EL PISTN DE CILINDRO

Se denominapistna uno de los elementos bsicos delmotor de combustin interna.Qu es un pistn

El pistn es un cilindro abierto por su base inferior, cerrado en la superior y sujeto a la biela en su parte intermedia. Es uno de los elementos bsicos del motor de combustin interna.

El movimiento del pistn es hacia arriba y abajo en el interior del cilindro, comprime la mezcla, transmite la presin de combustin al cigeal a travs de la biela, fuerza la salida de los gases resultantes de la combustin en la carrera de escape y produce un vaco en el cilindro que aspira la mezcla en la carrera de aspiracin.

El pistn, que a primera vista puede parecer de las piezas mas simples, ha sido y es una de las que ha obligado a un mayor estudio. Debe ser ligero, de forma que sean mnimas las cargas de inercia, pero a su vez debe ser lo suficientemente rgido y resistente para soportar el calor y la presin desarrollados en el interior de l la cmara de combustin.

El pistn resiste una gran empuje durante el ciclo de combustin del motor, por lo que deben poseer una gran resistencia mecnica. Su resistencia a las temperaturas tambin es importante, tener en cuenta su contacto con la cmara de combustin.

Desde el punto de vista lgico en los pistones se puede distinguir dos grandes partes, la falda y la cabeza del pistn.

La parte de la cabeza del pistn al observarse con detenimiento, hasta tiene en su extremo superior una parte que cierra al pistn, conocido como corona. Adems de la corona la cabeza tambin posee unas ranuras, en ellas es donde van asentados los anillos.

Por ultimo, en la falda un agujero que permite conectar a la biela, a este agujero se lo conoce como pasador ya que en realidad se denomina pasador a cualquier agujero donde generalmente pasa otra pieza para sujecin).El pistn sirve sencillamente es para recibir la fuerza de empuje recibida durante el ciclo de trabajo conocido comnmente como tiempo de combustin. Su posicin exacta en el motor es dentro del cilindro, con su corona hacia arriba y la falda hacia abajo conectada esta ultima con la biela gracias al pasador.

El pistn es de forma cilndrica y suele estar fabricado con una aleacin de aluminio. Su fabricacin implica el uso de altas tecnologas para lograr una mxima precisin en cuantos a medidas y lograr la resistencia adecuada para soportar el desgaste causado por la temperatura y movimiento.

El pistn esta constitudo por varias secciones fcilmente reconocibles: la cabeza del pistn y falda. En la cabeza del pistn se encuentra en su parte superior la corona, cerrando la cabeza del pistn (sta junto con las hendiduras en la tapa de cilindros forman la cmara de combustn). La corona soporta el impacto provocado por la expansin de los gases de la combustin y requiere materiales extremadamente resistentes y livianos.

Debajo de la corona y tambin integrando la cabeza del pistn existe una seccin con ranuras, aqu es donde los anillos se asientan. Debajo de la cabeza se encuentra la denominada falda.El pasador consiste en un agujero destinado a conectar la biela.Tipos de pasadores

Pasador Fijo:Se coloca al pistn mediante un tornillo de presin (o esprrago).Pasador Flotante:Se sujeta a los lados con pines de presin el cual se inserta comprimido en una ranura circular, permitiendo que el pasador gire con el pitn y la biela.Pistn Semi-Flotante:Se utiliza un tornillo para apretar una abrazadera, girando asi libremente en los soportes del pistn.La funcin del pistn es dirigir la fuerza generada por la combustin dela mezcla a la biela (la cual a su vez la dirige al cigueal).Al cambiar de direccin en su recorrido descendente-ascendente y ascendente-descendente el pistn el motor debe vencer la inercia resultante, razn por la que se busca mantener el peso del pistn lo ms liviano posible.El pistn se encuentra dentro del cilindro con la corona dirigida hacia arriba, mientras que su parte inferior abierta entra la biela conectada por el pasador.Los pistones son ajustados de forma de dejar una pequea distancia con las paredes del cilindro.Se contempla as la dilatacin del metal a causa del calor y tambin el espacio necesario para la circulacin del lubricante.

Tipos de Pistones

El pistn es un cilindro abierto por su base inferior, cerrado en la superior y sujeto a la biela en su parte intermedia. El movimiento del pistn es hacia arriba y abajo en el interior del cilindro, comprime la mezcla, transmite la presin de combustin al cigeal a travs de la biela, fuerza la salida de los gases resultantes de la combustin en la carrera de escape y produce un vaco en el cilindro que aspira la mezcla en la carrera de aspiracin.

El pistn, que a primera vista puede parecer de las piezas mas simples, ha sido y es una de las que ha obligado a un mayor estudio. Debe ser ligero, de forma que sean mnimas las cargas de inercia, pero a su vez debe ser lo suficientemente rgido y resistente para soportar el calor y la presin desarrollados en el interior de la cmara de combustin.

Veamos en esta oportunidad algunos tipos de pistones Sealed Power de Federal Mogul que les proporcionar una mejor comprensin de las caractersticas, beneficios y materiales de estos pistones para su correcta aplicacin.

Comenzaremos por los materiales. Los pistones de los motores actuales usan como elemento principal el aluminio, por ser un metal con amplias cualidades.

En la fabricacin de los pistones, al aluminio se le agregan otros elementos para obtener formulas adecuadas que proporcionan las caractersticas particulares necesarias segn el tipo y aplicacin del motor. Estas aleaciones son las que permiten obtener un producto de alta calidad como es el caso de los pistones Sealed Power.

( Figura 1 )

Pistones de aluminio fundido (Sufijos P, NP)

Uno de los procesos ms antiguos y an vigente, es el de la fundicin de lingotes de aluminio en grandes Crisoles (donde se calientan los metales hasta que se funden o pasan de slido a lquido) que luego se vacan en moldes enfriados por agua bajo sistemas especiales.

Posteriormente, comienza el proceso de mecanizado, efectuado por diferentes maquinarias controladas por computadoras y por ltimo pasan por una serie de procesos trmicos que les dan las propiedades requeridas por las empresas fabricantes de equipo original. Estos mismos pistones de la marca Sealed Power son los que tienen los vehculos que salen de la fabrica y son los mismos ofrecidos en las repuesteras como piezas de reposicin.

( Figura 2 )

Pistones forjados a presin (Sufijo F)

En ste proceso se utilizan trozos de barras de aleaciones de aluminio cortados a la medida y sometidos a presiones de hasta 3000 toneladas de fuerza, En los troqueles se forja con exactitud las dimensiones del pistn y las ranuras de los anillos con maquinados a precisin para brindar optima calidad y confiabilidad en el uso de estos, tanto en motoresde uso diario como de trabajos pesados e incluso en los motores de autos de competencias (figura 1).

(Figura 3 )

Pistones Hipereutecticos (Prefijo H)

Estos pistones son fabricados con modernos sistemas de la ms alta tecnologa metalrgica en la cual se emplean nuevas formulaciones que permiten agregar una mayor cantidad de silicio, logrndose una expansin molecular uniforme de los elementos utilizados en su composicin. Esta tcnica de manufactura proporciona a stos pistones caractersticas especiales, tales como soportar mayor fuerza, resistencia y control de la dilatacin a temperaturas altas, disminuyendo el riesgo de que el pistn se pegue o agarre en el cilindro, la vida til esmayor ya que las ranuras de los anillos y el orificio del pasador del pistn son ms duraderas, adems se pueden instalar en los nuevos motores e igualmente se usan en motores de aos anteriores. Esta particular tecnologa de los pistones Sealed Power se impone en especial para las nuevas generaciones de motores de alta compresin. Al usar pistones con prefijo H su reparacin ser confiable (figura 2).

( figura 4 )

Pistones con capa de recubrimiento (Sufijo C)

Los primeros minutos de funcionamiento de un motor nuevo o reparado son cruciales para la vida del motor. Los pistones de la marcaSealed Power han estado a la vanguardia de la tecnologa del recubrimiento de las faldas del pistn. Inicialmente se utiliz el estao (ste le da un color opaco figura 3) pero por ser nocivo a la salud ha sido eliminado por los fabricantes de pistones. En sustitucin se est aplicando el nuevo recubrimiento anti-friccin compuesto por molibdeno y grafito en las faldas (dndole un color negro, figura 4).Este proceso patentado por Sealed Power extiende la vida til de los motores que lo usan, evita que los pistones se rayen, ayuda a prevenir daos por la lubricacin inadecuada y mejora el sellado de los pistones.Tambin se usan los pistones sin recubrimiento que tienen una apariencia brillante por el color del aluminio al ser maquinado (figura 1).Fabricacin:

Grficas de posicin, velocidad y aceleracin de un pistn; en funcin de distintas relaciones de R (brazo decigeal) y L (longitud de biela).

Bsicamente existen dos procesos para la fabricacin de los pistones: Estos pueden ser:Fundidos

Forjados

Dependiendo de la cantidad necesaria a producir y especialmente de los esfuerzos, temperaturas, presiones, etc. a los que estarn sometidos (sea un motor disel, de gasolina , de competicin, etc.) se elige uno u otro mtodo. Los pistones forjados tienen mayor resistencia mecnica. Luego llevan mecanizados varios que son los que determinan la forma final del pistn. Estos mecanizados son hechos con un CNC.Mecanizado del alojamiento del perno o buln de pistn: se mecaniza el alojamiento del perno, como este perno estar girando cuando el motor est en funcionamiento por lo que debe quedar una superficie de buena calidad y rugosidad sin rayaduras. Estos son dos orificios ubicados en paredes opuestas del pistn. Estos agujeros deben ser concntricos (tener la misma lnea de eje) y esta lnea debe ser paralela a la lnea de eje del mun del cigeal ya que si as no fuese al funcionar el motor la biela se agarra con el perno. Para que este perno no se salga y raye el cilindro se colocan seguros seeger al final de los alojamientos realizados, entonces se debe realizar las cavidades para poner los seguros.

Mecanizado del alojamiento de los aros: Se debe realizar la cavidad para poder poner los aros. Para montar el conjunto pistn aros dentro del cilindro los aros se comprimen, por lo tanto la profundidad del alojamiento de los aros debe ser tal que todo el aro quede oculto en el pistn. En el alojamiento del aro rasca aceite se realiza un orificio pasante para que el aceite que se saca del cilindro vaya hacia adentro del pistn y luego se lo direcciona hacia el perno, para poder mantenerlo lubricado.

Mecanizado de la cabeza del pistn: de acuerdo al diseo del motor la cabeza puede no ser plana. Puede tener vaciados para mejorar la homogeneidad de la mezcla en la admisin, vaciados para mejorar la combustin y en los motores donde la compresin es alta se realizan vaciados para que al abrir las vlvulas no golpeen al pistn. Se debe eliminar cualquier canto vivo.Mecanizado exterior: Al hacer un corte al pistn que pase por la lnea de eje del perno y al hacer otro corte que sea perpendicular a la lnea del perno puede verse que el pistn no tiene la misma cantidad de material en todas sus paredes, es decir, que por donde pasa el eje la pared del pistn tiene ms cantidad de material. Por lo tanto al aumentar la temperatura el pistn dilata de forma desigual quedando con una forma ovalada lo cual puede causar fugas o hacer que el pistn se agarre en el cilindro. Para que no pase esto se realiza un mecanizado exterior el cual le da una forma ovalada para que cuando dilate quede de forma cilndrica. Este mecanizado es de solo algunas milsimas en las paredes por donde no pasa el perno y por lo tanto es imperceptible a simple vista.Funcin Su funcin principal es la de constituir la pared mvil de lacmara de combustin, transmitiendo laenergade losgasesde lacombustina labielamediante un movimiento alternativo dentro del cilindro. Dicho movimiento se copia en el pie de biela, pero se transforma a lo largo de la biela hasta llegar a su cabeza apretada al mun del cigeal, en donde dichaenergase ve utilizada al movilizar dicho cigeal. De esta forma el pistn hace de gua al pie de biela en su movimiento alternativo.Nomenclatura de las partes del pistn Cabeza: Parte superior del pistn cuya cara superior (Cielo) est en contacto permanente con todas las fases del fluido: Admisin, compresin, combustin y consecuente expansin y escape. Para permitir las dilataciones producidas por el aumento de temperatura la cabeza es de menor tamao, alcanzando su menor dimetro en el cielo. Segn sean las necesidades del motor, la parte superior puede adoptar diversas formas Cielo: Superficie superior de la cabeza contra la cual ejercen presin los gases de la combustin. Puede ser plana, cncava, convexa, tener labrados conductos toroidales, deflectores para crear turbulencia, etc. Generalmente posee menor dimetro que el extremo inferior del pistn debido a que se tiene que prever que al estar en contacto con las temperaturas ms altas de todo el motor va a existir una cierta dilatacin en el pistn, consistente en un cierto ensanchamiento en su sector superior -es decir, en su cabeza- y por esta razn el pistn adopta una forma tronco cnica con su menor dimetro en su superficie superior. Alojamiento porta-aros: Son canales asignados a lo largo de la circunferencia del pistn, destinados a alojar los anillos. Los canales para los anillos rasca-aceite poseen orificios en el fondo para permitir el paso del aceite lubricante. Paredes entre canaletas: las partes de la regin de los anillos que separan dos canales entre s. Falda o pollera: Parte del pistn comprendida entre el centro del orificio del perno y el extremo inferior del pistn. Forma una superficie de deslizamiento y gua al pistn dentro del cilindro. Las faldas son de hierro fundido, y se la une a la corona mediante soldaduras o por embutimiento. En motores Diesel las faldas pueden formar una sola pieza con la cabeza, y en motores grandes se suelen usar faldas no integrales. Las faldas del pistn suelen ser de tipo planas o lisas, acanaladas o partidas o tambin del tipo arrugado. Esto sirve para contrarrestar la dilatacin o para mejorar la lubricacin. Las faldas o ranuras permitan la expansin del metal sin aumento de dimetro. Una particularidad interesante de las faldas arrugadas es que tienen microfisuras en las cuales se transporta aceite, lo cual mejora considerablemente la lubricacin y por ende alarga el tiempo de vida til del pistn. El juego entre la falda y la superficie del cilindro debe ser los ms reducido posible para evitar el cabeceo del pistn. Para facilitar el deslizamiento y agarrotamiento del pistn en muchas faldas se coloca una proteccin que consta de una capa de metales antifriccin tales como plomo, cadmio, zinc o estao. Orificio para perno del pistn: es el orificio situado en la falda que aloja al perno, los pernos del pistn son piezas cilndricas de acero al carbono, tratadas trmicamente que sirven de articulacin entre el pistn y la biela. Cuando el perno est libre tanto en el pistn como en la biela, se debe evitar el desplazamiento axial (Es decir, hacia los costados) del mismo, para lo cual se realizan unas ranuras en el borde de cada orificio y en dichas ranuras de montan anillos elsticos que constituyen un tope al movimiento axial del perno. Perno del pistn: Es un pasador tubular construido en acero al 10% de carbono. Tiene tres formas posibles de fijacin entre el pistn y la biela: Fijo a la biela y loco en el pistn: En este tipo de anclaje el pasador del pistn queda fijo (Sin movimiento radial respecto del pie de biela) en la biela y libre en el pistn. Este tipo de anclaje permite al pistn bascular sobre el pasador, para que pueda adoptar en su desplazamiento las posiciones adecuadas con respecto a la biela. Loco en la biela y fijo en el pistn: En este anclaje el perno queda fijo al pistn mediante una chaveta o tornillo pasador, mediante la biela bascula libremente sobre el perno. La unin biela-perno se realiza mediante un cojinete antifriccin. Loco tanto en la biela como en el pistn: En este tipo de anclaje el perno queda libre tanto respecto del pistn como de la biela, con lo cual ambos elementos bascular libremente teniendo adems la ventaja adicional de repartir las cargas y dismiuir el desgaste por rozamiento. El perno se monta en el pistn en fro con una ligera presin de modo que al dilatarse queda libre. Aros o segmentos: Son piezas circulares que se adaptan a la circunferencia del mbolo o pistn a una ranura practicada en el cuerpo del mismo y cumplen determinadas funciones, entre las cuales se cuentan asegurar la hermeticidad de la cmara de combustin, transmitir calor a las paredes del cilindro, y controlar la lubricacin de las paredes internas de dicho cilindro.DescripcinEl pistn es una pieza metlica tronco cnica compuesta por tres partes que son: la cabeza, el cuerpo y la pollera o falda. La parte superior o cabeza es la parte ms reforzada del mismo ya que se encarga de recibir el empuje de la expansin de los gases dentro del cilindro durante el desarrollo del ciclo.Los pasadores de pistn estn hechos de aluminio. Se trata de un mbolo que se ajusta al interior de las paredes delcilindromediantearosflexibles llamadossegmentos o anillos. Efecta un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presin y volumen o transformando en movimiento el cambio de presin y volumen del fluido. Entre las caractersticas que debe reunir se cuentan: Capacidad de soportar las condiciones extremas a las que se ven expuestos. Debe ser ligero para no transmitir excesivas inercias que aumenten las vibraciones del motor. Capacidad de dotar de perfecta estanqueidad al cilindro para as evitar una eventual fuga de gases.A travs de la articulacin debielaycigeal, su movimiento alternativo se transforma en rotativo en este ltimo.

Esquema simplificado del movimiento pistn/bielaPuede formar parte debombas,compresoresymotores. Se construye normalmente en aleacin dealuminio.Los pistones de motores de combustin interna tienen que soportar grandes temperaturas y presiones, adems de velocidades y aceleraciones muy altas. Debido a estos se escogen aleaciones que tengan un peso especfico bajo para disminuir la energa cintica que se genera en los desplazamientos. Tambin tienen que soportar los esfuerzos producidos por las velocidades y dilataciones.Materiales de construccinEl pistn debe ser diseado de forma tal que permita una buena propagacin del calor, para evitar las altas tensiones moleculares provocadas por altas temperaturas en diferentes capas del material, caso contrario una mala distribucin del calor ocasiona dilataciones desiguales en distintas partes del pistn ocasionando as roturas del mismo. Es comn el uso de cabezas de acero fundido en motores de gran potencia, manteniendo el cuerpo cilndrico de hierro fundido.Generalmente para la construccin del pistn se emplea la fundicin de grano fino, pero cuando es necesario fabricarlo en dos o ms partes se usa el fondo de acero fundido para resistir mejor las tensiones producidas por el calor. Los pistones se construyen en una gran variedad de materiales siendo los ms comunes: Hierrofundido. Aleacin denquely hierro fundido. Aleacin deaceroy aleacin dealuminio.Aleacin de nquel y hierro fundido:Se utiliza aleacin de hierro al 64% y nquel al 36% con muy poco carbono y algo de cromo. El coeficiente de dilatacin de esta combinacin es prcticamente nulo, con lo cual se consigue limitar la dilatacin del pistn.Fundicin:Se utiliza en motores pequeos. Poseen la ventaja de tener elevada resistencia mecnica y gran capacidad para trabajar en friccin.Pistones de hierro colado:Se desgastan menos y pueden utilizarse con menos holgura debido a que se expanden menos que los de aluminio.Pistones de aluminio:Son mucho ms ligeros y tienen un alto coeficiente de transmisin de temperatura. Por ende requieren menos agua de refrigeracin que los mbolos de fundicin.Pistones de hierro comn:Utilizados en motores de combustin de baja y media velocidad, este material aumenta la elasticidad a prueba de deformacin permanente y resistencias al desgaste, es preferible a las aleaciones livianas, ya que permite emplear espacios nocivos menores en los pistones, lo cual constituye un detalle valioso tratndose de motores grandes que funcionan con carga variable.FabricacinBsicamente existen dos procesos para la fabricacin de los pistones: Estos pueden ser: Fundidos ForjadosDependiendo de la cantidad necesaria a producir y especialmente de los esfuerzos, temperaturas, presiones, etc. a los que estarn sometidos (sea unmotor disel, degasolina, de competicin, etc.) se elige uno u otro mtodo. Los pistones forjados tienen mayor resistencia mecnica. Luego llevan mecanizados varios que son los que determinan la forma final del pistn. Estos mecanizados son hechos con unCNC. Mecanizadodel alojamiento delpernoo buln de pistn: se mecaniza el alojamiento del perno, como este perno estar girando cuando el motor est en funcionamiento por lo que debe quedar una superficie de buena calidad y rugosidad sin rayaduras. Estos son dos orificios ubicados en paredes opuestas del pistn. Estos agujeros deben ser concntricos (tener la misma lnea de eje) y esta lnea debe ser paralela a la lnea de eje del mun delcigealya que si as no fuese al funcionar el motor labielase agarra con el perno. Para que este perno no se salga y raye el cilindro se colocan segurosseegeral final de los alojamientos realizados, entonces se debe realizar las cavidades para poner los seguros. Mecanizado del alojamiento de los aros: Se debe realizar la cavidad para poder poner los aros. Para montar el conjunto pistn aros dentro del cilindro los aros se comprimen, por lo tanto la profundidad del alojamiento de los aros debe ser tal que todo el aro quede oculto en el pistn. En el alojamiento del aro rasca aceite se realiza un orificio pasante para que el aceite que se saca del cilindro vaya hacia adentro del pistn y luego se lo direcciona hacia el perno, para poder mantenerlo lubricado. Mecanizado de la cabeza del pistn: de acuerdo al diseo del motor la cabeza puede no ser plana. Puede tener vaciados para mejorar la homogeneidad de la mezcla en la admisin, vaciados para mejorar lacombustiny en los motores donde la compresin es alta se realizan vaciados para que al abrir las vlvulas no golpeen al pistn. Se debe eliminar cualquier canto vivo. Mecanizado exterior: Al hacer un corte al pistn que pase por la lnea de eje del perno y al hacer otro corte que sea perpendicular a la lnea del perno puede verse que el pistn no tiene la misma cantidad de material en todas sus paredes, es decir, que por donde pasa el eje la pared del pistn tiene ms cantidad de material. Por lo tanto al aumentar la temperatura el pistn dilata de forma desigual quedando con una forma ovalada lo cual puede causar fugas o hacer que el pistn se agarre en el cilindro. Para que no pase esto se realiza un mecanizado exterior el cual le da una forma ovalada para que cuando dilate quede de forma cilndrica. Este mecanizado es de solo algunas milsimas en las paredes por donde no pasa el perno y por lo tanto es imperceptible a simple vista.

Parmetros en los cuales influye el pistnRelacin de compresin:Se define como Relacin de Compresin a la relacin volumtrica existente entre el volumen total de la cmara de combustin (Con el pistn en su PMI) ms el volmen mnimo de la cmara de combustin, dividido sobre el volumen mnimo de la susodicha cmara de combustin. La relacin de compresin en motoresDiesel(Que dependen de dicha relacin para lograr una combustin exitosa) es de 16:1 a 18:1, frente a los motores Otto, que son mucho menores, con relaciones que van desde 7:1 a 12:1.

DimetroDistancia mxima entre 2 puntos de la circunferencia circular mayor del cilindro.Carrera:Distancia que recorre el pistn en su movimiento alternativo, medida entre su punto ms bajo y el ms alto del recorrido.Cilindrada:Este valor depende deldimetro, carrera y nmero de cilindros. A priori, cuanto mayor sea la cilindrada de un motor, ms robusto ser, y menor nmero de revoluciones necesitar para conseguir la potencia deseada, como as tambin ser ms duradero el motor. Por otro lado el precio se ve aumentado.Velocidad media del pistn:Se define por la siguiente expresin: Vl= (Rpm*2*L)/60 segSiendo:Vl:Velocidadlineal en m/s (metros por segundo)Rpm: Revoluciones por minutoL: Distancia recorrida en metros (Carrera)