Lubricación y refrigeración de los pistones

En los motores térmicos de gasolina de ciclo Otto (explosión) y de ciclo diésel (combustión), la energía se obtiene al quemarse la mezcla aire y combustible sobre el pistón dentro del cilindro.

Del empuje resultante se produce el par motor; mediante la biela llega la fuerza al cigüeñal transformando el movimiento alternativo de sube y baja del pistón en rotación, este giro se lleva a las ruedas  pasando por los componentes de la transmisión, embrague/s o convertidor de par, caja de cambios, árbol/es de trasmisión (según la implantación), diferencial/es, palieres o transmisiones y ruedas.

El pistón está sometido a las fuerzas que se generan, que inducen rozamientos, y a las elevadas temperaturas, por lo que se ha de engrasar y refrigerar. Con el incremento de par y potencia que se obtiene en los motores de coches de calle, la temperatura sobre la cabeza del pistón, en su parte superior, aumenta exponencialmente.

En la actualidad, con la inyección directa y sobrealimentación, como respuestas para reducir el dióxido de carbono CO2, o consumo que es lo mismo, se somete a los pistones a esfuerzos mecánicos y térmicos muy elevados, lo que implica  la necesidad de encontrar soluciones que aseguren su duración.

Las mejoras de materiales es un paso, pero se han de enfriar más rápidamente las cabeza de los pistones. Vemos como se hace.

Lubricación y refrigeración de los pistones

La cabeza del pistón está sometida a la fuerza y temperatura de las explosiones o combustiones.

Los pistones tienen dos zonas que requieren lubricación, su periferia que fricciona sobre los cilindros y el acoplamiento con el bulón sobre el que se mueve la biela.

Los segmentos que lleva el pistón tienen la función de mantener en lo posible la hermeticidad entre la parte superior e inferior de los pistones, evitando que se pierda compresión y suba aceite. El segmento inferior permite el paso de cierta cantidad de aceite para mantener lubricado el recorrido del pistón sobre el cilindro.

Por la parte baja del pistón se aspira aceite en forma de pequeñas gotas del que retorna al cárter, este aceite lubrica el acoplamiento del bulón en pistón y biela refrigerando la parte inferior de la cabeza del pistón.

La refrigeración de la cabeza del pistón se realiza por el aceite que recibe y que está a menor temperatura. Las paredes de los cilindros están en contacto con el líquido de refrigeración del motor, lo que contribuye a refrigerar la periferia de los pistones.

En motores que no estén “apretados”, la lubricación y refrigeración de los pistones tal como se ha explicado es suficiente. Si se incrementa la fuerza de las explosiones o combustiones, más par y potencia, lo hace proporcionalmente la temperatura sobre la cabeza de los pistones, por lo que se ha de mejorar su refrigeración.

Temperatura en la cabeza del pistón

Hay diversos factores que afectan a la temperatura que se produce en la cabeza de los pistones al quemarse la mezcla de aire y combustible. Lo “apretado” que esté el motor, la elevada relación de compresión, la sobrealimentación o las altas RPM son algunas razones, pero también afecta la forma de la cabeza del pistón. En la imagen se representan cinco de los tipos posibles.

    • Imagen 2a; la cabeza del pistón es plana, la temperatura de la explosión se reparte por toda la cámara de la culata, con menores exigencias térmicas sobre el pistón.
    • Imagen 2b; la cabeza del pistón es algo cóncava lo que implica que parte de la temperatura se produce en el interior de esta zona superior del pistón, aumentando las temperaturas que ha de soportar.
    • Imagen 2c; es similar al anterior pero con menos diámetro y más volumen en la parte cóncava de la cabeza del pistón, hay más cantidad de mezcla que se quema en el interior de esta cámara lo que aumenta más la temperatura que ha de soportar el pistón.
    • Imagen 2d; la cabeza del pistón tiene la parte cóncava bastante más profunda con un cono central, esta forma propicia que se queme mejor la mezcla pero incrementa sensiblemente la temperatura sobre la cabeza del pistón.
    • Imagen 2e; evoluciona de la anterior pero con menos diámetro y más profunda la parte cóncava manteniendo el cono central, esta y la anterior son formas características de los motores diésel actuales. La temperatura que ha de soportar el pistón es sumamente alta

Hay muchas más posibilidades de forma en la cabeza de los pistones, para colaborar en las turbulencias y propagación del frente de llama, incluso en motores de gasolina con inyección directa para poder funcionar con mezclas “pobres”, menos proporción o dosado de gasolina en busca de reducir el CO2, aunque implique más óxidos de nitrógeno (NOX).

Más refrigeración de la cabeza del pistón

Se ha explicado como la forma de la cabeza del pistón afecta a la temperatura que recibe al quemarse la mezcla aire y combustible. Estas formas de cabeza del pistón se utilizan actualmente en gasolina y sobre todo en diésel con inyección directa (la inyección en precámara ya no es utilizada), pues permiten unos rendimientos excelentes, mucho par motor y bajo consumo/CO2, eso si, con la presencia de la sobrealimentación como un elemento más de diseño del motor.

Al unir la forma de la cabeza del pistón, que recibe gran parte de la temperatura al quemarse la mezcla, con la sobrealimentación se llega a valores térmicos mantenidos inasumibles para la fiabilidad de los pistones.

Incluyendo un radiador de aceite en el circuito de engrase se evita que llegue el lubricante a temperaturas críticas, pero no es suficiente para la refrigeración de los pistones.

Se logra el objetivo de proteger térmicamente la cabeza de los pistones incorporando unos inyectores de aceite específicos. Parten estos inyectores de la rampa principal de aceite del circuito de engrase, e inciden bajo los pistones, rociando esta parte lo que mejora su refrigeración. Se incrementa aún más, como se refleja en la imagen, si el aceite inyectado bajo los pistones lo hace en la entrada de una cámara que recorre por el interior la cabeza de los pistones, este recorrido mejora sensiblemente la transmisión térmica, ya que el aceite está a bastante menor temperatura que la cabeza del pistón.

Con la tendencia actual de reducir el tamaño y número de cilindros de los motores, “down size”, más el apoyo de la sobrealimentación para no perder prestaciones, y la inyección directa con el objetivo de reducir CO2 y consumo, esta solución de inyectores de aceite bajo los pistones es un sistema incluido en el diseño del circuito de engrase del motor.

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