CMARAS DE COMBUSTIN EC

La cmara de combustin es un espacio cerrado y formado por tres partes del motor: la culata, parte del cilindro (camisa), corona del pistn. La atomizacin del combustible y su mezcla con la carga de aire es eficiente y prcticamente no hay problema con la forma de la cmara de combustin para el motor de baja velocidad y media velocidad. Este nos es el caso para los motores de alta velocidad, ya que por una parte tenemos un pequeo desplazamiento del pistn y por otra es necesario una presin media efectiva alta, esto exige una mejor utilizacin del aire o pequeos excesos de aire, por lo que el diseo de la cmara de combustin se torn importante. Con esto en mente, se puede decir que las principales funciones de la cmara de combustin es: a) asistir y suplir al sistema de inyeccin en la preparacin de la carga, b) obtener una combustin eficiente de esta carga. Lo anterior establece que la cmara de combustin como el sistema de inyeccin son interdependientes, lo que significa que para un sistema de inyeccin habr una cmara de combustin, o lo inverso.

Movimiento del aire. El movimiento de aire generalmente conocido como turbulencia, ayuda a:

a) Distribuir el combustible b) Mezclar con el aire c) Asistir en la combustin d) Reducir la post-combustin

Se distinguen varios tipos de movimiento de aire. a) Helicoidal (swirl), que se inicia durante el evento de admisin o en el barrido b) Turbulencia, creado por el pistn durante la compresin si se usa una cmara de

combustin del tipo dividida. c) El aplastamiento (squish), flujo de aire de la periferia al centro del cilindro, ocurre

cerca del trmino de la compresin. d) Circular (tumble), en la taza de la corona del pistn. e) Turbulento, durante la combustin por a) cmara de pre combustin, b) celda de

aire, c) celda de energa.

El diseo apropiado de la cmara de combustin en el motor EC es de vital importancia. Como se sabe, el aire se comprime en el cilindro y el combustible es inyectado durante un periodo de 25 a 35 de ngulo de manivela. En este periodo de tiempo el combustible y aire se deben mezclar. Es por esta razn que la cmara de combustin debe ser diseada para proveer la capacidad de mezclar el aire y combustible.

Los diseos de las cmaras se pueden clasificar en dos tipos. 1) No turbulentas 2) Turbulentas

Las cmaras no turbulentas: la mezcla del aire y combustible depende en menor grado de la turbulencia del aire creado por el diseo de la cmara. La mezcla se obtiene por medio de los orificios de la tobera y por la alta presin de inyeccin, de esta forma el combustible ingresa a la cmara a alta velocidad y es dispersada en la cmara de combustin. Las cmaras turbulentas; la presin del combustible es baja. La cmara de combustin est diseada para que produzca la turbulencia necesaria para producir mezcla. Cada una de estas cmaras tiene sus ventajas y desventajas. La turbulencia sin embargo produce ciertas causas desfavorables que sern discutidas en este punto. El aire turbulento barre cualquier capa de gas cerca de las paredes de la cmara de combustin. Al retirar este aislante incrementa la transferencia de calor de los gases quemados a las paredes de la cmara., reduciendo la temperatura de la cmara. Esta situacin es indeseable en especial para el arranque del motor para poder obtener la temperatura de compresin tan alta como posible para encender el combustible. Otro factor que tiene que ver con la transferencia de calor es la razn superficie /volumen S/V de la cmara de combustin. Si la superficie de la cmara crece, los gases estn expuestos a una mayor rea de enfriamiento. La cantidad de calor aadido para una carga dada y razn A/F dada depende de la cantidad de combustible inyectado. Para una cantidad de calor aadida, el volumen de la cmara de combustin es importante porque parte de este calor se pierde por las paredes de la cmara, la cantidad de calor que se pierde depende de la razn S/V. Si la razn S/V es grande mayor calor ser transferido a las paredes. La razn S/V por lo tanto es un indicativo de enfriamiento que se espera para una cmara de combustin dada. (La corona del embolo no se considera en el clculo de S/V, porque no provee de un camino directo de transferencia a la chaqueta de agua). Si tenemos las razones S/V de las cmaras de combustin simples de dos motores que tienen diferente dimetro, pero igual razn dimetro/carrera, y la misma razn de compresin. Se puede ver que el cilindro con el menor dimetro tiende a tener una razn S/V mayor, lo que indica que tiene mayor tendencia a perder calor por las paredes y por lo tanto a operar ms fra. Por este hecho, los motores de dimetro pequeos (que tienen razn S/V altas, son generalmente difciles de arrancar). Para vencer esta diferencia se usan dispositivos especiales en estos motores para elevar la temperatura del aire en la cmara hasta que el motor funcione. Un tapn...se usa generalmente, que es un elemento que calienta y esta instalado en la cmara de combustin, operado por corriente que proviene de una batera. Se pone en operacin 20 segundos antes de arrancar el motor y se apaga poco despus que arranca y la cmara esta caliente. Otro mtodo usado para calentar el aire es succionando la cmara de combustin temporalmente, incrementando la razn de compresin y produciendo altas temperaturas.

COMPARACIN DE DISEOS DE CMARA DE COMBUSTIN.

Hay una gran variedad de diseos de cmara de combustin, de estos tomaremos cuatro diseos especficos que tienen amplia aplicacin en los motores EC. Estos son: 1) Tipo No-Turbulento

a) Cmara abierta 2) Tipo turbulento

a) Cmara turbulenta

b) Pre -combustin c) Celda de energa

Tipo No-Turbulento.- La figura muestra el diseo comn de la cmara de combustin abierta que es la representativa del tipo no turbulento. El combustible es inyectado directamente sobre la parte superior del cilindro, que acta como cmara de combustin. Este tipo de cmara depende muy poco de la turbulencia para hacer efectiva la mezcla. Por lo tanto la prdida de calor por las paredes es relativamente pequea y permite un arranque fcil del motor. Para obtener una penetracin y disposicin adecuada del combustible para la mezcla con aire se usan toberas de orificio mltiple y alta presin de inyeccin. Para esto es necesario que los orificios sean muy pequeos con las consecuencias de posible taponamiento por la acumulacin de depsitos de carbn y altos costos de mantenimiento. Este tipo de cmara es usualmente empleado en motores de baja velocidad, donde la inyeccin ocupa un tiempo importante para la penetracin y disposicin entonces el retardo de la inyeccin es un factor menos importante, esto implica que se pueden usar combustibles mas pesados de menor costo con retardo de encendido largo. Si se quiere usar este tipo de cmara en motores de alta velocidad hay la posibilidad de golpeteo, entonces hay que disminuir el retardo del encendido. Para este caso el retardo del encendido es importante. Estas cmaras usadas en motores de baja velocidad implican adems que es necesario usar dimetros y carreras largas para una potencia dada, resultando en mayor razn peso/potencia. Como en estas cmaras hay poca turbulencia es necesario usar un exceso de aire considerable. Este exceso de aire hace que el motor se aproxime al desempeo de un ciclo de aire, produciendo alta eficiencia trmica indicada comparada con el motor que usa menos aire. Esta eficiencia trmica se cumple a expensas de la potencia producida (presin media efectiva baja). Actualmente ciertos motores son usados con cmaras de combustin abiertas con una predeterminada rotacin de aire, esta rotacin es producida por la cavidad encontrada en la corona del embolo, y la introduccin de flujo de aire direccional. El flujo de aire direccional se produce sea ... de vlvula de admisin y diseando una lumbrera tal que dirige el flujo de aire en ngulo recto al flujo del combustible, permitiendo as una mejor distribucin de combustible por la cmara. Esta forma de cmara de combustin mejora el desempeo del motor, permite operacin con velocidad variable y se incrementa la presin media efectiva comparada con la cmara tipo abierta.

Tipo Turbulenta.- La cmara turbulenta, pre-combustin, celda de energa, son variaciones del tipo de cmara turbulenta. a) En la Cmara Turbulenta el movimiento ascendente del embolo empuja el aire a la cmara anexa, impartiendo un movimiento rotativo de aire al pasar por la tobera tipo macho. El combustible es inyectado en este aire rotativo, para que se mezcle parcialmente con el aire y comience a operar. La presin que se crea en esta cmara anexa por lo gases operados empuja al combustible no quemado y la mezcla hacia la cmara principal, dndole mayor turbulencia y asistencia a la combustin.

b) Cmara de Pre-combustin.- El movimiento ascendente del embolo empuja a parte del aire a la cmara lateral llamada cmara de Pre-combustin. El combustible es inyectado en la pre-cmara por medio de una tobera tipo macho. La combustin del

combustible y aire produce alta presin en la pre-cmara empujando a la mezcla quemada y no quemada a la cmara principal produciendo alta turbulencia y una excelente mezcla y combustin.

c) La Celda de Energa. Es mas compleja que la pre-cmara, mientras el embolo viaja a la cmara de compresin, parte del aire es empujado hacia las cmaras mayo y menor de la celda de energa. Cuando el combustible es inyectado por la tobera de tipo macho parte del combustible pasa a travs de la cmara principal e ingresa a la celda menor donde se mezcla con el aire. La combustin se inicia en la cmara principal donde la temperatura es alta, pero la razn de encendido es baja, por la insuficiencia de mezcla de aire-combustible. La combustin de la celda menor es lenta al inicio, pero como hay mejor mezcla progresa a una razn ms rpida. La presin que se eleva a la celda menor empuja a los gases a la cmara principal, aadiendo turbulencia y mejorndola combustin en esta cmara. Mientras esto ocurre se esta elevando la presin en la celda mayor, que prolonga la accin del combustible que ingresa a la cmara principal, aadiendo turbulencia a la cmara principal.

Todas las cmaras del tipo turbulento tienden a exhibir las mismas caractersticas generales. Este tipo de cmara depende primeramente en la turbulencia para producir la mezcla requerida. Por este hecho las prdidas de calor por las paredes es alta y el arranque de estos motores es ms difcil. El sistema de inyeccin no opera a altas presiones. Adems la tobera tipo macho no es susceptible de taponarse y por lo tanto se reducen los problemas de mantenimiento. La cmara turbulenta no necesita de exceso de aire como la no turbulenta, porque tiene mayor facilidad de mezcla. Un exceso de aire en pequeas cantidades tiende a producir eficiencia trmica baja, aunque buenos resultados de presin media efectiva. La cmara turbulenta es aplicable para motores de velocidad variable, la que permite responder a los incrementos de combustible. Esto tambin se debe a que las cmaras anexas absorben el impacto inicial del pico de presin, aliviando al embolo de presiones extremas. En resumen el diseo de una cmara de combustin debe tomar en consideracin los siguientes factores: 1) Perdidas de calor a las paredes de la cmara 2) Presin de inyeccin 3) Diseo de la tobera, nmero, arreglo, tamao de los huecos 4) Mantenimiento 5) Facilidad de arranque 6) Combustible- usar combustible mas barato 7) Uso de aire- habilidad de usar la mxima cantidad de aire en el cilindro 8) Relacin de peso del motor a la potencia 9) Capacidad de operacin en la velocidad variable 10) Suavidad con que se transmite la fuerza por la expansin de los gases al embolo.