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CULATA
Concepto.
• Es el elemento del motor que se acopla al bloque de
cilindros con interposición de una junta, que realiza una
unión hermética entre ambos, impidiendo la fuga de los
gases de la compresión o del líquido refrigerante que
circula desde el bloque a la culata.
Características
• Para un buen desarrollo de la combustión en la culata, lasuperficie interna de la misma tiene que tener la formaadecuada para un correcto desarrollo aerodinámico.
• Para un buen rendimiento térmico la ubicación de labujía es de vital importancia, por lo general debe deestar ubicada en la mitad de la concentración depresiones.
• La forma de la cámara debe favorecer la realización de la
combustión con la mayor regularidad posible, de modo
que se cumplan las condiciones siguientes:
• La presión en el cilindro debe aumentar de manera que el valor
máximo sea alcanzado cuando el pistón haya sobrepasado el pms,
posteriormente disminuir gradualmente durante la fase de
expansión, para que la fuerza expansiva del gas se aplique de una
manera progresiva.
• La superficie interna no debe presentar puntos salientes, que al
ponerse incandescentes durante la combustión y después de ella
provocarían el auto encendido.
Características
Materiales
• Las culatas pueden ser tanto de fundición como de aleación dealuminio y en vehículos modernos se prefiere aleacionesligeras debido a la disminución del peso y mejorescaracterísticas térmicas.
• Para vehículos de altas prestaciones se utiliza una aleación dealuminio A356T6 de primera calidad.
• Todas las tapas se fabrican con un método de fundicióncentrífuga, proceso que implica verter la aleación fundida enun molde giratorio.
• Esto contribuye a lograr una distribución pareja del material yelimina prácticamente la porosidad, que son las bolsas y lasburbujas de aire que se encuentran en la fundición, evitar unafalla o fisura de la culata, para producir un producto acabadomás fuerte.
Inconvenientes• Por defecto de fusión, las culatas pueden presentar grietas, fallas, sopladuras o fisuras .
• Las grietas pueden deberse a estados anormales de solicitación interna del material,
motivados por errores de proyecto de la pieza o por una refrigeración defectuosa del
molde de fusión.
• Las porosidades son imperfecciones de la colada debidas a malas características de la
aleación.
• Estas pueden producirse, durante el funcionamiento, pasos de agua al aceite (a los
conductos de lubricación) o viceversa, o bien pasos de agua a la cámara de combustión.
• Todos estos defectos son raros y normalmente requieren la substitución de la culata.
• Otro defecto de fabricación, y también muy raro en los automóviles actuales, es el de un
mecanizado defectuoso de los planos de unión entre la culata y el bloque. También en
este caso pueden existir filtraciones de agua y aceite, siendo además muy fácil quemar la
junta de la culata.
Preparación de la culata.
• El estudio de la culata de un motor es una de las fases
mas importantes en el proceso de preparación de un
motor.
• Actualmente el material base para la construcción de las
culatas es una aleación ligera a base de aluminio debido
a su buena conductividad térmica que permite
rápidamente llegar a la temperatura de trabajo y además
ofrecen su una rápida auto refrigeración
• Para el estudio de la culata se toma en cuenta lo siguiente.
• La cámara de combustión y sus preparaciones
• Las válvulas: Asientos y guías
• Los pernos de fijación
Preparación de la culata.
La cámara de combustión y sus preparaciones
• La cámara de combustión es el lugar donde se
transforma la energía térmica que contiene el
combustible en energía cinética cedida al pistón.
• La cámara de combustión de un motor tiene un sistema
de válvulas que permite el ingreso de el aire necesario
para la combustión y la salida de los gases producto de la
misma; y de un sistema eléctrico de encendido por medio
del cual controla el inicio de la explosión.
• Por lo tanto tiene un sistema de carburación -inyección y
un sistema de ignición que trabajan exclusivamente para
la cámara de combustión.
La relación de compresión.
• La relación de compresión es las veces que el volumen
final queda contenido en el volumen inicial. Si
designamos al volumen del cilindro con la letra V y al
volumen final resultante Vc, tendremos que la relación de
compresión (Rc) será el resultado de la siguiente fórmula.
c
cc
V
VVR
Relación de Compresión.
• Al aumentar la relación de compresión, estamos mejorando elrendimiento térmico del motor.
• El gas combustible a nivel molecular no está quieto, sus moléculas seestán moviendo chocan entre sí y con las paredes del recipiente que lascontiene.
• También aumenta la energía cinética, al comprimir se incrementa lavelocidad de las mismas y cuando este combustible se inflama pormedio de la chispa que salta entre los electrodos de la bujía hay unnotable incremento de presión que se traduce en mayor potencia delmotor.
• Hay que tener siempre presente que cuando hay una compresión hay unaumento de temperatura, un motor de gasolina comprime aire hastallevarlo a una temperatura de unos 600ºC y allí se inyecta elcombustible.
• En nuestro caso, la gasolina sin antidetonantes se inflama a los 226 ºC,la función de estos aditivos es elevar su punto de auto-ignición perotenemos límites, si nos pasamos de relaciones de compresión de 10 a11:1 corremos el riesgo de que se genere un fenómeno que es muyperjudicial para el motor que es la "Detonación“.
Presión de combustión
• La presión que se genera en el interior del cilindro desde
el momento que salta la chispa hasta que se termina de
quemar el combustible, y está en la relación directa con la
presión atmosférica y la relación de compresión.
𝑃𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑃𝐴𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎 × 𝑅𝑐1,3 𝐾𝑔𝑐𝑚2
• En un calculo teórico de un motor a nivel del mar con una
Rc=10,5:1 tenemos:
𝑃𝑐𝑜𝑚𝑏 = 1,033 × 10,51,3 = 21,96 𝐾𝑔𝑐𝑚2
• En la practica la Pcomb es un 15% menor:
𝑃𝑐𝑜𝑚𝑏 = 21,96 − 15% = 18,66 𝐾𝑔𝑐𝑚2
Presión de Explosión.
• La presión máxima dentro del cilindro se llama presión de explosión(Pz) y es aproximadamente 4 veces la presión de combustión.
𝑃𝑍 = 18,66 × 4 = 74,66 𝐾𝑔
𝑐𝑚2
• Esta presión, la esta soportando el cigüeñal, y es la que vamos aconsiderar para calcular los distintos elementos del motor antes demodificarlos.
• Si bien la presión de explosión es un valor pico, un motor girando a8000 RPM realiza 4000 ciclos, es decir 66,66 ciclos por segundo, porlo que (Pz) se genera cada 0,015 seg (15 milésimas de segundo).
Ejemplo• Supongamos que el 𝐷𝑝 = 88𝑚𝑚 , la presión es directamente
proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la superficie.
𝑃 =𝐹
𝑆 𝑘𝑔𝑐𝑚2 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑑𝑢𝑐𝑒 𝑞𝑢𝑒: 𝐹 = 𝑃 × 𝑆
• Con una Rc=10,5:1 Pz=74,66 𝑘𝑔𝑐𝑚2
𝑆𝑝 =3,1416 × 8,82
4= 60,82𝑐𝑚2
𝐹 = 74,66 × 60,82 = 4541 𝑘𝑔 → 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎 𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑔𝑢𝑒ñ𝑎𝑙
• Si la Rc del motor fuera de 8:1 la Pz seria:
𝑃𝑧 = 1,033 × 8 1,3 × 4 × 0,85 = 52,43 𝑘𝑔𝑐𝑚2
• Por lo que:
𝐹 = 52,43 × 60,82 = 3189 𝑘𝑔
• Pasar de un Rc de 8,1 a 10,5 la carga sobre el cigüeñal se incrementóen 1352Kg, aumentando al Rc en un 31,3% y la fuerza en un 42,4%
• Se puede concluir
• Que cuando mayor es la relación de compresión mayor va a ser el
rendimiento del motor, lo que va a representar mayor aprovechamiento
energético del combustible y por lo tanto mas potencia
• Que mientras mayor sea la relación de compresión mayores van a ser
las tensiones que se forman en el interior de la culata, mayor la
temperatura que se alcanza en el motor y por lo tanto la posibilidad de
darse el autoencendido provocando el pistoneo.
La relación de compresión.
Medición del volumen de la cámara
• La manera mas sencilla de encontrar el volumen de la
cámara de combustión es de manera practica:
• Se toma una probeta graduada con aceite SAE 10 hasta el volumen de
100cm3
• Se vierte el aceite en una de las cámaras hasta llegar al borde mismo.
• A continuación se comprobara el volumen del liquido que quedo en el
interior de la probeta y restamos del total.
• Cuando se trata de determinar el volumen de la cámara
con la culata desmontada , se coloca una placa rígida con
el diámetro del cilindro con el grosor del empaque, con
las válvulas selladas se procede a colocar la cantidad de
aceite de la probeta de 100cm3 y restamos del volumen
que queda en el interior de la probeta y obtenemos el
volumen de la cámara de combustión
Medición del volumen de la cámara
• Por lo tanto antes de proceder a realizar cualquier
modificación es imprescindible conocer el resultado.
• Los valores de la relación de compresión en medida de lo
posible no debe de superar los valores de 10,5 :1 en los
motores comerciales.
• Si mejoramos los avances con un árbol de levas para
competencia los valores de compresión pueden llegara
12,1 :1, pero con rpm muy alto.
Medición del volumen de la cámara
• La siguiente formula conociendo el volumen del cilindro
(V) y sabiendo la relación de compresión a la que
queremos llegar, podemos determinar el volumen
necesario de la cámara de combustión.
Medición del volumen de la cámara
1
c
CR
VV
𝐴𝑝𝑙𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 =𝐶𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎
𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 1−
𝐶𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎
𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑠𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 1
Nota: Hay que tomar en cuenta el volumen de la junta
Ejercicio
• Plantee una nueva Rc y analice los efectos que producen en el motor de un vehículo si tenemos un motor de un Suzuki con los siguientes datos:
• Diámetro del cilindro: 74mm
• Carrera del embolo: 77mm
• Material de la culata: Aleación de aluminio.
• Tren de válvulas: SOHC
• Relación de compresión: 8,3:1
• Determinar el volumen de la cámara de combustión antes yPresión de explosión y la fuerza con la que actúa sobre elcigüeñal
• Para un motor de un VW gol 4 cilindros con:
• Diámetro del cilindro de 81,4mm
• Carrera del pistón: 86,4mm
• Material de la culata: Aleación ligera de aluminio
• Relación de compresión: 8,5:1
• Determinar el volumen de la cámara de combustión y la
fuerza con la que actúa sobre el cigüeñal
Ejercicio
La cámara de combustión
• La forma de la cámara de
combustión tiene vital
importancia en lo que
representa a las posibilidades
de aumento de relación de
compresión.
• Toda cámara viene dotada de
una forma interna que ayuda a
mejorar las condiciones de
quemado de la mezcla evitando
que se formen turbulencias en
su interior
• La forma hemisférica es la base de toda cámara de
combustión bien diseñada, debido a que permite colocar
válvulas mas grandes o en su caso un mayor numero de
válvulas por cilindro, logrando también mayor refrigeración
evitando el pistoneo
La cámara de combustión
Tipos de cámaras
• Tipos de cámaras.
1. Cámara en forma de cuña
2. Cámara en forma de bañera
3. Cámara tipo Heron
Métodos para modificar las cámaras.• Para poder soportar mayores Rc lo ideal es conseguir
cámaras en medida de lo posible hemisférica.
• Decimos en medida de lo posible ya que las características
constructivas de la culata limitan el trabajo.
• Por lo tanto debemos de aproximar a la cámara la forma de
un casquete esférico o la de una zona esférica.
Forma de casquete esférico Forma de zona esférica.
• Para llevara cabo este trabajo lo realizamos de la
siguiente manera.
• Desmontamos la culata del motor
• Desmontamos todos los elementos de la culata.
• Una vez que tenemos a la vista la cámara de combustión
realizamos un esquema técnico que nos permita observar
las características técnicas de la cámara.
Métodos para modificar las cámaras.
Forma practica de trabajar las cámaras de combustión
• Luego que colocamos a la culata en el banco de trabajo parasu proceso de mecanizado.
• Trazamos un centro para poder iniciar el mecanizado
• El siguiente paso seria trazar una circunferencia con un
radio inferior en 0,5 mm al del diámetro del cilindro.
• Para lo cual nos valemos de un compas de puntas
Forma practica de trabajar las cámaras de combustión
• Luego se procede a trabajar la cámara mecanizando la cámara de combustión con una herramienta similar a la siguiente excelentemente centrada.
• La herramienta es similar a la utilizada para labrar los asientos de válvulas pero en este caso las fresas son mucho mas grandes con un ángulos de 45° y de 60°
• Por lo que se debe de poseer fresas de trabajo pesado de entre los 35mm hasta los 80mm de diametro.
Forma practica de trabajar las cámaras de combustión
• Todos el proceso de trabajo se lo realiza paso a pasoverificando a cada momento el estado del trabajo.
• La nueva fase de trabajo es la de dar radio a las cámaras estose lo logra con un rotaflex para lo cual ocupamos fresas deforma de abrasivo conglomerado (coridion o carborundum)
Forma practica de trabajar las cámaras de combustión
• La operación de fresar debe de ser revisada paso a pasomediante galgas de radios en caso de no encontrarlas en lamedida deseada se las fabrica en función al diámetro deseadopara la cámara.
Forma practica de trabajar las cámaras de combustión
• La ultima parte de parte es la del pulido de las paredes de
la cámara
• Se suele utilizar el rotaflex provisto de telas de grano muy
fino
• Por ultimo se comprueba que todas las cámaras tengan
la misma medida lo cual se logra con una galga de agujas
Forma practica de trabajar las cámaras de combustión
Modificación de la relación de compresión.
• Al modificar las cámaras de combustión y tratar de
convertirlas en esféricas lo que estamos haciendo es
aumentar el volumen de dicha cámara, por lo que tenemos
que controlar dicho volumen para lograr la Rc adecuada.
• Por lo que vamos a acudir a los siguientes procedimientos.
• Rebaje del plano de la culata
• Pistones de mayor altura
• Rebaje del plano del cabezote.
• Reducción selectiva de la cámara
• Rebaje del plano de la culata.
• Uno de los sistemas mas utilizado para rebajar el volumen de la cámara
• Para esto realizamos el calculo visto anteriormente
Modificación de la relación de compresión.
• Pistones de mayor altura
• Tomando en cuenta desde el bulón hasta la cabeza del pistón.
• De esta manera la cabeza del pistón se introduce en la cámara.
Modificación de la relación de compresión.
Rebaje del plano del bloque.
• Nos da el mismo efecto que rebajar el plano de la culata
o la de colocar pistones de mayor altura
• Reducción selectiva
• Este procedimiento se basa en la combinación selectiva de los tres
sistemas vistos anteriormente.
• Con esto ganamos no sobrecargar los tres sistemas anteriores
rebajando selectivamente en proporción a cada elemento para
obtener el mismo resultado
Rebaje del plano del bloque.
