Conjunto pistón- cilindro-anillos

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.

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.

4.

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.

Figura 1

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.

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.

Figura 2

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.

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

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