Calentadores
Conceptos básicos
El motor diésel
Los ciclos de combustión de un motor diésel son similares a los de un motor de gasolina. Sin embargo, para encender la mezcla aire-combustible no hacen falta bujías.
La razón es que los motores diésel funcionan por autoencendido. El aire ambiente accede al cilindro mediante el movimiento hacia abajo del émbolo; luego, el émbolo comprime el aire al regresar al punto muerto superior. En este proceso, la relación de compresión puede llegar a ser de 25:1.
Debido a esta compresión, la temperatura del aire ambiente asciende rápidamente y alcanza una temperatura de entre 700 ° C y 900 ° C. Si entonces se le añade combustible, la mezcla se inflama automáticamente, cuando el aire calentado aumenta la temperatura del combustible inyectado hasta el punto de autoencendido. El motor diésel también recibe el nombre de motor de encendido por compresión.
Requisitos
El precalentamiento
Para garantizar el arranque en frío, especialmente a baja temperatura ambiente, los motores diésel necesitan bujías.
La razón es que, al intentar arrancar el motor, todos los componentes se habrán enfriado considerablemente. Al comprimirse el aire aspirado, las paredes del cilindro, los émbolos y las válvulas, que están fríos, extraen parte de la energía térmica del aire ambiente, ya frío de por sí. De ahí que la temperatura necesaria para una combustión espontánea estable no pueda alcanzarse sólo por medio de la compresión del aire.
Aquí es donde interviene la bujía. Se monta en la culata, para que el tubo de la bujía se proyecte hacia la cámara de combustión. En cuanto recibe el voltaje suficiente, la bujía se calienta; según el tipo de bujía, puede superar los 1000 °C. Como resultado, la temperatura de la cámara de combustión aumenta lo suficiente como para que se produzca la combustión espontánea. El resultado es un buen rendimiento en el arranque, así como la reducción del humo de escape y otras emisiones no deseadas. Este proceso, que tiene lugar antes del arranque del motor propiamente dicho, también se denomina «precalentamiento».
Estructura
Bujías metálicas y cerámicas
La tecnología de bujías puede dividirse en dos grandes categorías: las recubiertas de metal y las cerámicas.
Una espiral calentadora con el revestimiento metálico protector de una bujía metálica genera el calor necesario. Las bujías cerámicas, en cambio, no necesitan revestimiento metálico. El elemento calefactor está revestido de una cerámica especial, nitruro de silicio.
Las bujías cerámicas se calientan antes que las metálicas. Además, pueden alcanzar temperaturas de funcionamiento más elevadas durante más tiempo. Asimismo, son más compactas. Estas características son especialmente prácticas en los motores de hoy en día.
Calentador con vaina metálica
Vista de 360° de un calentador metálico
El calentador metálico autorregulado (SRM, en sus siglas en inglés) es uno de los tipos de calentador más utilizados.
Espiral calentadora
La espiral de los calentadores metálicos autorregulados está hecha de una aleación metálica especial. Al aplicar voltaje al calentador, se genera una zona de calor concentrada en el extremo del revestimiento metálico, por lo que su entorno se calienta.
Mediante el uso de distintas configuraciones de diámetros y longitudes de hilo, puede ajustarse el rendimiento térmico, lo que influirá en la velocidad de encendido del calentador y las temperaturas que puede alcanzar.
Espiral reguladora
La espiral de control o reguladora se suelda en serie con el electrodo central portador de corriente y la espiral calentadora. Al aumentar de temperatura, la resistencia eléctrica de la espiral reguladora también aumenta, por lo que se reduce la intensidad de corriente que llega a la espiral calentadora. Este mecanismo supone un medio de control dependiente de la temperatura del calentador.
Caja metálica
La caja metálica del calentador representa el polo eléctrico negativo (conexión de tierra).
Polvo aislante
Las espirales del interior del tubo de incandescencia están estrechamente dispuestas en un polvo especial, óxido de magnesio. El óxido de magnesio es un aislante eléctrico y a la vez un conductor de calor excelente. El material aislante desempeña dos importantes funciones: protege las espirales de los impactos mecánicos y de las grandes vibraciones que provoca el proceso de combustión. Asimismo, aporta una transmisión óptima del calor generado al revestimiento y, por ende, al entorno.
Electrodo central
El voltaje de batería se aplica a las espirales a través del sólido electrodo central.
Terminal de conexión
El voltaje de batería se aplica al terminal de conexión. Este puede ser un borne roscado compatible con un conector fijado con tuerca, o bien un borne no roscado compatible con un conector a presión.
Tubo incandescente
El tubo de calentador con revestimiento metálico está hecho de una aleación termorresistente, como el acero inoxidable o el inconel. Junto con el polvo de embalaje, sirve para garantizar que las espirales del interior no estén directamente expuestas a los gases de combustión ni a las ondas de choque que generan los gases, de rápida expansión, durante el proceso de combustión.
Rosca
En los calentadores de buena calidad, la rosca siempre se enrolla y nunca se corta. Gracias a este sistema de fabricación, se obtienen roscas rápidas y precisas, lo que descarta la posibilidad de daños en el ánima del calentador, en la culata.
Aislante
El aislante separa la parte eléctrica positiva (terminal de conexión) de la negativa (caja metálica) del calentador.
Calentador cerámico
Vista de 360° de un calentador con tubo de cerámica
Vista de 360° de un calentador con tubo de cerámica
Espiral calentadora
A diferencia de los calentadores metálicos, los calentadores de cerámica utilizan un elemento calentador de cerámica.
Rosca
En los calentadores de buena calidad, la rosca siempre se enrolla y nunca se corta. Gracias a este sistema de fabricación, se obtienen roscas rápidas y precisas, lo que descarta la posibilidad de daños en el orificio del calentador, en la culata.
Aislante
El aislante separa la parte eléctrica positiva (terminal de conexión) de la negativa (caja metálica) del calentador.
Alojamiento de cerámica
La espiral calentadora o el elemento calentador del calentador cerámico está revestido de un material cerámico de alto rendimiento: nitruro de silicio. Protege la espiral de las temperaturas elevadas y las vibraciones generadas por el proceso de combustión. Asimismo, es un conductor térmico excelente, gracias al cual la energía térmica de la espiral se libera rápidamente en la cámara de combustión.
Caja metálica
La caja metálica del calentador representa el polo eléctrico negativo (conexión de tierra).
Asiento cónico
El asiento cónico aporta un sellado al vacío hermético simple —pero eficaz— de la cámara de combustión, sin necesidad de obturadores u otros dispositivos. Además, gracias a su forma compacta, el tamaño del orificio puede reducirse al mínimo.
Asimismo, las caras puntiagudas aportan una puesta a tierra (suelo) excelente.
Electrodo central
El voltaje de batería se aplica a las espirales a través del sólido electrodo central.
Terminal de conexión
El voltaje de batería se aplica al terminal de conexión. Este puede ser un borne roscado compatible con un conector fijado con tuerca, o bien un borne no roscado compatible con un conector a presión.
Anillo de contacto
El anillo de contacto proporciona la conexión electrónica en el punto de encuentro entre el electrodo central y el elemento calentador.
Requisitos especiales
Requisitos especiales
Hace años que no dejan de desarrollarse nuevos calentadores para responder a las necesidades de los conductores y cumplir con la legislación ambiental. En la actualidad, el tiempo de precalentamiento de los calentadores es prácticamente indetectable; el proceso de arranque de los motores diésel actuales es casi el mismo que el de los de gasolina.
Con respecto a protección del medio ambiente, las exigencias en cuanto a calentadores han aumentado de un modo similar. Para cumplir las normas de emisión europeas actuales (Euro 5), los calentadores deben permanecer incandescentes durante los primeros kilómetros de conducción, hasta que el motor haya alcanzado la temperatura operativa.
Por medio de esta estrategia, se garantiza un funcionamiento eficaz del motor, así como unos niveles muy inferiores de emisiones nocivas. La emisión de humo azul y blanco se reduce hasta un 50 por ciento.
Otra estrategia adoptada por la industria automovilística es la «incandescencia intermitente». Los calentadores se alimentan en determinadas condiciones de conducción, incluso con el motor caliente, para contribuir a la fase de regeneración del filtro de partículas diésel (FPD).
Bujías NGK SPARK PLUG
Tipos de calentadores NGK
Hay varios tipos de calentadores que mejoran la calidad de la combustión de distintas formas. Este es un resumen.
Clentadores revestidas estándar
Los calentadores metalizadas estándar contienen una sola espiral calentadora.
La resistencia eléctrica de esta espiral no cambia mucho al aumentar la temperatura, así que el consumo de corriente de este tipo de calentador es constante. Por lo general, este calentador se controla mediante la aplicación de voltaje a través de una unidad de temporización externa, o bien manualmente.
Estos calentadores alcanzan una temperatura operativa de 800 °C en 20 - 25 segundos.
Calentadores revestidas de calentamiento rápido
Los calentadores revestidas de calentamiento rápido también llevan una sola espiral calentadora. Sin embargo, la resistencia eléctrica de la espiral calentadora cambia según la temperatura. Al aplicar el voltaje, la resistencia es poca, por lo que puede circular una gran cantidad de corriente por la espiral calentadora, con lo que la temperatura aumenta más rápido que en un calentador estándar.
De este modo, se reduce el tiempo de precalentamiento requerido.
Al aumentar la temperatura, la resistencia eléctrica aumenta, con lo que la intensidad de corriente disminuye.
Estos calentadores alcanzan una temperatura operativa de 800 °C en 13 - 17 segundos.
Calentadores metalizadas QGS
QGS significa sistema de calentamiento rápido. Hay dos tipos de calentadores QGS no intercambiables: las de una espiral y las de doble espiral. Las primeras llevan una espiral calentadora diseñada para admitir una intensidad de corriente muy elevada. Las segundas tienen una espiral calentadora y una espiral reguladora que incrementa su resistencia al subir la temperatura.<br>Así, la intensidad de corriente se controla hasta cierto punto, lo que supone protección frente al sobrecalentamiento del calentador. Ambos tipos de calentadores sólo pueden usarse con unidades de control QGS especialmente diseñadas, que regulan estrictamente el funcionamiento de los calentadores.
Todos los calentadores metalizadas QGS se calientan muy deprisa y alcanzan temperaturas de unos 900 °C en 6 - 10 segundos.
Calentadores metalizados autorregulables
Estos calentadores son especialmente adecuadas para motores que requieren la función de postcalentamiento. Los calentadores metalizadas autorregulables (también llamadas «calentadores SRM») contienen una espiral calentadora y una espiral reguladora que aumentan la resistencia al subir la temperatura. Debido a las propiedades electrónicas especiales de estas espirales, los calentadores SRM proporciona un tiempo de calentamiento muy rápido y controla la temperatura final de modo autónomo. A pesar de necesitar poco control externo, este sistema de precalentamiento aporta un buen rendimiento térmico anterior y posterior, además de una larga vida útil.
Por lo general, los calentadores SRM alcanzan los 900 °C en 4 segundos.
Calentadores revestidos AQGS
Esta gran novedad en los modelos QGS también lleva una espiral calentadora y una espiral reguladora. La espiral calentadora se calienta muy rápidamente. El diámetro del tubo incandescente de los calentadores AQGS, de 3,5 mm, es mucho menor que el de los calentadores metalizadas. En consecuencia, las condiciones de combustión de la mezcla diésel/aire son muy estables. Además, se reducen drásticamente las emisiones durante la fase de calentamiento, mucho antes de alcanzarse la temperatura óptima de funcionamiento del motor. También disponen de una función de postcalentamiento prolongada. Es fundamental contar con una estricta modulación de impulsos en duración (MID) mediante una unidad de control electrónica (UCE).
Los calentadores revestidas AQGS pueden alcanzar los 1.000 °C en tan solo 2 segundos.
Calentadores de cerámica autorregulables
Los calentadores de cerámica autorregulables (también llamadas «calentadores SRC») disponen de una espiral calentadora y una espiral reguladora de la resistencia similares a las de los calentadores metalizados SRM. Con estos calentadores, el calentamiento es muy rápido. Además, proporcionan un grado elevado de control del flujo de corriente que regula la temperatura final. Gracias a este nivel de regulación autónoma, este calentadores requiere poco control externo.
Por lo general, los calentadores SRC superan los 1100 °C en 3 segundos y luego reducen la temperatura independientemente hasta por debajo de los 1000 °C.
Nuevo calentador cerámico de alta temperatura
La nuevo calentador cerámico de alta temperatura (NHTC), lo mejor en cuanto a rendimiento térmico y durabilidad, lleva un elemento calefactor cerámico conductor. Alcanza una temperatura operativa de 1000 °C en 2 segundos y puede funcionar en postcalentamiento a 1350 °C, en periodos de más de 10 minutos. Tiene unos tiempos de precalentamiento rapidísimos, por lo que ya no se requiere la fase de preincandescencia, aunque la temperatura ambiente sea muy baja. Con un tiempo inferior de ventilación del motor, las emisiones de HC y CO son menores, incluso antes de arrancar el motor. Las temperaturas más elevadas alcanzadas durante el postcalentamiento generan unas condiciones de combustión más estables, una mayor calidad de ralentí y una reducción en las emisiones. El funcionamiento con «encendido intermitente», en que los calentadores se alimentan bajo determinadas condiciones de conducción, incluso con el motor caliente, interviene en la fase de regeneración del filtro de partículas diésel (FPD). Además, gracias a estas características, los motores diésel modernos pueden cumplir las condiciones, particularmente exigentes, de la normativa actual de emisiones.
Los calentadores NHTC alcanzan los 1000 °C en 2 segundos, con una temperatura máxima regulada de 1350 °C.
Instalación
El par de apriete adecuado
Para montar profesionalmente una bujía, se recomienda el uso de una llave dinamométrica, ya que es casi imposible calcular el par de apriete correcto, incluso para un técnico profesional.
La razón es que el par de apriete se calcula multiplicando dos valores entre sí: la fuerza aplicada y la distancia desde la que dicha fuerza se aplica en relación al centro de giro.
Si una bujía no está lo suficientemente apretada, es posible que haya fugas de gas. Además, al no estar bien fijada, la bujía puede estar sometida a vibraciones elevadas, que podrían generar daños, sobre todo en los componentes de cerámica.
Un par de apriete excesivo puede ejercer demasiada tensión sobre la caja metálica, que podría fallar al instalarla o al retirarla. Otro riesgo menos evidente es el de distorsión de la caja metálica, que reduce el espacio anular entre el tubo metálico y el alojamiento. Como consecuencia, puede enfriarse la espiral reguladora, con lo que habrá un flujo de corriente excesivo en la espiral calentadora y una avería prematura.
Resumen sobre los pares de apriete
El par de apriete de un calentador depende de las dimensiones de la rosca de la caja metálica y, si procede, de la rosca del terminal de conexión.
Consulte siempre las instrucciones de montaje del fabricante del vehículo.
Extracción de carbonilla con escariador
Según el diseño, hay motores diésel que tienden a generar carbonilla, en torno al tubo incandescente. En este caso, siempre que se cambien las bujías, el orificio de estas debe limpiarse con una herramienta especial. De lo contrario, la espiral reguladora podría sobreenfriarse, por lo que el flujo de corriente hacia la espiral calentadora sería excesivo y se producirían averías prematuras.
Se recomienda encarecidamente el uso de escariadores Hazet adecuados, desarrollados en colaboración con NGK SPARK PLUG:
- Elija el escariador apropiado según el número de componente de los calentadores.
- Engrase los filos del escariador.
- Atornille el escariador manualmente en la culata (sin llave).
- Desatornille el escariador y límpielo a fondo.
Vídeo
Montaje de un calentador
Diagnóstico
Diagnóstico
El aspecto de un calentador puede darnos pistas sobre las posibles causas del daño. Estos son los defectos más habituales y la información que nos proporcionan.
Daños por sobrecalentamiento.
La rotura por sobrecalentamiento indica que el patrón de atomización del combustible inyectado no es el adecuado, o bien que el momento de inyección es incorrecto. El desgaste en las juntas de los émbolos y las guías de las válvulas puede provocar la acumulación excesiva de aceite lubricante en la cámara de combustión, lo que genera un sobrecalentamiento anormal y, por lo tanto, daños en el tubo incandescente.
Daños por sobrevoltaje / Rotura de la espiral calentadora.
Los daños por sobrevoltaje se producen al instalar un calentador incorrecta (p. ej., de 12 V en vez de 24 V). También puede ser que la unidad de control sea defectuosa y permita aplicar un voltaje excesivo o durante demasiado tiempo. Debe comprobarse el estado de la unidad de control y el alternador.
Rotura de la caja o el terminal de conexión.
El uso de un par de apriete incorrecto o una mala utilización de las herramientas puede causar daños en la caja metálica o el terminal.
Rotura de la caja o el terminal de conexión.
El uso de un par de apriete incorrecto o una mala utilización de las herramientas puede causar daños en la caja metálica o el terminal.
Rotura del tubo incandescente.
Normalmente, la provocan unas condiciones de combustión anormales, derivadas de un momento de inyección incorrecto, un patrón de atomización inadecuado o a un mal ajuste de la velocidad de flujo, lo que genera un exceso de turbulencias, ondas de choque y características térmicas anormales.
Daños / rotura por sobrecalentamiento.
La rotura por sobrecalentamiento indica que el patrón de atomización del combustible inyectado no es el adecuado, o bien que el momento de inyección es incorrecto. El desgaste en las juntas de los émbolos y las guías de las válvulas puede provocar la acumulación excesiva de aceite lubricante en la cámara de combustión, lo que genera un sobrecalentamiento anormal y, por lo tanto, daños en el tubo incandescente.
Daños por sobrevoltaje.
El uso de un calentador incorrecto (p. ej., de 12 V en vez de 24 V) puede hinchar o fundir el tubo incandescente. También puede ser que la unidad de control sea defectuosa y permita aplicar un voltaje excesivo o durante demasiado tiempo. Debe comprobarse el estado de la unidad de control y el alternador.
