Actualización de pistones y anillos

El diseño básico del pistón y el anillo es prácticamente el mismo que cuando se inventó el primer motor de combustión interna. El pistón sigue siendo un trozo redondo de metal que se desliza hacia arriba y hacia abajo en el cilindro. Y los anillos todavía se usan para sellar la compresión, minimizar la combustión y controlar el aceite.

A pesar de las similitudes con sus homólogos anteriores, el diseño del pistón se ha convertido en un proceso muy complicado en el que incluso la forma se traza minuciosamente en un programa de modelado informático conocido como Análisis de elementos finitos (FEA). Los pistones tampoco son realmente redondos en estos días. Muchos están diseñados específicamente para tener una forma elíptica en frío que se expande a una forma redonda a medida que los motores se calientan a la temperatura de funcionamiento. Sin embargo, la fuerza causada por el proceso de combustión ejerce la mayor parte de la presión inicial sobre el área de la corona del pistón a medida que se expande el frente de la llama.

Para los anillos de pistón, la tendencia continúa hacia anillos de acero más delgados con revestimientos frontales avanzados. Si bien no se debe directamente a la inyección directa y la inducción forzada, los revestimientos frontales para anillos de pistón continúan evolucionando para satisfacer las altas demandas de estos motores. Por lo general, cualquier motor nuevo en el mercado hoy en día utiliza acero para todos los anillos, así como algún tipo de recubrimiento de deposición física de vapor (PVD).

Si bien los materiales y diseños de los pistones han evolucionado a lo largo de los años para compensar las presiones más altas y la expansión del calor, seleccionar un pistón que esté optimizado para las condiciones de la cámara de combustión puede ser un desafío porque hay muchas variables a considerar. Los fabricantes de motores deben tener en cuenta el tipo de material, el proceso de fabricación, ya sea forjado, fundido o de palanquilla, el paquete de anillos, incluidos los revestimientos, el costo, etc. Los pistones forjados ofrecen la mayor resistencia y durabilidad, pero es posible que no sean la mejor opción para todas las aplicaciones, incluso si están disponibles. Los diseños de palanquilla ofrecen flexibilidad en cuanto al diseño y más flexibilidad en cuanto al tamaño, pero también son más caros de producir debido a la cantidad de mecanizado que se necesita para cortar un tapón de aluminio en una pieza utilizable. Los pistones fundidos se fabrican en grandes cantidades, pero no son tan resistentes como los fabricados con palanquilla o piezas forjadas. En última instancia, depende de los fabricantes de motores determinar la mejor combinación para el cliente.

Turboalimentar motores más pequeños es la tendencia que siguen los fabricantes de equipos originales en estos días, lo que permite que los motores más pequeños y más eficientes en combustible tengan una potencia similar a sus primos de mayor cilindrada, pero también aumenta la carga y la temperatura que deben soportar los pistones y los anillos. Los motores más pequeños de alto rendimiento requieren un pistón que esté hecho de un material que pueda soportar temperaturas y presiones de combustión más altas. Los pistones fundidos de ayer simplemente no son suficientes para las aplicaciones actuales de inyección directa de gasolina (GDI) o inyección directa turboalimentada (TGDI).

La mayoría de los motores GDI usan levas con sincronización variable de válvulas (VVT). Si bien VVT puede proporcionar mucho espacio para ajustar el rendimiento del motor, esta configuración requiere la necesidad de alivios de válvula más profundos en la parte superior del pistón para brindar suficiente espacio para las válvulas a medida que la leva avanza y se retarda. Los fásers de levas en la mayoría de los motores con VVT pueden girar las levas hasta 40 grados, y algunos pueden cambiar la sincronización de las levas hasta 60 grados. Eso es mucha rotación de la leva, por lo que si los pistones no tienen la holgura adecuada para los alivios de las válvulas, las piezas metálicas valiosas podrían chocar si las válvulas se mantienen abiertas demasiado tiempo.

Los pistones de los motores GDI tienen un diseño muy similar al de los motores inyectados en puerto, excepto por el área de la corona. La mayoría de los pistones de los motores GDI tienen una depresión en la corona que dirige el combustible hacia la bujía una vez que se ha inyectado. Este charco de una mezcla de combustible relativamente rica se dirige a la bujía para iniciar la combustión. Después de que la bujía enciende el charco de combustible, el resto del combustible en la cámara puede quemarse para producir una mezcla más eficiente.

Para la mayoría de los motores de rendimiento y alto rendimiento, los pistones forjados son el camino a seguir porque están fabricados con las aleaciones más duraderas, como 4032 y 2618. Cuando se trata de resistencia a la tracción, las dos aleaciones no están muy alejadas. El 4032 tiene una clasificación de alrededor de 55 000 psi y el 2618 tiene una clasificación de alrededor de 65 000 psi. Un pistón 4032 es un poco más liviano que un pistón hecho de 2618. Los pistones hechos con aleaciones 4032 tienen un contenido de silicio de aproximadamente 10-12 por ciento y son populares para aplicaciones como óxido nitroso o motores de inducción forzada ligeramente reforzados. El contenido de silicio le da al aluminio una tasa de expansión más baja en comparación con la aleación 2618 y puede funcionar con un espacio libre más estrecho entre el pistón y la pared del cilindro para una mayor durabilidad. Los pistones fabricados con 4032 también tienen la característica adicional de no hacer tanto ruido mientras el motor alcanza la temperatura de funcionamiento.

La aleación se calienta a un estado líquido para hacer una fundición, luego se vierte en un molde para crear la forma básica del pistón. Una vez que la aleación se enfría y se vuelve sólida, se retira el molde y se mecaniza la pieza fundida en bruto hasta darle su forma final. Muchos motores estándar usan pistones fundidos porque son económicos y funcionan bien a niveles de potencia más bajos. Para aplicaciones de mayor potencia que requieren pistones más fuertes, un hipereutéctico fundido es una buena opción para construcciones moderadas. Los pistones hipereutécticos no son tan fuertes como los pistones forjados hechos de aleación 4032 o 2618. Por lo tanto, la mayoría de los fabricantes de motores utilizan un pistón forjado para aplicaciones de rendimiento que utilizan impulso, óxido nitroso, altas revoluciones o una combinación de estos. Sin embargo, los pistones hipereutécticos fundidos se expanden térmicamente menos que los pistones forjados que están hechos de aleación 4032 de baja expansión. En consecuencia, los pistones hipereutécticos pueden tener una holgura de pistón a cilindro más estrecha que los pistones forjados. Los pistones hipereutécticos suelen ser la mejor opción para motores de serie, especialmente cuando se trata de longevidad en lugar de rendimiento puro.

Los OEM y los fabricantes de anillos del mercado de repuestos continúan con la tendencia hacia anillos más delgados y de baja tensión para reducir la fricción y que se adapten mejor a la pared del cilindro. También proporcionan un mejor sellado con menos fugas que los anillos de hierro dúctil tradicionales. Un anillo de compresión de hierro dúctil tradicional produce alrededor de 7 a 8 libras de tensión en comparación con aproximadamente la mitad de los anillos de acero de estilo más delgado que se utilizan en algunas de las principales divisiones de carreras. Un anillo de 1,0 mm o menos ofrece una reducción significativa de la fricción y el arrastre, pero también requiere un material de anillo más resistente y duradero.

Los anillos de acero al carbono, que se utilizan tanto para los motores de alto rendimiento como para los juegos de reemplazo OEM de último modelo, son un 35 por ciento más fuertes que el hierro fundido gris. Los anillos de acero al carbono se pueden recubrir con molibdeno, cromado o sin recubrir.

Otro tipo de anillo de acero está disponible en acero inoxidable, que es el material elegido para muchas clases de carreras profesionales y otras aplicaciones de gama alta para anillos de rodadura tan estrechos como 0,7 mm. Los anillos de acero inoxidable no se pueden colocar en un orificio de hierro fundido sin un tratamiento superficial como nitruración de gas o PVD con una aleación de titanio o cromo.

Los recubrimientos PVD son la tecnología convencional más nueva. Estos recubrimientos ofrecen una fricción extremadamente baja y proporcionan excelentes características de desgaste. La única desventaja de estos recubrimientos son los costos, pero a medida que aumenta la demanda del mercado y más proveedores adquieren esta tecnología, eventualmente el costo de ofrecer estos recubrimientos disminuirá, según

Es fundamental que el juego de aros del pistón y el pistón se complementen entre sí en cuanto al espacio libre entre la parte posterior del aro del pistón y la parte inferior de la ranura del pistón, lo que se conoce como espacio libre posterior. Si el espacio libre no es suficiente, lo más probable es que se dañe el motor cuando se instalen el pistón y los anillos. Los fabricantes de anillos recomiendan enfáticamente verificar que los anillos tengan suficiente espacio libre para verificar que sean el juego de anillos correcto para la aplicación.

Los recubrimientos están disponibles en varios compuestos y procesos, desde grafito hasta cerámica, anodizado y más. Los recubrimientos de pistones ofrecen algunos beneficios en aplicaciones específicas. Los fabricantes y las empresas de recubrimientos usan nombres de propiedad para los recubrimientos en muchos casos, pero esencialmente solo hay unos pocos tipos, desde película seca hasta cerámica rociada, DLC o PVD que se impregna en la superficie del metal. Los recubrimientos de PVD depositan una película delgada (2-10 micrones; 0,0001″-0,0004″) en la superficie del anillo. El proceso de recubrimiento por PVD se lleva a cabo en condiciones de alto vacío, lo que lo hace costoso, pero los fabricantes creen que el costo disminuirá a medida que aumente la demanda.

La nitruración con gas es un proceso de tratamiento térmico que impregna la superficie del metal con nitrógeno para endurecerlo. Cuando se usa en anillos de pistón, endurece la superficie completa del anillo a una profundidad de alrededor de 0,001 pulgadas, lo que mejora significativamente su resistencia al desgaste lateral y al desgaste frontal. Los anillos nitrurados con gas tienen una dureza que se traduce en una escala Rockwell de alrededor de 68 HRC, que es casi un 50 por ciento más duro que los anillos de acero y cuatro veces más duro que los anillos de fundición gris. Los anillos son tan duros que, de hecho, el desgaste de los anillos es prácticamente inexistente. ¡Los fabricantes de anillos que usan este tratamiento dicen que los cilindros se desgastarán antes que los anillos!

Al igual que los restaurantes de comida rápida ofrecen comidas económicas y combinaciones que incluyen un sándwich, papas fritas y una bebida, los kits de pistones y anillos están disponibles y son una opción popular entre los fabricantes de motores. Los kits de pistones y anillos pueden consistir en pistones fundidos, hipereutécticos o forjados y un juego de anillos a juego de su elección. Los pistones incluyen pasadores de muñeca nuevos y están disponibles en diámetros estándar y sobredimensionados para adaptarse a combinaciones de motores específicas. Puede ahorrar algo de tiempo y dinero al obtener los componentes correspondientes en un solo paquete.

Se ha dicho que aproximadamente del 50 al 60 por ciento de la fricción total generada por un motor proviene del pistón y los anillos. Los mejores constructores y fabricantes de motores lo saben, por lo que ahora vemos tantos aumentos de potencia. La parte desafiante es reducir la fricción Y seguir haciendo el trabajo de sellar la combustión y transferir la energía al cigüeñal, pero la recompensa puede ser grande si lo haces bien.