El émbolo o Pistón es el elemento móvil de la cámara que se mueve con la expansión de los gases incandescentes, y transmite su energía al cigüeñal por medio de la biela.
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| Partes de Pistón. |
En la figura 1.18 se ve cortado, para mostrar su interior, un pistón de tipo corriente con forma de vaso invertido; la parte superior, que recibe la presión originada por la explosión, se llama fondo o cabeza del pistón, cuya forma depende de la cámara de combustión, de la relación volumétrica y del recorrido de las válvulas, entre otros. En la falda (pared delgada que sirve para guiar al pistón en el cilindro), hay un orificio que lo atraviesa y sirve para alojar el pasador o eje de pistón, llamado bulón, al que se sujeta el pie de biela. Dicho bulón, que es un eje de acero duro, tratado y rectificado, hueco, a veces cromado, y centrado en el pistón, se apoya en los cojinetes que forman los salientes interiores redondos y huecos. Para que no salga por el costado y raye las paredes del cilindro, se le mantiene dentro del pistón por alguno de los procedimientos de la figura 1.19.
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| Los bulones son unos uniones de biela y el pistón. |
1. Libre en la biela y en el pistón frenado por 2 anillos
2. Libre en la biela y sujeto a presión en el pistón.
3. Sujeto en la biela y libre en el pistón frenado por 2 anillos, clips que ajustan en las gargantas del pistón, como en 1.
Obsérvese en la figura 1.3 que, según el sentido de giro del cigüeñal, la biela oscila transversalmente al motor, y, por tanto, el bulón tiene que estar longitudinal, es decir, orientado con el eje del motor. De modo que sobre un pistón suelto se pueden señalar las partes que frotan hacia los lados.
El pistón, durante su desplazamiento, debería ajustar perfectamente a todo alrededor del cilindro, asegurando la estanquidad, para que no hubiera fugas de aceite y de gases que hicieran perder fuerza a la compresión y a la explosión; pero como esto produciría un fuerte rozamiento, se deja un ligero huelgo entre el pistón y el cilindro, y se recurre, para evitar dichas fugas, a la colocación de segmentos. Estos son aros o anillos elásticos de fundición (Fig.1.20), de diámetro algo mayor que el del pistón, alojados en unas hendiduras, que les permite contraerse cuando el pistón se monta y se mete en el cilindro.
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| Los anillos van alojados en la cabeza del pistón. |
Se hacen de material menos duro que el del bloque para que en el frotamiento con las paredes de los cilindros sean los segmentos los que se desgasten. Se alojan (Fig.1.18) en las gargantas apropiadas que lleva el pistón; dos o tres en la parte alta, llamados segmentos de compresión, y que son los que ciñéndose a las paredes del cilindro, impiden las pérdidas de potencia citadas.
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| La garganta también forma parte del pistón. |
Por otra parte, la parte baja del cilindro, por debajo de los segmentos, que frota con la falda del pistón nunca tiene problema de engrase, pero la parte alta del cilindro, que roza con los segmentos de compresión y que precisamente es la que más caliente trabaja si encuentra problemas para su engrase. El segmento de engrase y rascador de aceite, permite un cierto paso de aceite hacia arriba por su perfil especial, los segmentos de compresión, también tiene un perfil adecuado para que al bajar el pistón, algo de aceite engrase las partes altas del cilindro; ya dijimos que en éste no interesa un pulimento de espejo, para que pueda retener en sus poros partículas de aceite, por eso tiene el cilindro un rayado especial en la pared de rozamiento. El segmento de engrase lleva también unos cortes para que el aceite pase por los orificios de la garganta del pistón al bulón y engrasar la articulación del pie de biela.
Los segmentos de compresión suelen ser sencillos, como el 1 (Fig.1.20), con el corte recto u oblicuo y alguna vez, para contener la fuga de gases por dicho corte, se hace éste en escalón doble 2, o con dos vueltas en una sola pieza, 3. El que se coloca alto, cerca de la cabeza del pistón, se llama segmento de Juego porque contiene directamente la explosión gracias a la presión que ésta hace (Fig.1.21) sobre él, contra la garganta y el cilindro, taponando el paso de las llamas. Modernamente este segmento se recubre de cromo poroso para endurecerlo y a la vez retener el aceite en los poros, frotando así engrasado Con ello se ha conseguido que los segmentos duren más y los cilindros se desgasten menos.
En la figura 1.22 se representan las tres colocaciones más frecuentes de segmentos:
- En 1, se sitúan los dos de compresión y uno de engrase por encima del bulón, como es lo frecuente.
- En 2, el rascador de aceite se inserta en la falda (se utiliza en motores diesel).
- En 3, se añade a los del dibujo 1 otro de engrase en la falda.
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| Las tres colocaciones más frecuentes de segmentos. |
Los pistones se construyen de aleaciones de aluminio, la cabeza puede ser plana o llevar alojamiento para la cámara de compresión (en algunos motores Diesel) y para las válvulas, para que no tropiecen con el mismo cuando se abran. En la actualidad los motores son cada vez mas bajos, se aprovechan más los espacios y las válvulas cuando se abren ocupan alojamientos que el pistón tiene en la cabeza.
Se consiguen estructuras de pistón que dilatan muy poco, con lo cual pueden montarse ajustados en frío y en caliente no se gripan.
La fuerza F de la explosión, se transmite perpendicular a la cabeza del pistón, originando una fuerza en la biela Fh y otra transversal Fr que empuja al pistón hacia la pared del cilindro izquierdo (visto el motor desde la parte delantera, girando a derechas (Fig. 1.23).
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| Movimiento de pistón. |
Durante la compresión y el escape, la fuerza F, actuando en la biela Fb, crea otra componente Fr en un sentido transversal cuando el pistón sube, de menor valor que la Fr creada en la explosión, pero que actúa sobre la pared derecha en sentido transversal del motor. Se puede decir por tanto que el pistón "roza" sobre todo en las partes de falda transversal al bulón, por lo que a veces se suprime la falda por debajo del bulón que prácticamente no frota, y por eso se usan émbolos como el de la figura 1.24 con "delantales". El dibujado es un Oldsmóbile de aluminio y acero con ranuras para el clip que retiene el bulón.
Para disminuir los efectos de la fuerza Ft, componente transversal de la fuerza de la explosión F, en algunos motores se descentra el eje del bulón con respecto al eje del cilindro y apoyo del cigüeñal, consiguiendo anular prácticamente dicha fuerza y evitar el campaneo del pistón en el momento de la explosión de la mezcla (detalle C). Los mismos efectos se consiguen descentrando el punto de apoyo del cigüeñal en la bancada (detalle D).
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| Propiedades para tomar en cuenta al momento de armar el pistón. |
Otro sistema que se emplea es hacer la falda mas ancha que la cabeza; el diámetro de los pistones debe de medirse siempre en la falda, situando dentro de la misma un aro de metal invar, (placas de acero y níquel) que evitan su excesiva dilatación. Con éste procedimiento se consigue que en diámetros de 80 mm del cilindro, el pistón mide en falda 0.03 mm menos de diámetro, según fabricantes; tolerancias muy pequeñas que garantizan buenos ajustes en frío y funcionamiento sin gripaje en caliente. Los segmentos deben ajustarse bien en las ranuras como en 1 (Fig.1.25), pues si quedan flojos, por desgaste, bombean el aceite a la parte superior, ya que al bajar el pistón (detalle 2), el huelgo queda abajo y se llena de aceite, y al subir el pistón (detalle 3), pasa a la cámara de explosión, donde se quema en pura pérdida, produciendo carbonilla y humos.
