domingo, 31 de julio de 2016

La bujía, la chispa del motor

La bujía es una parte esencial en el funcionamiento de un motor de combustión interna. Sin su presencia no podría inflamarse la mezcla de combustible y aire que entra por el carburador, o es inyectada por una bomba. Pero, ¿los lectores conocen su historia, los materiales con que está confeccionada y sus principales características? Hoy sabrán un poco más de las bujías.

Esquema con los componentes de una bujía moderna.


Nos tenemos que remontar al año 1777 cuando Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, el inventor de la pila eléctrica, realizó un experimento con una pistola de juguete. Cargó dicha pistola con una mezcla de metano y aire. Luego obturó el caño y encendió la mezcla con una chispa de una botella de Leyden (es una botella de vidrio que se comporta como un condensador, donde se almacenan cargas eléctricas).

Al producirse la explosión el tapón de la pistola de juguete salió disparado. No sé si Volta fue consciente que había realizado los principios básicos para el desarrollo del motor de combustión interna casi un siglo antes que este existiera.

Pero para tener un símil de las bujías actuales hubo que esperar casi 100 años cuando el ingeniero belga Jean Joseph Étienne Lenoir, en el año 1860, patenta un motor de su invención. El sistema de encendido constaba de un elemento que cumplía con los tres requisitos de una bujía: aislante, electrodo y cuerpo metálico, todo reunido en un solo conjunto.

Distintas bujías del pasado que usaron los automóviles.
Pero no fue en ese año donde los motores comenzaron a usar bujías. Todo lo contrario se siguió usando el sistema de encendido por mechero en los motores estacionarios y en los primeros automóviles, o carruajes sin caballos. El grave inconveniente para el uso de la bujía en aquellos años de la segunda mitad del siglo XIX era la falta de un buen generador de electricidad.

Ahora cuando se logró contar con un buen generador de electricidad apareció otro problema: el voltaje demasiado elevado. Pero lo que retrasó el uso de la bujía, en los motores de combustión interna, fue que durante varios años los constructores de los primeros automóviles no se pusieron de acuerdo en el tipo de motor a usar.

En aquellos años de finales del siglo XIX y principios del XX había automóviles con motores movidos a vapor, a electricidad y de explosión. Hay que aclarar que los de explosión también incluye a los de gas, en especial en los motores estacionarios, y de mucho menor uso en vehículos autopropulsado. Aunque hubo vehículos de carga y ómnibus movidos a gas, pero no tanto en automóviles.

Los diferentes componentes de una bujía a 
lo largo de su fase de construcción. 
El problema que se presentó al fabricar las primeras bujías era el material para construir el aislante. Se usó, primero, vidrio. También se intentó con mica y con sustancias similares. Pero luego de pocos centenares de kilómetros recorridos los aislantes se agrietaban por el calor, el alto voltaje, la presión y las reiteradas vibraciones de los primitivos motores.

Al producirse grietas se alteraba la estanquidad de las juntas con la consiguiente fuga de electricidad y traía una falla en el motor de combustión interna. Se pasó a usar porcelana como aislante en los albores del siglo XX. Esta fue una solución por varios años. Para ese momento ya habían aparecido las marcas que aún perduran en la fabricación de bujías como Bosch, Zenith y Oleo en Europa, o Champion en Estados Unidos.

Por un tiempo se resolvió el tema de la fragilidad del aislante de la bujía con el uso de la porcelana. Pero existía otro inconveniente: los residuos aceitosos del carburante utilizado. Esto ocasionaba que se ensuciaran las superficies internas de las bujías lo que provocaba falta de encendido o irregularidad en su funcionamiento.

Los dos tipos de bujías: frías y calientes.
Entonces se fabricaron bujías desmontables, con cebador, con láminas refrigerantes y con más de un electrodo. En una de las ilustraciones de esta nota histórica pueden apreciar algunas de las bujías que se usaron en el pasado de la industria automotriz mundial.

Con la aparición de la aviación en el siglo XX es que se mejora la fabricación de los electrodos para lograr un mejor encendido del motor. A su vez la porcelana demostró ser un aislante demasiado frágil y se lo reemplazó por la esteatita, por el corindón sinterizado y por la sillimanita. Esto fue un gran avance en la fabricación de bujías de larga duración.

Las bujías actuales están constituidas por tres partes fundamentales: el aislante, el cuerpo metálico y los electrodos. Todo esto se une con selladores especiales que resisten las condiciones de temperatura, presión y vibración.

Una bujía de termopar que sirve para establecer
el grado térmico de una bujía, ya que mide
la temperatura de funcionamiento.
El aislante tiene dos funciones a cumplir. La primera que la alta tensión producida por el sistema de encendido se extienda a lo largo del electrodo sin desviaciones de ningún tipo. La segunda ser un buen conductor del calor producido por la combustión, sino se vería afectado el electrodo dañándolo.

La corriente eléctrica que circula por el electrodo es de 30.000 volts y la temperatura está comprendida en un rango de -46ºC a 930ºC. Además el aislante debe tener buena cualidad de aislamiento térmico y eléctrico. También tiene que presentar resistencia mecánica por soportar presiones de la cámara de explosión de 60 atmósferas. La otra cualidad es presentar resistencia los efectos de los aditivos de los combustibles como al agrietamiento por los cambios bruscos de temperatura.

Las mejores marcas de bujías garantizan de pasar de -75ºC, en hielo seco, al calor rojo en pocos segundos y sin perder la dureza. Esta se encuentra en el grado 9 de la escala de Mohs que establece grado 10 para el diamante.

Esquema de la ubicación y funcionamiento de una bujía moderna.
Los materiales para la fabricación del aislante de las bujías son la sillimanita, la alúmina pura o aleada, la esteatita y la mullita (compuesto de alúmina y sillimanita). La fabricación es mediante sistemas de inyección o extrusión que luego es torneado y se lleva a cocción en horno donde se reduce un 20% sus dimensiones. Los nervios anulares que presentan los aislantes de algunas marcas de bujías son para evitar un corto circuito por la humedad o incrustaciones.

El cuerpo de la bujía es fabricado con aceros al azufre con un contenido medio de carbono y manganeso. Las fábricas reciben de sus proveedores barras octogonales que se cortan en trozos que se pasan a mecanizar. En los años setenta se pasó a usar la técnica de extrusión en prensas de estampado en frío. Lo único que no se mecaniza en este proceso es la rosca externa.

Los electrodos de masa se someten a un acabado anticorrosivo que puede ser del tipo bruñido, cadmiado o cincado lo que impide la oxidación durante el almacenamiento y su uso. El material del electrodo es una aleación de níquel que varía según la aplicación que tendrá la bujía. En algunas bujías determinadas según el uso especial se usan aleaciones ligeras de metales nobles como plata, platino u oro-platino.

De arriba, abajo: bujía del tipo de competición
con el electrodo interno; bujía “surface gap” con
descarga anular y bujía de dos
electrodos usadas en motores Wankel.
Los selladores que se utilizan en las bujías están en estado de polvo o necesitan de un posterior tratamiento en horno. En las bujías se usan dos selladores. Uno se aplica entre el electrodo central y el aislante y el otro entre el aislante y el cuerpo metálico.

Estos selladores deben ser insensibles al calor, a la oxidación y a la corrosión. Además deben presentar un alto grado de resistencia eléctrica y no deben reaccionar químicamente con otros componentes de la bujía. Esto es para una retención hermética de los gases de combustión del motor. La arandela que tiene la rosca, en las bujías normales, cumple la función de retener los gases.

Tenemos dos tipos de bujías: las frías y las calientes. Las primeras tienen la punta del aislante relativamente más corta y transmite el calor hacia el circuito de refrigeración del motor en forma muy rápida. En cambio las calientes tienen la punta del aislante mucho más larga y transmite el calor hacia el exterior en forma lenta.

Cuadro comparativo del grado térmico de las
principales marcas de bujías en el mercado
.
Las bujías frías evitan el sobrecalentamiento de los motores en condiciones duras de trabajo o con un funcionamiento continuo en regímenes elevados. Las bujías calientes alcanzan altas temperaturas con lo cual logra quemar mejor los depósitos de la combustión. Estos depósitos podrían ensuciar la bujía durante una marcha prolongada del motor en ralentí (regulando) o a muy bajas revoluciones por minuto.

De ahí que existan motores, como los dos tiempos, que requieran del uso de los dos tipos de bujías según las condiciones de marcha del motor. Una norma SAE (Society of Automotive Engineers, Sociedad de Ingenieros Automotrices) establece el grado térmico de las bujías. Esto se logra mediante el uso de un  motor monocilíndrico de cuatro tiempos con una cilindrada de 288,6 centímetros cúbicos que funciona a 2.700 revoluciones por minuto, que tiene el avance y relación de compresión constantes.

El grado térmico se establece por la presión media obtenida en el punto por debajo del cual la bujía alcanza el preencendido. Así queda establecido ese grado térmico que se puede apreciar en una tabla que acompaña a esta nota. Donde están las principales marcas de bujías del mercado.

Las bujías que conocimos en esta nota son las que corresponden para los motores de 2 y 4 tiempos que usan como combustible la nafta. Distinta es la bujía de incandescencia que se usa en los motores diésel que se encarga de calentar la mezcla de aire y gasoil. Esta bujía actúa hasta que el motor diésel tomó la temperatura de régimen y luego deja de funcionar, a diferencia del motor naftero que siempre necesita de una chispa para producir la combustión.

Las fotografías que ilustran esta nota fueron tomadas de la Enciclopedia Salvat del Automóvil editada en España en el año 1974. Lo mismo se aplica para los gráficos, dibujos y el cuadro del grado térmico de las bujías.

Mauricio Uldane
Editor de Archivo de autos


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