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Culata: descripción, tipos y cámara de combustión

1 Descripción de la culata

Es la parte superior del motor que cierra los cilindros. Se une al bloque mediante tornillos y para hacer estanca la unión se intercala la junta de culata.
Es una pieza compleja en cuanto a fabricación y diseño ya que pose una elevada resistencia a pesar de su forma irregular y contiene cantidad de conductos, orificios y talados roscados.
En ella se forma las cámaras de combustión, las cámaras para el líquido refrigeración y los conductos de admisión y escape.

1.1 Características

Robustez: resistir altas presiones que se producen durante la combustión y la corrosión de productos químicos al quemarse el combustible.
Estanquidad: en su unión al bloque, fijación de bujías o inyectores, en las válvulas o en los asientos o guías.Fundamental para el rendimiento del motor
Eficacia en el intercambio de gases: permite el llenado correcto del cilindro y la evacuación de los gases quemados mediante el dimensionado y la orientación adecuada de los conductos.
Conductividad térmica: adaptada para mantenerse en esta zona a la temperatura convenite. Exceso de calor: una detonación antes y producir daños en la válvula de escape. Enfriamiento: empeora la gasificación de la mezcla cediendo gran cantidad de calor en los procesos de compresión y combustión, obteniendo una combustión incompleta.

1.2 Fijación de la culata

Los tornillos de fijación han de soportar esfuerzos superiores a las presiones máximas que origina la combustión. Deben ser como mínimo cuatro por cilindro de tal forma que la presión sea repartida uniformemente.
Los tornillos de hoy en día son sometidos a una presión superior a su limite de elasticidad, sufriendo un ligero alargamiento logrando un apriete mejor, obligatorio cambiarlos cada vez que se sueltan.
El apriete se efectúa con una llave dinamométrica capaz de medir los par de torsión aplicado sobre el tornillo, o bien un apriete angular que consiste en aplicar a cada tornillo un determinado ángulo de giro, se realiza según día el fabricante.

2 Tipos de culata

Se fabrica mediante fundación en molde. La superficie de cierre con el bloque como la zona de fijación de los colectores son mecanizados para obtener un buen acabado superficial que garantice la estanquidad.

2.1 Materiales de fabricación

Aleación de aluminio: compuesta de aluminio, silicio y magnesio. Ofrecen buena resistencia, peso reducido y gran conductividad térmica… permite alcanzar rápidamente una temperatura de funcionamiento y facilidad de refrigeración, propensa a las deformaciones y el precio es más elevado.
Hierro fundido: compuesta por aleación de hierro, cromo y níquel, gran resistencia mecánica y térmica, características son la robustez y la resistencia a la deformación.

2.2 Refrigeración de la culata

Refrigeración por líquido: es el sistema más común en los motores de 4 tiempos, el líquido circula por unos conductos próximos a la cámara de combustión para mantener la temperatura dentro de unos límites permisivos.
Refrigeración por aire: se construye con aleación de aluminio y va provista de aletas que aumentan la superficie de contacto con el aire refrigerante par evacuar el calor. Es de una fabricación sencilla y económica, pero la estabilidad térmica es más irregular y corre más riesgo de calentamiento excesivo. Motores de dos tiempos.

3 Cámara de combustión

Es el espacio que se forma entre la cabeza del pistón cuando esta en PMS y la culata. En este espacio se comprime el gas y se lleva acabo la combustión. Se construye generalmente en la culata y en ella se alojan las válvulas de admisión y escape, la bujía o el inyector Diesel. La forma de la cámara y su volumen influyen decisivamente en el rendimiento del motor. En algunos motores se construye la cámara sobre la cabeza del pistón (Herón y diesel directos), en este caso la culata es plana y las válvulas quedan a muy poca distancia del pistón.

3.1 Cámara de combustión para motores OTTO

La bujía provoca una chispa que inflama la llama que esta debe de ser uniforme y rápido, para conseguirlo las cámaras deben reunir unas características:
Mínimo recorrido del frente de la llama: cámara compacta con poca superficie en relación a volumen.
Combustión rápida: se consigue con una gran turbulencia y corto recorrido del frente de la llama.
Alta turbulencia: movimiento rápido de la masa gaseosa aumenta la homogeneidad de la mezcla por tanto su velocidad.
Resistencia a la detonación: evitando las partes calientes, así como las zonas de acumulación de carbonilla.
Cámara semiesférica: es la ideal, su mínima superficie con relación a su volumen y su buena turbulencia, la bujía situada en el centro permiten que el frente de llama se desplace rápidamente y uniformemente actuando sobre la cabeza del pistón. No siempre se pueden conseguir en la práctica, en los motores Otto esta muy condicionada por la posición de las válvulas y la bujía.
Cámara hemisférica: características muy parecidas a la ideal, pequeña y pocas pérdidas térmicas, las válvulas disponen a los lados formando un ángulo de entre 20 y 60 grados lo que favorece la entrada y salida de gases, proporcionando amplio espacio para las válvulas, la bujía va en el centro. Actualmente… permiten el montaje de 4 válvulas por cilindro
Cámara de cuña: buena resistencia a la detonación y reducida superficie interior. La forma de cuña permite la acumulación de mezcla alrededor de la bujía lo que origina un buen frente de llama. Ofrece buen rendimiento pero menor que la hemisférica.
Cámara de bañera: se puede conseguir un buen alanzado de válvulas, pero el diámetro de estas que muy reducido por la falta de espacio y el recorrido del frente es excesivamente largo. Poco utilizada debido a su bajo rendimiento
Cámara en el pistón (Herón): la culata es plana ya que la cámara de combustión se encuentra en la cabeza del pistón, la forma de la cámara crea una fuerte turbulencia durante la compresión. Se consigue una mezcla muy homogénea que permite utilizar elevadas relaciones de compresión y empobrecer ligeramente la mezcla.
Cámara de inyección directa: se emplean cámaras de combustión cuya parte superior es de tipo hemisférico convencional. Lo característico es la forma de la cabeza del pistón. En ciertas fases trabaja con mezclas pobres y para conseguirlas se sirve de unos deflectores en el pistón cuya forma orienta un torbellino de gas y dirige el combustible inyectado de manera que se concentra una mezcla rica en torno a la bujía y una pobre en la periferia.

3.2 Cámara de combustión para motores Diesel

Es provocada por la inyección de combustible a presión que penetra finamente pulverizado en el aire calentado por la fuerte compresión. La combustión se produce en todos los puntos donde llega el chorro de combustible y se propaga mientras dura la inyección.
·Motor diesel trabaja por autoencendido: requiere elevada temperatura del aire en la cama de combustible (600º) y elevada relación de compresión (15 y 22/1)
·Mezcla de aire y combustible se realiza dentro de la cámara: para homogenizar la mezcla y aportar el oxigeno necesario para quemar el combustible, es necesario provocar una gran turbulencia en el aire comprimido.
Las cámaras que se aplican a los motores diesel son muy diversas dependiendo de las características del motor y del tipo de inyección.
Cámara de inyección directa: se realiza directamente en la cámara principal, que va situada sobre la cabeza del pistón y generalmente adopta forma torica. Se utilizan inyectores de varios orificios con elevada presión de inyección (1500bares motores rápidos) con el fin de conseguir buena penetración del aire comprimido. La turbulencia que adquiere el gas en la admisión se intensifica durante la compresión debido a su forma toroidal de la cámara. Bajo consumo y combustible.
Cámara de combustible auxiliar: la inyección se realiza en una cámara auxiliar o precámara unida a la principal por un estrechamiento cuya misión es provocar una gran turbulencia con el paso del fluido. Se fabrica en acero especial con montaje postizo sobre la culata en una zona poco refigurada para evitar perdidas de calor. Depende del alto grado de turbulencia y no tanto del sistema de inyección por lo que se usa inyectores de un solo orificio con presiones entre 100 y 140 bares. La relación de compresión es mas alta (18 a 22/1). Suaviza el funcionamiento del motor pero aumenta el consumo, para el arranque en frio es necesario elevar la temperatura de la cama con los calentadores.
Cámara de precombustión: ocupa 1/3 del volumen de la cámara de combustión, esta comunicada con la cámara principal mediante unos orificios calibrados y orientados hacia la cabeza del pistón, que también lleva tallada una cavidad. El aire comprimido en la precamara aporta el suficiente oxigeno para que comience la combustión, de modo que crea una sobrepresión que explosa los gases inflamados por los orificios calibrados a gran velocidad.
Cámara de turbulencia: ocupa entre el 60 y 90% del volumen total de la cámara de combustión. La comunicación entre las dos cámaras se hace mediante un canal de sección relativamente grande. Durante la compresión y su paso por este canal adquiere una elevada turbulencia dentro de la cámara con forma esférica. El combustible se inyecta en este torbellino provocando la combustión.
La diferencia entre los dos tipos de cámaras esta en la forma en la que se produce la turbulencia. En la cámara de precompresion se obtiene la combustión y ser expulsados los gases a través de los orificios, mientras que en la cámara de la turbulencia se consigue dúrate la compresión.

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