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Anillo de pistón

Dos segmentos de pistón montados en el pistón de un motor de dos tiempos. En el centro de la imagen se puede ver el hueco para el segmento inferior.

Un anillo de pistón es un anillo dividido metálico que se fija al diámetro exterior de un pistón en un motor de combustión interna o un motor de vapor .

Las principales funciones de los anillos de pistón en los motores son:

  1. Sella la cámara de combustión para que haya una pérdida mínima de gases hacia el cárter.
  2. Mejorar la transferencia de calor del pistón a la pared del cilindro .
  3. Mantener la cantidad adecuada de aceite entre el pistón y la pared del cilindro.
  4. Regulación del consumo de aceite del motor raspando el aceite de las paredes del cilindro hacia el cárter. [1]

La mayoría de los anillos de pistón están hechos de hierro fundido o acero .

Diseño

Configuraciones de anillos de pistón:
A) Sección rectangular
B) Cara de barril
C) Trapecio
D) Torsión
E) Cara cónica
F) Diques
Que también difieren por el tipo de banda de retención:
Y) Detrás de la banda
X) Encima o debajo de la banda
O para los extremos que trabajan sin topes firmes:
K) Escalonado
J) Oblicuo
W) Oblicuo con escalón
Anillo de pistón. El anillo de pistón (PR) es una banda dividida presionada contra la pared del cilindro por resortes (S) montados en el "anillo de desecho" interno (JR). La lengüeta (T) mantiene el sello a medida que el anillo se expande y se divide.

Los anillos 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 hacer que el pistón se agarrotara en el cilindro, lo que causaría graves daños al motor. Por otro lado, un espacio grande provocaría un sellado insuficiente de los anillos del pistón contra las paredes del cilindro, lo que daría como resultado un exceso de gases de combustión que ingresan al cárter y una menor presión en el pistón, lo que reduciría la potencia de salida del motor.

El movimiento deslizante del anillo del pistón dentro de la pared del cilindro provoca pérdidas por fricción en el motor. La fricción causada por los anillos del pistón representa aproximadamente el 24 % de las pérdidas mecánicas totales por fricción del motor. [3] [4] Por lo tanto, el diseño de los anillos del pistón es un compromiso entre minimizar la fricción y lograr un buen sellado y una vida útil aceptable.

La lubricación de los anillos de pistón es difícil y ha sido una fuerza impulsora de las mejoras en la calidad del aceite de motor . El aceite debe soportar 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 un muñón de cojinete). En los límites del movimiento del pistón, el anillo se detiene e invierte la dirección. Esto altera el efecto normal de cuña de aceite de un cojinete hidrodinámico , lo que reduce 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 anillo mismo o un resorte separado detrás del anillo de sello.

Es importante que los anillos floten libremente en sus ranuras dentro del pistón, de modo que puedan permanecer en contacto con el cilindro. [5] Los anillos que se atascan en el pistón, generalmente debido a una acumulación de productos de combustión o una descomposición del aceite lubricante, pueden causar fallas en el motor y son una causa común de fallas en los motores diésel. [ cita requerida ]

Número de anillos

El sellado se logra a menudo 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 anillos por cilindro.

Los motores de pistón de los 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, con el fin de lubricar la falda del pistón y los anillos de control de aceite. [7]

Construcción de anillos

Los anillos de compresión de un motor de automóvil suelen tener una sección transversal rectangular o en forma de piedra angular . El anillo de compresión superior suele tener un perfil de barril en la periferia, mientras que el anillo de compresión inferior suele tener un revestimiento cónico. Algunos motores también utilizan un revestimiento cónico para el anillo superior, y en el pasado se utilizaban anillos simples de cara lisa.

Los anillos de control de aceite suelen estar hechos de una sola pieza de hierro fundido, de varias piezas de acero o de 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 un respaldo de resorte helicoidal tienen dos zonas de raspado de varias formas detalladas. Por otro lado, los anillos de control de aceite de acero de varias piezas suelen constar 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 entre los anillos del pistón se comprime hasta unas pocas milésimas de pulgada cuando se encuentra dentro del orificio del cilindro. Las formas del espacio entre los anillos incluyen corte recto, corte en ángulo, junta de unión, corte escalonado, escalón en forma de gancho y escalón en inglete. [8]

Historia

Máquina de vapor con 3 anillos de pistón en la posición D
Anillos de pistón accionados por resorte

Las primeras máquinas de vapor utilizaban un empaque de cáñamo para sellar la cámara de combustión, [9] lo que causaba una alta resistencia a la fricción y no proporcionaba un sellado muy efectivo.

El primer uso de un anillo de pistón en los cilindros de una máquina de vapor aparece en 1825 por Neil Snodgrass , un ingeniero de Glasgow y propietario de una fábrica, para su uso en sus propias máquinas. Este sistema utilizaba resortes para mantener el sello hermético al vapor. A partir del uso dentro de la fábrica, este sistema se experimentó en el vapor "Caledonia", que navegaba por el Gareloch . [10] [11]

El diseño moderno de un anillo partido metálico fue inventado por John Ramsbottom en la década de 1850. El diseño inicial de Ramsbottom en 1852 tenía una forma circular, sin embargo, estos se desgastaban de manera desigual y no tenían éxito. En 1854, se afirmó que un diseño revisado tenía una vida útil de hasta 4000 mi (6437 km). [12] Esto se basó en el descubrimiento de que un anillo perfectamente redondo (antes de la instalación) con una división en él no ejerce una presión uniforme sobre las paredes del cilindro una vez instalado. El anillo de pistón revisado se fabricó con una forma deforme, 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 llevó a aumentos significativos en la potencia y la eficiencia e intervalos de mantenimiento más largos.

Desgaste del motor

Los anillos de pistón están sujetos a desgaste a medida que se mueven hacia arriba y hacia abajo en el orificio del cilindro, debido a su propia carga inherente y debido a la carga de gas que actúa sobre el anillo. 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 hecho por deposición de 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 partículas de óxido de aluminio o diamante respectivamente incluidas en la superficie cromada.

En los motores de dos tiempos, el diseño del puerto también es un factor importante para la vida útil de los anillos del pistón.

Véase también

Referencias

  1. ^ "Principios generales". www.federalmogul.com . Archivado desde el original el 19 de noviembre de 2019 . Consultado el 1 de diciembre de 2019 .
  2. ^ "Funciones y funcionamiento de los anillos de pistón". www.federalmogul.com . Archivado desde el original el 10 de julio de 2011. Consultado el 1 de julio de 2009 .
  3. ^ "VCI 2840 - Películas de carbono - Conocimientos básicos, tipos y propiedades de películas". VDI-Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren (en alemán) (junio de 2012) . Consultado el 1 de diciembre de 2019 .
  4. ^ "El recubrimiento de los anillos de pistón reduce la fricción en los motores de gasolina" (PDF) . www.federalmogul.com . Archivado desde el original (PDF) el 24 de septiembre de 2015.
  5. ^ "Anillos de pistón". www.globmaritime.com . Archivado desde el original el 2 de junio de 2014.
  6. ^ "Factores que influyen en el control del aceite en un motor de gasolina con encendido por chispa". www.hastingsmfg.com . Archivado desde el original el 31 de marzo de 2008.
  7. ^ "Conjunto de pistón y aro de pistón". www.riken.co.jp . Archivado desde el original el 19 de agosto de 2002.
  8. ^ "Espacio entre anillos personalizados". www.precisionrings.com . Archivado desde el original el 6 de julio de 2017.
  9. ^ Weiss, Alex (2008). Cojinetes (Práctica de taller) . Modelo de interés especial. ISBN 978-1854862501.
  10. ^ "El cigarro de Neil Snodgrass". 14 de mayo de 2017.
  11. ^ Glasgow Herald (periódico) 5 de febrero de 1849: obituario de Snodgrass
  12. ^ "Proceedings Institution of Mechanical Engineers to 1859" (Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos hasta 1859). www.steamindex.com . Consultado el 4 de diciembre de 2019 .
  13. ^ ab "Recubrimientos periféricos resistentes al desgaste". www.federalmogul.com . Archivado desde el original el 10 de agosto de 2012 . Consultado el 4 de julio de 2010 .
  14. ^ "Recubrimientos periféricos resistentes al desgaste". www.federalmogul.com . Archivado desde el original el 10 de agosto de 2012 . Consultado el 4 de julio de 2010 .
  15. ^ "Recubrimientos periféricos resistentes al desgaste". www.federalmogul.com . Archivado desde el original el 10 de agosto de 2012 . Consultado el 4 de julio de 2010 .
  16. ^ "Recubrimientos periféricos resistentes al desgaste". www.federalmogul.com . Archivado desde el original el 10 de agosto de 2012 . Consultado el 4 de julio de 2010 .
  17. ^ "Ficha de producto de aros de pistón metálicos" (PDF) . www.grovercorp.com . Archivado desde el original (PDF) el 6 de julio de 2016 . Consultado el 8 de diciembre de 2019 .