El Pistón

Evolución en el diseño del pistón.
Como pasó mucho tiempo, uno pensaría que los pistones en los motores de hoy son radicalmente diferentes de las de sus antepasados. Los materiales del pistón y los diseños han evolucionado a lo largo de los años y seguirán haciéndolo hasta que las pilas de combustible, baterías exóticas, coches híbridos o alguna otra cosa hagan el motor de combustión internaobsoleto. Pero hasta que eso ocurra, los pistones seguirán en los vehículos que conducimos. Una cosa que no ha cambiado a lo largo de los años, es la función básica de un pistón. El pistón, forma la mitad inferior de la cámara de combustión y transmite la fuerza a través del perno y la biela al cigüeñal. El diseño básico sigue siendo más o menos el mismo. Es una torta de metal que se desliza haciaarriba y hacia abajo en un cilindro. Los aros todavía se utilizan para sellar la compresión, reducir al mínimo el cabeceo y controlar el aceite.

¿Qué ha cambiado?
…el entorno operativo. Los motores de hoy funciona más limpios, el trabajo es más pesado y se calientan más que nunca. Al mismo tiempo, se espera que duren más tiempo que antes, hasta 250.000 km o más con un mantenimiento mínimo. Enconsecuencia, el manejo del calor es la clave para la durabilidad. El diseño del pistón, solía ser un proceso de ensayo y error. Había que hacer y probar un diseño de tres a cuatro veces antes de que quede bien. Hoy, todo es modelado en 3D en una computadora, luego se evalúan con un software de análisis exigente, antes de que se fabrique. Esto acelera el diseño y el ensayo, reduce el tiempo deespera para crear nuevos pistones, y produce un mejor producto.

De acuerdo con un libro producido por Mahle Inc. llamado “Pistones para motores de combustión interna” , los ingenieros utilizan dos métodos para evaluar los nuevos diseños del pistón antes de que se produzcan para comprobar los motores en el banco de pruebas : análisis exigente y análisis de esfuerzos foto elástico . La idea detrás deanálisis exigente, (llamado finito) es dividir un pistón en un modelo fijo (finito) de elementos. El resultado son las formas y líneas de la cuadrícula que se entrecruzan y conectan. Los programas del computador generan ecuaciones para cada elemento individual y predicen la rigidez global de todo el pistón.

El análisis de los datos muestra cómo se comportará el pistón en un motor real ypermite al ingeniero ver donde las cargas y las temperaturas serán mayores y cómo va a reaccionar. Con el análisis de tensión foto elástico, un modelo 3D de resina transparente se convierte de un pistón. Cuando el pistón modelo es sometido a cargas, las propiedades de refracción de la variación del plástico causan la luz polarizada que pasa a través del pistón para cambiar los colores. Esto revela cómoel pistón se deforma bajo carga y las zonas en que está experimentando el mayor estrés.

Pistones calientes.
El área más crítica para la gestión de calor es la zona del aro superior (aro de fuego). Uno de los diseños nuevos del motor para reducir las emisiones fue trasladar el aro de fuego, más cerca de la parte superior del pistón. Hace una década, el ancho entre la ranura del aro superior yla cabeza del pistón era de 7,5 a 8,0 mm. Hoy esa distancia se ha reducido a sólo 3,0 a 3,5 mm en muchos motores. La distancia pequeña en la parte superior del pistón entre la cabeza y el aro de fuego, crea una zona muerta de la mezcla aire / combustible. Cuando se produce la ignición, esta área no se quema completamente dejando sin quemar combustible en la cámara. La cantidad no es mucha, perocuando se multiplica el combustible residual en cada cilindro por el número de cilindros del motor por la velocidad, puede agregar una porción significativa de hidrocarburos sin quemar. Una de las consecuencias de la reubicación del aro más cerca de la parte superior del pistón es que expone el aro y la ranura a temperaturas de funcionamiento más alto. Los aros superiores en muchos motores...