Historia y diseño de los pistones

En los últimos 20 años los motores han sufrido grandes cambios, mayores a los de décadas anteriores. Los pistones antiguos se usaban principalmente en motores de aspiración normal, y su diseño se basó mucho en la experiencia y en diseños anteriores.

Los motores modernos están más propensos a sobrealimentarse con prestaciones de potencia específica más altas y esto muestra mayores demandas al pistón. Esas demandas se deben enfrentar en una multitud de frentes.

Para los desarrolladores de pistones, además de enfocarse en cualquier área específica de investigación, ahora tienen que pensar en el diseño, materiales, procesos de manufactura, reducción de la fricción, etc. Todo esto para el desarrollo de nuevas tecnologías que soporten las demandas del mercado.

Desarrollo del pistón

El desarrollo de los pistones es un reto para los fabricantes, el cambio en la reología de los lubricantes, el manejo del rendimiento térmico, el control de la fricción y un cambio total en la tribología.

Los motores actuales son motores diferentes, con mayor presión y calor, motores sobrealimentados, con un ambiente más hostil para el pistón y las piezas internas. El diseño debe luchar por mantenerse adelante en términos de composición y reducción de la fricción.

La mayoría de los materiales de pistón, los métodos de producción y las dimensiones en uso hoy en día han sido trabajadas por más de un siglo, pero la evolución del motor alrededor del pistón ha cambiado los materiales que utilizamos y cómo los utilizamos.

Los primeros Pistones

A través de la década de 1950, la mayoría de los motores utilizaron algún tipo de hierro fundido o de pistón de acero, esencialmente el mismo material que el bloque del motor. Los motores más antiguos utilizaron pistones de un  material duradero y de bajo costo pero pesado, ya que generalmente funcionan a bajas relaciones rpm y compresión.

El bajo número de revoluciones generaba menor estrés sobre las bielas, permitiendo que los ingenieros utilizaran pistones más pesados sin temor a que se rompieran las bielas.  Las relaciones de compresión bajas redujeron la presión en los cilindros, aunque las aceleraciones eran más débiles.

Los motores más antiguos tendían a utilizar ranuras de los segmentos más espaciadas en parte debido a las presiones de los cilindros inferiores y en parte por los materiales que se utilizaban en el momento, pero sobre todo porque el bajo peso al pistón no era una prioridad alta en el momento.

Los años 60 fueron, en su mayor parte, un período de refinamiento y la lenta evolución en lugar de revolución.

Algunos de los mayores cambios en el diseño y los materiales de pistón se produjeron durante los años 1970 y 1980 como resultado de las emisiones cada vez más estrictas y los mandatos de economía de combustible.

Los pistones de aluminio con un alto contenido de silicio debutaron en la década de 1970. Un mayor contenido de silicio reduce la expansión del pistón y la absorción del calor, lo que permite un ajuste mucho más estrecho entre el pistón y el orificio y un bache en potencia y eficiencia. La desventaja es que el silicio, siendo básicamente de vidrio, hace que sean más frágiles y propensos a dañarse cuando se someten a la detonación y la pre-ignición.

Diseño del pistón

Los pistones tienen nueve partes y secciones. La parte superior del pistón técnicamente se llama la corona; por debajo de esto están las ranuras de los segmentos en los cuales se ubican los anillos de los pistones.

Las áreas elevadas entre las ranuras de los anillos se llaman las tierras. A continuación, el conjunto de anillos es el orificio del pasador de pistón. El pasador del pistón (llamado bulón) pasa a través de este agujero y pasa a través de la biela. Alrededor del pasador del pistón hay pines que soportan sus extremos. La parte inferior del pistón se llama la falda.

Hipereutéctica de Pistones

Todos los pistones que se encuentran en el mercado contienen un porcentaje de silicio en su composición para darles un mayor nivel de resistencia al calor. Estos pistones identificados con el prefijo “H” son manufacturados bajo una formulación metalúrgica especial que permite agregarle una mayor cantidad de silicio, logrando por este proceso una expansión molecular uniforme de estos elementos, posteriormente reciben un tratamiento térmico que les permite obtener características de fuerza, resistencia y control de la dilatación a temperaturas extremas.

Pistones fundidos

El pistón fundido se moldea a partir de una aleación de aluminio fundido, que es arrastrada por el vacío en moldes de acero; sólo un mecanizado mínimo es necesario para terminar el pistón resultante. El proceso se llama coquilla por gravedad. La forma y el espesor de la pared están completamente controlados, pero el proceso es caro.

Pistones forjados

Los pistones forjados, tras verter el aluminio en un molde especial se someten a presiones que en algunos casos superan las 2.000 toneladas, eliminando así poros e impurezas las cuales minimizan la fiabilidad y el rendimiento en los pistones normales.

Si lo miramos por un microscopio todas las partículas de metal de un pistón fundido se podría decir “están una al lado de otra”. Las partículas del metal de un pistón forjado están mucho más comprimidas. Esto es lo que hace que los pistones forjados sean tres veces más fuertes que los demás.

Pistones de aluminio

Los pistones de aluminio fundido son comunes porque su proceso de fabricación es más simple y económico. Se vierte la aleación molida en el molde de la forma casi final. Una vez pasados por las máquinas pueden tener aplicaciones con rendimiento estándar.

Los pistones de aluminio fundido son más ligeros que los de acero o hierro, y ofrecen una mejor disipación del calor, facilitando relaciones de compresión más altas. Existen dos opciones en su construcción, aluminio forjado y aluminio fundido,  y juntos existen en la actualidad.

¿Qué es un pistón?

El pistón es una parte importante del motor. Su función principal es comprimir la mezcla de aire y combustible en el cilindro y transmitir la fuerza resultante al cigüeñal.

Esta pieza suele ser de hierro fundido, hierro forjado o diversas aleaciones de aluminio o níquel. Tiene una forma cónica. La parte superior está cerrada y la inferior es hueca. En la parte central tiene varios agujeros a través de los cuales se sujeta a la biela. Los motores suelen tener varios pistones, uno por cilindro. Los motores suelen tener 4, 6, 12 o incluso 16 cilindros.

La función de los pistones es comprimir la mezcla de aire y combustible en el cilindro. Esto mantiene el vehículo en movimiento.

¿Cómo funciona el pistón?

Funciona de la siguiente manera. Al arrancar el coche, la batería envía una señal eléctrica al cigüeñal, que comienza a girar. La rotación del cigüeñal hace que los pistones se muevan hacia arriba y hacia abajo. Este movimiento ascendente y descendente hace que los pistones entren y salgan de la cámara de combustión del bloque motor. Los pistones entran en la cámara de combustión a través de los cilindros y comprimen la mezcla de aire y combustible. Cada vez que esto ocurre, la bujía produce una chispa que hace explotar la mezcla.

La explosión empuja el pistón hacia el cigüeñal. El pistón transmite esta fuerza al cigüeñal a través de la biela. Esto crea la fuerza que impulsa el vehículo.

Este proceso se repite continuamente mientras el motor está en marcha. Cuanto mayor sea el número de revoluciones del motor, mayor será el movimiento del cigüeñal y de los pistones y mayor será la velocidad que puede alcanzar el coche.

Este proceso también garantiza que los gases de escape se descarguen a través del tubo de escape. Los pistones tienen anillos de compresión en la parte superior, que impiden que los gases se escapen por el espacio entre el pistón y las paredes del cilindro.

Partes de un pistón

Los pistones se componen de varias partes, entre ellas las siguientes:

• Cabeza de pistón. Es la parte superior del pistón encargada de comprimir la mezcla de aire y combustible. Está especialmente diseñado para soportar las altas temperaturas y presiones que se crean cuando la mezcla explota. Puede tener diferentes formas en función de la combustión deseada.
• Zona de landas. Esta es la parte vertical del pistón. Esta parte contiene las ranuras de compresión y las juntas de combustión.
• Ranuras de compresión. Las ranuras de compresión alojan los segmentos del pistón. Su función es mantener la compresión durante la combustión. El pistón suele tener dos ranuras de este tipo.
• Ranuras de control de aceite. Cada pistón tiene también dos ranuras de este tipo. Entre ellos se encuentra el anillo rascador de aceite. Estas ranuras tienen agujeros verticales a través de los cuales el aceite puede fluir y controlar la expansión.
• Segmento del pistón. Se trata de los segmentos que se encuentran en el pistón y se fijan a las ranuras del mismo.
• Barreno. Nombre del orificio del pistón donde el bulón lo sujeta a la biela.
• Placa Inbar. Se trata simplemente de un cilindro montado alrededor del orificio y dentro del pistón. La función antideslizante evita que la pieza se deforme con el calor.
• Falda. Se denomina así a la parte inferior del pistón. Tiene una doble función: protege el bulón del pistón y la biela y sirve de guía para el movimiento del pistón.

Tipos de pistones

Hay diferentes tipos de pistones. Se pueden clasificar de diferentes maneras:

• Dependiendo del tipo de cabeza de pistón. Hay pistones con diferentes cabezas: plana, cóncava y convexa. Cada uno tiene una función específica.
• Dependiendo de la lubricación del pivote. Existen diferentes tipos de lubricación de pasadores. Algunos utilizan roscas engrasadas, otros utilizan agujeros de boquilla y otros utilizan ambos.
• Dependiendo de la falda. El faldón puede ser ovalado, de barril o cónico.
• Dependiendo del retorno del aceite. El faldón de retorno de aceite puede diseñarse con ventanas funcionales, con muescas en la ranura de lubricación o simplemente con orificios.
• En función del combustible utilizado. Los motores diesel utilizan pistones diferentes a los de gasolina. Por lo tanto, se pueden clasificar de forma diferente.