|
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:
- Evitar la fuga de los gases de trabajo.
- Evitar el paso del lubricante a la cámara de
combustión.
|
|
Para cumplir estas tareas, en la unión participan tres elementos
principales:
- Las camisas cilíndricas.
- El pistón, de dimensiones y forma adecuadas.
- 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:
- Camisas desmontables: Son aquellas que se maquinan
como un
cilindro de paredes finas y luego se instalan en el bloque del motor.
- 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:
- Camisas húmedas: Son aquellas que una vez montadas
en el bloque del motor están rodeadas exteriormente por el
refrigerante del sistema de enfriamiento.
- 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.
|
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.
|
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:
- La parte superior o cabeza del pistón es de
sección sólida, mientras que el resto es de
sección hueca.
- En la dirección radial la linea de montaje
del bulón tiene mas masa que el resto de las direcciones en esa
altura.
- La oquedad interior no es de sección
constante, las paredes del pistón son mas delgadas a medida que
se desciende en altura.
- 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.
|
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:
- Los de compresión de sección
sólida.
- 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.
|
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 por que:
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.
|
Figura 5
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:
- 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.
- 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.
|
Figura 7
Figura 8
|
Figura 9
|
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. |
Otros temas sobre el
automóvil aquí.
Para ir al índice general del portal aquí.
|
