Un pistón hipereutéctico es un pistón de motor de combustión interna fundido utilizando una aleación de aluminio hipereutéctico con un contenido de silicio mayor que el punto eutéctico del 12 por ciento en peso de silicio. [1] La mayoría de las aleaciones de fundición de aluminio y silicio son hipoeutécticas, lo que significa que el contenido de silicio es menor que el punto eutéctico y contienen cristales de silicio elemental relativamente finos formados a través de la reacción eutéctica durante la solidificación. Además de los finos cristales de silicio, las aleaciones hipereutécticas también contienen grandes cristales de silicio primarios que se forman antes de la reacción eutéctica. Como resultado, contiene una fracción de fase de silicio mucho mayor. En consecuencia, el aluminio hipereutéctico tiene un coeficiente de expansión térmica más bajo , lo que permite a los diseñadores de motores especificar tolerancias mucho más estrictas. El contenido de silicio de estas aleaciones es típicamente del 16 al 19 por ciento en peso, y por encima de este contenido las propiedades mecánicas y la capacidad de colada se degradan sustancialmente. Se requieren moldes, fundición y técnicas de enfriamiento especiales para obtener partículas de silicio primarias uniformemente dispersas en todo el material del pistón.
La mayoría de los motores de automóviles utilizan pistones de aluminio que se mueven en un cilindro de hierro . La temperatura promedio de la corona de un pistón en un motor de gasolina durante el funcionamiento normal suele ser de unos 300 °C (570 °F), y el refrigerante que pasa por el bloque del motor suele estar regulado a aproximadamente 90 °C (190 °F). El aluminio se expande más que el hierro en este rango de temperatura, por lo que para que el pistón encaje correctamente en el cilindro cuando está a una temperatura de funcionamiento normal, el pistón debe tener un ajuste flojo cuando está frío.
En 1970, la creciente preocupación por la contaminación de los gases de escape hizo que el gobierno de Estados Unidos creara la Agencia de Protección Ambiental (EPA), que comenzó a redactar y hacer cumplir normas que exigían a los fabricantes de automóviles introducir cambios que hicieran que sus motores funcionaran de forma más limpia. A finales de la década de 1980, la contaminación de los gases de escape de los automóviles había mejorado notablemente. Regulaciones más estrictas obligaron a los fabricantes de automóviles a adoptar el uso de inyección de combustible controlada electrónicamente y pistones hipereutécticos. En cuanto a los pistones, se descubrió que cuando un motor estaba frío durante el arranque, una pequeña cantidad de combustible quedaba atrapada entre los aros del pistón. [ cita necesaria ] A medida que el motor se calentaba, el pistón se expandía y expulsaba esta pequeña cantidad de combustible que aumentaba la cantidad de hidrocarburos no quemados en el escape.
Al agregar silicio a la aleación de los pistones, la expansión del pistón se redujo drásticamente. Esto permitió a los ingenieros especificar un espacio reducido entre el pistón y la camisa del cilindro. El propio silicio se expande menos que el aluminio. Otro beneficio de agregar silicio es que el pistón se vuelve más duro y es menos susceptible al desgaste que puede ocurrir cuando un pistón de aluminio blando se acelera en frío en un cilindro relativamente seco durante el arranque o durante temperaturas de funcionamiento anormalmente altas.
El mayor inconveniente de añadir silicio a los pistones es que el pistón se vuelve más frágil a medida que aumenta la proporción de silicio a aluminio. Esto hace que el pistón sea más susceptible a agrietarse si el motor experimenta un preencendido o una detonación.
Cuando los entusiastas de los automóviles quieren aumentar la potencia del motor, pueden agregar algún tipo de inducción forzada . Al comprimir más aire y combustible en cada ciclo de admisión, la potencia del motor puede aumentar drásticamente. Esto también aumenta el calor y la presión en el cilindro.
La temperatura normal de los gases de escape de los motores de gasolina es de aproximadamente 650 °C (1200 °F). Este es también aproximadamente el punto de fusión de la mayoría de las aleaciones de aluminio, y es sólo el flujo constante de aire ambiente lo que evita que el pistón se deforme y falle. La inducción forzada aumenta las temperaturas de funcionamiento mientras está "bajo impulso", y si el exceso de calor se agrega más rápido de lo que el motor puede eliminar, las temperaturas elevadas del cilindro harán que la mezcla de aire y combustible se encienda automáticamente en la carrera de compresión antes de que se produzca la chispa. . Este es un tipo de golpeteo en el motor que provoca una onda de choque repentina y un pico de presión, lo que puede provocar una falla del pistón debido a la fatiga de la superficie inducida por el choque. Lo que corroe la superficie del pistón.
La aleación de pistón de alto rendimiento "4032" tiene un contenido de silicio de aproximadamente el 11%. Esto significa que se expande menos que un pistón sin silicio, pero dado que el silicio está completamente aleado a nivel molecular (eutéctico), la aleación es menos frágil y más flexible que un pistón hipereutéctico original de "smog" (baja compresión). Estos pistones pueden sobrevivir a una detonación leve con menos daño que los pistones originales. 4032 y las aleaciones hipereutécticas tienen un bajo coeficiente de expansión térmica. Esto permite un ajuste más ajustado entre el pistón y el cilindro a la temperatura de montaje.
La aleación de pistón de alto rendimiento "2618" tiene menos del 2 % de silicio y podría describirse como hipo (infra)eutéctica. Esta aleación es capaz de experimentar la mayor detonación y abuso mientras sufre la menor cantidad de daño. Los pistones fabricados con esta aleación también suelen ser más gruesos y pesados debido a sus aplicaciones más comunes en motores diésel comerciales . Tanto por las temperaturas superiores a lo normal que experimentan estos pistones en su aplicación habitual, como por el mayor coeficiente de expansión térmica debido al bajo contenido de silicio que provoca una mayor expansión térmica. Estos pistones requieren una mayor holgura entre el pistón y el cilindro a temperaturas de montaje. Esto conduce a una condición conocida como "golpe del pistón", que ocurre cuando el pistón se balancea en el cilindro y provoca un ruido audible que continúa hasta que el motor se ha calentado a la temperatura operativa.
Cuando se funde un pistón , la aleación se calienta hasta que se funde. Luego se vierte en un molde para crear la forma básica. Una vez que la aleación se enfría y solidifica, se retira del molde y la pieza fundida en bruto se mecaniza hasta darle su forma final. Para aplicaciones que requieren pistones más fuertes, se utiliza un proceso de forjado .
En el proceso de forja, la pieza fundida en bruto se coloca en un troquel mientras aún está caliente y semisólida. Se utiliza una prensa hidráulica para colocar el trozo áspero bajo una presión tremenda. Esto elimina cualquier posible porosidad y también junta los granos de la aleación con más fuerza de lo que se puede lograr mediante una simple fundición. El resultado final es un material mucho más resistente.
Los pistones de alto rendimiento del mercado de accesorios fabricados con las aleaciones 4032 y 2618 más comunes suelen estar forjados. [ cita necesaria ]
En comparación con los pistones forjados de aleación 4032 y 2618, los pistones hipereutécticos tienen menos resistencia. Por lo tanto, se prefieren aplicaciones de rendimiento que utilizan pistones forjados (hechos de cualquiera de las aleaciones) de refuerzo, óxido nitroso y/o altas RPM. Sin embargo, los pistones hipereutécticos experimentan menos expansión térmica que los pistones forjados. Por esta razón, los pistones hipereutécticos pueden hacer funcionar un juego más ajustado entre el pistón y el cilindro que los pistones forjados. Esto hace que los pistones hipereutécticos sean una mejor opción para los motores originales, donde la longevidad es más importante que el máximo rendimiento. Algunos vehículos utilizan pistones forjados de fábrica. Los Dodge Vipers utilizaron pistones forjados de los años modelo 1992-1999 y luego cambiaron a hipereutécticos. La última generación de Vipers (2013-2017) utilizó pistones forjados. Todos los Honda S2000 utilizan pistones forjados.