Los pistones parecen piezas simples y de construcción bastante sencilla, pero es una de las piezas moviles del motor que mas estudios requiere a los diseñadores, ya que tienen tres funciones, hacer de pared movil en el cilindro, transmitir la fuerza generada por la combustión a las bielas y no permitir que los gases de la combustión se transmitan al carter por medio del cilindro. Este tema es muy amplio si se lo desarrolla integramente, pero aquí se detallarán solo los aspectos mas importante en cuanto a las modificaciones que pueden realizarse en ellos. Los pistones de los motores de serie son de fundición luego mecanizada, se recomienda en motores modificados la utilización de pistones forjados de venta comercial. Pero si se quiere modificar el pistón que posee el motor se deberá reducir el peso, como en todas las piezas moviles. Como el espesor de la cabeza del pistón está determinado para evitar riesgos de rotura y perforación por la presión de la combustión, y tiene por lo general la mayor cantidad de material, se deberá eliminar preferentemente material de la falda consiguiendo con esto reducir el peso y la superficie de fricción del pistón con el cilindro. La mejor forma de reducir la falda es recortando esta unos 5 mm por debajo del alojamiento del perno del pistón, pero dejando en los lados perpendiculares al perno una especie de patín que deberá ser de 1,1 veces el diámetro del pistón, para que no cabecee dentro del cilindro. Tambien se pueden hacer orificios de distintos diámetros (entre 2 y 4 mm) bien distribuidos en las paredes siempre por debajo de los aros, favoraciendo tambien la lubricación entre el pistón y el cilindro. Se recomienda hacer una plantilla para que todos los pistones queden recortados de igual forma y los orificios estén bien distribuidos en todos los pistones. Luego de estas modificaciones habrá que equilibrarlos como se detalla en el caso de las bielas, si fuera necesario se realizarán abellanados poco profundos en la zona interna de la cabeza para equilibrar los pesos que tendrán una tolerancia de mas menos 1 gr. Otra tarea interesante en los pistones es hacer que el perno (por lo general firmemente fijado) sea flotante, se logra esto aumentando ligeramente el diámetro del alojamiento del perno en el pistón quedando igual juego que entre el perno y el pié de biela; para esto será necesario asegurar una eficiente lubricación haciendo unos orificios en el alojamiento del perno desde el interior del pistón, que al ser salpicado de aceite recibirá lubricante suficiente para que no se agarrote el perno en el pistón. Con esta última modificación se logrará un régimen de giro algo mas elevado y menor golpeteo de los pistones sobre los cilindros. Otro tema es adoptar el sistema de perno desplazado del eje geométrico, pero se lo utiliza en motores con un régimen de giro muy elevado, aunque muchos motores de autos de serie tienen este sistema. Luego de modificados es recomendable pulir la cabeza de los pistones los mejor posible, esto favorece la circulación de los gases y la mezcla, y tambien a que no se acumule carbón.
Para aumentar su capacidad de engrase, ya que es pieza que se lubrica solamente por el salpicado natural de aceite, se recurre a practicar unos taladros de unos 3 m/m. en la faldilla, que mas tarde actuarán a modo de nidos receptores de aceites que facilitan notablemente el desplazamiento del mismo en el cilindro.
Es el elemento móvil que se desplaza en el interior del cilindro recibiendo directamente en la parte superior el impacto de la combustión de la mezcla (figura 1.16). Se divide en dos partes fundamentales: cabeza del pistón y falda del pistón. En la cabeza del pistón se encuentran mecanizadas ranuras para el alojamiento de los rines o anillos cuya función es separan herméticamente la cámara de combustión, lubricar las paredes del cilindro y transmitir el calor que se produce en la combustión.
El trabajo que se realiza en los pistones es de gran relevancia con respecto a las otras mejoras del motor, pues el pistón cumple con tres funciones de máxima importancia: La función de pared móvil del cilindro, transmite a la biela la fuerza generada por la expansión, e impide que los gases quemados pasen al interior del motor; por lo que esta pieza debe ser capaz de resistir las cargas elevadas a las que va a estar sometida sin que se produzca perforación o rotura.
Es necesario que el peso de este elemento deba ser reducido en la mayor medida posible, (figura 1.17). 1.6.1.1 Temperatura y dilatación El pistón se encarga de conseguir una cámara variable de compresión y de explosión, para mantenerse dentro de la máxima estanqueidad posible, a pesar de su desplazamiento. La temperatura del pistón es muy elevada y diferente a la pared del cilindro, y al dilatarse se debe evitar que por efectos de temperatura, llegue a tener mayor diámetro que el cilindro. El aumento de compresión origina una mayor temperatura de funcionamiento, por lo tanto el pistón cambia sus condiciones de trabajo, y se debe tener en cuenta los nuevos valores de dilatación que van a producirse. Para los motores de competencia hay que acudir al forjado de los pistones para conseguir dotarlos de la mayor resistencia, estos pistones serán hasta un 70% más resistente que los de fundición. 1.6.1.2 Reducción de peso en los pistones Se debe conseguir pistones forjados que se sustituirán por los de fundición originalmente de serie en el mejor de los casos, y en ellos es que se empieza el trabajo de rebajado de masas en aquellos
puntos en los que el pistón tenga demasiado peso, como en las paredes internas del pistón y buena parte de la zona interior. En la tabla 1.1, se muestra una serie de dimensiones que constituyen la armónica distribución de las medidas en los pistones diseñados para los vehículos comerciales de serie; todas las cifras están relacionadas con el pistón (figura 1.18) y serán la base para el máximo rebajado en la falda y partes internas del pistón.
El recorte de la falda consiste en la reducción de material de esta zona, con el objetivo de disminuir la superficie de fricción con las paredes del cilindro. Este rebajado se efectúa cortando la falda del pistón en redondo a una distancia de unos 4 a 5 mm. Por debajo de los muñones del alojamiento del eje pistón. Es necesario verificar que cuando todos los pistones estén trabajados, estos tengan proximadamente el mismo peso que el pistón más liviano, con una diferencia o tolerancia final menor a 2 gramos.
Biela Es el elemento que sirve de unión entre el pistón y el cigüeñal (figura 1.19) y por lo tanto, es el que transmite todo el esfuerzo del pistón a las muñequillas del cigüeñal. La biela se divide en; cabeza, cuerpo y pie. La cabeza es la parte que va acoplada a la muñequilla del cigüeñal. El cuerpo es la parte que une el pie con la cabeza y por lo tanto la que transmite el esfuerzo, y el pie es la parte que se une al bulón. La función que ejerce la biela, es la de intermediaria entre el pistón y el codo manivela correspondiente del cigüeñal para transmitir el movimiento rectilíneo del pistón en movimiento circular para el cigüeñal. Esta parte del motor está sometida a enormes esfuerzos más que ninguna otra, tales como: tracción flexión y torsión. De ahí que es importante poner énfasis en un buen rediseño de la biela. El material con el que se construyen son aceros aleados con cromo-niquelmolibdeno, los cuales tienen una alta resistencia a la fatiga y son ideales para las bielas de los motores de competencia. Para modificar las bielas se toma en cuenta los siguientes aspectos. de la biela
Aligeramiento del peso de la biela Al reducir el peso de las bielas, se lo debe hacer con mucha precisión, comprometiendo lo menos posible su resistencia, tomando en cuenta que existen partes con exceso de material, donde se puede mecanizar sin alterar sus propiedades. 1.6.3.2 Equilibrado de bielas. Al final del rebaje es importante que todas las bielas estén equilibradas. Esto se lo realiza pesando las bielas de cada lado y comparando los resultados; en caso de desigualdad se rebaja las bielas más pesadas en el sector de la cabeza.
1 Modificación del Pistón Existen varias formas de modificar el pistón ya sea alivianado el peso, recortando las faldas, se realizan recortes internos de la cabeza o aumento de la cabeza del mismo. Cada una de estas modificaciones tiene sus ventajas y desventajas, y su respectiva utilización para cada competencia, ya sea de pista, callejera o de rally.
La obtención de unos pistones adecuados para el mejoramiento de un determinado motor, requiere especial atención en varios puntos:
ación sea el forjado o estampado del material -dilatación, en el caso de que sea fundidos
próximos a los requeridos. En la modificación realizada al motor Suzuki Forsa, se ha utilizado pistones del Chevrolet Esteem (Anexo 3.3), el cual posee dimensiones similares, pero para fines de aumento de la compresión son de mayor desempeño, ya que permiten una reducción de la cámara de combustión. 3.4.1.1 Velocidad media del Pistón La velocidad media de un motor de combustión interna está entre 8 y 15 m/s. La velocidad media de un motor de competencia no debe pasar los 19 m/s por la seguridad integral del motor. Los parámetros de fabricación indican una velocidad máxima del motor de 6500 rpm, se estima con la modificación llegar a 7100 rpm, un valor racional que incluye el cuidado del motor, según recomendación del Manual GTZ.
Donde: Vmx: Velocidad máxima del pistón S:
Carrera del pistón
n:
rpm máxima del motor
Reemplazando los valores se obtiene:
Luego de obtener la velocidad máxima (Vmx) se calculará la velocidad media del pistón (Vm)
Donde: Vm = Velocidad media del pistón Reemplazando los valores se obtiene:
Para una velocidad del pistón de 10,71 m/s el cigüeñal se encontrará girando a 4172,72 rpm. Aproximadamente la velocidad media del pistón aumento en un 9%, por lo que la vida útil a disminuido considerablemente.
Cálculo de la dilatación de cabeza de Pistón La cabeza del pistón es de menor diámetro que la falda, ya que en este punto es donde se tiene las mayores temperaturas de trabajo. Por lo que se calculará la dilatación lineal de la cabeza del pistón a utilizarse.
Donde: ∆l: Dilatación lineal αt: Coeficiente de dilatación longitudinal lo: Longitud inicial t1: Temperatura inicial del servicio t2: Temperatura máxima alcanzado en la cabeza del pistón
Reemplazando los valores se obtiene:
El tiempo de ignición y el avance del encendido Cuándo el régimen del motor aumenta, en cada carrera del pistón, hay menos tiempo para que el cilindro disipe el calor liberado en la combustión, y por consiguiente, el intervalo de tiempo entre el salto de cada chispa y el punto en el que comienza la combustión, llamado retardo de encendido, disminuyen. Con el aumento del régimen del motor, la intensidad de la turbulencia y por lo tanto la tasa de combustión aumentan proporcionalmente al mismo. Así, el intervalo de tiempo de combustión, desde el punto de encendido hasta el punto pico de presión (periodo de aumento rápido de la presión) disminuye, mientras que esta duración expresada en grados de giro del cigüeñal se mantiene aproximadamente constante
Por lo tanto, si no hay regulador de avance, y este se fija para producir la presión máxima 10 grados después del PMS a bajo régimen, al aumentar las revoluciones por minuto, se producirá progresivamente cada vez mas tarde en el ciclo y su magnitud disminuirá. Se puede apreciar claramente en el diagrama de la figura 3.11, que la presión máxima de la combustión está relacionada con el número de revoluciones a las que gira el motor; así, se tiene que para la velocidad media del pistón de 10,71 m/s, se obtiene una velocidad del cigüeñal de 4172,72 rpm, y la curva para ésta presión máxima viene dada aproximadamente 40° después del PMS (ver cruce en fig. 3.12).
Presión media efectiva según el número de octano
El número de octano y el poder calorífico que se provee por el tipo de combustible, se relaciona directamente con la Pem. A partir de los 100 octanos , la mejora al torque del motor es muy ajustada, esto quiere decir que el aumento será muy reducido; en el diagrama de Presión media efectiva indicada vs el número de octano (ver fig.3.13), se puede determinar el valor aproximado de la presión 135 psi (9,31 bar) . Fuerza sobre del Pistón La presión media está relacionada con las curvas de los ciclos termodinámicos, en los motores Otto está entre 6 y 10 bar (87 y 147 psi) de sobre presión; para el caso del motor Forsa, por ser un motor de competición, el valor de la presión media se encuentra cerca al límite superior del rango: 135 psi (9,31 bar) aproximadamente. Se calculará la fuerza con que presiona la mezcla aire combustible en el cilindro al pistón:
Donde: Ae: Superficie de la cabeza del pistón D : Diámetro del cilindro
Reemplazando los valores se obtiene:
Luego:
Donde: Fem: Fuerza media del pistón Pm: Presión media de la combustión Ae: Superficie de la cabeza del pistón Reemplazando los valores se obtiene:
Utilizando la misma ecuación se determina la fuerza sobre el pistón en el motor estándar, teniendo como resultado un aumento del 12%. Modificación en la Biela Considerando la enorme presión que realiza el pistón tras la combustión, nos anticipa de los enormes esfuerzos que se producen en esta pieza intermediaria que en virtud de todas estas fuerzas está, más que ninguna otra, sometida a grandes esfuerzos de compresión, tracción, flexión y torsión. Para soportar todos estos esfuerzos, el material con el que se construyen las bielas debe tener unas características especiales como el acero estampado (adecuado en las bielas en serie), las aleaciones de aluminio de alta resistencia y las de titanio, estas últimas siempre que el reglamento de la competición permita el cambio, por su excesivo costo y sus elevadas propiedades termodinámicas. Las bielas son elementos muy delicados y deben ser manipuladas con una cierta experiencia y conocimiento. Refuerzo de los pernos de fijación
Reemplazando los valores se obtiene:
Diámetro de los pernos primitivos Entonces la medida de 10mm deberá ser el nuevo diámetro de los pernos. Una vez calculado el diámetro de los nuevos pernos se puede efectuar el trabajo de taller sobre las cabezas de las bielas y los orificios de los pernos. Existen varios métodos para aligerar el peso de la biela, pero por tratarse de un elemento que soportará grandes esfuerzos por la elevada compresión, no se realizará ningún trabajo de desbaste.
