Cámara de combustión en el motor de gasolina

Cuando comenzó la aventura del automóvil, que ha llegado a ser prioritario en nuestra vida actual, bueno hace ya bastante tiempo, era suficiente con que el motor permitiese el desplazamiento del vehículo sin ayuda exterior, auto – móvil.

Seguidamente ha ido evolucionando por múltiples razones en todos sus contenidos.

Reducir el consumo de combustible y mejorar las prestaciones son dos de los objetivos más buscados, y que son antagonistas.

Son muchas las tecnologías que afectan al consumo, prestaciones y contaminación, otro factor relacionado y trascendental para la supervivencia del automóvil.

El motor térmico de combustión interna (gasolina, gas, diésel e incluso con biocombustibles) tiene los días contados, en realidad llevará cierto tiempo.

Su sustituto ha de poder ofrecer lo que aporta el automóvil con el motor térmico, y parece que de las tecnologías conocidas la que lo permite es la pila de combustible de hidrógeno.

Hay otros sistemas válidos para determinados usos, pero no satisfacen todo lo que se puede hacer actualmente con un coche equipado con motor de combustión, que al contaminar y emitir CO2 tendrá que ser reemplazado.

Durante la evolución del motor de combustión interna para ir reduciendo la contaminación y emisión de CO2, lo primero se ha ido logrando con la incorporación de sistemas de limpieza de gases de escape, pero la generación de más o menos CO2 es inevitable, e incluso se incrementa con más complementos anticontaminación.

Es evidente que el combustible, y como se aporta al motor, tiene gran influencia en la calidad de combustión, hemos tratado de esto en varios artículos del blog.

En este vamos a presentar otro detalle; cómo es la cámara de combustión donde se genera la energía que produce el par motor.

Vamos a desarrollar este contenido aplicado a los motores de gasolina, con encendido provocado por chispa.

Como las características de la cámara de combustión están muy relacionadas con lo que hay en su interior, las válvulas y su accionamiento que conforman la distribución, serán temas que también van a aparecer, tanto en el artículo como en los enlaces que se proponen.

Para diferenciar como se quema el combustible con el oxígeno del aire en los motores de gasolina y diésel, se suele identificar el primero como de explosión y al segundo de combustión, pues en el de gasolina se produce más rápido que en el diésel.

En realidad, en ambos casos es combustión pues la velocidad de propagación de la inflamación no llega a la que se podría considerar como explosión.

Motores con distribución SV. Flujos de mezcla ascendente (directo) y descendente (invertido)

Motor con distribución SV

Vemos un motor de frente parado con estos elementos; culata, bloque, cárter, cigüeñal, pistones, bielas, válvulas con sus muelles, engranajes de distribución, colectores y bujía de encendido:

  • Las válvulas se ubican a un lado del bloque, laterales. Están en el mismo lado del bloque y culata una continuación de otra, admisión y escape
  • El árbol de levas es también lateral y está debajo de las válvulas que abren de abajo a arriba
  • Esta ubicación de válvulas y árbol de levas se denomina SV, “side o standing vales”, válvulas laterales o de pie
  • El accionamiento del árbol de levas desde el cigüeñal es mediante dos piñones en este motor
  • Se pone el motor en marcha y se producen los cuatro tiempos, resaltando el de admisión
  • El motor se detiene al final de compresión con la mezcla de aire y gasolina a presión
  • Salta la chispa en la bujía y la mezcla explota
  • Se produce la energía que mueve el motor, el empuje sobre el pistón es útil, pero en la parte que está en la zona de las válvulas la energía es en gran parte perdida, al no incidir sobre el pistón
  • Esta merma de aprovechamiento de la energía de la explosión es por estar dividida la cámara de combustión

Flujo de mezcla ascendente (directo)

Aparece un motor SV con el carburador debajo del colector de admisión:

  • En la parte inferior del carburador se coloca el filtro de aire
  • Al estar el carburador situado bastante bajo, la alimentación de gasolina se puede hacer por gravedad, situando al depósito más alto
  • El flujo de mezcla aire – gasolina dentro del carburador es vertical ascendente, de abajo a arriba, obligando a subir a las gotas de gasolina, lo que implica alteraciones en la mezcla, sobre todo en aceleraciones transitorias
  • Este sentido del flujo de mezcla ascendente se denomina directo

Flujo de mezcla descendente (invertido)

Entra otro motor SV con el carburador sobre el colector de admisión:

  • El filtro de aire está en la parte superior del carburador
  • La alimentación de combustible desde el depósito al carburador es a presión mediante bomba de gasolina
  • El flujo de mezcla en el interior del carburador es vertical descendente, invertido, al bajar las gotas de gasolina con el aire el proceso es más sencillo y controlable
  • En ambos motores, por la cámara de combustión dividida hay pérdida de parte de la energía de la explosión

En el carburador con flujo vertical ascendente, directo, es más difícil controlar la proporción y calidad de mezcla aire – gasolina, sobre todo en aceleraciones.

En el otro carburador con flujo vertical descendente, invertido, es algo mejor el control de la calidad y proporción de la mezcla, pues la gasolina aportada es fácilmente arrastrada hacia abajo por la succión del aire en el interior del carburador.

Cámara de combustión en el motor de gasolina (1/6)

 

La gasolina se representa en rojo y el aire en amarillo.

Cuanto más repartida esté la gasolina en el aire más homogénea es la mezcla, necesario para una eficiente explosión (combustión rápida).

Se representa en los carburadores que se incluyen en las imágenes, y que no se explica su funcionamiento, la cuba, los circuitos de ralentí, progresión, alta o principal y econostato, no se ve el sistema de arranque en frío, estrangulador de aire o starter.

Motores con distribución OHV. Con carburador horizontal. Con inyección indirecta

Motor con distribución OHV

Se ve el motor que acabamos de explicar con distribución SV, desaparece y es sustituido por otro con distribución OHV, “over head valves”, válvulas en culata o cabeza:

  • El árbol de levas sigue siendo lateral, está a un lado del bloque. Su accionamiento desde el cigüeñal es por cadena en este motor
  • Válvulas en culata, en el mismo lado, una a continuación de otra
  • El movimiento desde el árbol de levas a las válvulas se hace mediante varillas y balancines
  • Se pone el motor en funcionamiento, prestando atención a los ciclos de admisión
  • El motor se para al final de compresión y salta la chispa en la bujía, sobre la mezcla a presión de aire – gasolina
  • Toda la energía generada por la explosión es útil, pues empuja sobre el pistón

Motor con distribución OHV y carburador horizontal

Aparece otro motor OHV con el sistema de aportación de gasolina, es un carburador horizontal:

  • Se coloca el filtro de aire en la entrada del carburador
  • La alimentación de gasolina es por bomba
  • El flujo de mezcla que entra al motor es horizontal por el interior del carburador

Motor con distribución OHV e inyección indirecta

Vemos otro motor en el que el carburador no está, en su lugar hay un inyector en el colector de admisión, antes de la válvula, inyección indirecta:

  • Filtro de aire en la entrada exterior del colector de admisión
  • El inyector recibe gasolina a presión y el control de apertura y cierre es electrónico
  • El flujo de mezcla desde el inyector es horizontal

Con carburador horizontal hay menos cambios de recorrido del flujo, lo que permite un buen control de la mezcla para lograr un rendimiento medio y más prestaciones.

Con inyección indirecta electrónica, el más preciso control mejora la calidad y proporción de la mezcla aire – gasolina (dosado), lo que permite un buen rendimiento, equilibrio prestaciones y consumo.

Cámara de combustión en el motor de gasolina (2/6)

 

La distribución OHV se ha utilizado durante muchos años en el automóvil, con diferentes formas de alimentación de combustible, e incluso sobrealimentación.

Después veremos otros sistemas de distribución que mejoran el control y precisión de accionamiento de las válvulas, lo que supone ventajas en el llenado y vaciado de los cilindros.

Las vertiginosas secuencias de cambio de dirección al cerrar las válvulas de los flujos de gases, propician inercias que se pueden aprovechar para incrementar apreciablemente el vaciado y llenado de gases, es la resonancia.

Hemos visto dos sistemas de aportación de combustible al motor, carburador e inyección indirecta, más adelante veremos otro.

Hay muchos sistemas de alimentación de gasolina que permiten, como se comentó en la introducción, mejorar la calidad de combustión, pero nos centramos en la cámara donde se produce.

Motor con distribución SV y OHV

Se ve de frente un motor SV y OHV, que pasamos a explicar:

  • El motor se pone en funcionamiento resaltando los cuatro tiempos; admisión, compresión, explosión y escape
  • Árbol de levas lateral accionado desde el cigüeñal por piñones, son tres
  • La posición del árbol de levas es lateral
  • Las válvulas de escape son laterales
  • Las válvulas de admisión están en la culata OHV y se mueven desde el árbol de levas mediante varillas y balancines
  • Las válvulas de admisión y escape están en lados opuestos de la culata, lo que permite favorecer algo el llenado y vaciado de gases por el cruce de válvulas del diagrama de distribución, pero la pérdida de energía por la cámara de combustión dividida resta las ventajas obtenidas
  • A continuación aparecen dos motores, uno con distribución SV y otro OHV, ambos con carburador vertical invertido
  • ¿Porqué SV y OHV en el mismo motor?
  • Aparece una vaguada por la que se desplaza un vehículo 4×4, es un todoterreno
  • Equipa el motor que estamos explicando SV y OHV
  • La vaguada se llena de agua y el vehículo ha de vadearla
  • Este coche es un todoterreno militar y se diseñó con extrema urgencia …
  • … el motor original tenía distribución SV … tendría que vadear corrientes de agua …
  • … ¿fue por esto y la falta de tiempo las razones de pasar a la culata solamente la admisión (OHV) manteniendo el escape original (SV) …?
  • Se resalta en los dos motores, SV y OHV, a distancia entre la entrada de admisión, representada por los filtros de aire, y en extremo inferior del cárter. Si entra agua por admisión el motor se destruye al no poder comprimirse el líquido
  • La distancia en el motor OHV es mayor que en el SV, lo que permite más capacidad de vadeo al OHV
  • En la siguiente evolución de este todoterreno la distribución pasó a ser SV. Por lo que la combinación SV y OHV se puede considerar como un sistema de transición
Cámara de combustión en el motor de gasolina (3/6)

 

El coche utilizado para las explicaciones, que habrás identificado, es el Jeep Willys.

Su diseño se llevó a cabo mediante un concurso con muy poco tiempo de desarrollo por la situación entonces, en el que participaron varios fabricantes de automóviles.

El resultado, para logar el vehículo que mejor satisfacía el pliego de condiciones, fue seleccionar tecnologías de cada uno de los proyectos.

La fabricación se llevó a cabo por la empresa que más vehículos podía hacer en sus instalaciones.

Motor con distribución DOHC. Motor DOHC con cámara de combustión hemisférica

Motor con distribución DOHC

El motor que vemos tiene algunas diferencias con los de anteriores explicaciones:

  • Con el motor en marcha se representan los cuatro tiempos
  • Hay dos árboles de levas en culata DOHC “double over head camshaft”, doble árbol de levas en culata o cabeza, accionados por correa dentada o cadena (también podría ser mediante cascada de piñones)
  • Con estos dos y los de anteriores motores hemos visto los sistemas de accionamiento de la distribución; transmisión del movimiento desde el cigüeñal al árbol o árboles de levas
  • Las válvulas de admisión y escape están en la culata, en lados opuestos y son paralelas
  • El inyector está en el colector de admisión, antes de la válvula, es inyección indirecta electrónica
  • Los flujos de admisión y escape se “ayudan” en el llenado y vaciado de los cilindros
  • Se llenan más los cilindros y el exacto control de la mezcla de aire y gasolina (inyección electrónica), en proporción (aire – gasolina, dosado) y reparto (homogénea) reduce el consumo y emisión de CO2 (son proporcionales), con mejores prestaciones

Motor DOHC y cámara de combustión hemisférica

Hay un nuevo motor a la derecha del anterior y está en marcha, entre sus particularidades resaltan la posición de las válvulas y del inyector, que está en la cámara de combustión, además de que en el tiempo de admisión no entra mezcla al cilindro, solamente aire:

  • La forma de la cámara de combustión es peculiar, luego la analizaremos, las válvulas en lados opuestos de la culata son oblicuas
  • Hay dos árboles de levas en culata DOHC
  • Escape y admisión en lados opuestos de la culata, prácticamente están enfrentados los conductos de admisión y escape en la culata
  • Los flujos de admisión y escape se ayudan más al estar casi en el mismo eje y dirección la entrada y salida de gases
  • La forma de la cámara de combustión es hemisférica, las cabezas de las válvulas inciden en su periferia tangencialmente
  • En este motor la inyección electrónica es directa, aporta la gasolina en el interior de la cámara de combustión, después de la válvula de admisión. Se logra máxima precisión en el control de la gasolina inyectada, y puede funcionar el motor con mezcla pobre, exceso de aire, para lo que ha de colaborar la forma de la cabeza del pistón
  • Con la posición de los conductos de admisión y escape enfrentados, se ayudan más para mejorar el vaciado y llenado de aire de los cilindros, sobre el que se inyecta la gasolina finamente pulverizada. Los resultados son sensible disminución de consumo y su equivalente emisión de CO2
  • Si el motor funciona con exceso de aire, mezcla pobre, puede ser necesario recurrir a más complementos anticontaminación
  • Termina la animación con la implantación de culatas multiválvulas en ambos motores, cuatro válvulas por cilindro en ambos. Permiten controlar los flujos de gases, admisión y escape, con colectores de más diámetro que propician el llenado, … desde medias RPM
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La ayuda de los flujos de admisión y escape se produce así; la válvula de admisión abre antes de finalizar escape, y la de escape se mantiene abierta cierto ángulo tras comenzar admisión, es el cruce de válvulas, permite que el flujo de escape tire del de admisión y que este empuje a los gases de escape para salir.

Antes se ha citado un enlace que lleva a un artículo que lo explica, es el diagrama de distribución.

En este motor la inyección directa se produce en el tiempo de compresión, según el diseño se puede hacer en admisión o en compresión según condiciones de funcionamiento del motor.

Hay además posibilidad de que motor funcione con exceso de aire mediante formas específicas de la cámara de combustión, parte de la cual está tallada en la cabeza del pistón.

La inyección puede ser, como hemos visto, indirecta o directa e incluso hay motores que combinan las dos combinan las dos.

Motor SV, OHV, DOHC con cuatro válvulas por cilindro y DOHC con cámara hemisférica

Vamos a pasar revista a lo que se ha expuesto con cuatro motores, que combinan las disposiciones pues hay diversas posibilidades.

No se representan los muelles que hacen cerrar las válvulas.

Motor SV (side valves, válvulas laterales)

  • Árbol de levas lateral, a un lado del bloque
  • Empujadores que están en contacto con las levas del árbol de levas
  • Válvulas laterales sobre los empujadores, abren de abajo a arriba. Están las válvulas al mismo lado del motor, admisión y escape se producen en direcciones opuestas
  • Cámara de combustión, se representa su forma, al estar dividida parte entra en la zona de las válvulas, separada de la cabeza del pistón

Motor OHV (over head valves, válvulas en culata o cabeza)

  • El árbol de levas sigue lateral junto al bloque
  • Sobre las levas inciden las varillas que llegan hasta …
  • … los balancines que son los que …
  • … accionan las válvulas en culata, que están en el mismo lado del motor. Los flujos de admisión y escape se producen en direcciones opuestas
  • La forma de la cámara de combustión es más o menos trapezoidal

Motor DOHC (double over head camshaft, doble árbol de levas en culata o cabeza)

  • Se ven los dos árboles de levas en la culata
  • Las válvulas están en la culata, son paralelas y su posición es en lados opuestos. Los flujos de gases son en la misma dirección
  • Son cuatro por cada cilindro, los colectores de admisión y escape tienen más sección
  • La cámara de combustión tiene forma

Motor DOHC (double over head camshaft, doble árbol de levas en culata o cabeza)

  • Vemos los dos árboles de levas en la culata
  • Las válvulas están en la culata, inclinadas, oblicuas entre sí, y situadas en lados opuestos de la culata. Flujos de gases en la misma dirección
  • La cámara de combustión tiene forma hemisférica
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Desde hace años se ha incorporado casi en todos los motores el sistema multiválvulas, más de dos por cada cilindro.

El más frecuente es de cuatro por cilindro, más grandes las de admisión que las de escape, como en el motor de dos válvulas.

Si son impares serán más las de admisión que las de escape, tres por cilindro (dos de admisión) o cinco por cilindro (tres de admisión).

Para mejorar todo lo posible el llenado de los cilindros, la sobrealimentación es prácticamente un elemento más del motor, tanto gasolina como diésel, en este ya hace tiempo en todos.

Comparación de diferentes cámaras de combustión

Con las imágenes de seis motores, centradas en su parte superior donde está la cámara de combustión, hacemos un resumen de lo que se ha explicado en este artículo.

Se combinan cámaras de combustión, posición de válvulas, árbol de levas y sistemas de accionamiento de las válvulas con diferentes posibilidades.

Para valorar el rendimiento de las cámaras de combustión de estos motores se van a utilizar dos instrumentos del cuadro, velocímetro (prestaciones) e indicador de nivel de gasolina en el depósito (consumo).

En ambos se toma como referencia la posición media de las agujas, según se desplacen a uno u otro lado indicará más o menos prestaciones y consumo de gasolina.

Motor SV. Válvulas laterales

  • Árbol de levas lateral
  • Válvulas laterales
  • Cámara de combustión:
    • Dividida en dos partes con pérdida parcial de energía de la explosión
    • Admisión y escape están el mismo lado; cambio de dirección de los flujos de gases
  • Los resultados no favorecen el rendimiento; menos prestaciones y más consumo

Motor SV y OHV. Válvulas laterales y en culata

  • Árbol de levas lateral
  • Válvulas de escape lateral
  • Válvulas de admisión en culata, accionadas desde el árbol de elevas por varillas y balancines
  • Cámara de combustión:
    • Dividida en dos partes con pérdida de energía de la combustión
    • Admisión y escape en lados opuestos favorecen cierta ayuda en el vaciado y llenado de gases, pero no compensa las pérdidas
    • Es una tecnología de transición hasta que todas las válvulas pasen a estar en la culata, OHV
  • Se mejora algo el consumo y prestaciones por los flujos de gases en la misma dirección

Motor OHV. Válvulas en culata

  • Árbol de levas lateral
  • Válvulas en culata accionadas por varillas y balancines
  • Cámara de combustión:
    • Sobre el pistón
    • Admisión y escape están el mismo lado, flujos de gases en direcciones opuestas
  • Prestaciones y consumo mejorados al incidir la energía de la combustión sobre el pistón

Motor OHV. Válvulas en culata

  • Árbol de levas lateral
  • Válvulas en culata accionadas por varillas y balancines
  • Cámara de combustión:
    • Sobre el pistón
    • Válvulas paralelas con admisión y escape en lados opuestos
  • Sensibles mejoras en prestaciones y consumo por el mejor vaciado y llenado del motor, pues los flujos de admisión y escape en la misma dirección lo favorecen
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Motor OHC. Árbol de levas y válvulas en culata

  • Árbol de levas en culata
  • Válvulas en culata accionadas desde el árbol de elevas mediante balancines
  • Cámara de combustión:
    • Sobre el pistón
    • Válvulas oblicuas
    • Admisión y escape en lados opuestos
    • La forma de la cámara es hemisférica
  • Más llenado y posibilidades de reducir el consumo y mejorar prestaciones; los conductos de admisión y escape están prácticamente enfrentados, lo que favorece más la ayuda en el vaciado y llenado del motor al producirse los flujos de gases en la misma dirección

Motor DOHC. Doble árbol de levas en culata y válvulas

  • Dos árboles de levas en culata
  • Cuatro válvulas por cilindro en culata
  • La proximidad del árbol de levas a las válvulas mejora apreciablemente su control
  • Cámara de combustión:
    • Sobre el pistón
    • Válvulas oblicuas
    • Admisión y escape en lados opuestos
    • Cámara hemisférica
  • Preciso control de las válvulas con excelentes resultados en prestaciones y consumo, a lo que contribuye que los flujos de gases son en la misma dirección y la entada y salida a la culata están casi enfrentadas

La cámara de combustión hemisférica permite que los conductos de admisión y escape están prácticamente uno frente a otro, lo que favorece las ayudas de vaciado y llenado de los cilindros por el cruce de válvulas.

Además, su forma mejora el desarrollo de la explosión y la incidencia de la energía de la explosión sobre el pistón.

Uno de los objetivos más buscados en el motor térmico es lograr una combustión que combine las ventajas de los motores de gasolina y diésel, se denomina HCCI, llenado, distribución de mezcla, compresión y combustión homogéneos.

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