UNA CAPA ADICIONAL PARA UN FUNCIONAMIENTO SIN FRICCIONES

CUANTO MENORES SEAN LAS PÉRDIDAS POR FRICCIÓN, MÁS EFICIENTE Y ECONÓMICO SERÁ EL MOTOR. DADO QUE UNA GRAN PARTE DE LA FRICCIÓN DENTRO DEL MOTOR SE ORIGINA EN LOS SEGMENTOS, LOS INGENIEROS DE MAHLE SE ABOCARON A ESTE TEMA Y DESARROLLARON UN NUEVO RECUBRIMIENTO.

Normalmente los segmentos trabajan a tres. Una interacción detenidamente estudiada entre los mismos asegura que el aceite del motor llegue hasta el cuerpo del pistón pero no penetre en la cámara de combustión. Los dos segmentos superiores se encargan del aislamiento de la cámara de combustión entre el hueco del cilindro y el pistón, mientras que el segmento inferior hace la función de rascador de aceite y mantiene la mayor parte del aceite de motor en el interior del motor de combustión. De esta manera el conjunto de segmentos realiza una importante contribución al ahorro de combustible y a la reducción de la contaminación.

Otra función de los segmentos es la refrigeración del pistón, ya que a través del contacto con la superficie de los cilindros se transmiten las altas temperaturas de combustión de la cabeza del pistón hacia cilindro refrigerado.

Pero los buenos segmentos aún hacen algo más: reducen las pérdidas de fricción en el motor mejorando así el rendimiento del mismo con el correspondiente ahorro de combustible y la prolongación de la vida útil del motor.

LA FRICCIÓN GENERA COSTES Y SU MINIMIZACIÓN LOS REDUCE
Las fricciones dentro del motor de combustión tienen una gran influencia sobre el consumo de combustible. MAHLE, uno de los principales fabricantes de pistones del mundo y socio de fabricantes de motores y automóviles en proyectos de desarrollo, ya ha reconocido esta relación hace tiempo y viene trabajando en soluciones innovadoras para la minimización de las pérdidas por fricción en los segmentos del pistón.

Con la ayuda de una simulación numérica y ensayos de motores en el marco de un estudio integral, los ingenieros de MAHLE hicieron un seguimiento sistemático del desarrollo de juegos de segmentos con un bajo coeficiente de fricción, en particular para los motores de gasolina más modernos.

DE LAS FUERZAS TANGENCIALES Y LA PRESIÓN SUPERFICIAL
Los segmentos rascadores de aceite deben presionar con una fuerza relativamente alta contra la pared del cilindro, ya que sólo así puede evitarse que el aceite de motor llegue hasta la cabeza del pistón y se queme. Los ingenieros lo denominan fuerza tangencial. Esta fuerza tangencial presiona la superficie de rozamiento de los segmentos contra la pared de los cilindros. De la fuerza por unidad de superficie resulta un parámetro importante para el funcionamiento: la presión superficial específica. Y esa es justamente la cuestión: una gran fuerza tangencial implica una mayor fricción, la cual no es deseable. Para reducir las fuerzas tangenciales sin disminuir por ello la presión superficial específica se pueden utilizar segmentos con una menor superficie de rozamiento, es decir, de menor altura. Pero de esta manera aumentaría el desgaste. La solución consiste en crear un recubrimiento de la superficie de rozamiento de los segmentos que sea altamente resistente al desgaste.

EL RECUBRIMIENTO PVD: MAHLE HACE VAPOR
El cromo, el molibdeno o la nitruración gaseosa fueron los materiales y métodos habituales para mejorar la resistencia de los segmentos al desgaste. Pero los ingenieros de MAHLE han desarrollado un método innovador para dar un recubrimiento efectivo a los segmentos: la sedimentación física en fase de vapor (Physical Vapour Deposition o PVD). Este procedimiento utilizado para motores de competición consiste en aplicar capas diamantinas de carbono en fase de vapor obtenido en vacío. De esta manera se obtiene un recubrimiento de máxima resistencia con menores pérdidas por fricción.

Pero el recubrimiento PVD no sólo es más duro, sino también aguanta lo que le echen. Los segmentos tratados por este procedimiento son más resistentes al desgaste y seguros contra el gripado, aún en las condiciones de servicio más severas y en el caso de una lubricación deficiente. En pocas palabras, se consigue una mejor resistencia al desgaste y a la vez se prolonga la vida útil de los segmentos.

Pero los segmentos más planos, tal como lo hace posible el nuevo recubrimiento, tienen una ventaja más: su mayor flexibilidad. Estos segmentos pueden adaptarse aún mejor a la forma del cilindro. De esta manera se puede reducir la presión superficial específica, de modo que se tiene la posibilidad de aplicar una fuerza tangencial aún menor para conseguir el mismo resultado.

Juego con segmento de compresión con recubrimiento de PVD, segmento rascador de perfil cónico y rascador de aceite de 3 piezas.

REDUCCIÓN DE LOS ESFUERZOS POR FRICCIÓN: MENOR CONSUMO DE COMBUSTIBLE, MENOS EMISIONES, MÁS FUTURO
En un motor de ensayo se instaló la camisa en sentido longitudinal de modo que oscilaba libremente. Con el motor en marcha, los sensores de fuerza proveen información sobre los esfuerzos de fricción en los segmentos.

Como resultado se determinó que se puede conseguir una disminución de 20 a 30 % de los esfuerzos de fricción en el conjunto de segmentos en función de la carga y de la velocidad de ensayo. Con una velocidad reducida y baja carga (vale decir, las condiciones características en el tráfico urbano) la disminución de fricción fue máxima.

Análisis comparativo de la fricción: la fuerza de fricción y el rendimiento efectivo medio de la fricción (FEMP) en un conjunto de segmentos con las medidas 1,2/1,2/2,0 mm (azul) y otro con las medidas 1,0/1,0/1,5 mm (rojo). En el juego de segmentos de menor altura se observó una disminución del 42 % para la fuerza tangencial y del 28 % para la fricción.