La Culata en Motores de Combustión Interna: Tipos, Características y Funciones

La Culata en Motores de Combustión Interna

Definición y Funciones

La culata es la parte del motor que cierra los cilindros por la parte superior. Se une al bloque mediante tornillos, y para hacer estanca la unión se intercala la junta de culata. En ella se forman las cámaras de combustión, las cámaras para el líquido de refrigeración y los conductos de admisión y escape. Además, sobre la culata se montan las válvulas, los colectores de admisión y escape, los balancines, el árbol de levas, las bujías, los inyectores, etc.

Características de la Culata

La culata se caracteriza por:

• Robustez: para resistir las altas presiones que se producen durante la combustión y la corrosión por efectos químicos originada al quemarse el combustible.
• Estanqueidad: en su unión con el bloque, en la fijación de bujías o inyectores, en las válvulas, en los asientos y en las guías. Este es un punto fundamental ya que el grado de compresión influye directamente en la calidad de la combustión y, por tanto, en el rendimiento del motor.
• Eficacia en el intercambio de gases: esto permite el llenado correcto del cilindro y la evacuación de los gases quemados mediante el dimensionado y la orientación adecuada de estos conductos para conseguir un buen rendimiento volumétrico.
• Conductividad térmica: adaptada para mantener esta zona a la temperatura conveniente.

Fijación de la Culata

Los tornillos que fijan la culata al bloque han de tener una resistencia capaz de soportar esfuerzos muy superiores a las presiones máximas que se originan en la combustión. Los puntos de fijación deben ser como mínimo cuatro por cilindro. Los tornillos de culata usados actualmente en los motores, al ser apretados, sobrepasan un límite elástico y sufren un ligero alargamiento, logrando un apriete eficaz a lo largo de la vida del motor. El apriete se efectúa con una llave dinamométrica capaz de medir el par de torsión que se aplica sobre el tornillo.

Materiales de Fabricación de la Culata

• Aleación de aluminio o aleación ligera: compuesta de aluminio, silicio y magnesio. Sus cualidades son: buena resistencia, peso reducido y gran conductividad térmica, lo que permite alcanzar rápidamente la temperatura de funcionamiento y facilita la refrigeración.
• Culata de hierro fundido: construida con una aleación de hierro, cromo y níquel, resulta de gran resistencia mecánica y térmica. Sus principales características son su robustez y su resistencia a la deformación.

Refrigeración de la Culata

La refrigeración por líquido es el sistema más común en los motores de cuatro tiempos. El líquido de refrigeración se hace circular por unos conductos próximos a las cámaras de combustión para mantener la temperatura de esta zona dentro de los límites previstos. Las culatas refrigeradas por aire se construyen en aleación de aluminio y van provistas de aletas que aumentan la superficie en contacto con el aire refrigerante para hacer más efectiva la evacuación de calor.

Cámara de Combustión

La cámara de combustión es el espacio que se forma entre la cabeza del pistón cuando este está en el PMS y la culata. En este espacio se comprime el gas y se lleva a cabo el proceso de la combustión. La cámara se construye generalmente en la culata y en ella se alojan las válvulas de admisión y escape y la bujía o el inyector en los motores diésel.

Cámara de Combustión para Motores Otto

En los motores Otto, el salto de chispa en la bujía inflama la mezcla de aire y combustible, iniciando la combustión. Esta se desplaza a través de la cámara formando un frente de llama. El desplazamiento de este frente ha de ser rápido y uniforme; para conseguirlo, las cámaras deben reunir las siguientes características:

• Mínimo recorrido del frente de llama: esto exige una cámara compacta con poca superficie en relación al volumen.
• Combustión rápida: se consigue con una gran turbulencia y corto recorrido del frente de llama.
• Alta turbulencia: el movimiento rápido de la masa gaseosa aumenta la homogeneidad de la mezcla y, por lo tanto, la velocidad de combustión.
• Resistencia a la detonación: evitando las superficies o partes calientes, así como zonas de acumulación de carbonilla.

Cámara Semiesférica

El modelo ideal de cámara es la semiesférica, de forma compacta. Su mínima superficie con relación a su volumen y su buena turbulencia con la bujía situada en el centro permite que el frente de llama se desplace rápida y uniformemente actuando sobre la cabeza del pistón.

Cámara Hemiesférica

También llamada de forma de tejado, esta cámara presenta características muy parecidas a la ideal: pequeña superficie y pocas pérdidas térmicas. Las válvulas se disponen a los lados formando un ángulo de entre 20 y 60 grados, lo que favorece la entrada y salida de los gases y proporciona un amplio espacio para las válvulas. La bujía se sitúa en el centro.