Daños de pistón por fallas de combustión
Fallas de combustión en motores de gasolina
La combustión de la mezcla de combustible y aire en el cilindro se realiza en un proceso predeterminado de manera exacta. Se inicia con las chispas de la bujía de encendido, justo antes del punto muerto superior. La llama se extiende partiendo de la bujía de encendido en forma circular y atraviesa la cámara de combustión con una velocidad de combustión en continua crecimiento de 5–30 m/s. De esta forma, la presión en la cámara de combustión aumenta y alcanza su valor máximo justo después del punto muerto superior. Sin embargo, este proceso normal de combustión puede recibir perturbaciones debido a diferentes influencias, a partir de las cuales se pueden describir tres casos de fallas de combustión:
1. Autoencendido (ignición anticipada):
Provoca la sobrecarga térmica del pistón.
2. Combustión detonante:
Provoca el rebajamiento de material tipo erosión y sobrecarga mecánica en el pistón y el mecanismo de la biela.
3. Derrame de combustible:
Provoca desgaste con consumo de aceite y también gripados en el pistón.
1. Autoencendido (ignición anticipada):
Provoca la sobrecarga térmica del pistón.
2. Combustión detonante:
Provoca el rebajamiento de material tipo erosión y sobrecarga mecánica en el pistón y el mecanismo de la biela.
3. Derrame de combustible:
Provoca desgaste con consumo de aceite y también gripados en el pistón.
Combustión normal
Combustión detonante
Autoencendido
1. Autoencendido (ignición anticipada):
Durante un autoencendido, la combustión se inicia por medio de una pieza incandescente en la cámara de combustión, antes del momento real de ignición. Se toman en cuenta la válvula de escape, la bujía de encendido, el espesor de la junta y los sedimentos en estas piezas y las superficies que rodean la cámara de combustión. La llama influye en los componentes, por lo que la aumenta mucho la temperatura de la cabeza del pistón. Después de pocos segundos de el autoencendido ininterrumpido, la temperatura alcanza el punto de fundición del material del pistón.
En motores con una cámara de combustión de forma semiesférica se producen orificios en la cabeza del pistón, que mayormente aparecen en la prolongación del eje de la bujía de encendido.
En las cámaras de combustión con mayores superficies de compresión entre la cabeza del pistón y la culata, la pared de fuego se funde mayormente en el área de las superficies de compresión (véase el glosario) del punto con mayor carga. Este proceso continua muchas veces hasta el segmento rascador de aceite y hacia el interior del pistón.
Una combustión detonante, que provoca elevadas temperaturas de la superficie de piezas individuales, también puede causar autoencendidos.
2. Combustión detonante:
En el caso de la combustión detonante, el encendido se inicia normalmente por medio de las chispas de la bujía de encendido. El frente de la llama se propaga desde la bujía de encendido y genera ondas de explosión que provocan reacciones críticas en el gas no quemado. De esta forma, en el resto de la mezcla de gas se produce la autoignición simultánea en muchos puntos. De esta forma, la velocidad de combustión se incrementa en un valor 10–15 veces mayor. El aumento de presión por grado del ángulo de calaje y el pico de la presión son mucho mayores. Por otra parte, en la carrera de expansión se forman oscilaciones muy frecuentes de la presión. Además, las superficies que rodean la cámara de combustión se calientan mucho. Las cámaras de combustión limpias de restos son una señal inequívoca de una combustión detonante.
Un ligero golpeteo temporal no provoca averías en la mayoría de motores, incluso durante tiempo prolongado.
Un golpeteo más fuerte y más prolongado provoca desgastes de erosión del material del pistón en la pared de fuego y en la cabeza del pistón. También se pueden dañar la culata y junta de culata. Las piezas en la cámara de combustión (p. ej. la bujía de encendido) pueden calentarse en exceso, por lo que se provocan autoencendidos (igniciones anticipadas) con un sobrecalentamiento del pistón (fundiciones).
El golpeteo permanente provoca, después de poco tiempo, roturas de la parte plana entre ranuras y de los vástagos, que a menudo aparecen sin fundiciones o gripados.
La Fig. 1 muestra la evolución de la presión en la cámara de combustión. La curva característica azul muestra la evolución de la presión durante una combustión normal, la roja, durante una combustión detonante. Aquí se producen picos de la presión.
3. Derrame de combustible:
Una mezcla demasiado rica, la disminución de la presión de compresión y las fallas de ignición provocan combustiones imperfectas con derrame de combustible. La lubricación de los pistones, los segmentos de pistones y las superficies de rodadura del cilindro se vuelve ineficaz. La fricción mixta con desgaste y un aumento del consumo de aceite, así como los gripados son la consecuencia (véase el capítulo “Consumo de aceite y gripados”).
Durante un autoencendido, la combustión se inicia por medio de una pieza incandescente en la cámara de combustión, antes del momento real de ignición. Se toman en cuenta la válvula de escape, la bujía de encendido, el espesor de la junta y los sedimentos en estas piezas y las superficies que rodean la cámara de combustión. La llama influye en los componentes, por lo que la aumenta mucho la temperatura de la cabeza del pistón. Después de pocos segundos de el autoencendido ininterrumpido, la temperatura alcanza el punto de fundición del material del pistón.
En motores con una cámara de combustión de forma semiesférica se producen orificios en la cabeza del pistón, que mayormente aparecen en la prolongación del eje de la bujía de encendido.
En las cámaras de combustión con mayores superficies de compresión entre la cabeza del pistón y la culata, la pared de fuego se funde mayormente en el área de las superficies de compresión (véase el glosario) del punto con mayor carga. Este proceso continua muchas veces hasta el segmento rascador de aceite y hacia el interior del pistón.
Una combustión detonante, que provoca elevadas temperaturas de la superficie de piezas individuales, también puede causar autoencendidos.
2. Combustión detonante:
En el caso de la combustión detonante, el encendido se inicia normalmente por medio de las chispas de la bujía de encendido. El frente de la llama se propaga desde la bujía de encendido y genera ondas de explosión que provocan reacciones críticas en el gas no quemado. De esta forma, en el resto de la mezcla de gas se produce la autoignición simultánea en muchos puntos. De esta forma, la velocidad de combustión se incrementa en un valor 10–15 veces mayor. El aumento de presión por grado del ángulo de calaje y el pico de la presión son mucho mayores. Por otra parte, en la carrera de expansión se forman oscilaciones muy frecuentes de la presión. Además, las superficies que rodean la cámara de combustión se calientan mucho. Las cámaras de combustión limpias de restos son una señal inequívoca de una combustión detonante.
Un ligero golpeteo temporal no provoca averías en la mayoría de motores, incluso durante tiempo prolongado.
Un golpeteo más fuerte y más prolongado provoca desgastes de erosión del material del pistón en la pared de fuego y en la cabeza del pistón. También se pueden dañar la culata y junta de culata. Las piezas en la cámara de combustión (p. ej. la bujía de encendido) pueden calentarse en exceso, por lo que se provocan autoencendidos (igniciones anticipadas) con un sobrecalentamiento del pistón (fundiciones).
El golpeteo permanente provoca, después de poco tiempo, roturas de la parte plana entre ranuras y de los vástagos, que a menudo aparecen sin fundiciones o gripados.
La Fig. 1 muestra la evolución de la presión en la cámara de combustión. La curva característica azul muestra la evolución de la presión durante una combustión normal, la roja, durante una combustión detonante. Aquí se producen picos de la presión.
3. Derrame de combustible:
Una mezcla demasiado rica, la disminución de la presión de compresión y las fallas de ignición provocan combustiones imperfectas con derrame de combustible. La lubricación de los pistones, los segmentos de pistones y las superficies de rodadura del cilindro se vuelve ineficaz. La fricción mixta con desgaste y un aumento del consumo de aceite, así como los gripados son la consecuencia (véase el capítulo “Consumo de aceite y gripados”).
Fallas de combustión en motores diésel
La combustión óptima de un motor Diésel depende sobremanera de un inyector que pulverice de manera sumamente fina, inyecte con exactitud y comience el proceso de inyección en el momento preciso. Solamente así puede encenderse el combustible inyectado con el menor retardo del encendido y quemarse sin restos durante la combustión normal. También aquí se diferencian tres tipos de fallas de combustión:
1. Encendido retardado
2. Combustión incompleta
3. Tobera de inyección que gotea
1. Encendido retardado:
El combustible se quema después de un determinado retardo (encendido retardado) si:
El grado de pulverización únicamente depende del estado del inyector. Un inyector perfecto comprobado con el aparato de verificación de inyectores puede atascarse tanto durante el montaje o por las tensiones de la temperatura, que ya no pulveriza correctamente durante el funcionamiento.
La temperatura de combustión depende de la presión de compresión y del estado mecánico del motor. El motor frío tiene siempre un determinado encendido retardado. Las paredes frías del cilindro extraen mucho calor del frío aire de aspiración durante la compresión. La temperatura de combustión durante el inicio de la inyección no es suficiente para quemar inmediatamente el combustible inyectado. La temperatura de ignición se alcanza a medida que aumenta la compresión, y el combustible inyectado se quema de forma detonante. Esto provoca un aumento de la presión de tipo explosivo con ruido y un fuerte calentamiento de la cabeza del pistón. La consecuencia es la aparición de roturas, por ejemplo de las partes planas entre ranuras del pistón y fisuras por la tensión del calor en la cabeza del pistón.
2. Combustión incompleta:
Si el combustible no penetra en la cámara de combustión en el momento adecuado o sin pulverizar, no puede quemarse sin restos en el corto período de tiempo disponible. Lo mismo ocurre si no penetra suficiente oxígeno, es decir, aire de aspiración en el cilindro. Las causas pueden ser un filtro de aire atascado, válvulas de admisión no abiertas correctamente, fallos en el turbocargador o el desgaste en los segmentos de los pistones y las válvulas. El combustible no quemado se condensa en parte en las superficies del cilindro; allí influye en la película lubricante o la destruye. Esto provoca que las superficies de fricción del cilindro, las superficie de deslizamiento de los segmentos de los pistones y finalmente también las superficies de la falta del pistón se desgasten o se gripen en poco tiempo. El consumo de aceite y la pérdida de potencia son la consecuencia (para ejemplos de manifestaciones de la avería véase el capítulo “Gripado por marcha en seco” y “Consumo excesivo de aceite”).
3. Inyectores que gotean:
Los inyectores pueden volver a abrirse después del final de la inyección debido a oscilaciones de presión. Estas oscilaciones de presión pueden partir de la válvula de presión de la bomba de inyección, de las conducciones o de los inyectores. Para impedir esta inyección incorrecta, se reduce un determinado valor de presión del sistema por medio de la válvula de presión de la bomba de inyección. Si la presión del chorro de los inyectores se ha ajustado demasiado baja o si la presión no se puede mantener de forma fiable (inyectores mecánicos) los inyectores pueden abrirse varias veces seguidas después de finalizar la inyección, a pesar de la reducción de presión. Los inyectores no estancos o que gotean, también provocan una entrada incontrolada de combustible en la cámara de combustión. El combustible inyectado de forma incontrolada de estos casos llega no quemado a la cabeza del pistón debido a la falta de oxígeno. Allí, el combustible se quema a temperaturas realmente elevadas y calienta tanto el material del pistón que podría arrancar partículas de la superficie del pistón debido a la fuerza de inercia y a la erosión de los gases de combustión. La consecuencia es el rebajamiento considerable de material o el debilitamiento erosivo en la cabeza del pistón.
1. Encendido retardado
2. Combustión incompleta
3. Tobera de inyección que gotea
1. Encendido retardado:
El combustible se quema después de un determinado retardo (encendido retardado) si:
- no se ha pulverizado lo suficientemente fino,
- si se ha pulverizado en el momento incorrecto en el cilindro,
- o si la temperatura de compresión al inicio de la inyección no es lo suficientemente elevada.
El grado de pulverización únicamente depende del estado del inyector. Un inyector perfecto comprobado con el aparato de verificación de inyectores puede atascarse tanto durante el montaje o por las tensiones de la temperatura, que ya no pulveriza correctamente durante el funcionamiento.
La temperatura de combustión depende de la presión de compresión y del estado mecánico del motor. El motor frío tiene siempre un determinado encendido retardado. Las paredes frías del cilindro extraen mucho calor del frío aire de aspiración durante la compresión. La temperatura de combustión durante el inicio de la inyección no es suficiente para quemar inmediatamente el combustible inyectado. La temperatura de ignición se alcanza a medida que aumenta la compresión, y el combustible inyectado se quema de forma detonante. Esto provoca un aumento de la presión de tipo explosivo con ruido y un fuerte calentamiento de la cabeza del pistón. La consecuencia es la aparición de roturas, por ejemplo de las partes planas entre ranuras del pistón y fisuras por la tensión del calor en la cabeza del pistón.
2. Combustión incompleta:
Si el combustible no penetra en la cámara de combustión en el momento adecuado o sin pulverizar, no puede quemarse sin restos en el corto período de tiempo disponible. Lo mismo ocurre si no penetra suficiente oxígeno, es decir, aire de aspiración en el cilindro. Las causas pueden ser un filtro de aire atascado, válvulas de admisión no abiertas correctamente, fallos en el turbocargador o el desgaste en los segmentos de los pistones y las válvulas. El combustible no quemado se condensa en parte en las superficies del cilindro; allí influye en la película lubricante o la destruye. Esto provoca que las superficies de fricción del cilindro, las superficie de deslizamiento de los segmentos de los pistones y finalmente también las superficies de la falta del pistón se desgasten o se gripen en poco tiempo. El consumo de aceite y la pérdida de potencia son la consecuencia (para ejemplos de manifestaciones de la avería véase el capítulo “Gripado por marcha en seco” y “Consumo excesivo de aceite”).
3. Inyectores que gotean:
Los inyectores pueden volver a abrirse después del final de la inyección debido a oscilaciones de presión. Estas oscilaciones de presión pueden partir de la válvula de presión de la bomba de inyección, de las conducciones o de los inyectores. Para impedir esta inyección incorrecta, se reduce un determinado valor de presión del sistema por medio de la válvula de presión de la bomba de inyección. Si la presión del chorro de los inyectores se ha ajustado demasiado baja o si la presión no se puede mantener de forma fiable (inyectores mecánicos) los inyectores pueden abrirse varias veces seguidas después de finalizar la inyección, a pesar de la reducción de presión. Los inyectores no estancos o que gotean, también provocan una entrada incontrolada de combustible en la cámara de combustión. El combustible inyectado de forma incontrolada de estos casos llega no quemado a la cabeza del pistón debido a la falta de oxígeno. Allí, el combustible se quema a temperaturas realmente elevadas y calienta tanto el material del pistón que podría arrancar partículas de la superficie del pistón debido a la fuerza de inercia y a la erosión de los gases de combustión. La consecuencia es el rebajamiento considerable de material o el debilitamiento erosivo en la cabeza del pistón.