Que es un piston y como funciona
La función del pistón es actuar como un obturador móvil en el cilindro, formando la parte inferior de la cámara de combustión. Hay un sello hermético entre el pistón y la pared del cilindro, por lo que la única forma de que los gases de combustión calientes se expandan es forzando el pistón hacia abajo. Es el mismo principio detrás de una bala de cañón, pero en lugar de volar hacia el amado barco pirata de alguien, el pistón es empujado hacia arriba del cilindro por el cigüeñal giratorio y el ciclo se repite.
Más del 60% de la fricción dentro del motor proviene del movimiento del conjunto del pistón, por lo que esta es un área importante de enfoque para mejorar la eficiencia de los motores. El pistón todavía está en desarrollo e investigación en curso, como veremos con más detalle en breve.
Se generan enormes fuerzas durante el cambio de dirección de un pistón en su movimiento hacia arriba y hacia abajo. Un conjunto de pistón más ligero tiene menos impulso, por lo que ejerce menos fuerza y permite motores de mayor RPM. Esto significa que hay un impulso constante para reducir el peso de la biela y el pistón.
El pistón está conectado al cigüeñal a través de una varilla de conexión , a menudo abreviado como varilla o biela . Estas piezas juntas se conocen como conjunto de pistón . Ambos extremos de la biela pueden pivotar libremente: la parte de la biela que se conecta al pistón se llama extremo pequeño y el extremo que se une alrededor del cigüeñal se llama extremo grande . La cabeza de biela tendrá insertos de cojinete que minimizan la fricción y mantienen una holgura de aceite exacta con el muñón de la varilla en el cigüeñal. La biela se divide en dos, con una tapa de la biela que se utiliza para sujetar el cojinete de biela y el cigüeñal.
Componentes del ensamblaje del pistón
Pistón
La potencia en un motor proviene de la fuerza que empuja la parte superior del pistón. Esa fuerza se determina como el área del pistón multiplicada por la presión del gas. Pistones más grandes y una mayor presión de gas proporcionarán más potencia. En general, el tamaño del pistón está limitado por el diseño del motor, pero el pistón tiene un papel vital en el mantenimiento de una alta presión de gas al crear un sello hermético con la pared del cilindro.
La superficie superior del pistón se llama corona (también cabeza o cúpula ). Hay varias formas de corona en los motores de producción, pero normalmente la corona será plana, abovedada o abombada.
[Varias formas de corona]
Casi todos los pistones modernos incluyen válvulas de alivio que proporcionan un espacio libre alrededor de las válvulas en la parte superior de la carrera del pistón.
La corona, al ser el área directamente en contacto con los gases de combustión calientes, se calienta mucho. Es esta área la que se expande más y, por lo tanto, habrá un ligero estrechamiento hacia adentro desde la parte inferior del pistón para permitir un mayor espacio libre alrededor de esta zona superior entre la corona y el anillo del pistón superior.
Si bien queremos un sello hermético al gas, también necesitamos que el pistón funcione suavemente a lo largo del cilindro con una fricción mínima, por lo que el pistón necesita algo de espacio libre . Un pistón típico tendrá un espacio libre de 0,1 mm (0,004 ”) entre sí mismo y la pared del cilindro, que es aproximadamente el ancho de un cabello humano. Para mantener esta holgura, el pistón debe maquinarse con precisión y la aleación de la que está hecho se especificará exactamente para tener en cuenta la expansión térmica.
El pequeño espacio entre el pistón y la pared del cilindro está cubierto por los anillos del pistón , que encajan en las ranuras del pistón en un área conocida como correa del pistón . Los espacios entre estas ranuras se denominan zonas de anillo .
El pistón está unido a la biela mediante un tubo hueco corto llamado pasador de muñeca o pasador de pistón . Este pasador de muñeca lleva toda la fuerza de combustión.
El pistón no solo está sujeto a fuerzas verticales durante la combustión, sino también a fuerzas laterales provocadas por el ángulo de cambio continuo de la biela. Debido a estas fuerzas laterales, el pistón necesita superficies lisas para correr contra la pared del cilindro y mantener el pistón guiado verticalmente en posición vertical. Las superficies laterales de un pistón se conocen como faldón del pistón .
[Falda completa vs falda con pantuflas]
Hay dos tipos de falda. La más básica es una falda amplia o una falda sólida, que es el clásico pistón de forma tubular. Este diseño todavía se usa en camiones y motores comerciales grandes, pero durante mucho tiempo ha sido reemplazado en automóviles y motocicletas por un diseño más liviano conocido como pistón de zapatilla .
El pistón de la zapatilla tiene parte de la falda cortada, dejando solo las superficies que se apoyan en la parte delantera y trasera de la pared del cilindro. Esta eliminación minimiza el peso y reduce el área de contacto entre el pistón y la pared del cilindro, reduciendo así la fricción.
Los motores de producción modernos reducen aún más la fricción entre el pistón y la pared del cilindro mediante el uso de revestimientos de pistón de baja fricción , similares al teflón en una sartén antiadherente. Estos recubrimientos generalmente se imprimen con serigrafía en un parche en los faldones del pistón, como el recubrimiento ilustrado a base de grafito en un motor Ford Fiesta Ecoboost.
[Pistón Ford]
A medida que el pistón se empuja hacia abajo en la carrera de combustión, ejercerá una fuerza lateral en la dirección opuesta a la biela en ángulo. La dirección del cilindro sobre la que actúa esta fuerza se conoce como lado de empuje, y tanto el pistón como la pared del cilindro sufrirán un mayor desgaste en esta zona.
[Diagrama de empuje]
El pistón se calienta increíblemente y necesita disipar este calor de manera eficiente. El calor de un pistón va a tres lugares: como calor radiante en la cámara de combustión, en las paredes del cilindro a través de los anillos del pistón y bajando por la biela. Además, muchos motores enfrían el pistón mediante el uso de aceite rociado en la parte inferior.
Anillos de pistón
Los anillos del pistón encajan alrededor del pistón, uniendo el pequeño espacio entre el pistón y la pared del cilindro. Por lo general, hay tres anillos de pistón en un pistón y realizan diferentes funciones.
Anillos de compresión
Los dos anillos superiores se denominan anillos de compresión (también conocidos como anillos de presión o anillos de gas ) y su función principal es evitar que los gases pasen a través del pequeño espacio entre el pistón y la pared del cilindro. Este paso de gas que pasa por el pistón y entra en el cárter se conoce como escape y debe minimizarse para mantener la compresión.
Los anillos de compresión están hechos típicamente de hierro fundido sólido y ejercen una presión hacia afuera sobre la pared del cilindro. Esta presión hacia afuera proviene de la elasticidad natural de los anillos, pero se complementa en la carrera de combustión por la presión del gas detrás de los anillos, que los empuja con más fuerza contra la pared del cilindro.
[Presión de gas detrás de los anillos de compresión]
Es importante tener en cuenta que los anillos de compresión no ejercen presión lateral sobre el pistón ni actúan como guías para él. La ranura del pistón será más profunda que el ancho del segmento del pistón, lo que permitirá que el segmento corra sobre una película de aceite.
Los anillos de compresión también actúan para transferir calor del pistón a la pared del cilindro, donde se disipa en el refrigerante que fluye a través de las camisas de agua.
Estos anillos están rotos con un pequeño espacio que permite instalarlos y quitarlos sobre el pistón. El fabricante especificará el ancho de este espacio entre anillos de pistón y se puede medir colocando el anillo dentro del cilindro y midiendo el espacio con una galga de espesores. Los huecos están muy exagerados en esta ilustración, en realidad serán muy delgados: 0,2 mm o menos.
Anillos de control de aceite
El anillo inferior de un pistón es un anillo de control de aceite . El aceite se rocía constantemente sobre las paredes del cilindro, ya sea por los orificios de las bielas o por chorros instalados en el cárter. Para una fricción mínima, necesitamos una película delgada de aceite y la función del anillo de control de aceite es eliminar el exceso de aceite y dejar una película de aceite ideal para que los anillos de compresión y la falda del pistón se deslicen.
Definitivamente no queremos aceite en la cámara de combustión: la presencia de aceite puede causar una combustión deficiente, altas emisiones, acumulación excesiva de carbono en las válvulas y el pistón y humo azul, todas malas noticias para un motor de funcionamiento suave.
El anillo de control de aceite generalmente estará hecho de dos anillos rascadores de cromo delgados con un espaciador intercalado entre ellos para permitir la eliminación del aceite. Está diseñado para deslizarse sobre el aceite en el movimiento ascendente y rasparlo en el movimiento descendente. Esto se conoce como diseño segmentado. La ranura de control de aceite tendrá orificios perforados para permitir que el exceso de aceite se drene fácilmente hacia el cárter.
Instalación de nuevos anillos de pistón
El área de la pared del cilindro por encima del anillo de compresión superior no es barrida por los anillos, por lo que sufre menos desgaste. Esto puede provocar la formación de una cresta durante la vida útil del motor. Si se instalan anillos nuevos en un cilindro que no se ha vuelto a perforar, es posible que se requiera un anillo con una muesca eliminada, conocido como esquivador de crestas, para garantizar que el nuevo anillo no haga contacto con esta cresta de material.
[Diagrama de compensaciones de anillo]
Cuando se instalan anillos nuevos, los espacios deben compensarse y nunca estar directamente alineados entre sí para evitar una ruta directa de escape de los gases.
Conector
El pistón está unido a la biela a través de un tubo hueco de acero endurecido conocido como pasador de muñeca o pasador de pistón . Este pasador pasa a través del extremo pequeño de la biela y le permite pivotar sobre el pistón.
Hay dos métodos para asegurar el pasador de muñeca. Una disposición semiflotante tiene el pasador fijo en la biela, mientras que puede girar libremente en los orificios del pistón. Un pasador de muñeca completamente flotante podrá girar libremente tanto en el extremo pequeño como en el pistón, y se asegurará en su lugar con anillos elásticos o botones de teflón en los extremos del pasador. Para un pasador de muñeca completamente flotante, habrá un buje reemplazable dentro del orificio del extremo pequeño.
El pasador de muñeca puede estar ligeramente desplazado lateralmente en lugar de centrarse exactamente en el pistón. Esto se conoce como pasador de muñeca desplazado y se utiliza para reducir el movimiento de lado a lado del pistón dentro del cilindro. El movimiento excesivo de lado a lado se conoce como golpe de pistón debido al ruido de golpe que produce.
Biela
La biela transporta la fuerza desde el pistón al cigüeñal, está constantemente sujeta a fuerzas de estiramiento, aplastamiento y flexión, ya que actúa como intermediario en esta relación de empuje y tracción. La biela debe ser estructuralmente fuerte y no es una coincidencia que tome la forma de una viga en I de acero en miniatura, similar a sus hermanos mayores que sostienen rascacielos y puentes. El perfil de viga en I proporciona una resistencia estructural máxima con el mínimo costo de peso y, al igual que el pistón, queremos mantener el peso de la biela lo más bajo posible.
La resistencia exigida a la biela significa que está hecha de acero forjado o acero en polvo. Los motores exóticos pueden tener varillas de titanio. No se utiliza hierro fundido debido a su peso.
La parte superior de la biela que está asegurada al pistón se llama extremo pequeño . No siempre tendrá rodamientos. Desde el extremo pequeño y las carreras de varilla en un perfil en forma de viga hacia abajo a la cabeza de biela , que está dividida en dos partes para permitir que se ajuste alrededor de su muñón del cigüeñal. La parte inferior de la varilla se llama tapa de la varilla y se asegurará con espárragos o pernos a la varilla misma.
La varilla ahora se fabrica típicamente como una pieza y luego la tapa de la varilla se marca y se rompe. Esto deja un acabado desigual en la superficie de contacto, pero le da mayor resistencia. Es fundamental que los casquillos de las bielas no se mezclen con otras bielas, ya que forman un conjunto.
La cabeza de biela tendrá insertos de cojinetes en dos mitades, estos insertos de cojinetes estarán hechos del mismo material que los de los muñones principales. Los cojinetes de cabeza de biela se lubrican con aceite recibido a presión a través de los conductos del cigüeñal.
Muchas bielas tendrán un agujero perforado a través de ellas desde el extremo grande hacia arriba, a través del eje, hasta un agujero de salida en algún lugar a lo largo de su longitud. Este paso permite que el aceite pase por la biela desde la cabeza de biela y se rocíe sobre el área de empuje de la pared del cilindro, donde la fricción es máxima.
Fallas
Golpe de pistón
El desgaste de la pared del cilindro o del faldón del pistón puede provocar holguras demasiado grandes entre el pistón y la pared del cilindro. Esto permite un movimiento excesivo de lado a lado del pistón. Cuando el pistón cambia de dirección en la parte superior e inferior de su carrera, esto puede hacer que golpee la pared del cilindro y provoque un ruido conocido como golpe de pistón .
El golpe del pistón generalmente será peor cuando el motor está frío, antes de que el pistón haya tenido tiempo de calentarse y expandirse. Se puede curar maquinando el cilindro y usando un pistón de gran tamaño.
Modificaciones y actualizaciones
Pistones y vástagos mejorados
La instalación de un conjunto de varillas y pistones de rendimiento más fuertes y ligeros creará un motor más fuerte. Esto puede ser esencial para turbocargar o sobrealimentar un motor. Pasar de varillas forjadas a titanio o acero en polvo (sinterizado) resultará en un motor más fuerte.
Recubrimientos de pistón
Como se mencionó anteriormente, los motores de diseño reciente a menudo tienen un recubrimiento de baja fricción aplicado en la fábrica a sus pistones. Pero estos recubrimientos también están disponibles en el mercado de accesorios para reducir la fricción y aumentar (o disminuir) la transferencia de calor.
[Ejemplos de revestimiento]
Se aplican revestimientos al faldón para reducir la fricción entre éste y la pared del cilindro.
Se pueden aplicar recubrimientos cerámicos a la corona y están diseñados para reflejar el calor de regreso a la cámara de combustión y disminuir la cantidad transferida al pistón.
La parte inferior del pistón puede tener un revestimiento antideslizante conocido como revestimiento de aceite que repele el aceite, reduciendo así el peso del conjunto y permitiendo un enfriamiento del aceite más eficaz.
