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Conjunto pistón-cilindro-anillos

La eficiencia en la generación de potencia de un motor de combustión interna depende en gran medida de la hermeticidad de la cámara de trabajo sobre el pistón. Si la unión entre el pistón y la camisa no es hermética, el trabajo con los gases tiene fugas y con ello todos los ciclos de trabajo del motor se ve afectados, especialmente la carrera de fuerza, que es aquella donde los valores de presión son mas altos y donde se produce la potencia mecánica del motor.

La unión entre el pistón y su camisa es deslizante, y trabaja en condiciones mecánicas bastante severas debido a la alta velocidad y temperatura de trabajo, así como a la presencia de gases incandescentes en la cámara de combustión sobre el pistón en uno de sus ciclos de trabajo, lo que a su vez impide la utilización de lubricación abundante so pena de que se produzca el quemado del aceite y con ello la pérdida de lubricante.

De esta forma, el mecanismo de sellado del conjunto pistón-camisa debe cumplir dos tareas básicas:
  1. Evitar la fuga de los gases de trabajo.
  2. Evitar el paso del lubricante a la cámara de combustión.

Contenido del artículo
Características del trabajo de la unión
Camisas o cilindros
Pistones
Influencia del peso del pistón
Influencia de la temperatura de trabajo
Anillos
Anillos de compresión
Anillos de aceite
Para cumplir estas tareas, en la unión participan tres elementos principales:
  1. Las camisas cilíndricas.
  2. El pistón, de dimensiones y forma adecuadas.

  3. Los anillos o aros del pistón. Estos son de dos tipos; los de compresión, para evitar la pérdida de gases de trabajo y los de aceite que tienen la función de evitar el paso del aceite a la cámara de combustión.
En la figura 1 pueden verse típicos pistones, camisas y anillos de un motor de enfriamiento por líquido, se incluye también la imagen de un pasador o bulón que une al pistón con la biela del motor.

La camisas de la imagen son las del tipo cambiables, es decir, construidas como un cilindro hueco de paredes finas que puede instalarse en el bloque del motor.

En la mayor parte de los motores ligeros, estas camisas están maquinadas directamente en el material del bloque y no son desmontables.

Características del trabajo de la unión.

Una de las características principales que deben tenerse en cuenta a la hora de estudiar la unión pistón-camisa es la que se deriva del amplio rango de diferencia de temperaturas entre el pistón y la camisa durante el trabajo.

Cuando el motor se arranca en frío, ambas piezas tienen la misma temperatura, la que puede ser muy baja en zonas geográficas frías, una vez iniciado el trabajo ambas piezas comienzan a calentarse, y con ello a dilatarse de acuerdo al coeficiente de dilatación térmica del material de cada una. Este proceso de calentamiento puede llevar a la camisa a temperaturas algo mayores de los 100°C, mientras que los pistones en su parte superior pueden sobrepasar los 400°C en condiciones severas de trabajo. Si sumamos a esto que las camisas hechas de hierro fundido tienen un coeficiente de dilatación térmica muy inferior a la de los pistones, generalmente construídos de aleaciones de aluminio, salta a la vista que durante el montaje en frío tendrá que dejarse una imprescindible holgura entre ellos, o de lo contrario la unión se atascará cuando ambas piezas se dilaten por el calor.

Veamos ahora algunas características de estas piezas.

Camisas o cilindros.

Estas camisas están construidas de hierro fundido, muchas veces de estructura cristalográfica especial y son de sección perfectamente circular.

El interior de la camisa está maquinado con exactitud para dar un buen acabado interno.
Pueden ser de dos tipos:
  1. Camisas desmontables: Son aquellas que se maquinan como un cilindro de paredes finas y luego se instalan en el bloque del motor.
  2. Camisas embebidas: Son aquellas que han sido maquinadas directamente en el material del bloque del motor y por lo tanto no pueden desmontarse.

Las camisas desmotables pueden dividirse a su vez en dos tipos:
  1. Camisas húmedas: Son aquellas que una vez montadas en el bloque del motor están rodeadas exteriormente por el refrigerante del sistema de enfriamiento.
  2. Camisas secas: Estas camisas se montan en un cilindro previamente maquinado en el material del bloque del motor de manera prensada y con interferencia, de manera que no tienen contacto con el refrigerante.

Camisas y pistones
Figura 1



Pistones.

A la hora de construir los pistones de un motor se han tenido en cuenta la influencia de diversos factores que hacen de él una pieza bastante compleja aunque aparentemente parezcan simples, veamos:

Influencia del peso del pistón.

Cuando el motor gira, los pistones adquieren un movimiento reciprocante, esto hace que aceleren del estado de reposo en el punto muerto inferior, hasta adquirir la mayor velocidad de translación cerca del recorrido medio de la carrera, para luego desacelerar, y estar nuevamente detenidos en el punto muerto superior, proceso que se repite a la inversa durante el movimiento descendente. Esto presupone que en ellos se generan elevadas fuerzas de inercia, especialmente durante el giro del motor a altas velocidades.

Estas fuerzas de inercia producen cargas mecánicas elevadas en los elementos involucrados del mecanismo de trabajo y en el propio material del pistón.

De esta situación se desprende que durante el diseño de un pistón es muy conveniente reducir al máximo su peso y con ello reducir también las fuerzas de inercia, por eso los pistones se construyen con la menor masa posible (figura2) y de aleaciones ligeras de aluminio.

Influencia de la temperatura de trabajo.

Para el caso de altas cargas y velocidades del motor, la temperatura de los pistones puede llegar a valores que superan los 400°C en la zona de la cabeza que está en contacto con la cámara de combustión. Este calentamiento produce un incremento notable de las dimensiones del pistón comparadas con las dimensiones del pistón frío, mas aun, teniendo en cuenta que el coeficiente de dilatación térmica del aluminio es relativamente elevado.
Para evitar que el pistón se apriete en el orificio de la camisa al calentarse, ambos elementos se montan en frío con la holgura necesaria de manera que durante el trabajo, aun en las peores condiciones de calentamiento, no se produzca ningún apriete dimensional entre ambas piezas.
Pistón de motor
Figura 2


La necesidad estudiada anteriormente de hacer los pistones de la menor masa posible hace que en general sean huecos y con su masa distribuida de forma no homegénea a lo largo del pistón.

En la figura 3 se muestra de manera esquemática la sección de un pistón, La linea H representa el eje donde se monta el bulón que acopla el pistón con la biela. Observe algunas cosas importantes:
  1. La parte superior o cabeza del pistón es de sección sólida, mientras que el resto es de sección hueca.
  2. En la dirección radial la linea de montaje del bulón tiene mas masa que el resto de las direcciones en esa altura.

  3. La oquedad interior no es de sección constante, las paredes del pistón son mas delgadas a medida que se desciende en altura.
  4. El pistón puede tener diferentes alturas a lo largo de su perímetro. La gran mayoría tienen dos bandas mas largas en la dirección perpendicular al eje del bulón conocidas como faldas (figura2).

Esta distribución no homogénea de la masa en el cuerpo del pistón produce el efecto de que su dilatación térmica a diferentes alturas es diferente, y además, en una misma altura la dilatación no es igual en todas las direcciones radialmente.

Por ese motivo los pistones no son cilíndricos, lo mas común es que su perímetro sea un tanto ovalado y además su forma es algo cónica. Esta característica debe ser tomada en cuenta a la hora de medir el diámetro nominal de un pistón, este diámetro generalmente se toma en la parte inferior medido entre los centros de las faltas.
esquema
Figura 3

Anillos.

Como ya hemos visto, los pistones se montan en los cilindros con una holgura relativamente alta para permitir la dilatación térmica, esta condición indica que el sellado de los gases de trabajo no puede realizarse con solo estas dos piezas. Para garantizar este sellado se recurre a los anillos o aros, que se montan en ranuras especialmente maquinadas en el cuerpo del pistón.

En la figura 4 se muestra un juego de anillos típico.
Pueden diferenciarse por su forma básica dos tipos:
  1. Los de compresión de sección sólida.
  2. Los de aceite, formado por dos aros muy finos y un separador elástico entre ellos.

Observe que estos anillos son abiertos para permitir el montaje en las ranuras del pistón y que además los extremos de la abertura están separados un espacio, de manera que su forma no es cilíndrica, por tal motivo para introducirlos dentro de las camisas una vez montados en las ranuras del pistón, hay que forzarlos a cerrarse. La elasticidad del material tenderá a producir una presión sobre la superficie cilíndrica de la camisa y con ello lograr la hermeticidad del espacio entre pistones y cilindros.

Durante el trabajo del motor ya hemos visto que los pistones se calientan notablemente; como los anillos están en contacto con ellos estos últimos tambien se calentarán, de forma que resulta necesario dejar una cierta holgura en frío entre sus extremos una vez montados dentro de las camisas, para permitir el crecimiento de su longitud al calentarse sin que se atasquen.
Anillos de motor
Figura 4

Anillos de compresión

Los anillos de compresión se construyen de fundición de estructura cristalográfica especial muchas veces aleados para lograr alta resistencia al desgaste, mientras los anillos de aceite pueden ser del mismo material o de acero, según su construcción.

Es común que la superficie externa del anillo que estará en contacto con la camisa esté especialmente recubierta con cromo electrólítico, la dureza y resistencia del cromo superficial aumenta la durabilidad y mejora la capacidad de trabajo del anillo.

En la figura 5 se muestra el esquema de un pistón con los anillos montados. Observe que existe una holgura entre los anillos y las paredes de la ranura de sostén en todas direcciones, está claro que esta holgura es necesaria para la dilatación térmica de las piezas. Observe también que debajo de los aros de aceite hay unos agujeros que comunican el fondo de la ranura con la oquedad interior del pistón, estos agujeros son claves para el trabajo de los anillos de aceite como veremos mas adelante.

Estas holguras, a primera vista, permitirían a los gases a presión del ciclo de trabajo del motor pasar de la cámara de combustión a la zona debajo del pistón produciendo fugas indeseables, pero en la práctica no es así, y en realidad su existencia beneficia el sellado, veamos:

Cuando el pistón se mueve en su carrera ascendente en la carrera de compresión, el rozamiento entre las superficies en contacto de anillos y camisa produce una fuerza f1 sobre el anillo que tiende a apretar su cara inferior con la correspondiente de la ranura del pistón, con ello la holgura entre ambas piezas se traslada a la parte superior del anillo como puede verse en la figura 6.

El espacio libre correspondiente a la holgura se llena con los gases a presión que están sobre el pistón, estos gases producen fuerzas adicionales, una que tiende a apretar mas aun la cara inferior del anillo a su ranura o fuerza f2 y otra actuando desde el fondo del anillo o fuerza f3, que se agrega a la fuerza de apriete del aro con la camisa debido a su elasticidad.

Cuando el pistón desciende debido a los gases de la combustión, la fuerza f2 crece en gran medida y aunque la fuerza de rozamiento f1 se invierte, no puede contrarrestar a la f2 y se mantiene apretado el anillo contra el borde inferior de la ranura.

Luego en la carrera de escape se produce el mismo fenómeno que en la compresión, el pistón sube y las fuerzas f1 y f2 se suman.

Podrá observar que durante la carrera de admisión, la fuerza de fricción f1 tiende a apretar el anillo contra la superficie superior de la ranura del pistón cerrando el paso entre ambas zonas.

De esta forma se garantiza que todos los pasos entre la cámara de combustión y la parte inferior del pistón quedan cerrados y las fugas desaparecen.
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Figura 5

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Figura6

Anillos de aceite.

Con el aceite no sucede los mismo, y las holguras mencionadas mas bien se convierten en una "bomba de aceite" hacia la cámara de combustión.
Cuando el motor funciona, las partes en movimiento debajo de los pistones están siendo lubricadas abundantemente, esta lubricación y la alta velocidad de giro producen una niebla densa de gotitas de aceite que se proyectan en todas direcciones, de forma tal, que alcanzan también a las paredes del cilindro por debajo del pistón. Cuando el pistón desciende, los anillos de compresión barren ese aceite pero no pueden evitar que cierta cantidad pase a la parte superior del pistón, veamos porqué:

Acudamos a las figuras 7 y 8 en ellas se ha ampliado el esquema de la figura 6 para comprender por que el aceite no es retenido por los aros de compresión. Observe primero la figura 7, cuando el pistón baja, y el anillo se pega al borde superior de la ranura, el aceite que va barriendo tiene vía libre para llenar los espacios correspondientes a las holguras, debajo y detrás del anillo. Luego si miramos la figura 8, nos podremos dar cuenta que al invertirse el movimiento del pistón y este comenzar a subir, el propio anillo al moverse en la ranura hacia el borde inferior, desplaza parte del aceite al espacio encima de él. Note que ahora la holgura se ha colocado arriba del anillo. Como este proceso de ascensos y descensos del pistón se repite constantemente, el anillo de compresión "bombea" el aceite desde la zona de barrido hacia la cámara de combustión.

Para resolver este asunto se colocan uno o dos aros de aceite por debajo de los anillos de compresión.

Estos aros como puede verse en la figura 4, no son cuerpos sólidos, si no que están formados por dos anillos muy delgados de barrido separados por un elemento elástico independiente que mantiene ambos a distancia para ocupar la ranura del pistón. También en la práctica se usan anillos de aceite de una sola pieza elaborada de forma especial y perforada para hacer la misma función.

La ranura donde se aloja el aro de aceite tiene una peculiaridad especial que la distingue de las de los anillos de compresión, y es que en el fondo tiene varias perforaciones que comunican con el interior de la oquedad interna del pistón (figura5).

Estas diferencias hacen que:
  1. El elemento elástico funcione como un resorte que trata de mantener siempre los dos anillos de barrido, uno superior y otro inferior separados, y apretados contra las caras correspondientes de la ranura del pisón, de manera que el efecto de bombeo se vea notablemente reducido.
  2. Que el aceite que logre penetrar a la zona por detrás del anillo, entre este y el fondo de la ranura, pueda escapar al interior del pistón y con ello regresar al cárter.

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Figura 7

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Figura 8


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Figura 9

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Figura 10

La figura 9 sirve para ilustrar como pasa el aceite barrido por el anillo al carter del motor.

En la figura 10 se muestra un pistón con los orificios al fondo de la ranura de aceite, y en la 11 un anillo de aceite real montado en el pistón.

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Figura 11


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