Pistón y tipos de pistón: definición y función
Definición de pistón
Un pistón tiene forma cilíndrica y constituye la parte móvil de la cámara de combustión. El pistón es un componente de motores alternativos, bombas alternativas, compresores de gas y cilindros neumáticos, entre otros mecanismos similares. En un motor, su propósito es transferir la fuerza del gas en expansión en el cilindro al cigüeñal a través de un vástago de pistón y una biela.
La biela ayuda a convertir el movimiento alternativo del pistón en movimiento giratorio del cigüeñal. Los pistones suelen fabricarse con una aleación de aluminio fundido por su excelente y ligera conductividad térmica. (La conductividad térmica es la capacidad de un material para conducir y transferir calor).
¿Cómo funcionan los pistones?
El pistón se mueve dentro del cilindro y transfiere la fuerza del gas en expansión a través de la biela al cigüeñal, y del cigüeñal al pistón en dirección inversa. El gas al comprimirse permite la inyección de fluido en el cilindro. Esto también ayuda a controlar la válvula. Sirve como medio de transferencia de calor a las paredes del cilindro.
Los pistones funcionan transfiriendo la fuerza de salida del gas en expansión en el cilindro a un cigüeñal, que proporciona momento de rotación a un volante de inercia.
En todo motor de automóvil de cuatro tiempos (gasolina o diésel), los procesos de admisión, compresión, combustión y escape tienen lugar por encima de la corona del pistón, lo que obliga al pistón a moverse arriba y abajo dentro del cilindro.
El pistón empuja hacia arriba comprimiendo el combustible y el aire en un espacio mucho más pequeño de la culata, donde luego son encendidos por la bujía. La explosión resultante empuja el pistón hacia abajo y genera gases de escape. Aquí puede encontrar una explicación mucho más completa.
En cualquier motor de combustión interna, el pistón desempeña cuatro funciones en cada ciclo.
- Primero, al bajar el pistón, aspira aire y combustible hacia el cilindro o la cámara de combustión.
- Segundo, en el movimiento ascendente comprime el aire y el combustible en el cilindro para que exploten al encenderse.
- Tercero, la bujía enciende la mezcla de aire y combustible, y la fuerza lanza el pistón de vuelta hacia abajo.
- Cuarto, el pistón vuelve a la parte superior del cilindro, expulsando los gases quemados (escape) fuera del cilindro.
- Entonces el ciclo se repite una y otra vez, cientos o miles de veces por minuto.
Diagrama del pistón con nombres
Partes de un pistón
Las características del pistón incluyen la cabeza del pistón, el alojamiento del bulón, el bulón, la falda, las ranuras de los aros, los puentes entre ranuras y los aros del pistón.
1. Aro del pistón
Un aro de pistón es un aro partido expandible que se usa para sellar entre el pistón y la pared del cilindro. Los aros de pistón suelen fabricarse en hierro fundido. El hierro fundido conserva la integridad de su forma original bajo calor, carga y otras fuerzas dinámicas.
Los aros de pistón sellan la cámara de combustión, conducen el calor del pistón a la pared del cilindro y devuelven el aceite al cárter. El tamaño y la configuración de los aros varían según el diseño del motor y el material del cilindro.
Los aros de pistón más comunes en motores pequeños son el aro de compresión, el aro rascador y el aro de aceite.
- El aro de compresión es el aro de pistón situado en la ranura más cercana a la cabeza del pistón. El aro de compresión sella la cámara de combustión para evitar fugas durante el proceso de combustión.
- El aro rascador es el aro de pistón con cara cónica situado en la ranura entre el aro de compresión y el aro de aceite. El aro rascador sirve para sellar aún más la cámara de combustión y limpiar de aceite sobrante la pared del cilindro. Los gases de combustión que pasan por el aro de compresión son detenidos por el aro rascador.
- El aro de aceite es el aro de pistón situado en la ranura más cercana al cárter. El aro de aceite se usa para limpiar el exceso de aceite de la pared del cilindro durante el movimiento del pistón. El exceso de aceite vuelve a través de las aberturas del aro al depósito de aceite del bloque del motor. Los motores de ciclo de dos tiempos no necesitan aros de aceite porque la lubricación se suministra mezclando aceite en la gasolina, y no se requiere depósito de aceite.
2. Falda del pistón
La falda del pistón es el material cilíndrico montado en la sección redonda del pistón. Esta parte suele fabricarse con hierro fundido por su excelente resistencia al desgaste y sus propiedades autolubricantes.
La falda contiene las ranuras para montar el aro de aceite y los aros de compresión del pistón. Las faldas de pistón se ofrecen en diferentes estilos para adaptarse a aplicaciones específicas.
3. Bulón del pistón
El bulón del pistón es un eje hueco que conecta el pie de la biela con el pistón.
4. Cabeza/corona del pistón
La cabeza del pistón es la superficie superior (la más cercana a la culata) del pistón, sometida a fuerzas y calor enormes durante el funcionamiento normal del motor.
5. Biela
La biela conecta el pistón con el cigüeñal, funciona como una palanca y transfiere el movimiento del pistón al cigüeñal.
La biela se fabrica en aleación de aluminio fundido. Está diseñada de tal manera que puede soportar las tensiones dinámicas de la combustión y del movimiento del pistón.
6. Tornillo de biela
También en la lista de piezas del pistón está el tornillo de biela. Estos tornillos sujetan la biela al cigüeñal. En el extremo inferior de los tornillos de biela están las tapas de biela y los cojinetes, sujetos por una tuerca. Un pasador de chaveta en la tuerca evita que el conjunto se afloje.
7. Cojinetes del pistón
Los cojinetes son piezas del pistón situadas en los puntos donde se produce la rotación pivotante. Suelen ser piezas metálicas semicirculares que se ajustan en los alojamientos de esos puntos. Los cojinetes del pistón incluyen las conchas que se encuentran en el pie de biela donde la biela se conecta al cigüeñal. También hay cojinetes en el pie pequeño donde la biela se une al pistón.
Los cojinetes del pistón suelen fabricarse con metales compuestos como cobre con plomo, aluminio con silicio y otros. Los cojinetes suelen estar recubiertos para mejorar su dureza y permitirles soportar la carga de los movimientos del pistón y la biela.
características del pistón
El pistón debe ser lo bastante resistente para soportar lo siguiente:
- Efecto de martilleo de la presión de los gases de combustión
- Carga fluctuante
- Alta temperatura de los gases
El pistón debe ser:
- Ligero de peso
- Silencioso en funcionamiento
- Mecánicamente resistente
Debido al peso ligero, hay pérdidas por inercia.
Las cargas de inercia se reducen sobre el cojinete, debido a los cambios de movimiento.
Aplicaciones o usos del pistón
Las aplicaciones principales del pistón son las siguientes:
- La inercia reducida mejora la eficiencia mecánica del motor.
- Comprime el fluido dentro del cilindro, aumentando así la presión y la temperatura del fluido en el cilindro.
- También proporciona la dirección.
Ventajas del pistón
Las principales ventajas del pistón son:
- Simplicidad mecánica
- Flexibilidad y fiabilidad
- Relación potencia-peso
- Capacidad multifuel
- Baja temperatura de funcionamiento de la turbina
- Menos vibración y ruido
- Menos mantenimiento
- Fácil de arrancar el pistón
- Muy adecuado para la recuperación de calor residual
- Proporciona un alto grado de maniobrabilidad
- Menor coste de fabricación
- Bajas emisiones de NOx
- Ofrece el proceso de combustión HCCI
- Equilibrado internamente
- Modularidad
Desventajas del pistón
Las principales desventajas del pistón son:
- Mal consumo de combustible
- Estabilidad del suministro de combustible
- Baja eficiencia a carga parcial
- Alta tasa de combustión
- Se requiere engranaje reductor
Tipos de pistón
Hay tres tipos de pistones, cada uno con el nombre de su forma: plano, abovedado y cóncavo.
1. Pistones de cabeza plana.
Tan simple como suena: un pistón de cabeza plana tiene la parte superior plana.
Los pistones de cabeza plana tienen la menor cantidad de superficie; esto les permite generar la mayor fuerza.
Este tipo de pistón es ideal para lograr una combustión eficiente.
Los pistones de cabeza plana generan la distribución de llama más uniforme.
La dificultad que conlleva es que puede crear demasiada compresión para cámaras de combustión más pequeñas.
2. Pistones cóncavos.
Este tipo de pistón también se conoce como pistón de cuenco. Presenta una forma de plato con bordes exteriores elevados. Debido al mayor volumen de la cámara de combustión, los pistones cóncavos logran una relación de compresión más baja. Aunque sea un inconveniente, esta característica es una ventaja en algunas situaciones en las que no se necesitan altas fuerzas recíprocas.
Los pistones cóncavos se usan a menudo en motores con combustión turbocargada o sobrealimentada. Ayudan a prevenir el picado de biela o la detonación que causaría la compresión aumentada.
En algunos motores, los pistones ayudan a contener el chorro de combustible, mejorando el proceso de combustión. En motores más antiguos, el proceso se ve influido por varios factores: el tipo de pistón, el diseño del carburador y el volumen del diámetro del cilindro.
3. Pistones abovedados.
Los pistones abovedados crean una cámara de combustión más compacta, logrando teóricamente mayores relaciones de compresión.
Sin embargo, los pistones abovedados suelen crear otros problemas, como combustión lenta o incompleta, interferencia con las válvulas y menor eficiencia. Este tipo de pistón solo debe usarse en aplicaciones muy específicas.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un pistón en un coche?
El pistón es un componente crucial del motor de combustión interna que se usa en los coches. Es un objeto metálico cilíndrico que se mueve arriba y abajo en el cilindro del motor, creando la energía necesaria para impulsar el coche hacia delante. El pistón está conectado a la biela, que a su vez está conectada al cigüeñal. A medida que el combustible y el aire se queman en la cámara de combustión, el pistón es empujado hacia abajo, transfiriendo la energía al cigüeñal y, a su vez, a las ruedas del coche. El pistón está diseñado para soportar altas temperaturas y presiones, lo que lo convierte en un componente duradero del motor. Es una parte integral del motor, y cualquier problema con él puede acarrear problemas graves del motor. El mantenimiento y las inspecciones periódicas pueden ayudar a garantizar la longevidad y la eficiencia del pistón de un coche.
¿Cuáles son los 3 tipos principales de pistón?
Los siguientes son los tipos principales de pistón:
- Pistón de cabeza plana
- Pistón abovedado
- Pistón cóncavo
¿Qué pistón es el más resistente?
Los pistones forjados son los más resistentes porque durante su fabricación el aluminio no se funde; en su lugar, el lingote se fuerza dentro del molde de conformado.
¿Cómo sustituir los aros del pistón sin desmontar el motor?
Sustituir los aros del pistón es una parte crucial del mantenimiento del motor, y muchos propietarios temen la idea de pasar por la molestia de desmontar el motor para hacer el trabajo. Sin embargo, es posible sustituir los aros del pistón sin desmontar el motor, aunque resulta algo más difícil. Una forma de hacerlo es usar un compresor de aros de pistón que le permita comprimir los aros e introducirlos en el cilindro. También puede usar un probador de fugas (leak-down) para localizar qué cilindro tiene un aro defectuoso y centrar sus esfuerzos en ese cilindro concreto. Es importante señalar que sustituir los aros del pistón sin desmontar el motor requiere un buen nivel de conocimientos y destreza técnica. Si no confía en sus habilidades, lo mejor es dejar el trabajo a un mecánico profesional para evitar daños mayores en el motor.
Conclusión
En conclusión, el pistón de un coche es un componente vital que desempeña un papel importante en el funcionamiento del motor. La función principal del pistón es convertir la energía del combustible en energía mecánica que impulsa el coche hacia delante. Existen varios tipos de pistones en el mercado, como pistones cónicos, pistones rectificados con leva, aleaciones especiales, devanados de alambre, autotérmicos, bimetálicos, de acero fundido, estañados, refrigerados por aceite y pistones de dos piezas.
Cada tipo tiene características específicas que atienden distintas necesidades y requisitos. Por tanto, es esencial elegir el pistón adecuado para su coche y garantizar un rendimiento y una durabilidad óptimos. Un mantenimiento adecuado y revisiones periódicas también pueden ayudar a alargar la vida útil del pistón y a prevenir daños en el motor.