Todo lo que siempre quiso saber sobre los pistones – Característica – coche y conductor

Las babosas de aluminio dentro de tu motor viven en un infierno de fuego. A toda velocidad y 6000 rpm, un pistón en un motor de gasolina está sujeto a casi 10 toneladas de fuerza cada 0,02 segundos mientras las repetidas explosiones calientan el metal a más de 600 grados Fahrenheit.

En estos días, ese Hades cilíndrico es más caliente e intenso que nunca, y es probable que empeore para los pistones. Mientras los fabricantes de automóviles persiguen una mayor eficiencia, los fabricantes de pistones se preparan para un futuro en el que los motores de gasolina de aspiración natural más potentes produzcan 175 caballos de fuerza por litro, frente a los 130 actuales. Con la turboalimentación y el aumento de la potencia vienen condiciones aún más duras. En la última década, las temperaturas de funcionamiento de los pistones aumentaron 120 grados, mientras que las presiones máximas de los cilindros aumentaron de 1500 psi a 2200.

Un pistón cuenta una historia sobre el motor en el que reside. La corona puede revelar el diámetro interior, el número de válvulas y si el combustible se inyecta o no directamente en el cilindro. Sin embargo, el diseño y la tecnología de un pistón también pueden decir mucho sobre las tendencias y los desafíos más amplios que enfrenta la industria automotriz. Para acuñar una máxima: como va el automóvil, así va el motor; y como va el motor, así va el pistón. En la búsqueda de una mejor economía de combustible y menores emisiones, los fabricantes de automóviles están solicitando pistones más livianos y de menor fricción con la resistencia para soportar condiciones de operación más duras. Son estas tres preocupaciones (durabilidad, fricción y masa) las que consumen los días de trabajo de los proveedores de pistones.

En muchos sentidos, el desarrollo de motores de gasolina está siguiendo el camino trazado por los diésel hace 15 años. Para compensar el aumento del 50 por ciento en las presiones máximas de los cilindros, algunos pistones de aluminio ahora tienen un inserto de hierro o acero para sostener el anillo superior. Los motores de gasolina más calientes pronto requerirán una galería de enfriamiento, o un canal cerrado en la parte inferior de la corona que es más eficiente para eliminar el calor que el método actual de simplemente rociar la parte inferior del pistón con aceite. Los squirters disparan aceite por una pequeña abertura en la parte inferior del pistón que alimenta la galería. Sin embargo, la tecnología aparentemente simple no es fácil de fabricar. Crear un pasaje hueco significa moldear el pistón en dos piezas y unirlas mediante soldadura por fricción o láser.

Los pistones representan al menos el 60 por ciento de la fricción del motor y las mejoras aquí tienen un impacto directo en el consumo de combustible. Los parches de resina impregnados de grafito que reducen la fricción impresos en el faldón ahora son casi universales. El proveedor de pistones Federal-Mogul está experimentando con una cara cónica en el anillo de aceite que permite reducir la tensión del anillo sin aumentar el consumo de aceite. La fricción del anillo inferior puede desbloquear hasta 0,15 caballos de fuerza por cilindro.

Los fabricantes de automóviles también están hambrientos de nuevos acabados que reduzcan la fricción entre las piezas que rozan o giran entre sí. El recubrimiento duro y resbaladizo similar al diamante, o DLC, es prometedor para las camisas de los cilindros, los anillos del pistón y los pasadores de muñeca, donde puede eliminar la necesidad de cojinetes entre el pasador y la biela. Pero es caro y tiene pocas aplicaciones en los coches actuales.

"Los [fabricantes] están discutiendo DLC a menudo, pero si lo convertirán o no en automóviles de producción es un signo de interrogación", dice Joachim Wagenblast, director senior de desarrollo de productos en Mahle, un proveedor alemán de autopartes.

El modelado por computadora cada vez más sofisticado y los métodos de fabricación más precisos también permiten formas más complejas. Además de los tazones, las cúpulas y las muescas de las válvulas necesarias para la holgura y para lograr una relación de compresión particular, las faldas asimétricas cuentan con un área más pequeña y rígida en el lado de empuje del pistón para reducir la fricción y las concentraciones de tensión. Voltee un pistón y verá paredes cónicas de apenas más de 0,1 pulgada de espesor. Las paredes más delgadas requieren un control más estricto de las tolerancias que ya se miden en micras o milésimas de milímetro.

Las paredes más delgadas también exigen una mejor comprensión de la expansión térmica de un objeto que a veces tiene que calentarse desde debajo del punto de congelación hasta varios cientos de grados en cuestión de segundos. El metal de su motor no se expande uniformemente a medida que se calienta, por lo que optimizar las tolerancias requiere experiencia en diseño y capacidades de mecanizado precisas para crear pequeñas excentricidades en las piezas.

"Nada de lo que hacemos es recto o redondo deliberadamente", dice Keri Westbrooke, directora de ingeniería y tecnología de Federal-Mogul. "Siempre estamos construyendo alguna compensación".

Los pistones de los motores diésel están experimentando su propia evolución a medida que las presiones máximas de los cilindros aumentan hasta los 3600 psi. Mahle y Federal-Mogul predicen un cambio de los pistones de aluminio fundido a acero forjado. El acero es más denso que el aluminio pero tres veces más fuerte, lo que da lugar a un pistón que es más resistente a presiones y temperaturas más altas sin aumentar el peso.

El acero permite un cambio notable en la geometría al acortar la altura de compresión del pistón, definida como la distancia desde el centro del muñón hasta la parte superior de la corona. Esta área representa el 80 por ciento del peso del pistón, por lo que más corto generalmente significa más ligero. Críticamente, una altura de compresión más baja no solo encoge los pistones. También permite un bloque de motor más corto y liviano a medida que se reduce la altura de la plataforma.

Mahle fabrica pistones de acero para aplicaciones turbodiésel de vanguardia, como el Audi R18 TDI cuatro veces ganador de Le Mans y el motor LMP2 Skyactiv-D de Mazda. La compañía comenzará a enviar sus primeros pistones de acero para un motor diésel de producción ligera, un Renault de cuatro cilindros y 1,5 litros, a finales de este año.

La perdurable relevancia del motor de combustión interna se debe a la continua evolución de sus componentes. Los pistones no son sexys. No son tan modernos como una batería de iones de litio, tan complejos como una transmisión de doble embrague o tan interesantes como un diferencial de vectorización de torque. Sin embargo, después de más de un siglo de progreso automotriz, los pistones alternativos continúan produciendo la mayor parte de la potencia que nos mueve.

Aplicaciones: Ferrari 458 Italia (en la imagen), 458 Spider

Tipo de motor: DOHC V-8

Cilindrada: 274 pulgadas cúbicas, 4497 ​​cc

Salida específica: 125.0 hp/l

Velocidad máxima del motor: 9000 rpm

Diámetro: 3,70 pulgadas

Peso: 2,1 libras

Aplicaciones: Ford Fiesta (mostrado), Focus

Tipo de motor: turboalimentado DOHC de tres cilindros en línea

Cilindrada: 61 pulgadas cúbicas, 999 cc

Salida específica: 123,1 hp/l

Velocidad máxima del motor: 6500 rpm

Diámetro: 2,83 pulgadas

Peso: 1,5 libras

Aplicaciones: Ram Heavy Duty (mostrado)

Tipo de motor: diésel de seis cilindros en línea con varilla de empuje turboalimentada

Cilindrada: 408 pulgadas cúbicas, 6690 cc

Salida específica: 55,3 hp/l

Velocidad máxima del motor: 3200 rpm

Diámetro: 4,21 pulgadas

Peso: 8,9 libras

Aplicaciones: Ford F-150, Mustang (mostrado)

Tipo de motor: DOHC V-8

Cilindrada: 302 pulgadas cúbicas, 4951 cc

Potencia específica: hasta 84,8 hp/l

Velocidad máxima del motor: 7000 rpm

Diámetro: 3,63 pulgadas

Peso: 2,4 libras

Aplicaciones: Dodge Dart; Fiat 500 Abarth (en la imagen), 500L, 500 Turbo

Tipo de motor: turboalimentado SOHC de cuatro cilindros en línea

Cilindrada: 83 pulgadas cúbicas, 1368 cc

Salida específica: hasta 117.0 hp/l

Velocidad máxima del motor: 6500 rpm

Diámetro: 2,83 pulgadas

Peso: 1,5 libras

Aplicaciones: camiones pesados ​​(se muestra International Prostar)

Tipo de motor: diésel SOHC turboalimentado de seis cilindros en línea

Cilindrada: 912 pulgadas cúbicas, 14.948 cc

Potencia específica: hasta 40,1 hp/l

Velocidad máxima del motor: 2000 rpm

Diámetro: 5,39 pulgadas

Peso: 26,4 libras

Aplicaciones: Dodge Viper (mostrado)

Tipo de motor: varilla de empuje V-10

Cilindrada: 512 pulgadas cúbicas, 8382 cc

Salida específica: 76,4 hp/l

Velocidad máxima del motor: 6400 rpm

Diámetro: 4,06 pulgadas

Peso: 2,8 libras

Aplicaciones: Ford Expedition, Explorer Sport, F-150 (mostrado), Taurus SHO, Transit; Lincoln MKS, MKT, navegador

Tipo de motor: DOHC V-6 de doble turbocompresor

Cilindrada: 213 pulgadas cúbicas, 3496 cc

Potencia específica: hasta 105,8 hp/l

Velocidad máxima del motor: 6500 rpm

Diámetro: 3,64 pulgadas

Peso: 2,6 libras

Aplicaciones: Scion tC (mostrado); ToyotaCamry, RAV4

Tipo de motor: DOHC de cuatro cilindros en línea

Cilindrada: 152 pulgadas cúbicas, 2494 cc

Potencia específica: hasta 72,2 hp/l

Velocidad máxima del motor: 6500 rpm

Diámetro: 3,54 pulgadas

Peso: 2.5 libras

Aplicaciones: motosierra MS441 CM Magnum (mostrada), motosierra MS441 C-MQ Magnum

Tipo de motor: monocilíndrico de dos tiempos

Cilindrada: 4 pulgadas cúbicas, 71 cc

Salida específica: 79,7 hp/l

Régimen máximo del motor: 13.500 rpm

Diámetro: 1,97 pulgadas

Peso: 0,4 libras

Aplicaciones: Dodge Challenger SRT Hellcat

Tipo de motor: varilla de empuje sobrealimentada V-8

Cilindrada: 376 pulgadas cúbicas, 6166 cc

Salida específica: 114,7 hp/l

Velocidad máxima del motor: 6200 rpm

Diámetro: 4,09 pulgadas

Peso: 3,0 libras

A medida que aumenta la carga de trabajo de los pistones, también lo hacen las exigencias de las bielas. Las presiones de combustión más altas se traducen en mayores tensiones en las palancas que unen los pistones a la manivela. Con la rara excepción de las piezas exóticas de titanio, las bielas suelen estar hechas de polvo de acero, comprimidas y calentadas en un molde, o forjadas a partir de acero para aplicaciones de mayor rendimiento. El mayor cambio tecnológico son las tapas de cabeza de biela rotas para bielas forjadas y de metal pulverizado. Anteriormente, la biela y la tapa del extremo del eje del cigüeñal se fabricaban como piezas separadas. Las varillas con las tapas agrietadas salen del molde como una sola pieza con forma de llave inglesa. Se graba el extremo del pasador del cigüeñal y luego se parte en dos con una prensa. La superficie irregular resultante mejora la alineación; produce una conexión más segura entre la tapa y la varilla; y permite un conjunto de biela más delgado y liviano.

Pistones no metálicos: la cerámica y los compuestos ofrecen el atractivo de una menor expansión térmica, un peso más ligero y una mayor resistencia y rigidez en comparación con el aluminio. En la década de 1980, Mercedes-Benz utilizó una subvención del gobierno alemán para crear un motor 190E con pistones compuestos de carbono que funcionó durante 15,000 millas sin problemas. Si bien la tecnología es sólida, la fabricación fue el factor limitante. Un estudio de la NASA de 1990 encontró que mecanizar un solo pistón a partir de una palanquilla de carbono-carbono costaba $2000. La alternativa era un proceso de colocación manual que consumía mucho tiempo.

Rotores Wankel: Vale, vale, sabemos que no es un pistón alternativo, pero el rotor triangular de hierro fundido es el análogo del pistón del motor Wankel porque convierte la energía de combustión en par. Sin un nuevo Mazda RX en el horizonte, nuestra única esperanza de un renacimiento rotativo parece ser Audi, que nos provocó con un extensor de rango tipo Wankel en su concepto híbrido enchufable Audi A1 e-tron 2010.

Pistones ovalados: durante una época en la que los motores de motocicleta de dos tiempos eran la norma, Honda llevó un motor de cuatro tiempos al Gran Premio Mundial de Motociclismo en 1979. Es uno de los motores más extraños de la historia. La moto GP NR500 de Honda estaba propulsada por un motor V-4 con un ángulo en V de 100 grados, cilindros ovalados rematados por ocho válvulas cada uno y dos bielas por pistón. Sellar los pistones ovalados resultó difícil (el negocio original de Soichiro Honda era suministrar aros de pistón a Toyota), pero esa era la menor de las preocupaciones del equipo. Las motos se retiraban regularmente de las carreras de GP del mundo y ocasionalmente no lograban clasificarse. En tres años, Honda volvió a usar un motor tradicional de carreras de dos tiempos.

Motores de pistones opuestos: El motor de dos tiempos, pistones opuestos y cilindros opuestos (OPOC) de EcoMotors afirma una mejora en la eficiencia de hasta un 15 por ciento con respecto a un motor de encendido por compresión convencional. Al colocar la cámara de combustión entre dos pistones, la compañía eliminó las culatas y el tren de válvulas, que son fuentes de pérdida de calor y fricción significativas. Un motor OPOC con menos piezas también debería ser más barato y liviano, si no termina en el estante con el fantástico Fish Carburetor.

Eric Tingwall tiene títulos en ingeniería mecánica y periodismo, una combinación que persiguió con el sueño de trabajar en Car and Driver. Mientras vivía su sueño, cortó partes de autos por la mitad, condujo un auto ficticio estacionario a 50 mph, dio vueltas en el Virginia International Raceway en los autos de rendimiento más calientes y explicó la física detrás del loco, ondulante, inflable, hombre de tubo de brazo agitado. .

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