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CAMARA DE COMBUSTION
MOTOR DE ENCENDIDO POR CHISPA (CICLO OTTO)
Oportunamente hemos definido al reactor de combustión como el
espacio físico delimitado por las paredes del cilindro, el cielo de la cámara
de combustión y la cabeza de pistón, lugar donde ocurren las
transformaciones del fluido de trabajo, liberando la energía necesaria para
el movimiento.
Además, hemos indicado que la forma del reactor tiene gran influencia
sobre el desarrollo del proceso de combustión y por lo tanto sobre el
rendimiento térmico de la máquina.
DISEÑO DE CAMARAS DE COMBUSTION
En el diseño del reactor de combustión se deben tener en cuenta una
serie de factores que citamos a continuación.
• La geometría de la cámara de combustión.
• La relación Superficie / Volumen (S/V)
• La posición de la/s bujía.
• El tamaño, cantidad y ubicación de las válvulas.
El diseño del reactor debe responder a la premisa de favorecer el
desarrollo normal del proceso de combustión.
Estamos diciendo que cualquiera sea el arreglo empleado, se debe obrar de
modo que la combustión se inicie hacia finales de la carrera de compresión,
con cierto grado de avance para que la presión aumente de manera
progresiva dentro del cilindro, alcanzando el valor máximo cuando el
pistón rebase apenas el PMS y disminuya gradualmente en la expansión.
En el diseño de la cámara de combustión, se buscará una geometría que
permita quemar lo más rápidamente posible la mezcla de gases disponible,
tan pronto como salte la chispa, y permitir que ello ocurra con el menor
anticipo posible.
Para lograrlo, es importante tener una alta turbulencia y una baja relación
(Superficie /Volumen)
La baja relación S/V posibilita tener grandes volúmenes en la región donde
esta instalada la bujía y además es recomendable para minimizar las
pérdidas de calor.
Por otra parte tendremos que cuidar que no se alcancen las condiciones de
detonación, es decir, la cámara debe estar diseñada de manera que la
velocidad del frente de llama se mantenga lo más alta posible sin
sobrepasar la correspondiente a la velocidad de propagación del sonido en
el medio.
Para reducir las condiciones de detonación debemos lograr que se
mantenga baja la temperatura de la carga que se quema al final del proceso
(porción de mezcla más susceptible a detonar).
La consigna entonces, es refrigerar enérgicamente la región de la cámara
más alejada de la bujía y para ello necesitamos una alta relación S/V en esa
parte del reactor.
Como habrán notado, estamos ante una aparente contradicción, ya que por
un lado hemos indicado la necesidad de una relación S/V lo mas baja
posible para quemar rápidamente y minimizar las pérdidas de calor, y luego
hemos planteando la necesidad que tal relación sea alta para favorecer el
efecto refrigerante sobre la ultima porción de mezcla en quemarse y de ese
modo evitar que se alcancen las condiciones de detonación.
Por suerte, se pueden diseñar cámaras que cubran ambas necesidades,
siendo ello posible debido a que tales necesidades aparecen en tiempos
distintos del proceso de combustión y en lugares distintos dentro del
reactor.
En efecto, se trata de disponer de la mayor cantidad de mezcla en la región
próxima a la bujía (zona de baja relación S/V) al comienzo del proceso de
combustión, para ir disminuyendo en forma progresiva en la medida que
nos alejamos de la misma (zona de alta relación S/V)
Esto último suele ser llevado al límite de diseñar la cámara con una zona de
laminación o Squish, con lo que además de un fuerte efecto refrigerante se
consigue un buen aporte en términos de turbulencia.
La figura siguiente ilustra sobre la situación descripta.
Diremos además que también es necesario mantener lo más corto
posible el recorrido de la llama disponiendo para ello la bujía en la posición
central de la cámara o bien colocando dos bujías en una misma cámara.
Cuando se trabaja en el diseño de motores con altos valores de potencia
especifica, la cámara estará diseñada para permitir el alojamiento de
válvulas de gran tamaño o bien de una mayor cantidad de ellas.
Desde los primeros motores con una sola válvula comandada para el escape
hasta los prototipos de ocho válvulas por cilindro ensayados por Honda
hacia finales del siglo pasado, se han propuesto todo tipo de variantes y
configuraciones.
Lo más común y económico en este tipo de motores es disponer de dos
válvulas por cilindro.
En los últimos años se ha incrementado mucho el uso de 4 válvulas por
cilindro, dejando las configuraciones de 5 o más válvulas para prototipos
deportivos.
En el caso mencionado del motor de 8 válvulas por cilindro de
Honda, fue preciso cambiar la geometría del cilindro, pasando de una base
circular a una oval para poder alojarlas.
En ese caso también fue necesario instalar dos bujías de encendido a
efectos de mantener acotada la distancia máxima de quemado.
DISTINTOS TIPOS DE CAMARAS
Veremos a continuación algunos de los diferentes modelos de
cámaras de combustión propuestos a lo largo de la historia y utilizados en
la construcción de motores tanto de uso vehicular como para otro tipo de
máquinas.
Las figuras muestran de manera esquemática la geometría de las mismas,
mostrando la ubicación de las válvulas y la correspondiente a la bujía de
encendido.
CAMARA CON VALVULAS LATERALES
Esta cámara de combustión es una de las primeras utilizadas, resulta
demasiado grande, y en consecuencia limitante para obtener una relación
de compresión alta condicionando el rendimiento termodinámico.
Este tipo de cámaras se utilizó hasta los años 40, resultando adecuadas para
gasolinas de bajo octanaje y relación de compresión máxima de 6:1
Posteriormente se vieron sus limitaciones y se comenzaron a diseñar
cámaras con la disposición OHV (válvulas en cabeza), algo más costosas
pero con mucho mejor rendimiento.
CAMARA DE ALTA TURBULENCIA
Es una cámara con válvulas laterales, también conocida como
cámara tipo “Ricardo” en honor al investigador inglés que tanto aportó
sobre este tema.
En la misma se restringe la cavidad de la cámara a un domo superior por
encima de las válvulas, donde se instala la bujía de encendido.
En el resto de la cámara se genera una importante zona de laminación.
El pasaje del fluido desde el cilindro a la cámara de combustión en la
última etapa de la carrera de compresión, genera la alta turbulencia que le
da nombre a esta cámara.
El área de la superficie de laminación permite una eficaz refrigeración de la
zona más alejada de la bujía lo que permite operar con altos valores de
relación de compresión.
La turbulencia sirve para aumentar la velocidad del frente de llama,
disminuyendo el tiempo necesario para el desarrollo del proceso.
CAMARA DE DISPOSICION MIXTA
Por lo general la válvula de admisión está en la culata y la de escape
mantiene su posición lateral.
Este diseño posibilita el uso de grandes válvulas lo que le confiere un alto
rendimiento volumétrico.
CAMARA DISCOIDAL
En su versión original se las utilizó con dos o cuatro válvulas de eje
vertical dispuestas en la culata, la bujía va instalada lateralmente y a veces
dos en posiciones opuestas.
Fue propuesta y utilizada en antiguos motores de aviación con cámaras
integradas al cilindro.
CAMARA EN EL EMBOLO
Este modelo de cámara también conocida como cámara “Heron”, en
honor del investigador que propuso su empleo, tiene la ventaja de estar
contenida entre la superficie plana de la culata y con el émbolo
adecuadamente perfilado.
La culata carece de cavidades es de construcción muy simple, las
dimensiones de la válvula dependen del diámetro del cilindro y
consecuentemente se limita el rendimiento volumétrico en regímenes
elevados. Permiten obtener una muy adecuada relación S/V.
El motor VW que equipa al modelo Polo, utiliza este tipo de cámara, que
como veremos más adelante es muy utilizada en motores Diesel.
CAMARA FIREBALL
Esta cámara llamada “Bola de Fuego” precisamente porque está
dispuesta alrededor de la válvula de escape, presenta una adecuada
turbulencia y buenas características antidetonantes.
CAMARA EN El TECHO O DE BULBO
Es de gran simplicidad de construcción, lleva generalmente dos
válvulas verticales o levemente inclinadas pero paralelas entre sí con bujía
central de fácil refrigeración. Constituye un buen sistema para motores
económicos.
CAMARA TRIANGULAR
Tiene la ventaja de concentrar la mayor parte de la mezcla en las
proximidades de la bujía de manera que el frente de la llama al avanzar va
encontrando una masa de gas cada vez menor.
En los motores modernos con una elevada relación de compresión esta
cámara tiene una relación S/V ligeramente superior a la hemisférica y
comparada en lo que hace a detonación es similar o superior.
Tiene el inconveniente que a igualdad de diámetro del cilindro las válvulas
son de menor diámetro y la potencia específica máxima alcanzable es
inferior.
Estas cámaras tienen por lo general los ejes de las válvulas en direcciones
paralelas, resultando por tanto de construcción más simple y económica
que las cámaras hemisféricas.
CAMARA HEMISFERICA
Normalmente se las utiliza con dos o cuatro válvulas en culata.
Con cuatro válvulas, permite la localización central de la bujía, y se
obtienen muy buenos resultados en términos de rendimiento volumétrico y
de rapidez de combustión.
Este diseño de cámaras permite emplear válvulas de gran diámetro y por
tanto obtener elevadas potencias específicas con regímenes elevados del
número de vueltas del motor.
En los motores modernos, con alta relación de compresión, se intenta
reducir tanto como sea posible el ángulo formado por las válvulas para
evitar un abovedado excesivo en la cabeza de pistón y mantener acotada la
relación S/V
CAMARAS DE CARGA ESTRATIFICADA
Debido a la preocupante situación que se ha generado por la
contaminación ambiental a gran escala y a la también preocupante y
progresiva escasez del petróleo, las normas anticontaminación se han
vuelto mas severas y los investigadores se han orientado hacia soluciones
que permitieran quemar cargas de mezcla aire/combustible tan pobres
como fuera posible.
Este es el caso particular de las denominadas cámaras de carga
estratificada, donde se consigue tener una porción de mezcla rica en las
adyacencias de la bujía y en el momento preciso de comienzo de la
ignición, en tanto que el llenado completo del reactor se hace con mezcla
pobre a muy pobre, bien por debajo del conocido límite de inflamabilidad.
La figura siguiente muestra dos arreglos de este tipo de cámaras, en ambas
la estratificación se logra con un conducto suplementario de pequeña
sección alimentado con mezcla rica que carga la zona adyacente a la bujía.
INYECCION DIRECTA DE COMBUSTIBLE (NAFTA)
La inyección directa de combustible abre el camino a una nueva
forma de carga estratificada.
Tal sistema posibilita una definición exacta de los intervalos de
alimentación del carburante en cada ciclo de trabajo de los pistones así
como un preciso control del tiempo que se necesita para preparar la mezcla
de aire y combustible.
Con el motor funcionando en condiciones de carga parcial, el combustible
es inyectado muy cerca de la bujía al final de la fase de compresión
mientras el pistón se está desplazando hacia su punto muerto superior.
Se obtiene de esta manera una mezcla adecuada en las adyacencias de la
bujía, aunque el motor se encuentre con una relación global muy pobre.
Una adecuada turbulencia cilíndrica (efecto tumble) contribuye a completar
este proceso
El rendimiento térmico obtenido es mejor comparado con un sistema de
inyección en el colector de admisión (MPI) obteniéndose una importante
ventaja de consumo de combustible a la vez que se minimiza la emisión de
contaminantes.
MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESION (CICLO DIESEL)
CAMARAS DE INYECCION DIRECTA
Tanbien conocidas como cámaras abiertas, en ellas el combustible es
inyectado directamente en la parte superior del cilindro.
Se utilizan valores moderados para la relación de compresión, en motores
aspirados lo común es emplear valores entre 14:1 y 18:1
Su diseño permite trabajar con bajas relaciones S/V, situación que
minimiza las pérdidas de calor, facilitando el arranque en frío.
La turbulencia obtenida está limitada a un adecuado diseño del conducto de
admisión y/o la eventual presencia de un deflector en la válvula de
admisión.
Para conseguir una buena penetración y dispersión de las gotitas de
combustible se requiere una alta presión de inyección y un inyector con
múltiples toberas.
Estas cámaras de combustión fueron históricamente propuestas para los
grandes motores diesel de operación lenta con prolongados periodos de
inyección, empleando combustibles de baja calidad con mayor retraso de
encendido.
Para uso vehicular y por mucho tiempo se utilizaron las denominadas
cámaras de inyección indirecta
En la actualidad, los sistemas de inyección de alta presión y la electrónica
aplicada a la gestión de inyección ha permitido el empleo de cámaras de
inyección directa en motores de uso vehicular con muy buenos resultados,
tanto económicos como de control de emisiones.
El consumo especifico de combustible que puede obtenerse con este tipo de
cámaras en motores aspirados esta comprendido entre 160-190gr/CVh
En los grandes motores diesel de 2T se utilizan con frecuencia cámaras
talladas en la culata como muestra la figura siguiente.
En los motores de 4T se utilizan cámaras labradas en la cabeza de
pistón, siendo esto una consecuencia de disponer el cielo plano de la tapa
de cilindros para alojar las válvulas.
MOTORES DE INYECCION INDIRECTA
CAMARA DE PRECOMBUSTION O ANTECAMARA
Como hemos anticipado, este tipo de cámaras tuvieron un auge en la
industria automotriz durante un período de más de 50 años debido a su
capacidad para reducir el ruido y la emisión de humos en los motores
diesel.
Durante ese tiempo se patentaron una gran cantidad de diseños distintos de
cámaras de Inyección indirecta, generando una gran competencia entre los
distintos fabricantes de motores.
También hemos indicado que en los motores de inyección indirecta, el
espacio en la cual tiene lugar la combustión esta formado por dos cámaras.
Una de ellas, la principal, está comprendida entre el pistón y la culata, y la
otra (antecámara) esta toda ella comprendida en la culata.
Las dos cámaras están comunicadas entre sí por orificios de sección
relativamente pequeñas.
Las precámaras de alta turbulencia se distinguen por presentar una
tendencia a la esfericidad y el canal de comunicación con el cilindro,
debidamente orientado para inducir movimientos rotatorios muy intensos al
fluido.
Lo verdaderamente distintivo de este tipo de cámaras es la altísima
turbulencia que se obtiene como consecuencia de la transferencia de gases
desde y hacia el cilindro en distintos tiempos del ciclo.
En efecto hacia finales del proceso de compresión hay una elevada
transferencia de aire desde el cilindro a la precámara y a poco de iniciado el
proceso de combustión esta transferencia se invierte, siendo los gases
producto de la combustión los que son proyectados al interior del cilindro
para completar el proceso de combustión
A diferencia de lo visto en el caso de inyección directa, aquí no es tan
importante el tema de la pulverización del combustible, pudiéndose utilizar
presiones de inyección relativamente bajas y el empleo de inyectores más
simples con perforación única.
Las presiones máximas sobre el pistón (55/65 Kg/cm
2
) son menores que las
obtenidas con cámara de inyección directa que alcanza los (60/80Kg/cm
2
).
De allí es que se tiene una mayor suavidad de funcionamiento.
La alta relación S/V en las precamaras conspira con el arranque en frío. En
tales condiciones el problema se agrava con la escasa pulverización.
Esto se resuelve mediante la instalación de bujías de precalentamiento.
La figura siguiente muestra algunas disposiciones de este tipo de cámaras.
Es interesante comentar el caso de la cámara del motor Perkins que utiliza
un inyector con una tobera adicional dirigida hacia la cámara principal para
facilitar la condición de arranque.
Rendimiento del motor naftero de 4T.doc
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