CÁMARA DE COMBUSTIÓN - Definición - Significado

08/10/2010

Motor de gasolina: Es el espacio de los motores de combustión interna en que tiene lugar la combustión de la mezcla de aire y carburante. Con expresión impropia pero muy en boga, se la denomina también cámara de explosión: en realidad, la combustión es siempre relativamente lenta y. Por lo menos en los motores de gasolina, no se Puede comparar a una explosión.

En los motores alternativos, la cámara de combustión es el espacio comprendido entre la culata y la cabeza del pistón, cuando éste se halla en el punto muerto superior; en los motores con pistón rotatorio tipo Wankel, es el espacio de forma oblonga, de sección rectangular y variable comprendido entre el motor y las tres paredes circundantes del cuerpo del motor; finalmente, en las turbinas de gas, la cámara o las cámaras de combustión están constituidas por envolturas de forma compleja, de sección cilindrica (tubular o anular) estampadas o soldadas, de chapa delgada de acero especial idóneo para soportar elevadas temperaturas de trabajo.

En los motores alternativos, la forma de la cámara de combustión va ligada a una serie de factores; por lo que existen muchas formas y tipos según que el motor funcione con ciclo de Otto o de Diesel, sea de 2 ó 4 tiempos, lento o rápido. La cámara de combustión ha evolucionado con el tiempo, de modo que siempre se ha tendido a mejorar su rendimiento; cada fabricante ha seguido caminos distintos, por lo que en la actualidad se han adoptado numerosas formas, conocidas desde comienzos de siglo, todas igualmente buenas. La cámara de combustión es quizá el detalle más importante del motor y a ella está ligado todo el esquema del mismo.

La forma de la cámara está influida por las válvulas de admisión y de escape, por su posición, por la bujía y su posición, además de por las exigencias de la misma combustión. Es muy importante la posibilidad de adaptar la mejor forma de la cámara desde el punto de vista termodinámico a la posición óptima de las válvulas y las bujías (o del inyector en caso de motor Diesel o del motor de inyección directa Otto).

Los elementos que el proyectista debe considerar en el diseño de la cámara de combustión pueden resumirse así: disposición y forma de las válvulas para conseguir el más alto rendimiento volumétrico, es decir el mejor llenado de los cilindros; número y forma de los conductos de admisión y de escape para conseguir mayor turbulencia, ya sea con válvulas abiertas o en fase de compresión; posición de la bujía para tener, con la misma velocidad de propagación de la combustión, el menor recorrido de la llama; forma de la cámara y del pistón para obtener una buena mezcla y, por tanto, una combustión completa y homogénea sin autoencendido ni detonación; finalmente, en el contexto general debe tenerse en cuenta sobre todo la relación de compresión y la relación entre la superficie y el volumen de la cámara, idónea para obtener un buen rendimiento termodinámico y una buena refrigeración. Algunas de estas exigencias a veces están contrapuestas.

En el motor alternativo las etapas fundamentales de la cámara de combustión son: una típica configuración en los años precedentes a la primera guerra mundial, representada por la disposición de válvulas laterales paralelas con bujía opuesta fijada a la culata; la cámara se extendía por los laterales del cilindro con un volumen importante. De esa manera no era posible obtener relaciones de compresión elevadas.

En los años 1919-1920 fue puesta apunto una cámara, todavía con válvulas laterales, pero con sección transversal curvilínea y con volumen circunscrito a la bujía; todo ello para crear una mayor turbulencia de la mezcla. Durante ese periodo fue importante la contribución del técnico británico Harry R. Ricardo, que también en los años siguientes dedicó sus afanes a mejorar la cámara de combustión de los motores con ciclo de Otto y de Diesel.

Poco después se generalizó el esquema de las válvulas en cabeza que, a causa de su posición y al ángulo que forman entre sí, conducen a las siguientes formas de cámaras de combustión:

- discoidal, con 2 ó 4 válvulas paralelas y verticales, es decir coaxiles con el cilindro;

- emisférica, con válvulas en V y bujía en el centro;

— de techo, de forma elíptica en sección, con válvulas paralelas ligeramente inclinadas respecto al eje del cilindro, y

- trapecial o triangular, también con válvulas paralelas.

Una de las cámaras más sencillas es la discoidal, delimitada por el pistón plano, que no permite situar válvulas de gran diámetro. Esta culata era bastante frecuente en los primeros vehículos con válvulas en cabeza.

Durante un cierto tiempo se consideró que la forma hemisférica era la mejor (motores Alfa Romeo, Porsche); con ella se consigue emplear válvulas grandes con baja relación superficie/volumen; además, la posición de la bujía es central en los motores de 4 válvulas por cilindro y casi central en los de 2 válvulas, lo cual reduce al mínimo el recorrido de la llama. Para aumentar la relación de compresión se ha dotado al pistón, inicialmente plano, de un notable abombamiento, con lo que aumenta la superficie de dispersión.

La cámara triangular (Fiat 128), además de poseer la ventaja de una construcción económica, tiene una relación superficie/volumen más favorable y concentra la mayor cantidad de mezcla en la proximidad de la bujía, con lo que reduce al mínimo el riesgo de la detonación; con esta disposición, una parte de la cabeza del pistón llega casi a contacto de la culata, creando una zona laminar que provoca una turbulencia notable durante la fase de compresión.

Una cámara parecida a ésta es la trapecial lateral (tipo Mercedes Benz), en la que la turbulencia se consigue mediante una protuberancia en la cabeza del pistón. Esta cámara ha demostrado una óptima resistencia al envejecimiento, dado que su notable turbulencia se opone a la formación de depósitos de carbonilla. Una culata original es la Rover, con una válvula en el bloque y otra en la culata, con lo que se engendra una forma de culata parecida a la hemisférica pero invertida; la culata es plana y el pistón tiene una protuberancia en forma de V.

Una cámara que permite una culata de construcción muy sencilla y posee además una buena relación superficie/volumen es la del tipo Heron (Audi 100, Ford Corsair), excavada en la cabeza del pistón; obviamente el diámetro de las válvulas depende directamente de las medidas del pistón, concretamente de 8U diámetro, y por consiguiente la Heron conviene sólo a los motores de carrera corta.

Finalmente, en los años sesenta se usó, en los motores de competición, una cámara muy recogida de forma casi triangular, con 4 válvulas, formando entre sí un ángulo muy pequeño, del orden de 10-20°.

Es curioso comprobar que todas las cámaras que en los setenta años de vida del motor de explosión han sido sucesivamente propuestas se utilizan todavía. Lo que ha cambiado con el tiempo es el refinamiento de la forma junto al diseño general del motor, forma que permite cada vez mayores rendimientos termodinámicos. De ese modo se ve que la diferencia de rendimiento entre las cámaras, considerando exclusivamente los motores con válvulas en cabeza, no supera el 3-5 %. Conviene observar que una cámara con válvulas laterales, si es de forma alargada y de gran superficie respecto al volumen, no es idónea para relaciones de compresión elevadas, y además el fluido está obligado a recorrer un camino tortuoso; se deduce que no es apta para motores veloces con elevadas potencias específicas, también porque el rendimiento volumétrico a regímenes altos disminuye sensiblemente. Por consiguiente, está claro que sólo puede escogerse esta solución por motivos económicos y de simplicidad. Por todo ello, la casi totalidad de los motores tienen válvulas en cabeza con cámara de combustión reducida, adecuada para relaciones de compresión elevadas.

Una particularidad del diseño del conjunto conductos-culata, que permite una combustión mejor, es la de orientar convenientemente los conductos a fin de crear, durante la fase de barrido y admisión, una rotación (swirl) del fluido en el interior de la cámara; lo que constribuye a que la mezcla sea más homogénea y la llama se propague a velocidad constante (la combustión es relativamente breve: entre 0,8 ms y 2 ms).

Una mala combustión, o combustión «estratificada», se determina fácilmente observando la distinta coloración de la superficie de la culata y de la cabeza del pistón.

Otra particularidad de diseño de los motores de baja relación carrera-diámetro (entre 0,6 y 0,7) es la de crear una zona entre la cabeza del pistón y la culata, del orden de unas décimas de milímetro, que en el momento de la fase final de la compresión y del inicio del encendido hace que la mezcla sea aplastada contra la bujía y contra la zona más recogida de la cámara. Este fenómeno se denomina squish en inglés.

En los modernos motores de competición y en los de 4 válvulas por cilindro (2 de admisión y 2 de escape) es posible reducir el ángulo entre las válvulas, de manera que se pueda crear una cámara muy recogida y con pistón prácticamente plano, mientras que con 2 válvulas, inclinadas formando ángulos comprendidos entre 60° y 90° y con relación de compresión elevada (entre 10 y 12), la forma de la cámara resulta con sección ahusada por la necesidad de diseñar una cúpula vistosa sobre el pistón. Una cámara asi concebida hace dificultosa la propagación de la llama, por lo cual se han adoptado dos o más válvulas en cada cilindro.

El gran problema que los técnicos deben afrontar en los años setenta es el de la contaminación; también en este caso, además de las variaciones operadas en la carburación sobre los conductos de admisión y de escape (insuflando aire o adoptando posquemadores, catalizadores sobre la instalación de escape), existe el nuevo diseño de la cámara de combustión: ello ha conducido a carreras del pistón un poco más largas, a cámaras más recogidas, a reducir la zona de squish y a lograr turbulencia durante la compresión con conductos y válvulas de forma especial. De todas maneras, lo que pueda contribuir la modificación de la cámara es de escasa importancia para resolver el problema de la contaminación.

En los motores de dos tiempos, como no existe el problema de las válvulas, la cuestión es mucho más fácil: la cámara se halla en la culata y tiene forma de casquete esférico con bujía casi en su centro.

Motor Diesel: La cámara es el espacio en el cual queda encerrado el aire después de la fase de compresión. Conviene dividir los motores Diesel en dos grupos: de inyección directa y de inyección indirecta con cámara de precombustión.

En el primer caso, la cámara se halla entre la culata y el pistón, excavada en el pistón mismo, generalmente con desarrollo alrededor del inyector. En el segundo caso, la cámara dispone de una cámara de precombustión o antecámara en la cual tienen lugar la inyección y el inicio de la combustión.

Las cámaras en el pistón pueden ser de tres tipos distintos: hemisférica, esférica y tórica. Existen también las cámaras de acumulación, de formas diversas y cuyo objeto es aumentar la turbulencia, fenómeno indispensable para conseguir la combustión del gas-oil inyectado. Efectivamente, en los motores Diesel la necesidad de la turbulencia es todavía más perentoria porque, al reducir al mínimo las dimensiones de las partículas de gas-oil en suspensión, se favorecen el encendido y la combustión completa. La culata y la antecámara son de varias formas: cilindrica, troncocónica, esférica, por lo que concierne a la antecámara donde se aloja el inyector, mientras que la cámara principal, comprendida entre culata y pistón, es generalmente de forma cilindrica. Las dos cámaras se comunican mediante uno o más orificios pequeños. Existen también cámaras de precombustión especiales, denominadas de alta turbulencia, idóneas sobre todo para motores rápidos, que se diferencian de las demás por la disposición del orificio de comunicación con el cilindro que, siendo tangencial a la cámara principal, provoca fuerte turbulencia al fluido; en ese caso es posible usar inyectores de presión más baja o de un solo orificio.

En el campo de las culatas para motores Diesel, en que el diseño resulta mucho más pulido y variado que en los motores de gasolina, cada tipo de cámara lleva generalmente el nombre del constructor o inventor. (*Diesel.)

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