Ninguna parte de un motor trabaja más duro que sus pistones. A medida que un pistón se eleva al comprimir, la presión de la mezcla de combustible y aire confinada arriba asciende a 200 psi. Entonces una chispa enciende la mezcla. En los siguientes 45 grados de rotación del cigüeñal, la mezcla se quema, alcanzando una presión máxima de quizás 1,200 psi. La temperatura del gas sube hasta 4.500 grados Fahrenheit. El punto de fusión del aluminio puro está justo por debajo de 1.200 grados Fahrenheit, y la aleación para una mayor resistencia lo reduce a apenas 1.000 grados.
¿Cómo puede sobrevivir el metal? En primer lugar, los pistones están expuestos a la combustión solo una décima parte del tiempo, de 60 a 80 grados de los 720 del ciclo de cuatro tiempos. En segundo lugar, la superficie del pistón está protegida por una delgada "capa límite" de gas estancado que se adhiere a ella, proporcionando un aislamiento eficiente. Además, el aluminio conduce el calor tres veces más rápido que el hierro o el acero, mientras que tiene un poco más de un tercio de su peso. Esto significa que el calor absorbido por la corona del pistón se lleva rápidamente a una parte más fría del pistón. Debido a que el aluminio es liviano, se puede usar más para eliminar el calor de combustión.
HECHOS RÁPIDOS: Pistones
: la clave para una combustión rápida y eficiente es una cámara de combustión plana y sin rasgos con al menos algo de área de aplastamiento (visto fuera de los recortes de la válvula).
- Para minimizar la fricción del rodamiento, los pistones deben ser lo más ligeros posible. La forja combina peso ligero y resistencia mejorada a la fatiga bajo tensión.
- Para garantizar que la presión del gas pueda mantener los anillos del pistón siempre en el fondo de sus ranuras, los anillos se aligeran al hacerse cada vez más delgados.
Como alto rendimiento los motores tienen una aceleración mayor, con orificios más grandes y carreras más cortas, el peso del pistón debe reducirse para reducir la vibración y las tensiones en los cojinetes y las piezas mecánicas. Los pistones tradicionales conducían su calor a la pared del cilindro más frío a través de coronas gruesas, pero ese peso es impracticable a altas revoluciones. Por lo tanto, los pistones ligeros, delgados y de falda corta actuales también se enfrían con chorros de aceite de motor.
La gente hablaba una vez de una "velocidad de pistón limitante" (generalmente entre 4.000 y 4.500 pies por minuto), pero lo que realmente limita rpm es la tensión extrema de la aceleración del pistón. Cuando los pistones en un motor de Fórmula 1 de la era V-10 cambiaron de dirección en el TDC, alcanzaron aceleraciones máximas de hasta 10,000 G. Los pistones en un motor de 600cc con 15,000 rpm y un máximo de 7,000 G. Cuanto mayor es la aceleración, más difícil la biela trata de arrancar la muñequera del pistón, y las grietas más rápidas se forman en el material.
Debido a que están más cerca del calor, los anillos superiores del pistón deben chaparse o rellenarse con un metal de punto de fusión alto como cromo (3,405 grados Fahrenheit) o molibdeno (4,720 grados Fahrenheit). Esto retarda el desgaste al desalentar la soldadura local y el desplume. Los anillos superiores generalmente tienen cara de barril para sellar incluso con algunos pistones que se inclinan. Los segundos anillos (que rara vez se usan en los motores de carreras) suelen ser de cara afilada. El anillo rascador de aceite está hecho como un par de rieles delgados y flexibles que ejercen una alta presión específica, presionada hacia afuera por un resorte de respaldo. El control de aceite duradero es esencial para una vida útil prolongada de los catalizadores de escape.
Aunque algunos motores diesel de alto rendimiento tienen pistones de acero, los que se usan en motores de encendido por chispa están fundidos o forjados a partir de dos tipos básicos de aleación de aluminio: aleación de aluminio y silicio resistente al desgaste o una aleación de aluminio, cobre, níquel y magnesio de alta resistencia al calor. Ambos tipos de aleaciones tienen una larga historia.
Los pistones han evolucionado desde una forma de cubo con cúpula alta de la década de 1960 hasta las actuales proporciones de cenicero de superficie plana, con cada detalle de su parte inferior con gracia orgánica mediante refinados estudios de estrés . Las partes moldearon esto de cerca a los requisitos de la naturaleza tienen una belleza convincente. No pueden tener ninguna otra forma y función también.
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