Consideraciones en el diseño de pistones para motores a cuatro tiempos
Resumen
Una alta potencia y el mayor desempeño de kilómetros por litro de combustible, son los requerimientos actuales para el diseño de los motores de cuatro tiempos. En este contexto, los pistones son componentes de suma importancia para el desarrollo del vehículo ya que son considerados el corazón del motor. El diseño y la tecnología de fabricación de pistones son puntos clave en el rendimiento del motor, ya que con un buen diseño estos elementos pueden disminuir la fricción, disipar calor y disminuir el desgaste de algunas otras partes del motor, propiciando una vida más prolongada al motor. El objetivo de este trabajo es explicar el funcionamiento de los pistones en motores a cuatro tiempos y mostrar el impacto del diseño en la eficiencia de un motor de combustión interna. Como material de apoyo se utilizó el programa Solidworks para el diseño de un pistón típico de un motor de combustión interna.
Palabras clave: Pistón, Combustión Interna, Solidworks
Abstract
A high power and higher performance of kilometers per liter of fuel, are the current requirements for the design of four-stroke engines. In this context, the pistons are critical components for the development of the vehicle as they are considered the heart of the engine. The design and fabrication technology of pistons are key points in the engine performance, because with a good design of these elements can reduce friction, heat dissipation, and the wear of some other engine parts, leading to a longer engine life. The aim of this paper is to explain the operation of the pistons in a four-stroke engines and show the impact of the design on the efficiency of an internal combustion engine. As support material Solidworks program was used for the design of a typical piston internal combustion engine.
Keywords: Piston, Internal Combustion, Solidworks
Introducción:
Hoy en día la tecnología ha innovado y perfeccionado el funcionamiento de gran parte de los sistemas que realizan una actividad en todo el mundo, desde equipos de cómputo de alta complejidad, hasta la innovación y perfeccionamiento del automóvil. A pesar de que los inicios del automóvil (con motor de combustión interna) se remonta a las dos últimas décadas del siglo XIX, ha sido solo hasta hace dos esta décadas que se ha conseguido aplicar todo el desarrollo tecnológico para su creación, de tal forma, que se ha logrado crear un automóvil más ligero, más potente, más rápido y, sobre todo, más económico en cuanto a consumo de combustible, donde, uno de los objetivos más importantes es disminuir las emisiones de gases que son liberados como producto de la combustión de los combustibles derivados del petróleo. Todo esto para mantener un medio ambiente más limpio y libre de gases altamente tóxicos como el CO, CO2, etc.
Dentro de la gama de los autos desarrollados con alta tecnología se encuentra el codiciado Audi R8. Este auto cuenta con los últimos avances tecnológicos en los sistemas de seguridad, de frenado, de tracción, de embrague, de dirección y transmisión de potencia. De la misma manera, la marca ha conseguido desarrollar materiales de última generación para la construcción de una carrocería ultra ligera. Sin embargo, la característica que diferencia a este auto de los demás de su tipo es la eficiencia de su motor.
El Audi R8 se produce en dos modelos basados en las presentaciones del motor: el R8 V8 y R8 V10. Aunque ambos modelos son similares en cuanto al diseño de la carrocería, el sistema de control del motor es diferente. Ambos motores, el V8 y el V10, tienen un arreglo en ‘V’, uno con 8 pistones (V8) y otro con 10 pistones (V10). Un punto clave del Audi R8 V8 es su carrocería ultra ligera de tan solo 260 kg, lo cual se debe a que está hecha de aleaciones de aluminio. Mientras que la masa total del automóvil es de 1560kg.
Las características del motor en conjunto con las de la carrocería, hacen que este automóvil desarrolle una velocidad máxima de 301 km/h, así como una aceleración de 0-100 km/h en 4.6 segundos, y una relación de masa/potencia de 3.71 kg/HP. Estas características hacen que el Audi R8 sea catalogado como un auto de alta velocidad. Una característica de este auto es que tiene tracción en las cuatro ruedas con suspensión independiente y una distancia entre ejes de 2650 mm, creando así una mayor estabilidad al manejo. Este auto desarrolla una potencia de 420 HP a 7800 RPM, la cual es generada gracias al diseño de mecanismos de alta eficiencia como son el cigüeñal, bielas, culatas y pistones, los cuales son considerados el corazón del motor.
El diseño de los mecanismos del motor de un vehículo es de suma importancia en la eficiencia del auto, ya que la fricción, potencia, relación de compresión, sincronización del tren de válvulas, lubricación, resistencia a la compresión y tensión de bielas, disipación de calor, entre otras, están en función exclusivamente del diseño. En pocas palabras, el éxito que tiene un vehículo en el mercado depende directamente del diseño de la carrocería y del motor. Dichos elementos del motor pueden estar fabricados de diferentes tipos de aleaciones. Anteriormente se usaban aleaciones de hierro-carbono, lo cual le daba una alta resistencia al desgaste. En la actualidad, el diseño de automóviles se basa principalmente en la utilización de aceros de alta resistencia (>800 MPa) para la estructura y partes de seguridad, así como el aluminio para una gran cantidad componentes del vehículo, lo cual los hace más ligeros y eficientes.
El vehículo Audi R8 V10 tiene algunas especificaciones técnicas diferentes al V8. En la Tabla 1 se hace una comparación entre el R8 V8 y el R8 V10.
Tabla 1. Comparación de rendimiento entre motores del AUDI R8 V8 y R8 V10.
| R8 V8 | R8 V10 | |
| Combustible | Gasolina | Gasolina |
| Cilindrada (cc) | 4163 | 5204 |
| RPM | 7900 | 8000 |
| Potencia (HP) | 430 | 525 |
| Tracción | Total | Total |
| Largo (mm) | 4440 | 4435 |
| Ancho (mm) | 1904 | 1930 |
| Alto (mm) | 1252 | 1252 |
| Masa (kg) | 1560 | 1620 |
| Consumo medio (L/100 km) | 14.2 | 14.7 |
| Velocidad máx. (km/h) | 302 | 316 |
| Aceleración de 0-100 km/h (s) | 4.6 | 3.9 |
| Emisiones de CO2 (g/km) | 332 | 351 |
Como se puede observar en la Tabla 1, los motores R8 V10 desarrollan una mayor potencia pero el consumo de combustible es considerablemente más alto en comparación con el motor R8 V8. Aunque sus dimensiones son las mismas, hay una diferencia de 60 kg entre ambos modelos. El R8 V10 tiene una mayor cilindrada, por consecuencia tiene mayor potencia y desarrolla una mayor velocidad, así como un menor tiempo para desarrollar una aceleración de 0 a 100 km/h. El motor V10 alcanza su mayor potencia a 8000 revoluciones por minuto (RPM) mientras que el V8 solo alcanza su máxima potencia a 7900 RPM.
El principio de funcionamiento de estos motores de 4 tiempos está basado al ciclo Otto, ver Figura 1. En este ciclo la máquina es capaz de mantenerse trabajando por sí sola, por medio de la compresión y expansión de gases. Esto se lleva a cabo dentro de una cámara de combustión, aquí se modifica el volumen de la mezcla aire-combustible, comprimiéndola y expandiéndola para generar una fuerza que es captada por el pistón y trasmitida hacia la caja de cambios. Los pistones, bielas, cigüeñal y culata, son elementos de suma importancia en la eficiencia del motor. Es por ello que las grandes empresas automotrices han desarrollado una mayor tecnología en esos puntos, principalmente en los pistones.
Figura 1. Procesos en el ciclo Otto (ciclo para un motor de combustión interna). En el proceso 1-2 sucede la admisión de la mezcla aire-combustible; en el 2-3 la compresión de la mezcla aire combustible; en el 3-4 la expansión de la mezcla aire combustible; y en el 4-1 la liberación de los gases al medio ambiente. En esta figura la W representa el trabajo realizado dentro del sistema.
Un pistón es aquel elemento que capta la fuerza de la combustión interna del motor y la transporta por medio de una manivela (biela) hacia el cigüeñal, lo que se convierte en un par torsional transmitiéndolo hacia la caja de transmisión de potencia, llevando esta potencia hacia el asfalto por medio de los neumáticos. Así que, mientras mayor sea la fuerza de combustión, mayor par torsional será transmitido hacia el cigüeñal. Esto quiere decir que la fuerza generada estará en función del número de pistones. Los pistones son elementos que han sido estudiados más profundamente, ya que su diseño implica que sea ligero, resistente a la deformación y a altas temperaturas.
Un pistón se compone de aleaciones, en su mayoría aluminio-cobre, aluminio-cobre-níquel-hierro, y aluminio-silicio. Este último es el que tiene la mayor demanda, ya que presenta alta resistencia, menor dilatación térmica y alta conducción térmica, pero al aumentar la cantidad de silicio disminuye la capacidad de poder realizarle un maquinado, elevando así su costo de producción.
En la Figura 2 se observa que el pistón cuenta con 3 ranuras, estas ranuras son para la colocación de los anillos: 2 de compresión y uno de lubricación. El último lubrica la falda del pistón para eliminar la fricción, así como controlar la dilatación térmica. La superficie del pistón es la que capta la fuerza de expansión del gas en la combustión, esta superficie se clasifica principalmente por su forma, las cuales pueden ser: planas, cóncavas y convexas. Cada una otorga una característica importante al vehículo, las superficies planas brindan fuerza y velocidad al vehículo, las convexas otorgan mayor velocidad que fuerza y las cóncavas otorgan mayor fuerza que velocidad al vehículo.
Las condiciones de diseño de un pistón van desde el tipo de aleación hasta la forma del mismo. Para esto, existen 3 tipos de pistones según su fabricación:
- Pistones de aluminio fundido. Es el que se fabrica de la siguiente manera: funden el aluminio, posteriormente lo vacían en moldes preparados para el material caliente, pasan por un maquinado y se les aplica un tratamiento térmico para darles las propiedades que se desean.
- Pistones forjados a presión. Son aquellos que se forman por medio de un troquelado cuando el aluminio se encuentra a altas temperaturas, posteriormente se le da un maquinado para la formación de las ranuras de los anillos, por último se llevan a un tratamiento térmico. Este último modifica la estructura del material brindándole resistencia al desgaste, baja dilatación térmica, alta conducción térmica, entre otras características.
- Pistones hipereutecticos. Están diseñados para soportar altas temperaturas con baja dilatación y mínima deformación, ya que cuentan con una alta tecnología en metalurgia al tener mayor porcentaje de silicio.
Figura 2. Algunas vistas de un pistón diseñado con el programa Solidworks.
El diseño de un pistón debe contener las siguientes partes: la cabeza, zona de segmentos, alojamiento del perno o pasador y la falda o el vástago. En la Figura 2 (b), (d) y (e) se observa un pistón con un medio corte, donde se muestran las partes del pistón. A continuación se describen las partes esenciales de un pistón.
- La cabeza es la parte superior del pistón, debe poseer alta resistencia mecánica y buena conductividad térmica. El espesor está en función en la cantidad de calor que va a evacuar y la presión máxima que este va a soportar.
- La zona de los segmentos contiene los alojamientos o cajas donde se sitúan los anillos generalmente 2 de compresión y uno que lubrica la falda del pistón. La ranura de los anillos de lubricación contiene algunos orificios que están en comunicación con el interior del pistón y tiene la finalidad de transportar lubricante para la disminución de fricción entre el pistón y la camisa.
- La zona del alojamiento del perno, es la zona con mayor resistencia, ya que ahí se concentra la fuerza que es transmitida a la biela.
- La falta del pistón; constituye la parte inferior del pistón, y su misión es guiar a la parte superior y evitar el cabeceo del pistón.
En la Figura 2 (d) se logra ver la cabeza, el alojamiento del perno, así como la falda del pistón.
El pistón trabaja a temperaturas y presiones muy elevadas, la temperatura de funcionamiento del pistón es diferente en todas sus partes ya que en la cabeza, así como en la zona de alojamiento del pistón, se alcanza una temperatura que oscila de los 250 a los 350 ºC. Mientras que en la falda del pistón se alcanza una temperatura de unos 150 ºC. La temperatura es disipada de los anillos de compresión hacia las camisas del motor, realizando una función de puente térmico, mientras que otra parte del calor es evacuado por la falda del pistón. Los pistones que alcanzan una temperatura por encima de los 350 ºC tienen un sistema de refrigeración adicional al pistón, que consiste en bañar la parte inferior del mismo con un chorro de aceite constante.
La tecnología en el diseño de los pistones de nueva generación implica un tratamiento superficial para mejorar sus características de desplazamiento. Este tratamiento consiste en depositar sobre el aluminio una capa fina de estaño o de plomo mediante el sistema de inmersión. También se emplea polvo de grafito que proporciona protección superficial y buenas cualidades deslizantes.
Podemos concluir que el funcionamiento de un motor a 4 tiempos depende de un ciclo, en el cual se realizan 4 procesos importantes: el primero es la admisión de mezcla aire-combustible, segundo la compresión de la mezcla disminuyendo su volumen y aumentando su presión, el tercero es la combustión o explosión de la mezcla para ejercer una fuerza sobre la superficie del pistón, la cual es transportada al cigüeñal, y por último es la expulsión de los gases quemados, para que quede limpia la cámara de combustión y el ciclo empiece de nuevo. Los pistones cumplen la función de variar el volumen y presión dentro de la cámara de combustión, realizando un movimiento ascendente y descendente, por lo cual el pistón se diseña y fabrica con materiales ligeros, generalmente aleaciones de aluminio. Los pistones operan a temperaturas altas, es por ello que el diseño del pistón debe cumplir con los requisitos de disipar el calor, tener una dilatación térmica muy baja y una resistencia mecánica alta.
Bibliografía
Daniel. (2007-2013). Audi R8: mundo automotor. http://www.mundoautomotor.com.ar/web/2007/12/10/audi-r8-mejor-deportivo-de-2007-en-alemania/
Arpem Networks, S. (n.d.). Audi R8 5.2 V10 FSI Quattro manual 525 Cv. http://www.arpem.com/coches/coches/audi/audi-r-8/modelos-08/audi-r8-52-525-fsi-manual.html
Yamaha. (15 de Abril de 2009). Tecnología Yamaha 1996: Pistones de aluminio forjado - Tecnología de forjado controlado: Yamaha http://www.yamaha-motor.eu/designcafe/es/about-design/technology/index.aspx
[a] Profesor Investigador de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.
[b] Estudiante de Ingeniería Mecánica de la Escuela Superior Cd. Sahagún