asegurar a la bujía un funcionamiento correcto, la temperatura de la misma parte situada debe oscilar entre 500 y 600 °C. La forma de la bujía y más concretamente la longitud del aislante central cerámico, darán la capacidad de transmisión de calor a la culata, lo cual determinará la temperatura estable de funcionamiento.
Las bujías convierten la energía eléctrica generada por la bobina del encendido en un arco eléctrico, el cual a su vez permite que la mezcla de aire y combustible se expanda rápidamente generando trabajo mecánico que se transmite al pistón o émbolo rotatorio (Wankel). Para ello hay que suministrar un voltaje suficientemente elevado a la bujía, por parte del sistema de encendido del motor para que se produzca la chispa, al menos de 5.000 V. Esta función de elevación del voltaje se hace por autoinducción en la bobina de alta tensión.
La temperatura de la punta de encendido de la bujía debe de encontrarse lo suficientemente baja como para prevenir la pre-ignición o detonación, pero lo suficientemente alta como para prevenir la carbonización. Esto es llamado «rendimiento térmico», y es determinado por el rango térmico de la bujía. Es importante tener esto presente, porque según el tipo de motor, especialmente el número de veces que se produce la chispa en la unidad de tiempo (régimen motor) nos va a determinar la temperatura de funcionamiento. La bujía trabaja como un intercambiador de calor sacando energía térmica de la cámara de combustión, y transfiriendo el calor fuera de la cámara de combustión hacia la culata, y de ahí al sistema de refrigeración del motor. El rango térmico está definido como la capacidad de una bujía para disipar el calor.
La tasa de transferencia de calor se determina por:
- La profundidad del aislador;
- Flujo de gases frescos alrededor de la bujía;
- La construcción/materiales del electrodo central y el aislante de porcelana.
Análisis de fallos
Tradicionalmente, sobre todo antes de la aparición del encendido electrónico y de la inyección electrónica el análisis del aspecto de la bujía permitía determinar las condiciones de funcionamiento del motor, sobre todo de la proporción de mezcla aire/combustible, la temperatura de funcionamiento, etc. Hoy día los sistemas de encendido electrónico, la desaparición del distribuidor, y hasta de los cables de alta tensión, así como la corrección milimétrica de la mezcla de aire y combustible han minimizado las perturbaciones debidas a la bujía.
Carbonización húmeda
Cuando la bujía presenta una apariencia oscura brillante, se tienen problemas de paso de aceite, el cual afecta el funcionamiento de la bujía ya que el aceite impide el paso de la chispa entre los electrodos de la bujía causando dificultades en el arranque. Causas de la carbonización:
Casos típicos:
- Vehículos con mantenimiento inadecuado.
- Motos de motocross utilizadas para pasear.
- Bujías mal elegidas (demasiado frías) para un motor de altas prestaciones.
- Uso de gasolina de bajo octanaje.
De origen mecánico:
- Contra presión del cárter.
- Válvula PCV obstruida.
- Junta de culata deteriorada.
- Guías o retenes de válvula deteriorados.
- Segmentos de pistones desgastados.
Consecuencias si no se corrige:
- El motor se puede apagar y no volver a arrancar.
- Se dañará el catalizador (si lo tiene).
- Consumirá demasiado aceite.
- Aumento de las emisiones de monóxido de carbono (CO) y de hidrocarburos (HC).
Solución correcta:
- Si se reconoce una o más posibles causas de origen mecánico éstas deben repararse.
- Si se reconoce que existe otra causa, debe instalarse bujías con rango térmico más caliente que se encuentren en sintonía con las condiciones operativas del motor.
Carbonización seca
A medida que se acumula el carbón en la punta de encendido, en el aislador ocurrirán fugas de alto voltaje resultando en falla de encendido, causando dificultades en el arranque y la marcha. Causas de la carbonización:
- Mezcla aire/combustible muy rica.
- Ajuste incorrecto del carburador, estrangulador.
- Sistema de inyección de combustible defectuoso.
- Marcha en ralentí prolongada.
- Bujía demasiado fría.
Sobrecalentamiento
La superficie del aislador en la punta de encendido tiene una coloración blanca con sedimentos moteados. Cuando la temperatura de la bujía excede los 870 °C, la punta de encendido actúa como fuente de calor encendiendo la mezcla antes que la chispa, ocasionando así una combustión anormal dañando ocasionalmente al motor. Causas del sobrecalentamiento:
- Tiempo de encendido demasiado adelantado.
- Mezcla aire/combustible demasiado pobre.
- Sistema de inyección de combustible defectuoso.
- Agua de enfriamiento y lubricantes insuficiente.
- La presión aplicada al turbocompresor es demasiado alta en un motor turbosoplado.
- Apriete insuficiente de la bujía.
- Sedimentos acumulados en la cámara de combustión.
- Bujía demasiado caliente.
Suciedad por plomo
Generalmente aparece como un sedimento café-amarillento en la punta del aislador, esto no puede ser detectado por unmultímetro a temperatura ambiental, la falta de encendido se detecta cuando la bujía alcanza una temperatura entre 370 °C y 420 °C. Ahora el uso de plomo en gasolina está prohibido para que este tipo de suciedad no se genere.
Depósitos
Si se acumulan depósitos en la punta de encendido, la temperatura de la bujía se elevará demasiado, y provocará pre-ignición dañando el pistón.
Desgaste normal
Los electrodos desgastados tendrán dificultad para producir las chispas, no mostrará potencia el motor, y gastará más combustible, por lo que será necesario instalar bujías nuevas.
Diferentes estados de bujías[editar]
Grado térmico
El grado térmico es una medida de la capacidad de la bujía para disipar el calor desde la cámara de combustión hacia la culata. El grado térmico de una bujía no tiene relación con el voltaje de funcionamiento. La medida del grado térmico se determina por diversos factores; ante todo la longitud del aislante central de cerámica y su capacidad para absorber y transferir el calor de combustión, el material del aislador y el material del electrodo central.
- Es la habilidad que tienen las bujías para disipar el calor existente en la cámara de combustión hacia el sistema de enfriamiento del mismo motor.
- El rango térmico se expresa mediante un número.
- Un número más alto representa una bujía de tipo caliente.
- Un número más bajo representa una bujía de tipo frío, aunque esto depende de la numeración de cada marca.2
- El rango térmico es muy importante ya que una selección inadecuada de éste repercutiría en daños para el motor.
En qué consiste el catalizador
El catalizador tiene como misión disminuir los elementos polucionantes contenidos en los gases de escape de un vehículo mediante la técnica de la catálisis. Se trata de un dispositivo instalado en el tubo de escape, cerca del motor, ya que ahí los gases mantienen una temperatura elevada. Esta energía calorí ca pasa al catalizador y eleva su propia temperatura, circunstancia indispensable para que este dispositivo tenga un óptimo rendimiento, que se alcanza entre los 400 y 700 grados centígrados.
Exteriormente el catalizador es un recipiente de acero inoxidable, frecuentemente provisto de una carcasa-pantalla metálica antitérmica, igualmente inoxidable, que protege los bajos del vehículo de las altas temperaturas alcanzadas. En su interior contiene un soporte cerámico o monolito, de forma oval o cilíndrica, con una estructura de múltiples celdillas en forma de panal, con una densidad de éstas de aproximadamente 450 celdillas por cada pulgada cuadrada (unas 70 por centímetro cuadrado). Su super cie se encuentra impregnada con una resina que contiene elementos nobles metálicos, tales como Platino (Pt) y Paladio (Pd), que permiten la función de oxidación, y Rodio (Rh), que interviene en la reducción. Estos metales preciosos actúan como elementos activos catalizadores; es decir, inician y aceleran las reacciones químicas entre otras sustancias con las cuales entran en contacto, sin participar ellos mismos en estas reacciones. Los gases de escape contaminantes generados por el motor, al entrar en contacto con la super cie activa del catalizador son transformados parcialmente en elementos inócuos no polucionantes.
Catalizador y accesorios opcionales
Componentes principales de la cámara del catalizador
Constitución del catalizador de tipo cerámico
Proceso químico interno del catalizador
Sistema de arranque
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan (véase Momento de fuerza), lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal.
Otros sistemas de encendido de motores son los iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal. Ciertos motores grandes utilizan iniciadores explosivos que, mediante la explosión de un cartucho mueven una turbina acoplada al motor y proporcionan el oxígeno necesario para alimentar las cámaras de combustión en los primeros movimientos. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.
Tipos de motores
Motor convencional del tipo Otto
El motor convencional del tipo Otto es un motor de tipoalternativo de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto modernos se ve limitado por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción, la refrigeración y falta de constancia en las condiciones de funcionamiento.
La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.
Casi todos los motores de este tipo se fabrican para el transporte y deben trabajar suministrando diferentes potencias en cada momento. Debido a esto el rendimiento de los mismos cae bruscamente al trabajar con carga parcial, ya que, cuando esto sucede, la cámara de compresión mantiene su volumen, dando una compresión final baja y transformando gran parte de la energía en calor.
Funcionamiento (Figura 1)
1. Tiempo de admisión - El aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión.
2. Tiempo de compresión - La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía.
3. Tiempo de combustión - El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.
4. Tiempo de escape - Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape.
También existe una variación del ciclo Otto que mejora la eficiencia del motor al aumentar el tiempo de expansión con respecto al tiempo de compresión conocido como Ciclo Miller.
Motores diésel
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En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diésel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamaño muy grande, ferroviarios o marinos, que son de dos tiempos. Las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.
En la primera carrera, la de admisión, el pistón sale hacia fuera, y se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda carrera, la fase de compresión, en que el pistón se acerca. el aire se comprime a una parte de su volumen original, lo cual hace que suba su temperatura hasta unos 850 °C. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible a gran presión mediante la inyección de combustible con lo que se atomiza dentro de la cámara de combustión, produciéndose la inflamación a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de trabajo, los gases producto de la combustión empujan el pistón hacia fuera, trasmitiendo la fuerza longitudinal al cigüeñal a través de la biela, transformándose en fuerza de giro par motor. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de escape, cuando vuelve el pistón hacia dentro.
Algunos motores diésel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible al arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.
La eficiencia o rendimiento (proporción de la energía del combustible que se transforma en trabajo y no se pierde como calor) de los motores diésel dependen, de los mismos factores que los motores Otto, es decir de las presiones (y por tanto de las temperaturas) inicial y final de la fase de compresión. Por lo tanto es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. en los grandes motores de dos tiempos de propulsión naval. Este valor se logra con un grado de compresión de 20 a 1 aproximadamente, contra 9 a 1 en los Otto. Por ello es necesaria una mayor robustez, y los motores diésel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con el mayor rendimiento y el hecho de utilizar combustibles más baratos.
Los motores diésel grandes de 2T suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min) (grandes barcos), mientras que los motores de 4T trabajan hasta 2.500 rpm (camiones y autobuses) y 5.000 rpm. (automóviles)
Motor de dos tiempos
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diésel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas en la culata, lumbreras, orificios (que quedan expuestos al ir subiendo y bajando el pistón). En los motores de dos tiempos, casi siempre lubricados añadiendo aceite a la gasolina, la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través de la lumbrera de admisión cuando el pistón está en la posición más alejada de la culata. El primer tiempo es la compresión-encendido, en la que se inicia la combustión de la carga de mezcla aire/combustible/aceite cuando el pistón avanza hasta el final del ese tiempo (PMS). Después, el pistón se retira en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara. De los dos procedimientos para el 'barrido' dentro de los cilindros de los motores de dos tiempos, proceso por el cual entra la nueva carga y se expulsan al escape los gases procedentes de la combustión de la mezcla de trabajo, se ha demostrado (SAE) que el llamado: 'barrido en lazo' ('Loop scavenging' en inglés) da siempre mejores resultados que el sistema llamado: 'Unidireccional' ('Uniflow scavenging' en inglés).
Motor de cuatro tiempos
Hacia 1879 Nicolaus August Otto diseñó y construyó un motor con doble expansión, concepto propuesto por los ingleses Jonathan Hornblower y Artur Woolf en 1781, antes de que Watt llevase a la práctica la máquina de vapor. La primera expansión se hacía en el cilindro donde se realizó la combustión, y una segunda en otro pistón, este a baja presión, con el objetivo de lograr el aprovechamiento de la energía de los gases de escape; incluso se han construido motores con triple expansión, como el Troy, y el principio se usó en muchos motores marinos. En 1906 la empresa EHV radicada en Connecticut, EEUU, fabricó un motor de combustión interna de tres cilindros y doble expansión que montaron en un automóvil. Al igual que el motor construido por Otto, cuyo comprador lo devolvió, el motor de EHV no demostró en la práctica las ventajas de menor consumo de combustible esperadas. En España hay dos patentes concedidas de motores con un principio similar, una de 1942 a Francisco Jimeno Cataneo (Nº OEPM 0156621) y otra de 1975 a Carlos Ubierna Laciana (Nº OEPM 0433850), en el INTA se construyó un prototipo de motor de aviación con cilindros en estrella y un principio parecido, ideado por el ingeniero J Ortuño García, patentes 0230551 y 0249247 y al que se atribuyó un consumo muy bajo de combustible, está expuesto en el Museo del Aire en Cuatro Vientos, Madrid. El año 2009, la empresa británica ILMOR presentó en una exposición internacional de motores en Stuttgart, un prototipo de motor de 5 tiempos, según una patente concedida en EEUU a Gerhard Schmitz. Para este motor anunciaron un consumo específico de 215 g/kWh, una relación de compresión efectiva de 14'5/1 y un peso inferior en 20% a los motores convencionales equivalentes.2 3 4
Motor Wankel[editar]
En la década de 1950, el ingeniero alemán Félix Wankel completó el desarrollo de un motor de combustión interna con un diseño revolucionario, actualmente conocido como Motor Wankel. Utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro.
La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro.
El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo algunos ejemplos prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido problemas de durabilidad.
Motor de carga estratificada
Una variante del motor de encendido con bujías es el motor de carga estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad de un sistema de re-circulación de los gases resultantes de la combustión y sin utilizar un catalizador. La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre. La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal. La temperatura máxima que se alcanza es suficientemente baja como para impedir la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos.
motor a gasolina
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motores a diesel
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