Un anillo de pistón es un anillo partido metálico que se fija al diámetro exterior de un pistón en un motor de combustión interna o motor de vapor .
Las principales funciones de los aros de pistón en los motores son:
La mayoría de los anillos de pistón están hechos de hierro fundido o acero .
Los aros de pistón están diseñados para sellar el espacio entre el pistón y la pared del cilindro. [2] Si este espacio fuera demasiado pequeño, la expansión térmica del pistón podría provocar que el pistón se atasque en el cilindro, provocando graves daños al motor. Por otro lado, un espacio grande causaría un sellado insuficiente de los anillos del pistón contra las paredes del cilindro, lo que resultaría en un exceso de escape (gases de combustión que ingresan al cárter) y menos presión sobre el cilindro, reduciendo la potencia del motor.
El movimiento deslizante del segmento del pistón dentro de la pared del cilindro provoca pérdidas por fricción en el motor. La fricción causada por los aros del pistón es aproximadamente el 24% de las pérdidas totales por fricción mecánica del motor. [3] [4] El diseño de los anillos de pistón es, por lo tanto, un compromiso entre minimizar la fricción y al mismo tiempo lograr un buen sellado y una vida útil aceptable.
La lubricación de los anillos de pistón es difícil y ha sido una fuerza impulsora para mejorar la calidad del aceite de motor . El aceite debe resistir altas temperaturas y condiciones duras con un contacto deslizante de alta velocidad. La lubricación es particularmente difícil ya que los anillos tienen un movimiento oscilante en lugar de una rotación continua (como en el muñón de un rodamiento). En los límites del movimiento del pistón, el anillo se detiene e invierte su dirección. Esto altera el efecto normal de cuña de aceite de un rodamiento hidrodinámico , reduciendo la eficacia de la lubricación.
Los anillos también tienen resortes para aumentar la fuerza de contacto y mantener un sello hermético. La fuerza del resorte la proporciona la rigidez del propio anillo o un resorte separado detrás del anillo de sellado.
Es importante que los anillos floten libremente en sus ranuras dentro del pistón, para que puedan permanecer en contacto con el cilindro. [5] Los anillos atascados en el pistón, generalmente debido a una acumulación de productos de combustión o a una descomposición del aceite lubricante, pueden causar fallas en el motor y son una causa común de fallas en los motores diésel. [ cita necesaria ]
El sellado a menudo se logra mediante múltiples anillos, cada uno con su propia función, utilizando un contacto deslizante de metal sobre metal. La mayoría de los pistones tienen al menos dos segmentos por cilindro.
Los motores de pistón para automóviles suelen tener tres anillos por cilindro. [6] Los dos anillos superiores, conocidos como anillos de compresión , sirven principalmente para sellar la cámara de combustión. El anillo inferior, conocido como anillo de control de aceite , sirve principalmente para controlar el suministro de aceite a la pared del cilindro para lubricar la falda del pistón y los anillos de control de aceite. [7]
Los anillos de compresión de un motor de automóvil suelen tener una sección transversal rectangular o trapezoidal . El anillo de compresión superior normalmente tiene un perfil cilíndrico para la periferia, mientras que el anillo de compresión inferior normalmente tiene una cara de napier ahusada. Algunos motores también usan un revestimiento cónico para el anillo superior, y en el pasado se usaban anillos simples de frente liso.
Los anillos de control de aceite generalmente están hechos de una sola pieza de hierro fundido, varias piezas de acero o acero/hierro con un respaldo de resorte helicoidal para crear la tensión necesaria para un sello hermético. Los anillos de aceite de hierro fundido y los anillos con respaldo de resorte helicoidal tienen dos superficies de raspado de diversas formas detalladas. Por otro lado, los anillos de control de aceite de acero de varias piezas generalmente constan de dos anillos de acero delgados (llamados rieles ) con un resorte espaciador-expansor entre ellos para mantener los dos rieles separados y proporcionar presión radial.
El espacio en el anillo del pistón se comprime a unas pocas milésimas de pulgada cuando está dentro del orificio del cilindro. Las formas de separación de anillos incluyen corte cuadrado, corte en ángulo, junta tite, corte escalonado, escalón de gancho y escalón de inglete. [8]
Las primeras máquinas de vapor utilizaban una empaquetadura de cáñamo para sellar la cámara de combustión, [9] lo que provocaba una alta resistencia a la fricción y no proporcionaba un sellado muy eficaz.
El primer uso de un segmento de pistón en los cilindros de una máquina de vapor aparece en 1825 por Neil Snodgrass , un ingeniero y propietario de un molino de Glasgow, para su uso en sus propias máquinas. Esto utilizó resortes para mantener el sello hermético al vapor. A partir de su uso en el molino se experimentó con el barco de vapor "Caledonia" que navegaba en el Gareloch . [10] [11]
El diseño moderno de un anillo metálico dividido fue inventado por John Ramsbottom en la década de 1850. El diseño inicial de Ramsbottom en 1852 tenía una forma circular, sin embargo, se desgastaron de manera desigual y no tuvieron éxito. En 1854, se afirmó que un diseño revisado tenía una vida útil de hasta 6.437 km (4.000 mi). [12] Esto se basó en el descubrimiento de que un anillo perfectamente redondo (antes de la instalación) con una división no ejerce una presión uniforme sobre las paredes del cilindro una vez instalado. El anillo de pistón revisado se fabricó con una forma no redonda, de modo que ejerciera una presión uniforme una vez instalado en el cilindro. Una patente de 1855 documentó este cambio. El cambio a anillos de pistón metálicos redujo drásticamente la resistencia a la fricción, la fuga de vapor y la masa del pistón, lo que generó aumentos significativos en la potencia y la eficiencia e intervalos de mantenimiento más prolongados.
Los aros de pistón están sujetos a desgaste a medida que suben y bajan por el diámetro del cilindro, debido a su propia carga inherente y a la carga de gas que actúa sobre el aro. Para minimizar esto, están hechos de materiales resistentes al desgaste, como hierro fundido y acero, y están recubiertos o tratados para mejorar la resistencia al desgaste. Los recubrimientos utilizados en las motocicletas modernas incluyen cromo , [13] nitruro , [14] o recubrimiento cerámico elaborado por deposición por plasma [15] o deposición física de vapor (PVD). [16] [17] La mayoría de los motores diésel modernos tienen anillos superiores recubiertos con un recubrimiento de cromo modificado (conocido como CKS o GDC), [13] [ enlace muerto ] que tiene óxido de aluminio o partículas de diamante incluidas respectivamente en la superficie de cromo.
En los motores de dos tiempos, el diseño de las lumbreras también es un factor importante para la vida útil de los aros del pistón.
