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.

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:

s mínimas tolerancias de montaje.

material

-dilatación, en el caso de que sea

fundidos

ción a la altura de compresión y asegurarse de que esté dentro de los límites más

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.