El encendido en un motor de explosión

Suponemos al lector de este libro con conocimientos generales de motor, de modo que tenga una idea clara de la función que desarrolla cada uno de los muchos mecanismos que componen un motor de explosión.

Por esta razón vamos a cernirnos exclusivamente al trabajo y la importancia que el encendido tiene, aisladamente de los demás mecanismos.

Por encendido se entiende todos aquellos aparatos mediante los cuales se logra introducir una chispa eléctrica en el interior de la cámara de combustión en el momento en que la mezcla de gasolina-aire se halla comprimida y el émbolo alcanza su punto muerto superior.

El sistema de encendido universalmente adoptado para los automóviles es el llamado de Delco y Batería, cuyo circuito consta, tal como puede verse en la figura 1, de los siguientes elementos.

En 1 puede verse la batería que alimenta de corriente eléctrica todos los circuitos, cuando no puede hacerlo la dinamo; en 2, puede ver el lector el amperímetro y en 3, la llave de contacto.

A partir de aquí comienza el circuito de encendido propiamente dicho, cuyos principales elementos son:

La bobina.(4), el ruptor (5) y su condensador (6); el distribuidor (7) y las bujías (S).

Todos estos elementos son los que, debidamente combinados producen, preparan y distribuyen la chispa que en el interior del cilindro provocará la inflamación de la mezcla.

Antes de lanzarnos al estudio por separado de cada uno de estos elementos descriptos lo que efectuaremos en el capítulo siguiente es importante que analicemos algunas de las particularidades que el encendido presenta.

Se trata de una serie de fenómenos o anormalidades, según las cuales su funcionamiento práctico es algo diferente del teórico.

Efectivamente, desde el punto de vista teórico, la chispa debe producirse cuando el émbolo (C) se halla en su punto muerto superior, es decir, cuando se halla como muestra la figura 2en cuyo momento la mezcla se encuentra del todo comprimida. (A este respecto ya estudiaremos más adelante los diagramas de trabajo.)

En la práctica, como quiera que el giro del motor es muy rápido, el émbolo permanece pequeñas fracciones de segundo en el punto muerto superior mostrado en la citada figura 2.

Si en este preciso instante salta la chispa, debido a que para producirse la expansión se necesitan fracciones de segundo mayores, la explosión completa se produce cuando el émbolo ya ha

iniciado el descenso restando con esto una gran efectividad a la fuerza con que los gases impulsan al embolo

Para el correcto funcionamiento se necesita que la chispa salte antes de que el émbolo se halle en el punto muerto superior, para dar tiempo a la inflamación completa del gas.

Con ello se logrará que el momento inicial de la total expansión del gas, se efectúe cuando el émbolo se halle en el punto exacto correspondiente al PMS, que es la adecuada posición.

Ahora bien; el lugar donde debe saltar la chispa antes de que se produzca la llegada del émbolo al PMS de su carrera, varia según el régimen de revoluciones del motor, de modo que este adelanto de la chispa debe poderse regular con igual flexibilidad que el giro del motor .

Cuando un motor gira, por ejemplo, a 2000 r.p.m., la velocidad del émbolo es inferior a la que se deberá llevar a 4000.

En este último caso conviene que el adelanto de la, chispa se efectúe también mucho antes que en el caso de sólo 2000 r.p.m.

Si por el contrario el motor que gira a 4000 va disminuyendo su giro hasta llegar a sólo 1000 r.p.m., también la chispa deberá producirse cada vez más cerca del punto muerto superior para poder con ello extraer del motor y del combustible toda su potencia.

Por medio de un sencillo cálculo vamos a sacar consecuencias de esta particularidad del funcionamiento del motor.

Si un émbolo gira a una velocidad de 2000 r.p.m., quiere esto decir que en cada revolución emplea,

60 = 0'03 segundos 2000

y en cada carrera

0'03 = 0'015 2

Ahora bien; Si el émbolo aumenta la velocidad al doble; a 4000 r.p.m. , por ejemplo, el tiempo de que dispone para cada giro, será,

60 = 0'015 4000

y en cada carrera

0´015 = 0'007 2

O sea que en el primer caso ha efectuado una determinada distancia (correspondiente a una carrera), en 15 milésimas de segundo, para en el segundo caso haber necesitado 7 milésimas de segundo.

Naturalmente entre uno y otro valor existe una gama muy variable que viene determinada por la mayor o menor velocidad de giro.

Sin embargo lo que no varia prácticamente en ningún caso, dejemos ahora de lado la mayor o menor compresión, es el tiempo de inflamación de la mezcla, es decir, que la mezcla, una vez comprimida, y después de haber recibido la chispa procedente de la bujía, tarda el mismo tiempo en inflamarse y con ello en aumentar de volumen, en el caso de que el motor gire a 2000 o a 4000 r.p.m.; y de ello se deduce que si logramos construir un aparato capaz de producir la chispa de modo que ésta llegue a la bujía en el preciso momento en que el émbolo se halle en el PMS, si la velocidad del émbolo, en aquel momento, excede a la velocidad de inflamación de la mezcla, la potencia de expansión de ésta ocurrirá cuando el émbolo ya ha iniciado su carrera descendente y por lo tanto se desaprovechará uno de los momentos más importantes, en que el combustible pueda cedernos su energía.

En resumen, si la velocidad del émbolo es variable y resulta fija la velocidad de inflamación de la mezcla, solamente existirá un momento en que la chispa sea adecuada al giro del motor, el cual momento será aquel en que la finalización de la inflamación de la mezcla coincida con el PMS del émbolo. Se ha buscado, y encontrado ya, un mecanismo que adecua estos dos factores.

Este mecanismo se limita a producir la chispa en, un momento variable, de acuerdo con la velocidad del motor.

Este mecanismo es el avance de encendido, del que, con sólo conocer su función, ya puede darse cuenta el alumno de la importancia que puede tener su correcta puesta a punto.

De una forma gráfica podemos hablar al alumno de la importancia del avance de encendido para lograr bajo consumo y para aumentar la potencia.

Mejor que nada los diagramas de trabajo del motor pueden orientarnos sobre la necesidad del avance.

En la figura 3 mostrarnos al lector cinco gráficos que representan otros tantos estados de rendimiento del motor.

El gráfico de la figura 3-1 representa el diagrama teórico de un motor de explosión de cuatro tiempos.

La línea vertical representa diversos estados de presión en el interior del cilindro, mientras las líneas en sentido horizontal, representan el valor del volumen de gas dentro de la cámara de combustión y dentro del cilindro.

El diagrama teórico prevé que el máximo aumento de presión se efectúe en el mismo punto muerto superior y en el momento en que la chispa provoca la inflamación de la mezcla; de ahí que el aumento de presión sea instantáneo y produzca la línea a-b que asciende verticalmente.

Vamos a ver a continuación el diagrama real o práctico que se produce cuando el motor recibe la chispa exactamente en su PMS, independientemente de la velocidad del émbolo (figura 3-2).

La chispa salta en a, y aún suponiendo la inflamación del gas instantánea, como que el émbolo ya ha iniciado el descenso, la presión obtenida queda absorbida por el aumento de volumen y a partir de a-b se produce el descenso de la presión.

Gracias al mecanismo de avance de encendido las cosas, en la práctica, ocurren de muy diferente manera.

En primer lugar ya hemos dicho que el encendido de la mezcla no es instantáneo y por esta razón el. volumen de gas varia durante la misma explosión.

Supongamos que en vez de producir la chispa en el punto (a) lo hacernos en el punto (c) (figura 3-3), cuando el émbolo no ha llegado todavía al PMS.

En estas condiciones el diagrama obtenido se acerca mucho más al teórico porque la máxima inflamación del gas se produce cuando el émbolo ha alcanzado si¡ posición más alta.

Posteriormente la caída de presión coincide, como es lógico, con el mayor volumen ocupado por el gas en el interior del cilindro. Como es sabido, el rendimiento de un motor queda representado en los diagramas, por la superficie que queda comprendida entre las curvas de subida y bajada del indicador.

Ni que decir tiene que el diagrama 3-2 posee una superficie extraordinariamente pequeña comparada con la superficie que presenta el diagrama que acabarnos de comentar, el 3-3.

Ahora bien; hay que hacer la salvedad de que la región a-c debe restarse de la superficie restante pues corresponde a un esfuerzo que podemos calificar de contraproducente ya que la expansión del gas comienza a efectuarse cuando el émbolo todavía no ha alcanzado el PMS.

Esto es importante tenerlo en cuenta pues servirá para explicarnos el por qué es contraproducente un avance de encendido exagerado, cuyo diagrama queda de manifiesto en la figura 3-4. que el avance exagerado es perjudicial para el rendimiento del motor creando, además, otras complicaciones no menos nefastas tales corno contragolpes en el cigüeñal y biela y presiones excesivas para estas piezas. Los problemas del encendido no terminan aquí, sin embargo, ni mucho menos. Las dificultades que el avance del encendido presenta es sólo una parte de sus problemas.

Los órganos eléctricos del circuito en general se hallan sometidos a un trabajo que podríamos calificar de eléctricamente muy duro, especialmente en lo que respecta a tres órganos principales que son, la bobina, el ruptor, (también conocido con el nombre de, platinos y la bujía. Muy brevemente esbozado, el circuito de encendido por Delco y Batería es como sigue:

Desde la batería y a. través del interruptor de contacto, se establece un circuito que atraviesa el arrollamiento primario de la bobina y a través de los contactos del ruptor pasa a masa volviendo a través de ella al borne negativo de la batería.

Este es el circuito de baja tensión y ha quedado destacado en la figura 4. Cuando los contactos sé abren e- interrumpen el circuito, se produce, por inducción, la corriente en el arrollamiento secundario de la bobina. Esto crea

un nuevo circuito (figura 5), ahora de alta tensión, que a través del distribuidor pasa a la bujía. En el interior del cilindro ésta hace saltar una chispa al otro electrodo que está en contacto con masa consiguiéndose con ello un nuevo circuito. Ahora bien, para que se efectúe todo este recorrido, ¿de cuánto tiempo disponen los órganos eléctricos y a qué velocidad han de trabajar, si él motor lo hace, como ya hemos visto hace poco, en tiempos extraordinariamente breves de sólo milésimas de segundo.

El número de chispas por minuto que se precisan para el funcionamiento de un motor depende, en primer lugar, de su número de cilindros y también del régimen de giro del motor.

En los motores de cuatro tiempos, donde cada dos revoluciones del motor se produce una explosión en cada cilindro, puede hacerse el siguiente cálculo, suponiendo que el motor fuese de seis cilindros.

Cuando este motor gira a un régimen normal de 3000 r.p.m. la producción de

chispas a cargo del circuito de encendido es, de 3000 = 1500 2tiempos de trabajo, producidos cada uno por los seis cilindros o sea 1500 x 6 = 9000 chispas por minuto.

Este quiere decir que el ruptor debe abrir y cerrar 9000 veces y 9000 veces también se produce la inducción en la bobina así como todo el mecanismo eléctrico propio del funcionamiento del circuito.

El tiempo de que dispone un circuito de encendido en las condiciones descritas será de: 60 : 9000 = 0'0066 segundos para cada chispa; y esto significa que en estas seis milésimas de segundo la corriente tiene que atravesar el primario de la bobina hacia el ruptor, interrumpirse allí su paso, inducirse la corriente en la bobina, pasar al distribuidor y desde allí ser dirigida a la bujía.

Es importante que el lector considere que las 3000 r.p.m. que hemos puesto de ejemplo, es en general, un régimen de giro muy tranquilo para un motor moderno.

No hablamos ya de que aumente su velocidad de giro hasta el máximo de sus posibilidades, que muy bien podrían ser, 4500 o 10.000 r.p.m.; y no pensemos ahora en querer calcular lo que sucede en el motor de un bólido de doce cilindros que gira a 15000 r.p.m. De esta brevedad de tiempo el principal órgano que paga las consecuencias de un modo más directo es la bobina y menos afectados, aunque también de gran importancia, quedan también el ruptor y el condensador. Y corno todas las cosas, también está brevedad de tiempo para efectuar su trabajo tiene el correspondiente límite, y así sucede también que cuando el tiempo de sucesión de una a otra chispa es tan sumamente breve, en la bobina se crea un estado de cebamiento que ocasiona fallos generales para todo el circuito de alta tensión,

Ya es bien sabido que el calor excesivo de los contactos del ruptor, unidos a los fenómenos eléctricos de que son testigos, ocasionan la liberación de pequeñísima partículas del material de que se hallan compuestos, creándose entre los contactos, esas famosas irregularidades que son conocidas con el

nombre de cráter y. promontorio (A) (figura 6).

En efecto, El principal inconveniente de los contactos del ruptor para su trabajo viene derivado precisamente del salto eléctrico que se produce entre ellos cuando se abren y que el condensador mitiga, mucho pero no del todo.

Este salto eléctrico llega a elevar fuertemente la temperatura hasta el extremo de que puede alcanzar ésta los 3500'C.

A esta temperatura la fusión del metal puede darse por descontada incluso en el caso del platino (antiguo material de que eran fabricados estos contactos que funde a 1773' C y también en el tungsteno, aunque mucho menos, pues este metal funde a 3410' C.

Esta alta temperatura produce la disgregación del metal que es transportado de esta forma de un polo a otro y más concretamente del polo positivo al negativo.

De esta forma se va formando un cráter en uno de los contactos, mientras en el otro se forma el promontorio.

La teoría que explica este fenómeno es la siguiente se sabe que el sentido real de la corriente no el aceptado, sino el electrónico, es del polo negativo al, positivo y también que la corriente eléctrica no es más que una corriente de electrones.

Cuando los. contactos se abren, la corriente tiene tendencia a seguir circulando y los electrones saltan del uno al otro contacto¡ de una forma parecida a como hemos representado en la figura 7.

El choque brusco de estos electrones provoca una notable elevación de la temperatura que crea los cráteres en el material, de contacto positivo y el promontorio en el contacto negativo.

Estos depósitos de material sobre los contactos del ruptor tienen innumerables inconvenientes, ya que restan la superficie de contacto hasta un extremo tal que puede reducir este contacto a un solo punto, y en este caso la función del ruptor puede Ilegar a ser nula.

Naturalmente antes de que esto Ilegue al extremo propuesto ya se denuncian graves irregularidades en el circuito de encendido que es fácil averiguar provienen del ruptor.

Finalmente el otro órgano que hemos descrito como directamente perjudicado por las condiciones rudas de trabajo en el circuito de encendido, esla bujía.

Veamos por qué.Durante el funcionamiento normal del motor la temperatura de la mezcla al producirse el tiempo de expansión o explosión, puede ser superior a los 2000" C y la presión que reina en el interior del cilindro superar las 30 atmósferas.

En motores mas comprimidos estas cifras puedenaumentarse a más de 2500" C y 40 atmósferas.En semejantes condiciones la bujía debe asegurar los siguientes servicios:Un aislamiento perfecto entre el electrodo central y el cuerpo metálico. La tensión que debe soportar este aislamiento será deunos 10 a 15.000 voltios además de la temperatura y presionesque hemos citado.

2. Una estanqueidad perfecta de las juntas del aislante con respecto a las muy altas presiones.

Efectivamente, como hace muy poco acabamos de escribir, la presión que se produce en el interior del cilindro es tan grande que precisa una muy fuerte estanqueidad para que no aparezca al exterior, produciéndose fugas que debiliten el poder explosivo de la mezcla además de la salida de gases muy calientes.La bujía debe mantenerse en su interior a una temperatura constante entre 500 a 600" C. El calor absorbido por la bujía a cadamtiempo de explosión determina un aumento de su temperatura que a su vez la bujía debe estar facultada para evacuar cuando este calor aumente su temperatura por encima de estos 600 c citados.

Esto es lo que da origen al llamado grado térmico de las bujías y de ahí la denominación de «bujías frías» o «calientes- con que se conocen en el taller. Todas estas son características que debe reunir una bujía para su buen funcionamiento, pero veamos ahora con qué clase de inconvenientes se debe enfrentar la bujía para lograr salir airosa de su cometido. Las partes principales de la bujía y que se hallan sometidas a un trabajo más agotador, son:

a) El aislador,b) b) Los electrodos.

1 El aislador debe tener buenas condiciones como tal, especialmente a las altas temperaturas del motor cuando se halla en funcionamiento. Debe poseer capacidad para resistir rápidos cambios de temperatura sin romperse, ser mecánicamente fuerte para evitar deterioros al manipularlo y poseer una alta conductibilidad del calor.

El hecho de pasar con brusquedad de un calor exagerado al enfriamiento que sobre el cilindro produce el sistema de refrigeración, hace que tanto el aislante como el electrodo estén sometidos a un duro trabajo y a variaciones de temperatura en el ciclo de funcionamiento del motor, Los electrodos deben resistir la temperatura de incandescencia, la erosiva acción de la chispa y la oxidación a consecuencia de la combustión de los gases. La exacta temperatura de una chispa de encendido es muy difícil de medir aunque se aceptan, generalmente, unos 15000 grados ºC.

A la temperatura atmosférica y en el aire este efecto no tiene la menor importancia en los metales usados en las bujías, pero en el motor, donde los

electrodos están sometidos a una altísima temperatura y además a fuertes reactivas químicos, el efecto de la chispa sobre el electrodo aumenta enormemente y los ataques químicos y eléctricos - combinados corroen y erosionan en gran manera el metal. En el mejoramiento de las características del motor era lógico que el adelanto en la tecnología de los carburantes, como medio para conseguir relaciones de compresión más altas y en su consecuencia una: mayor potencia del motor, trajera consigo problemas para los fabricantes de bujías de encendido, El advenimiento del tetraetilo ( ya en desuso), por ejemplo, fue muy desfavorable pues aumentó los productos que durante la combustión atacaban tanto al aislante como a los electrodos.

Las ventajas del tetraetilo eran tan grandes que no por perjudicar a las bujías iba a desistiese de ellas y así, día a día, ha ido aumentando la proporción de tetraetilo mezclado a la gasolina. En los primeros tiempos de las bujías, estaban éstas dotadas de aislantes de porcelana con electrodos de níquel. La porcelana pose' resistencia térmica y mecánica y, relativamente poca conductibilidad del calor.

Al aumentar la potencia de los motores estos defectos se presenta- ron como un handicap definitivo que requería un cambio radical. El primer adelanto lo constituyó la introducción de la mica.

Las características de diseño empleadas con este material produjeron una bujía robusta, de alta resistencia mecánica, con electrodos de sección 'ancha que se enfriaban bien y poseían una larga vida.

La bujía con aislante de cerámica tuvo una gran popularidad y pareció haber resuelto totalmente el problema. Así fue en los antiguos motores, pero con el advenimiento del tetraetilo se planteó una nueva cuestión. La mica y el níquel eran atacados por él y la larga vida, que era una de las características de las bujías, se redujo considerablemente.

Y lo que es más: Estos repentinos fracasos llevaban consigo la frecuente rotura del aislante y del electrodo. Se tuvo que investigar nuevamente y buscar nuevas soluciones. Apareció una familia de materiales aislantes basados en óxidos metálicos.

puros de aluminio y magnesio, partiendo de las primeras materias industriales. Y además el prensado a gran presión dentro de sólidos moldes para darles la forma adecuada y el calentamiento a temperaturas superiores a la de la fusión del acero para lograr la vitrificación de la masa cristalina que constituye los robustos aisladores actuales.

Para formar los electrodos que requerían las nuevas bujías tuvieron que adicionarse al níquel pequeñas porciones de otros elementos. Primeramente fue usado el manganeso que resistía mucho las altas temperaturas y a los ataques químicos; más tarde una adición de silicio produjo mejores resultados.

Se probaron algunos aceros de alta resistencia al calor,pero el níquel aleado resultó ser mejor para los usos del automovilismo normal, pues en las competiciones deportivas se usaban con gran éxito aleaciones a base de platino.Las figuras 8 y 9 ilustran el resultado del ataque a que están sometidos los electrodos en los modernos motores de alto rendimiento, usándose para ello las gasolina mejoradas a que hacíamos mención.

El mejor comportamiento de las aleaciones de níquel indicadas, tras un largo recorrido de kilómetros es bien notorio en la figura 9.

En fin, basta con lo dicho para que el lector pueda darse perfectacuenta de los problemas que una bujía debe estar facultada para vencer durante el funcionamiento del motor.