Conocimientos sobre motores – Pistón
Para los Pistons, que saben que el motor es una de las partes más importantes del mismo.
El conjunto del vástago del pistón está compuesto por el pistón, los anillos de pistón, los pasadores del pistón, la biela, los cojinetes de la biela y otros componentes.
Función: El pistón funciona bajo presión de gas y, impulsado por la rotación del cigüeñal a través del pasador del pistón y la biela, se desplaza hacia la parte superior de la cámara de combustión.
Condiciones de trabajo: el pistón opera en condiciones de alta temperatura, alta presión, alta velocidad y lubricación deficiente. El pistón entra en contacto directo con el gas caliente, con una temperatura instantánea de hasta 2500 K o más; por lo tanto, el calor es intenso y las condiciones térmicas son adversas, por lo que la temperatura de trabajo del pistón es elevada, llegando a 600 ~ 700 K en la parte superior, y la distribución de la temperatura es muy desigual; la parte superior del pistón está sometida a la presión del gas, especialmente durante la carrera de potencia máxima: en los motores de gasolina, esta presión alcanza de 3 a 5 MPa, y en los motores diésel, de 6 a 9 MPa, lo que provoca un impacto en el pistón y lo obliga a soportar una presión lateral; el pistón realiza un movimiento recíproco en el cilindro a alta velocidad (de 8 a 12 m/s), y la velocidad cambia constantemente, lo que genera una gran inercia, lo que supone una gran carga adicional para el pistón. En condiciones de trabajo tan adversas, el pistón sufrirá deformaciones y un desgaste acelerado, además de generar cargas adicionales, tensiones térmicas y corrosión química provocada por los gases. Por lo tanto, se requiere que: (1) cuente con suficiente rigidez y resistencia, así como confiabilidad en la transmisión de potencia; (2) posea buena conductividad térmica y resistencia a la alta presión, altas temperaturas y al desgaste; (3) debe ser de baja masa y peso ligero, para minimizar la fuerza de inercia recíproca. La aleación de aluminio cumple básicamente con los requisitos anteriores; por lo tanto, los pistones generalmente se fabrican con aleación de aluminio de alta resistencia, aunque en algunos motores diésel de baja velocidad se utiliza hierro fundido o acero avanzado resistente al calor.
Estructura: El pistón se puede dividir en tres partes: el pistón, la cabeza del pistón y la falda del pistón.
1 pistón: pistón sometido a presión de gas, que forma parte de la cámara de combustión; su forma, posición, tamaño y todas las características específicas de la cámara de combustión deben cumplir con los requisitos para la formación de la mezcla combustible y la combustión; La forma de la parte superior se puede dividir en cuatro categorías: pistón de cabeza plana, pistón de cabeza convexa, pistón de cabeza cóncava y pistón de cabeza especial. El pistón de cabeza plana es sencillo, fácil de fabricar y calienta un área pequeña; la distribución de la tensión en la parte superior es más uniforme, por lo que se utiliza generalmente en motores de gasolina, mientras que en los motores diésel se usa muy poco. La cabeza del pistón tiene forma de cúpula convexa elevada; la parte superior es de alta resistencia y, al salir de la guía, ayuda a mejorar el proceso de ventilación; los motores de gasolina de dos tiempos suelen utilizar pistones de cabeza convexa. El pistón de cabeza cóncava tiene una parte superior hueca; la forma y ubicación de la cavidad deben favorecer la combustión de la mezcla combustible, como las cavidades de doble vórtice, las cavidades esféricas, las cavidades en forma de U, entre otras.
(2) Cabeza del pistón: la cabeza del pistón se refiere a la parte del pistón situada sobre el orificio del pasador del pistón, donde se encuentra la primera ranura para anillos de pistón. Algunos lo llaman ranura de anillos; sirve para la instalación de los anillos del pistón y para el sellado, también conocida como sección a prueba de fugas. En los motores diésel, debido a la relación de compresión, generalmente hay cuatro ranuras para anillos: las tres superiores para los anillos de compresión y la inferior para el anillo de aceite. En los motores de gasolina, por lo general, hay tres ranuras para anillos: una para el anillo de gas y otra para el anillo de aceite; el anillo de aceite tiene muchos orificios radiales en su superficie inferior, de modo que el aceite raspado de las paredes del cilindro del motor fluye a través de esos orificios de regreso al cárter. La primera ranura de anillos es la que se encuentra en peores condiciones de trabajo; por lo general, debe estar lo más alejada posible de la parte superior. El calor absorbido por el pistón principal se transmite a través del departamento de estanqueidad de la pared del cilindro del pistón y, luego, se disipa mediante el agua de enfriamiento. En resumen, la función de la cabeza del pistón del motor, además de la instalación de los anillos de pistón, incluye efectos de sellado y transferencia de calor; junto con el sello del pistón y el cilindro, evita la fuga de la mezcla de gases combustibles hacia el cárter, y también (70 ~ 80)% calor que pasa a través de las paredes del cilindro del pistón.
3. Faldón del pistón: el faldón del pistón es el tramo que va desde el extremo hasta la siguiente parte de la base del pistón, lo que incluye el orificio del pasador del pistón montado en el asiento. El faldón del pistón guía el movimiento recíproco del pistón dentro del cilindro del motor y resiste la presión lateral. La falda depende de la magnitud de la presión lateral y del diámetro del pistón. La llamada presión lateral en la carrera de compresión y en la carrera de potencia corresponde a la componente horizontal de la presión que ejerce el gas sobre el pistón del motor, en la parte superior del pistón, contra la pared del cilindro. En la carrera de compresión y en la carrera de potencia, la dirección de la presión del gas es opuesta; debido a que la presión de combustión es mucho mayor que la presión de compresión, la presión lateral en la carrera de potencia también es mucho mayor que la de la carrera de compresión. La falda del pistón que soporta la presión lateral de ambos lados se denomina superficie de empuje; estas superficies están en fase con el eje del pasador del pistón y son perpendiculares a la dirección de este. Características estructurales:
(1) De forma ovalada prefabricada, con el fin de soportar la presión de los gases en el faldón lateral y el cilindro del motor, y mantener un espacio reducido y seguro, lo que requiere que el pistón funcione correctamente dentro del cilindro del motor. Sin embargo, debido a que el espesor de la falda del pistón es muy desigual, el espesor del metal en la parte del orificio del pasador del pistón hace que la expansión térmica a lo largo del eje del asiento del pasador del pistón del motor sea mayor que en la otra dirección. Además, la falda lateral debe soportar la presión del gas, lo que provoca una deformación a lo largo del pasador del pistón en la dirección vertical al pasador, que es mayor que en la otra dirección. Por lo tanto, si en estado frío la falda del pistón es circular, al funcionar se convierte en un pistón ovalado; la holgura entre el pistón y el cilindro no es igual en toda la circunferencia, lo que provoca que el pistón se atasque en el cilindro y el motor deje de funcionar. Por ello, en el procesamiento previo, la falda del pistón del motor se fabrica con forma ovalada. El eje largo de la elipse es paralelo a la vertical del asiento, mientras que el asiento se alinea a lo largo del eje corto. De esta manera, el pistón se acerca más a la forma de un círculo perfecto.
(2) La distribución de la temperatura a lo largo de la altura del pistón es muy desigual: la temperatura es alta en la parte superior y baja en la inferior; por lo tanto, la expansión es mayor en la parte superior y menor en la inferior. Para que el pistón se mueva hacia arriba y hacia abajo con un diámetro más o menos igual —es decir, cilíndrico—, el pistón debe fabricarse de manera que su forma sea cónica, con un paso grande en la parte superior y uno pequeño en la inferior.
(3) Para reducir la deformación de la falda del pistón del motor causada por el calor, por lo general se incluye una ranura abierta horizontal en la falda de aislamiento; además, para compensar la deformación de la falda tras la expansión térmica, se abre una ranura de expansión vertical en la falda. La ranura tiene forma de “T” o de “Π”. La ranura horizontal es la más común; se encuentra debajo del anillo, a ambos lados del borde del asiento del pasador en la falda (y también hay una ranura abierta entre la ranura del anillo de aceite), con el objetivo de reducir la transferencia de calor a la falda; por eso se le llama ranura térmica. La ranura vertical le da a la falda cierta flexibilidad, de modo que el espacio entre el pistón del motor y el conjunto del cilindro sea lo más pequeño posible, y permita la compensación durante el funcionamiento en caliente, evitando que el pistón se atasque en el cilindro; a esta ranura vertical se le denomina ranura de expansión. En el caso de la falda con ranura vertical abierta, la rigidez del lado de la ranura la hace más pequeña, de modo que, una vez ensamblada, debe soportar la presión lateral del lado más pequeño durante la carrera de potencia. Los pistones de los motores diésel, debido a la fuerza que soportan, generalmente no tienen ranuras en la falda.
(4) En algunos pistones, con el fin de reducir el peso, se realiza un orificio en la falda o se recorta una parte de la misma para reducir la presión lateral en ambos lados y, de ese modo, disminuir la fuerza de inercia, lo que reduce la deformación del pasador del motor cerca del asiento caliente y da lugar a una estructura de placa elástica de arrastre de la falda del pistón o de la placa del pistón con un breve retraso; el peso es menor y, en los motores de alta velocidad, el espacio entre el pistón y el cilindro es más pequeño.
(5) Con el fin de reducir la expansión térmica de la falda del pistón de aluminio, se incorpora algo de acero en la falda del pistón o en el asiento del pasador del pistón. Las características estructurales del pistón de acero de Heng Fan se deben a que el acero al níquel 33%, de rango constante, es una aleación de hierro y níquel de bajo carbono 36%, y su coeficiente de expansión es solo 1/10 del del aluminio, mientras que el asiento del pasador de acero, conectado a la falda por Heng Fan, la falda contiene la deformación por expansión térmica.
(6) En algunos motores de gasolina, la línea central del orificio del pasador del pistón se desvía del plano central del pistón, lo que permite que el pistón recorra su carrera con un desplazamiento lateral de 1 a 2 mm. Esta estructura permite que el pistón, al pasar de la carrera de compresión a la carrera de potencia, realice una transición más suave del lado de presión del cilindro al otro lado, lo que reduce el ruido de detonación. Al momento de la instalación, no se debe forzar la dirección de desplazamiento del pasador del pistón, ya que de lo contrario aumentará la fuerza de impacto y se dañará la falda del pistón.