Hay una tendencia clara en la industria del automóvil y del motor: se demandan motores cada vez más potentes. En este contexto los diseñadores de motores ponen gran interés en la inyección diesel, ya que estos han desarrollado un enorme potencial durante los últimos años. Mediante la inyección de alta presión combinada con el control electrónico del proceso de combustión se sentaron las bases para incrementar el nivel de potencia de los motores diesel.
Una mayor potencia específica implica que los pistones soportan un mayor esfuerzo térmico y mecánico. Este hecho es de gran importancia en el desa - rrollo y diseño constructivo de los pistones, los cuales se encuentran entre los componentes que mayor esfuerzo soportan en el motor de combustión. Con temperaturas superiores a 360 °C, presiones de encendido superiores a 170 bar en la cámara de combustión, los pistones de aleaciones de aluminio alcanzan su límite de resistencia.
Por esta razón fue necesario pensar en conceptos constructivos innovadores con utilización de otros materiales. La solución del departamento de desarrollo de MAHLE fue un pistón con una cabeza de acero forjado resistente a elevadas temperaturas y un cuerpo de aluminio: el pistón FERROTHERM®.
UN BUEN GUIADO Y EL TRABAJO DURO
En este diseño existe una clara división de los trabajos: el cuerpo de aluminio sólo realiza la función de guiado dentro del hueco del cilindro, mientras que el trabajo duro y la función de hermeticidad recaen en la cabeza del pistón. El acero forjado de la parte superior admite temperaturas de servicio mucho más altas en la cabeza y una presión mucho mayor entre el buje y el bulón. La elevada resistencia del acero forjado también mejora su comportamiento frente al desgaste y la vida útil de las ranuras para los segmentos que se encuentran en la parte superior del pistón.
LA HOLGURA DEL ANILLO DE FUEGO
Otra ventaja importante del acero frente a las aleaciones de aluminio y silicio es que su coeficiente de dilatación térmica es mucho menor, gracias a lo cual se puede reducir la holgura entre pistón y cilindro en el anillo de fuego. Esto a su vez ofrece grandes ventajas para la estanqueidad y permite reducir las fugas de gases, en tanto el estrecho espacio entre pistón y cilindro mejora la función de cierre de los segmentos. Una holgura pequeña también contribuye a disminuir las emisiones a través de los gases de escape, ya que con una holgura pequeña se consigue reducir el espacio muerto acercándose a la combustión completa.
EL TRUCO DEL «SHAKER»
No obstante, el acero tiene sus desventajas, ya que tiene una menor conductividad térmica frente al aluminio. Por esta razón es necesario asegurar una menor temperatura a través de la optimización de la refrigeración del pistón. La solución consiste en utilizar chapas de acero para resortes que formen un canal de refrigeración, o una conformación equivalente del cuerpo del pistón. A través de este canal se inyecta aceite de refrigeración. Debido a la gran sección transversal y al movimiento ascendente y descendente del pistón se produce el así llamado efecto de «shaker», mejorando la refrigeración de la cabeza del pistón.
DOS MATERIALES DIFERENTES, UNA COMBINACIÓN EFECTIVA
¿Cómo se consigue combinar dos materiales tan diferentes como el acero y el aluminio para formar una unidad funcional? Tal como se puede ver en la imagen, la parte superior y el cuerpo están unidos entre sí mediante pernos. La combustión y la presión de encendido actúan sobre la cabeza de acero, y la fuerza así generada se transmite directamente a la biela a través del bulón. En el buje hay un casquillo de metal no ferroso como complemento ideal para el bulón. En las construcciones más modernas el taladro del buje está recubierto, con lo que se optimiza aún más el trabajo entre el pistón y el bulón. Hay un espacio de separación entre la cabeza de acero y el cuerpo de aluminio. Esta separación hace posible el desacoplamiento térmico. De esta manera las temperaturas en el cuerpo no llegan a ser tan altas como en un pistón de aluminio exclusivamente. Gracias a las temperaturas relativamente bajas en el cuerpo del pistón y al desacoplamiento de la transmisión de fuerzas fue posible optimizar esta parte para cumplir exclusivamente con la función de guiado. Y esto se siente, ya que la marcha del motor es muy suave y silenciosa a mayor potencia y par a pesar de la brusquedad de la combustión diesel.
EL PISTÓN FERROTHERM®: CONVINCENTE EN EL EQUIPAMIENTO ORIGINAL ...
El pistón FERROTHERM® ya está en el mercado desde hace casi 20 años, y a pesar de ello se trata de una solución avanzada que se emplea especialmente en los vehículos industriales. Así por ejemplo, varios motores de las marcas Volvo, Scania, Detroit Diesel y Caterpillar vienen equipados de fábrica con pistones FERROTHERM® de MAHLE. Aún hoy los fabricantes líderes utilizan este innovador principio. Actualmente se están desarrollando motores con pistones de dos componentes para Mercedes-Benz y para un gran fabricante ruso de motores.
... Y COTIZADO EN EL AFTERMARKET
También el programa de MAHLE para el comercio incluye pistones FERROTHERM®. En el catálogo actual de componentes de motor se los puede reconocer por el doble número de pieza: el símbolo «KB» corresponde a la cabeza de acero mientras que el símbolo «L» identifica al cuerpo de fundición de aluminio (véase el extracto del catálogo).
Catálogo de componentes de motor de MAHLE Original: el símbolo «KB» corresponde a la cabeza de acero del pistón FERROTHERM®, mientras que el símbolo «L» identifica al cuerpo de aluminio.
IMPORTANTE: EL CORRECTO ENSAMBLAJE
Los pistones FERROTHERM® se suministran desarmados. La cabeza y el cuerpo están cuidadosamente embalados en la misma caja. Durante el montaje de la cabeza, cuerpo y biela debe prestarse especial atención a la orientación correcta. El ensamblaje de la cabeza y el cuerpo admite una sola orientación.
Sección de un pistón FERROTHERM® con cabeza de acero.