Un pistón es un componente de los motores alternativos , bombas alternativas , compresores de gas , cilindros hidráulicos y cilindros neumáticos , entre otros mecanismos similares. Es el componente móvil que está contenido por un cilindro y se hace hermético al gas mediante anillos de pistón . En un motor, su propósito es transferir fuerza del gas en expansión en el cilindro al cigüeñal a través de una varilla de pistón y/o biela . En una bomba, la función se invierte y la fuerza se transfiere del cigüeñal al pistón con el fin de comprimir o expulsar el fluido en el cilindro. En algunos motores, el pistón también actúa como una válvula al cubrir y descubrir los puertos en el cilindro.
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Un motor de combustión interna funciona gracias a la presión de los gases de combustión en expansión en el espacio de la cámara de combustión en la parte superior del cilindro. Esta fuerza actúa entonces hacia abajo a través de la biela y sobre el cigüeñal . La biela está unida al pistón mediante un pasador de pistón giratorio (EE. UU.: pasador de muñeca). Este pasador está montado dentro del pistón: a diferencia de la máquina de vapor, no hay biela ni cruceta (excepto los grandes motores de dos tiempos).
El diseño típico del pistón se muestra en la imagen. Este tipo de pistón se usa ampliamente en motores diésel de automóviles . Según el propósito, el nivel de sobrealimentación y las condiciones de trabajo de los motores, se pueden cambiar la forma y las proporciones.
Los motores diésel de alta potencia funcionan en condiciones difíciles. La presión máxima en la cámara de combustión puede alcanzar los 20 MPa y la temperatura máxima de algunas superficies del pistón puede superar los 450 °C. Es posible mejorar la refrigeración del pistón creando una cavidad de refrigeración especial. El inyector alimenta esta cavidad de refrigeración «A» con aceite a través del canal de suministro de aceite «B». Para una mejor reducción de la temperatura, la construcción debe calcularse y analizarse cuidadosamente. El flujo de aceite en la cavidad de refrigeración no debe ser inferior al 80% del flujo de aceite a través del inyector.
El pasador en sí es de acero endurecido y está fijado al pistón, pero puede moverse libremente en la biela. Algunos diseños utilizan un diseño "totalmente flotante" que está suelto en ambos componentes. Se debe evitar que todos los pasadores se muevan lateralmente y que los extremos del pasador se claven en la pared del cilindro, generalmente mediante anillos de retención .
El sellado de gas se logra mediante el uso de anillos de pistón . Se trata de una serie de anillos de hierro estrechos, colocados de forma suelta en las ranuras del pistón, justo debajo de la corona. Los anillos están divididos en un punto del borde, lo que les permite presionar contra el cilindro con una ligera presión de resorte. Se utilizan dos tipos de anillos: los anillos superiores tienen caras sólidas y proporcionan sellado de gas; los anillos inferiores tienen bordes estrechos y un perfil en forma de U, para actuar como raspadores de aceite. Hay muchas características de diseño patentadas y detalladas asociadas con los anillos de pistón.
Los pistones suelen estar fundidos o forjados a partir de aleaciones de aluminio . Para una mayor resistencia y resistencia a la fatiga, algunos pistones de competición [1] pueden estar forjados . Los pistones de palanquilla también se utilizan en motores de competición porque no dependen del tamaño y la arquitectura de las piezas forjadas disponibles, lo que permite cambios de diseño de última hora. Aunque no suelen ser visibles a simple vista, los pistones en sí están diseñados con un cierto nivel de ovalidad y conicidad de perfil, lo que significa que no son perfectamente redondos y su diámetro es mayor cerca de la parte inferior de la falda que en la corona. [2]
Los primeros pistones eran de hierro fundido , pero el uso de una aleación más ligera ofrecía ventajas evidentes para equilibrar el motor. Para producir pistones que pudieran sobrevivir a las temperaturas de combustión del motor, fue necesario desarrollar nuevas aleaciones, como la aleación Y y el hiduminio , específicamente para su uso como pistones.
Algunos de los primeros motores de gas [i] tenían cilindros de doble efecto , pero, por lo demás, todos los pistones de los motores de combustión interna son de simple efecto . Durante la Segunda Guerra Mundial , el submarino estadounidense Pompano [ii] fue equipado con un prototipo del infame y poco fiable motor diésel de dos tiempos de doble efecto HOR . Aunque era compacto para su uso en un submarino estrecho, este diseño de motor no se repitió.
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Los pistones de tronco son largos en relación con su diámetro. Actúan como pistón y travesaño cilíndrico . Como la biela está en ángulo durante gran parte de su rotación, también hay una fuerza lateral que reacciona a lo largo del costado del pistón contra la pared del cilindro. Un pistón más largo ayuda a soportar esto.
Los pistones de tronco han sido un diseño común de pistón desde los primeros días del motor de combustión interna alternativo. Se utilizaban tanto en motores de gasolina como diésel, aunque ahora los motores de alta velocidad han adoptado el pistón deslizante, más ligero.
Una característica de la mayoría de los pistones troncales, particularmente de los motores diésel, es que tienen una ranura para un anillo de aceite debajo del pasador del pistón , además de los anillos entre el pasador del pistón y la corona.
El nombre de "pistón de tronco" deriva del " motor de tronco ", un diseño temprano de la máquina de vapor marina . Para hacerlos más compactos, evitaron la habitual biela con cruceta separada de la máquina de vapor y, en su lugar, fueron el primer diseño de motor en colocar el bulón directamente dentro del pistón. Por lo demás, estos pistones de motor de tronco se parecían poco al pistón de tronco; tenían un diámetro extremadamente grande y doble efecto. Su "tronco" era un cilindro estrecho montado en el centro del pistón.
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Los motores diésel grandes de baja velocidad pueden requerir un soporte adicional para las fuerzas laterales sobre el pistón. Estos motores suelen utilizar pistones de cruceta . El pistón principal tiene un vástago grande que se extiende hacia abajo desde el pistón hasta lo que es efectivamente un segundo pistón de diámetro más pequeño. El pistón principal es responsable del sellado de gas y lleva los anillos del pistón. El pistón más pequeño es puramente una guía mecánica. Corre dentro de un cilindro pequeño como una guía de tronco y también lleva el bulón.
La lubricación del travesaño presenta ventajas con respecto al pistón principal, ya que su aceite lubricante no está sujeto al calor de la combustión : el aceite no se contamina con partículas de hollín de la combustión, no se descompone debido al calor y se puede utilizar un aceite más fino y menos viscoso. La fricción tanto del pistón como del travesaño puede ser solo la mitad de la de un pistón principal. [3]
Debido al peso adicional de estos pistones, no se utilizan para motores de alta velocidad.
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Un pistón deslizante es un pistón para un motor de gasolina que se ha reducido en tamaño y peso tanto como sea posible. En el caso extremo, se reducen a la corona del pistón, el soporte de los anillos del pistón y lo suficiente de la falda del pistón para dejar dos pistas para evitar que el pistón se balancee en el orificio. Los lados de la falda del pistón alrededor del bulón del pistón se reducen alejándose de la pared del cilindro. El propósito es principalmente reducir la masa recíproca, lo que facilita el equilibrio del motor y permite altas velocidades. [4] En aplicaciones de carreras, las faldas de pistón deslizante se pueden configurar para producir un peso extremadamente ligero manteniendo la rigidez y la resistencia de una falda completa. [5] La inercia reducida también mejora la eficiencia mecánica del motor: las fuerzas necesarias para acelerar y desacelerar las partes recíprocas causan más fricción del pistón con la pared del cilindro que la presión del fluido en la cabeza del pistón. [6] Un beneficio secundario puede ser cierta reducción en la fricción con la pared del cilindro, ya que el área de la falda, que se desliza hacia arriba y hacia abajo en el cilindro, se reduce a la mitad. Sin embargo, la mayor parte de la fricción se debe a los anillos del pistón , que son las piezas que realmente encajan mejor en el orificio y las superficies de apoyo del pasador de la muñeca, y por lo tanto el beneficio se reduce.
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Los pistones deflectores se utilizan en motores de dos tiempos con compresión del cárter, donde el flujo de gas dentro del cilindro debe dirigirse con cuidado para proporcionar un barrido eficiente . Con el barrido cruzado , los puertos de transferencia (entrada al cilindro) y de escape están en lados directamente enfrentados de la pared del cilindro. Para evitar que la mezcla entrante pase directamente de un puerto al otro, el pistón tiene una nervadura elevada en su corona. Esto tiene como objetivo desviar la mezcla entrante hacia arriba, alrededor de la cámara de combustión . [7]
Se invirtió mucho esfuerzo y muchos diseños diferentes de coronas de pistón en desarrollar un sistema de barrido mejorado. Las coronas evolucionaron desde una simple costilla hasta una gran protuberancia asimétrica, generalmente con una cara pronunciada en el lado de admisión y una curva suave en el de escape. A pesar de esto, el barrido transversal nunca fue tan efectivo como se esperaba. La mayoría de los motores actuales utilizan en su lugar el sistema de puertos Schnuerle . Esto coloca un par de puertos de transferencia en los lados del cilindro y fomenta que el flujo de gas gire alrededor de un eje vertical, en lugar de un eje horizontal. [8]
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En los motores de carreras, la resistencia y la rigidez del pistón suelen ser mucho mayores que las de un motor de un automóvil de pasajeros, mientras que el peso es mucho menor para lograr las altas RPM del motor necesarias en las carreras. [9]
Los cilindros hidráulicos pueden ser de simple o doble efecto . Un actuador hidráulico controla el movimiento del pistón hacia adelante y hacia atrás. Los anillos guía guían el pistón y el vástago y absorben las fuerzas radiales que actúan perpendicularmente al cilindro y evitan el contacto entre las piezas metálicas deslizantes.
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Las máquinas de vapor suelen ser de doble efecto (es decir, la presión del vapor actúa alternativamente en cada lado del pistón) y la admisión y la liberación de vapor se controlan mediante válvulas de corredera , válvulas de pistón o válvulas de asiento . En consecuencia, los pistones de las máquinas de vapor son casi siempre discos comparativamente delgados: su diámetro es varias veces su espesor. (Una excepción es el pistón del motor de tronco , con una forma más parecida a la de los motores de combustión interna modernos). Otro factor es que, dado que casi todas las máquinas de vapor utilizan crucetas para trasladar la fuerza a la biela, hay pocas fuerzas laterales que actúen para intentar "balancear" el pistón, por lo que no es necesario un faldón de pistón con forma de cilindro.
Las bombas de pistón se pueden utilizar para mover líquidos o comprimir gases .
Existen dos tipos especiales de pistones que se utilizan en los cañones de aire : pistones de tolerancia estrecha y pistones dobles. En los pistones de tolerancia estrecha, las juntas tóricas funcionan como válvula, pero no se utilizan en los tipos de pistones dobles. [ cita requerida ]