Nuevas tecnologías
Pistones de acero
En la más que centenaria historia del automóvil, el pistón del motor, ya sea que este fuera una máquina de vapor o de combustión interna, siempre echó a volar la imaginación de los ingenieros. En la sorprendente por lo minuciosa y precisa obra The Practical Motorist Encyclopaedia, escrita por F. J. Camm y publicada en Londres en 1930 por George Newnes Limited, ya se habla de los pistones ovales y se señala que en los estudios se ha demostrado que los pistones cuando se calientan no se dilatan necesariamente de un modo uniforme en toda su periferia, sino que, por el contrario, la dilatación es mayor en la dirección de los pernos. Al día de hoy, y pese a los espectaculares avances en la tecnología, los pistones todavía guardan secretos que habrá que desentrañar. El origen del pistón, reseñado en la Enciclopedia Salvat, puede remontarse al del cañón: de hecho, en esta máquina el proyectil (inicialmente esférico y luego cilíndrico) es conducido por la caña y empujado por la elevada presión de la explosión. Los primeros intentos de un motor de combustión interna en el siglo XVI se basaban en el cañón, puesto que usaban como combustible pólvora negra. En 1873, gracias al norteamericano Brayton, la forma del pistón, de cuerpo cilíndrico, se hizo cada vez más compleja y similar a la configuración actual: se introdujeron los segmentos elásticos (aros) con sus correspondientes alojamientos, y los agujeros del perno fueron dotados de una zona de robustecimiento interna. El material con que se construía fue, durante muchos años, la fundición de hierro. En 1911, la Hispano-Suiza introdujo los pistones de aluminio, obteniendo una notable ventaja en cuanto a ligereza. Sin embargo, la mayor dilatación térmica del aluminio (tres veces superior a la de la fundición) y el consiguiente peligro de agarre condujeron a los demás constructores de motores a conservar aún durante un decenio los pistones de fundición, limitando el peso mediante la reducción del grosor del material. A partir de 1920, gracias a las nuevas aleaciones ligeras y a las técnicas de fusión y de mecanización mejoradas, el pistón de aluminio comenzó a sustituir al de fundición, aunque en los años treinta se produjo en Estados Unidos un retorno al segundo tipo, por razones económicas y en parte técnicas. En la actualidad, y como hemos señalado, se emplea como base, para la construcción de pistones de motores ciclo Otto y Diesel, el aluminio, y también combinaciones de acero y aluminio. Para la fabricación en grandes series se sigue usando la fundición pero, para las aplicaciones más exigentes, los pistones son forjados. Los pistones de aluminio con refuerzos de invar, marca registrada de una aleación de acero con 36 por ciento de níquel, también son muy apreciados. El invar es notable por lo ínfimo de su coeficiente de dilatación, por lo que resulta ideal para el émbolo.
La anatomía del pistón
En el pistón pueden distinguirse cuatro partes principales: la cabeza, que recibe el calor y el impulso de los gases de combustión; la zona de los aros, que por medio de los segmentos asegura la retención de los gases y del aceite de lubricación y, al mismo tiempo, disipa una parte del calor recibido; los alojamientos del perno, mediante el cual se une el pistón a la biela; y la falda, cuya función consiste en guiar el pistón en su movimiento dentro del cilindro y ceder el resto del calor al fluido de refrigeración (aire o agua). El pistón está definido por las siguientes dimensiones fundamentales: diámetro, longitud total, altura de compresión y diámetro del perno. La altura de compresión tiene cierta importancia, puesto que suministra la posición del plano de la cabeza en el punto muerto superior y, consiguientemente, el volumen útil de la cámara de combustión. En otros términos, influye sobre la relación de compresión que se deduce del cociente entre la suma de la cilindrada y el volumen de la cámara de combustión dividido por este último. En la cabeza del pistón se practican ranuras para el alojamiento de los aros de compresión (para sellar la cámara de combustión) y el aro rascaaceite que, como su nombre lo indica, empuja el aceite adherido a las paredes del cilindro hacia el cárter y evita que el lubricante suba e ingrese a la cámara de combustión. En los motores de combustión interna se confían al pistón las siguientes funciones: transmitir al cigüeñal, a través de la biela, los impulsos producidos por los gases de combustión; garantizar la retención de los gases y del aceite de lubricación; y transmitir al cilindro el calor que recibe de los gases. La primera función está relacionada esencialmente con su resistencia mecánica y es una de las principales consideraciones que el diseñador debe tener en cuenta al proyectar los grosores y elegir el material. La segunda función (retención de gases) permite utilizar toda la energía producida en el momento de la combustión y evita que los gases, al pasar al cárter, quemen el aceite y provoquen el agarre o el pegado de los aros. La retención del aceite es necesaria para limitar el consumo y evitar depósitos de carbonilla, que pueden promover combustiones anormales por
la presencia de puntos incandescentes, e incluso perforar el pistón. Las dimensiones de la falda y de las gargantas de los aros contribuyen a garantizar la retención, puesto que, por encima de ciertos valores de juegos de acoplamiento entre el pistón y el cilindro, el sistema no puede funcionar, por el peligro de agarre, por lo que dicha función se confía, sobre todo, a los aros. La tercera función (disipación del calor) favorece el mantenimiento de las características mecánicas del material, y reduce el peligro de trabamiento de los aros y el desgaste de los alojamientos. La gama de los tipos de pistones, diferentes por su forma, sus funciones y dimensiones, es muy amplia. Cada motor tiene su pistón.
Tecnologías modernas
Una mayor potencia específica implica que los pistones soportan un mayor esfuerzo térmico y mecánico. Este hecho es de gran importancia en el desarrollo y diseño constructivo de los pistones, los cuales se encuentran entre los componentes que mayor esfuerzo soportan en el motor. Con temperaturas cercanas a los 360 grados en su cabeza o parte superior, y presiones de encendido superiores a los 250 bares en la cámara de combustión (ciclo Diesel), los pistones de aleaciones de aluminio alcanzan su límite de resistencia. Por esta razón fue necesario pensar en conceptos constructivos innovadores con utilización de otros materiales. Uno de ellos fue un pistón con una cabeza de acero forjado resistente a elevadas temperaturas y un cuerpo de aluminio, como el Mahle Ferrotherm; otro, el pistón forjado y enteramente realizado en acero Magnum Monosteel de Federal-Mogul. También Kolbenschmidt y otros fabricantes han concebido pistones muy confiables.
Un buen guiado y el trabajo duro
En el diseño de Mahle existe una clara división de los trabajos: el cuerpo de aluminio sólo realiza la función de guiado dentro del hueco del cilindro, mientras que el trabajo duro y la función de hermeticidad recaen en la cabeza del pistón. El acero forjado de la parte superior admite temperaturas de servicio mucho más altas en la cabeza, y una presión mucho mayor entre el buje y el perno. La
elevada resistencia del acero forjado también mejora su comportamiento frente al desgaste y la vida útil de las ranuras para los aros que se encuentran en la parte superior del pistón. Otra ventaja importante del acero frente a las aleaciones de aluminio es que su coeficiente de dilatación térmica es mucho menor, gracias a lo cual se puede reducir el juego entre el pistón y el cilindro en el aro superior de compresión, también llamado aro de fuego, porque recibe directamente la llama de la combustión. Esto a su vez ofrece grandes ventajas para el sellado y permite reducir las pérdidas de cierre de los aros. Una luz pequeña también contribuye a disminuir las emisiones a través de los gases de escape, ya que con una luz estrecha se consigue reducir el espacio muerto acercándose a la combustión completa. En los pistones articulados como el Ferrotherm el pistón propiamente dicho está dividido en dos partes, según hemos señalado: la superior de acero y la inferior de aluminio. Ambas se encuentran apoyadas separadamente en el perno. Un espacio entre ella impide la transmisión de calor directa. Esto permite soportar una mayor temperatura en la cámara de combustión, lo cual, a su vez, supone un mejor grado de rendimiento.
Las ventajas del acero
Hemos hablado de los pistones de acero, y ahora nos extenderemos en el tema. Los ingenieros de Mercedes-Benz de Alemania han conseguido que sus nuevos pistones de acero, junto con los aros y el perno, pesen lo mismo que su equivalente de aluminio con algunas otras ventajas. El aluminio y el acero tienen características diferentes, como también hemos señalado; eso es evidente y una de ellas es que el acero con el calor se expande, aproximadamente una cuarta parte de lo que lo hacen los pistones de aluminio, lo que permite reducir mucho más la tolerancia o luz entre los aros del pistón y las paredes de los cilindros. Esto es importante, pues entre el 40 y el 50 por ciento de la fricción mecánica se produce entre estos dos elementos. Los técnicos de Mercedes también afirman que con el pistón de acero, como tiene menor conductibilidad térmica, la temperatura más alta se da en la cámara de combustión y, por tanto, la calidad de la ignición y de la combustión aumenta y, con ello, la eficiencia. Según la casa germana se reduce el consumo de gasoil y las emisiones en torno a un tres por ciento. Es cierto que la fabricación de estos pistones de acero es algo más compleja, pero la calidad de este material actualmente es muy buena y los pistones se pueden hacer más compactos. Los ingenieros de la firma alemana afirman que su pistón de acero es 13 mm más corto que el de aluminio: 58,6 mm contra 71,6 mm. Con esto se consigue el mismo peso que los pistones de aluminio. Los pistones modernos tienen normalmente algún tipo de revestimiento en sus paredes externas, sobre la base de películas de cerámica o de diamante, incluyendo también al teflón y al grafito, con la finalidad de reducir las pérdidas de potencia por fricción. Incluso se utilizan capas sobre la base de bisulfuro de molibdeno mezcladas con fibras de carbono y grafito. En algunos Diesel especiales de potencias muy altas, la cabeza del pistón lleva una pieza de cerámica sobre la base de nitruro de silicio y que se une por medios mecánicos al metal. Hay también otras formas de unir la cerámica al metal con procedimientos de metalurgia avanzada, pero en todos los casos lo que se busca es proteger al pistón y aumentar la temperatura en la parte alta del motor para mejorar el rendimiento térmico.