BUJÍA - Definición - Significado

El intento de Volta (1777) y el desarrollo de la idea de Lenoir (1860) • Los tres elementos fundamentales: aislante, electrodo central y cuerpo metálico • Clasificación en caliente y fría • Factores que determinan el voltaje necesario • Efectos de los residuos del carburante

La bujía es el elemento del sistema de encendido que hace saltar la chispa en la cámara de explosión de los motores de combustión interna. En consecuencia, la bujía debe conducir a la cámara la corriente de alta tensión producida por el sistema de encendido y descargarla en forma de chispa entre dos electrodos para encender la mezcla de aire y carburante.

Orígenes de la bujía

En 1777, Volta cargó una pistola de juguete con una mezcla de metano y aire, obturó la salida y encendió la carga con una fuerte chispa procedente de una botella de Leyden; el resultado fue una explosión que hizo saltar rápidamente el tapón. Se encontraban ya en este proceso los elementos fundamentales del funcionamiento de un motor de explosión: la mezcla de aire y combustible y la chispa que enciende la citada mezcla y provoca el desplazamiento de una masa.

No obstante, el verdadero desarrollo de la idea se atribuye al ingeniero Jean Lenoir, el ? cual, en la solicitud de la patente para su motor presentada en 1860, se aproximó a la bujía tal como se conoce en la actualidad. La misma reunía los tres elementos -aislante, electrodos y cuerpo metálico— en un solo conjunto. Esto no significa que la bujía encontrase aplicación a partir de 1860. El encendido por mechero fue usado todavía durante mucho tiempo, en parte debido a la falta de un buen generador de electricidad. Cuando este problema fue resuelto, surgieron otros debidos a las corrientes de encendido con voltaje demasiado elevado.

Los avances de la bujía fueron retrasados por los constructores de los automóviles, que tardaron en ponerse de acuerdo sobre el tipo de motor que convenía adoptar: de vapor, de explosión o eléctrico.

El componente más delicado y esencial de la bujía fue el aislante. Se intentó primero con vidrio, con mica y con substancias análogas. Invariablemente los aislantes, después de pocos centenares de kilómetros, solicitados por el calor, el alto voltaje, la presión y las continuas vibraciones, terminaban por agrietarse, romperse y separarse de las juntas de estanquidad.

A principios de siglo la introducción de la porcelana como componente del aislante pareció por algunos años haber resuelto estos problemas. Surgieron así, conjuntamente al desarrollo automovilístico, algunas fábricas de bujías, entre las cuales cabe recordar la Bosch, la Zenith y la Oleo en Europa, y la Champion en Estados Unidos.

Superado, al menos temporalmente, el obstáculo de la fragilidad del aislante, permanecía aún el problema del ensuciamiento por parte de los residuos aceitosos del carburante, que en breve tiempo recubrían las superficies internas de la bujía provocando falta de encendido e irregularidad de funcionamiento. Como consecuencia se fabricaron bujías desmontables, con cebador, con láminas de refrigeración y con más electrodos.

La naciente aviación contribuyó notablemente al desarrollo de los electrodos sobre los sistemas de encendido: la porcelana de los aislantes se reveló demasiado frágil y se substituyó por la esteatita, por el corindón sintetizado y por la sillimanita; esto representó un fundamental paso adelante en la fabricación de bujías de larga duración.

La moderna bujía está constituida por tres partes principales: el aislante, el cuerpo metálico y los electrodos. Para su montaje se emplean selladores especiales.

El aislante

El aislante tiene una doble función: primera, asegurar que la alta tensión producida por la instalación de encendido venga conducida a lo largo del electrodo central y no desviada en otras direcciones (para obtener esto, el aislante debe impedir la dispersión de la corriente eléctrica —más de 30.000 V— a una temperatura comprendida entre -46 °C y + 930 °C), y segunda, ser buen conductor del calor con objeto de disipar el calor producido por la combustión, que de otra manera podría dañar el electrodo.

El aislante, además de tener la cualidad de aislamiento térmico y eléctrico, debe presentar resistencia mecánica suficiente para soportar las presiones de la cámara de explosión (a;60 atm), elevada resistencia a los efectos de los diversos aditivos del carburante, y al agrietamiento y a la rotura cuando es sometido a rápidos y extremos cambios de temperatura. Los aislantes de las mejores marcas tienen la capacidad de soportar los más rigurosos saltos térmicos de -75 °C en hielo seco al calor rojo, en pocos segundos y sin perder su dureza que se encuentra alrededor de grado 9 de la escala de Mohs (la dureza del diamante es 10).

Los materiales más comúnmente usados para la fabricación de los aislantes y que en general satisfacen los requisitos requeridos son la sillimanita, la alúmina pura o aleada, la esteatita y la mullita (compuesta de alúmina y sillimanita).

El aislante se fabrica con sistemas de inyección o extrusión, torneado y luego pasa por un horno de cocción, donde sus dimensiones disminuyen cerca del 20 %.

Numerosos fabricantes de bujías suministran el aislante con nervios anulares, para hacer más difícil un eventual corto circuito externo debido a humedad o incrustaciones, ya que es aumentado al recorrido que debería efectuar la chispa entre el terminal de la bujía y la masa.

El cuerpo de la bujía se obtiene de aceros al azufre con contenido medio de carbono y manganeso suministrados a las fábricas en forma de barras octogonales, que a continuación se cortan en trozos y se mecanizan según su diseño. Recientemente, los mayores fabricantes de bujías empleaban la técnica de la extrusión en prensas de estampación en frío. Estas prensas, del tipo de punzón múltiple, efectúan el completo acabado del cuerpo de la bujía, a excepción de la rosca externa.

El electrodo de masa se añade por medio de soldadura, los cuerpos pasan a la máquina para obtener la rosca laminada y, finalmente, se someten a un acabado anticorrosivo, que puede ser bruñido, cadmiado o cincado para obtener una ulterior protección contra la oxidación durante el almacenamiento y empleo.

Las dimensiones y la rosca deben sufrir una rigurosa verificación para comprobar que se han respetado las estrechas tolerancias de construcción.

Electrodos

El material empleado para la fabricación de los electrodos de la bujía debe poseer óptimas propiedades eléctricas para reducir al mínimo el voltaje requerido para hacer saltar la chispa; debe ser también resistente a las temperaturas extremas, a la corrosión de los gases de la combustión y a la erosión eléctrica.

La mayor parte de los electrodos de las bujías se fabrican con aleación de níquel, cuya composición varía según las principales aplicaciones a las cuales se destinará la bujía. En determinados casos, para aplicaciones especiales, pueden emplearse aleaciones ligeras de metales nobles como la plata, el platino o el oro-paladio.

Selladores

Los diversos elementos que constituyen la bujía están unidos entre sí mediante diferentes procedimientos que prevén la utilización de selladores en estado de polvo o selladores que necesitan de un ulterior tratamiento en horno.

En la fabricación de las bujías son necesarios dos selladores: uno se incorpora entre el electrodo central y el aislante, el otro entre el aislante y el cuerpo metálico.

Estos selladores deben ser insensibles al calor, a la oxidación y a la corrosión. Además han de poseer un alto grado de resistencia eléctrica y no deben reaccionar químicamente con ningún otro componente de la bujía. Todo esto para asegurar constantemente una retención hermética de los gases de la combustión.

El aislante, provisto del electrodo central, se une al cuerpo de la bujía mediante rebordeado en caliente o en frío. Máquinas apropiadas efectúan después el corte del electrodo central y el doblado y calibrado del electrodo de masa. Finalmente se le coloca la arandela que tiene por objeto, en bujías normales, asegurar la retención de los gases.

La bujía, después de sufrir un proceso de lubricación y superados los numerosos controles de calidad, está dispuesta para lanzarla al mercado.

El grado térmico de la bujía

El grado térmico se refiere a la clasificación de las bujías en base a la capacidad que las mismas tienen para transmitir el calor desde el punto de encendido en el aislante, a la culata y, por tanto, al circuito de refrigeración. La cantidad de calor transmitida depende principalmente de la distancia que debe recorrer el mismo para alcanzar la culata del motor y, por tanto, el circuito de refrigeración.

Se llama bujía fría la que, en relación con otras de la misma conformación, tiene la punta del aislante relativamente corta y transmite el calor al circuito de refrigeración del motor muy rápidamente. Este tipo de bujía se usa para evitar el sobrecalentamiento en los motores destinados a trabajos duros o con funcionamiento continuo a regímenes elevados.

En cambio, se llama bujía caliente la que tiene la punta del aislante mucho más larga y transmite el calor al exterior mucho más lentamente. Esta bujía alcanza una temperatura más elevada y, por tanto, quema mejor los depósitos de la combustión, que podría de otro modo ensuciar la bujía durante el funcionamiento prolongado al ralentí o a regímenes bajos.

Puesto que las temperaturas de funcionamiento de las bujías varían según los motores y las correspondientes condiciones de uso, las bujías se fabrican con diversos grados térmicos para satisfacer estos requisitos y obtener las mejores prestaciones del motor.

Durante muchos años, la determinación del grado térmico de la bujía se realizaba midiendo en segundos el tiempo empleado por una bujía montada sobre un motor que funcionaba en condiciones específicas, para alcanzar la temperatura de preencendido (encendido de la carga de carburante antes del normal encendió por la chispa). Actualmente el correspondiente grado térmico de una bujía, o más exactamente su punto de preencendido, se determina por un procedimiento establecido por la SAE (Society of Automotive Engineers): Un motor monoci-líndrico especial de 4 tiempos y 288,6 ce de cilindrada, con avance y relación de compresión constantes, y que funciona a 2.700 rpm. El grado térmico está determinado por la presión media obtenida en el punto por debajo del cual la bujía alcanza el preencendido.

Conjuntamente con el motor SAE se utilizan a menudo bujías de termopar especiales, que permiten medir cuidadosamente las temperaturas durante su empleo en motores de producción normal.

Una de las técnicas más avanzadas consiste en colocar en el interior del aislante dos delicados hilos, uno de platino y el otro de una aleación de platino y rodio. Los dos hilos sobresalen del aislante y se sueldan entre sí para formar un termopar en la misma punta del aislante, que en la mayor parte de las bujias normales resulta ser la sección más caliente de toda la bujía y, por tanto, el punto que determina el límite de preencendido de la propia bujía.

La constitución de la bujía de termopar (longitud del aislante, conformación interna, etc.) está realizada con objeto de evitar que su grado térmico quede sometido a influencia alguna. Como complemento de los datos obtenidos con la bujía de termopar se utilizan también los más modernos sistemas de medida, como son sensores de presión y captadores electrónicos de preencendido. Estas investigaciones se efectúan en el laboratorio, sobre la pista de pruebas, sobre carretera así como en las competiciones.

COMPARACIÓN ENTRE BUJÍA NUEVA Y BUJlA VIEJA

La curva azul representa el voltaje suministrable por el sistema de encendido; las curvas rojas representan la tensión necesaria para hacer saltar la chispa en una bujía nueva y en una vieja. A medida que la bujía envejece, requiere una tensión mayor, de la que en 1 ciertos casos no se dispone (fase de aceleración a altas velocidades).

Los actuales motores de coches con elevadas prestaciones requieren bujías relativamente frías durante el funcionamiento a pleno régimen. Como el mismo motor desarrolla sólo una pequeña parte de su potencia durante el funcionamiento a bajas prestaciones, sería preferible el empleo en este caso de bujías relativamente calientes, que pueden quemar mejor los residuos de la combustión.

Por este motivo, ya desde hace tiempo, los más importantes constructores se han orientado hacia la fabricación de bujías con aislante saliente que permite hacer saltar la chispa más hacia dentro de la cámara de explosión y, además, tiene la ventaja del efecto refrigerante obtenido por la carga de la mezcla de aire y carburante, que, proveniendo de la válvula de admisión, tiende a rozar los electrodos y la punta del aislante y reduce su temperatura. Aumentando de esta manera la protección contra el sobrecalentamiento, la bujía adquiere también la propiedad de ensuciarse menos durante el funcionamiento del motor al mínimo y a bajas velocidades.

Factores que influyen en el rendimiento de la bujía

Voltaje disponible - El sistema de encendido debe poder producir un voltaje suficiente y satisfacer cada una de las solicitaciones normales de las bujías. En este sentido está proyectada la instalación eléctrica, pero muy a menudo no se tiene en cuenta el gradual deterioro de cada uno de los componentes debido al desgaste y el tiempo.

El voltaje disponible puede así reducirse a tal punto que el encendido normal resulta imposible.

Los factores principales que pueden tener un efecto sobre el voltaje disponible son:

- bajo voltaje sobre el primario de la bobina;

- platinos del delco quemados, desgastados o sucios;

- incorrecta puesta en fase;

- insuficiente aislamiento de los cables dealta tensión;

- condensador defectuoso;

- bobina defectuosa, y

- distribuidor o tapa del delco defectuosos.

Voltaje necesario - Para que salte la chispa, las bujías nuevas instaladas en un cierto tipo de motor requieren un voltaje que depende de muchos factores, como, por ejemplo, la distancia entre los electrodos o la relación de compresión del motor.

Durante la vida de las bujías se produce un incremento de la distancia entre los electrodos debido a desgaste y corrosión normales, y por esto la tensión requerida por las bujías aumenta. Al mismo tiempo, el margen de reserva de encendido disminuye. La diferencia entre el voltaje disponible de un sistema eléctrico y el voltaje que necesitan las bujías se define como «reserva de encendido». Simultáneamente el voltaje disponible se puede reducir debido al normal desgaste del distribuidor o de los contactos que puede disminuir aún más la reserva de encendido.

La temperatura del motor tiene también un efecto sobre el voltaje necesario: cuanto más baja es la temperatura, mayor es el voltaje necesario para hacer saltar la chispa.

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL VOLTAJE NECESARIO DISTRIBUCIÓN DE LA TEMPERATURA DE UNA BUJÍA

Una inesperada aceleración, con la mariposa del carburador abierta totalmente, provoca un rápido pero temporal aumento del voltaje necesario: si el sistema de encendido es incapaz de suministrar suficiente voltaje, se produce un fallo de encendió. Estas inesperadas solicitudes de voltaje son generalmente muy breves y pueden se,»" observadas con un osciloscopio provisto de un dispositivo adecuado.

Una solicitud tan alta de voltaje explica el que a menudo se produzca misfiring (fallo de encendido) durante los períodos de aceleración rápida.

Otro importante punto que puede provocar fallos de encendido lo constituye la polaridad de los electrodos de las bujías, comúnmente llamada «polaridad de la bobina». Como se observa en el gráfico correspondiente, se necesita un voltaje mucho menor para hacer saltar la chispa si el electrodo central tiene polaridad negativa. Esto es debido al hecho de que, cuando el electrodo se calienta mucho, emite electrones que fluyen del polo negativo al positivo, es decir, de electrodo central a electrodo de masa. Este flujo de electrones favorece la formación de la chispa, mientras que si la polaridad de los electrodos se invierte, el flujo de electrones tiende a obstaculizar el encendido normal.

Los fabricantes de motores, conscientes de este hecho, actúan en el sentido de hacer llegar de la bobina a las bujías un voltaje negativo.

Si las conexiones del primario de la bobina se cambian por cualquier motivo, se pueden producir condiciones anormales de funcionamiento. Una polaridad invertida puede provocar fallos de encendido durante la puesta en marcha o a altas velocidades.

Además, el electrodo central debe tener siempre polaridad negativa, en cuanto que está más caliente que el electrodo de masa y se necesita menor voltaje para hacer saltar la chispa entre el electrodo central y el electrodo que constituye la masa.

Se puede comprobar la polaridad de la bobina y, por tanto, la polaridad de la bujía de diversos modos, entre los cuales el más sencillo es el de intercalar la punta de un lápiz de grafito en el arco que salta entre el cable de encendido y el terminal de la bujía: si la polaridad es correcta se producirá un haz de chispas hacia el mismo terminal de la bujía. Se puede también recurrir al empleo de un osciloscopio: el oscilograma saldrá siempre invertido respecto al eje longitudinal.

Los factores más comunes que aumentan las necesidades de voltaje son:

- las condiciones de los electrodos; -la distancia entre los electrodos;

- la presión durante la compresión;

- la aceleración;

- la polaridad de las bujías;

- la puesta en fase de encendido;

- la temperatura de los electrodos;

- la velocidad y la carga del motor;

- la relación aire/carburante.

Elección de la bujía con relación al tipo de carburante

Los datos sobre las aplicaciones de las bujías suministradas por los fabricantes se refieren generalmente a motores que funcionan con gasolina. No obstante, muchos motores pueden ser adaptados o modificados con objeto de poder funcionar, por ejemplo, con keroseno, GLP, gas natural (metano) o con una combinación de estos carburantes.

La modificación a menudo consiste en el solo cambio del carburante y en la introducción de una instalación especial consistente, en el caso de gas licuado, en una serie de reductores de presión. En cualquier caso es necesario variar el grado térmico de las bujías y la distancié entre los electrodos. Para facilitar esta información por parte de los constructores para la conversión del motor, se debe proporcionar la relación entre los diferentes tipos de carburadores, si bien se puede dar generalmente de forma esquematizada.

Residuos del carburante

El carburante forma gran variedad de residuos en la cámara de explosión del motor o sobre las bujías, y cada uno de estos residuos presenta características propias de resistencia eléctrica y de temperatura.

Por ejemplo, a regímenes bajos, se pueden depositar sales de plomo sobre la punta del aislante de la bujía. Si estas sales se calientan, como sucede con una rápida aceleración, las puntas pueden sufrir una notable disminución en su resistencia eléctrica. Por tanto, es posible que lleguen a formar una capa de baja resistencia alrededor de la punta del aislante, obstaculizando la acumulación de alta tensión y provocando fallos de encendido.

Entre los aditivos usados en los modernos carburantes, hay algunos que tienden a reducir al mínimo las incrustaciones y los componentes antidetonantes, como, por ejemplo, el tetraetilo y el tetrametilo de plomo, que en cambio tienden a favorecer el depósito de residuos de plomo sobre las bujías.

Avance de encendido

El avance elevado incrementa ligeramente la potencia del motor, pero si el encendido está demasiado avanzado, se produce un rápido sobrecalentamiento de las bujías, que puede conducir al preencendido.

La temperatura de funcionamiento y la duración de la bujía pueden comprometerse seriamente por un erróneo avance de encendido. Por ello resulta esencial que, ya sea el avance fijo, ya el avance máximo, se mantengan dentro de las tolerancias previstas por el constructor. El avance de encendido es el factor que influye principalmente en la temperatura de funcionamiento de la bujía y en la duración. No se debe olvidar que la curva de avance del delco se ha de mantener dentro de los límites previstos por el constructor.

Un método usado muy a menudo para incrementar la potencia del motor consiste en aumentar el ángulo de avance; en determinadas ocasiones una pequeña elevación en la potencia es seguida por un notable aumento de la temperatura en la cámara de explosión, con sobrecalentamiento de las bujías y posibilidad de preencendido.

Detonación y preencendido

No todos se dan cuenta de que la detonación puede tener un efecto notable sobre la duración de las bujías. La detonación se define generalmente como un encendido espontáneo de los gases comprimidos, que chocan contra el frente de llama generado por la chispa. Esto produce notables fluctuaciones en la presión, y ondas de choque que provocan vibraciones en la cámara de explosión o en otras partes del motor.

Este fenómeno produce un típico sonido metálico, que a menudo, por las condiciones del tráfico o por la velocidad del coche, no es oído por el conductor.

Al mismo tiempo, una detonación continua produce un aumento general de la temperatura y como consecuencia, resulta un debilitamiento del metal de la cabeza del pistón: una detonación prolongada es muy probable que provoque una perforación del pistón similar a un golpe de martillo. El agujero es generalmente con aristas vivas y se pueden producir fracturas radiales que afectan incluso la parte inferior de la cabeza del pistón.

El incremento de temperatura causado por la detonación, en particular a altas velocidades, puede ser suficiente para elevar la temperatura de las bujías a un nivel tal que provoque el fenómeno del preencendido. Pruebas cuidadosas han indicado también que las repetidas vibraciones provocadas por la detonación alcanzan a veces el electrodo de masa, en cuanto que las frecuentes flexiones a las cuales está sometido pueden conducir a la rotura completa del propio electrodo. Cuando se descubre un caso de detonación es necesario concertar la atención sobre los siguientes factores:

— octanaje del carburante en relacción con las exigencias del motor;

- avance fijo (inicial);

— avance automático;

- colector de admisión agrietado o aflojado;

- cables de alta tensión mal aislados o corroídos; en este caso se llega a producir el fenómeno llamado «cross-fire», por el cual, si en un determinado momento a lo largo de un cable fluye una cierta tensión, se genera , por inducción otra en el cable paralelo y se puede provocar un encendido en el cilindro correspondiente.

El preencendido se produce generalmente cuando los residuos de la combustión en la cámara, sobre la válvula de escape o sobre la bujía sobrecalentada, alcanzan una temperatura capaz de inflamar la mezcla de aire y combustible antes de que salte la chispa.

La fuente de seudoencendido, presente en uno o varios cilindros, se convierte en un sistema de encendido incontrolable que puede, a través del elevado calor generado, destruir literalmente las piezas del motor y las bujías.

Los daños que se producen más frecuentemente se presentan como un agujero más o menos circular con los bordes redondeados y con las características gotas de material fundido sobre la cabeza del pistón.

Defectos de la carburación

Mientras que una carburación demasiado pobre puede causar un aumento de la temperatura de las bujías, una carburación demasiado rica puede tener un efecto opuesto en su rendimiento. De hecho, una carburación rica puede causar una disminución de la temperatura normal de funcionamiento y permitir la formación y el crecimiento de depósitos de carbonilla, negros y fuliginosos, sobre la punta del aislante; Por otra parte, a bajos regímenes del motor

la temperatura puede disminuir hasta el punto que resulte difícil para el motor quemar y, por consiguiente, eliminar los depósitos que se forman. Todo ello puede provocar fallos de encendido.

Es necesario recordar que incluso con bujías que han sido aplicadas correctamente en cuanto a su grado térmico, una mezcla demasiado rica es capaz de causar algunos inconvenientes. Por tanto, es obvio que una carburación mal regulada o un excesivo uso del estárter pueden provocar lo anteriormente dicho, pero entre las causas que alguna vez no se toman en cuenta están también el filtro de aire atascado o el mal funcionamiento del estárter y sobre todo la forma de conducción (marcha a bajo número de revoluciones) o de presionar continuamente el acelerador.

Con los motores modernos es aconsejable conducir sin descender a regímenes demasiado bajos.

Cuando una o más bujías tienen tendencia a ensuciarse por mezcla demasiado rica, es conveniente efectuar de vez en cuando una breve «subida» a regímenes altos.

Es prácticamente imposible valorar con seguridad la cuantía de los fallos de encendido o de escasa potencia de un vehículo, ya que ello está en relación tanto con el tipo de coche como con el conductor y su modo de conducir. No obstante, se ha comprobado que si los fallos de encendido o la pérdida de potencia han alcanzado un valor capaz de ser perceptible por el conductor, ello significa que el automóvil ha circulado ya durante un cierto tiempo con la potencia reducida.