Motores marinos: Pistones

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La función de los pistones es la de transformar la energía térmica desarrollada en la combustión en energía mecánica a través del movimiento alternativo en el interior los cilindros. Para ello deben ser capaces de soportar las condiciones extremas que se dan en su interior. El pistón, además, debe ser ligero para no transmitir excesivas inercias que aumenten las vibraciones del motor y ser capaz de dotar de estanquidad el cilindro para que los gases no se escapen perjudicando el funcionamiento del motor.

Los pistones están fundidos en una sola pieza y pueden estar hechos de hierro colado, acero y aleaciones de aluminio. Los pistones de hierro colado se desgastan menos y pueden utilizarse con menos holguras debido a que se expanden menos que los de aluminio. En cambio los pistones de aluminio son muchos más ligeros y tienen un coeficiente de transferencia de calor mayor. Por ello los motores que emplean pistones de fundición requieren más agua de refrigeración y planchas de camisas de refrigeración de menor espesor. El pistón puede, en su cabeza estar fabricado en un material y en su falda estar construido en otro para unirse en una sola pieza merced a una soldadura.

La cabeza del pistón es la encargada de soportar las altas presiones y temperaturas mientras la falda, tiene la función de transmitir el movimiento a la biela. La unión requiere de un cojinete para que se pueda transmitir el movimiento sin excesiva fricción. 

Imagen cortesía de Wärtsilä, sujeta a su Copyrigth

Imagen cortesía de Wärtsilä, sujeta a su Copyrigth

Cabeza de pistón

La cabeza del pistón ejecuta el ciclo termodinámico y entra en contacto con  todas las fases del fluido, admisión, compresión, expansión y escape. La cabeza del pistón es de menor diámetro que el resto del émbolo, permitiendo así las dilataciones que se producen durante la explosión del combustible. Los diseños de la cabeza del pistón pueden ser cóncavos, convexos, inclinados, etc. Un motor de dos tiempos tiene cabezas de pistón de formas irregulares que redirigen los gases a la entrada y salida. En los motores de cuatro tiempos los diseños cóncavos y convexos se utilizan para generar turbulencias y favorecer la mezcla y la colocación de válvulas e inyectores o bujías.  

Falda del pistón

La parte central del pistón, la falda, es la que permite transmitir el movimiento sin que el pistón se desalinee. En ella están fresadas las ranuras que permitirán montar los aros del pistón de la manera adecuada y con el espaciado correcto. Algunos pistones pueden tener, en su parte más baja de la falda o en el centro de ésta, orificios para que el aceite lubrique todas las zonas sujetas a fricción. Los pistones tienen un orificio en la falda, el cubo, que sirve para articular el bulón que unirá el pistón a la biela. En la zona cercana al cubo el pistón se rebaja, se le da una forma más estrecha a la falda, previendo la dilatación del bulón debida a las altas temperaturas.      

Además del agua de refrigeración que circula por la camisa el calor del pistón se disipa, por el aceite de refrigeración y por los segmentos. Algunos pistones tienen pequeñas superficies extendidas para disipar el calor que se produce en la combustión y algunos tienen, en su interior, pasajes para que el aceite circule absorbiendo calor y lubricando las partes sujetas a fricción. El otro agente refrigerador del pistón es el aire de admisión que puede regularse mediante los tiempos de apertura de válvulas.

Imagen cortesía de Wärtsilä, sujeta a su Copirigth

Imagen cortesía de Wärtsilä, sujeta a su Copirigth

Pistones con cruceta

Los pistones, en motores de gran tamaño, pueden estar unidos a un vástago que transmita la fuerza al pie de biela. Esta disposición se emplea en motores con cruceta en los que la parte baja del pistón se utiliza como bomba de barrido, en pistones de doble efecto y en los grandes motores marinos en que el espacio no supone una limitación La cruceta permite un mejor alineamiento del pistón y una construcción más sencilla ya que se elimina el bulón. Sin embargo, esta disposición es más compleja y pesada ya que añade más elementos.

Segmentos

Los segmentos son los encargados de hacer estanco el cilindro, distribuir el lubricante y transmitir el calor desde el pistón a la camisa. Dependiendo del tamaño del pistón éste dispondrá de más o menos segmentos. Los segmentos se sitúan en la cabeza del pistón, por encima del cubo, o por debajo de éste en algunos casos y dependiendo del fabricante. Los segmentos siempre cumplen la función disipadora de calor y pueden ser de dos tipos, de compresión y de engrase.

Segmentos de compresión

Los segmentos de compresión, también llamados de fuego por estar cerca de la cámara de combustión, son los encargados de formar un sello para que los gases no se filtren por las holguras entorpeciendo el funcionamiento del motor. Los segmentos de compresión están lubricados y por ello permiten  el movimiento alternativo. La película de aceite es la que acaba de crear la estanquidad para que los gases no se escapen. El segmento de compresión es, por tanto, el elemento que permite que la presión en el cilindro se mantenga. Al colocar el segmento en las ranuras del pistón éste se expande, y es esta tensión la que ejerce presión sobre la camisa interior del cilindro. El único espacio por el que el gas puede fugar es la apertura del segmento aunque esta es tan pequeña que puede despreciarse.

 Segmentos de engrase

 Los segmentos de engrase, como indica su nombre, son los encargados de lubricar la camisa interior del cilindro y permitir que el pistón realice el movimiento alternativo con la mínima fricción posible. El nivel de aceite con el que los segmentos de engrase lubrican el pistón debe estar equilibrado, poco aceite desgastará rápidamente el cilindro, y una gran cantidad de lubricante puede favorecer el acceso de éste a la cámara de combustión produciendo una combustión indeseada. En este caso aparecerá humo grisáceo por la chimenea y el cilindro presentará muchos residuos.

El segmento de engrase está construido en una sola pieza y elimina, rascando las paredes del cilindro, el exceso de aceite que pueda haber en la camisa. Para que el segmento se adapte a la camisa se emplean expansores elásticos que se sitúan en el anillo interior. El aceite sobrante que el pistón ha eliminado cae al cárter a través de unos orificios para completar el ciclo del lubricante.

Bulón

En los motores sin cruceta la conexión entre la biela y el pistón se hace a partir del bulón. El bulón debe ser lo suficientemente robusto para, además de soportar las condiciones extremas que se dan en el interior del cilindro, poder transmitir la potencia a la biela. Los bulones deben ser lo más robusto y ligero posible con tal de permitir que el motor funcione con un mayor rendimiento. Éste es un elemento de conexión y puede situarse tanto en un cojinete que esté fijo a la biela, como en uno que esté fijo al pistón o unido a sendos cojinetes fijos, uno al pistón y otro a la biela.

Artículo escrito por: Francisco Soler Preciado

 

Bibliografía

R.R. HALLOWELL, ed al. “Nonresident training course Engineman 3rd Class” Febrero 2003.

D WOODYARD, ed al. “Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas Turbines”. Ed 8. Londres, 2004. ISBN: 0-7506-5846-0.

D.GONZÁLEZ. CALLEJAMotores, transporte y mantenimiento de vehículos”. 1ª ed. Madrid, 2011. ISBN: 978-84-9732-844-9.

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