ES2269372T3 - Manguito de piston. - Google Patents
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Abstract
Un manguito de pistón (10) para un motor de com- bustión interna de alta compresión que comprende: un ele- mento tubular que tiene una superficie superior (16), un eje de elemento tubular (14) y una superficie inferior (18); una superficie de colocación radial (32) adyacente a la superficie superior (16); una superficie de coloca- ción axial (38) que está orientada axialmente hacia la superficie inferior (18) y está situada entre la superfi- cie superior (16) y la superficie inferior (18); una su- perficie de contacto con refrigerante (46) orientada ra- dialmente hacia fuera, entre la superficie de colocación radial (32) y la superficie de colocación axial (38); una falda (48) que se extiende desde la superficie de coloca- ción axial (38) a la superficie inferior (18); caracteri- zado porque una superficie perfilada (20) orientada ra- dialmente hacia dentro se extiende sustancialmente desde la superficie superior (16) a la superficie inferior (18) que se hace sustancialmente cilíndrica cuando el manguito de pistón (10) está montado en el motor de combustión in- terna de alta compresión y se aplica una fuerza de com- presión axial predeterminada a la superficie superior (16) y a la superficie de colocación axial (38).
Description
Manguito de pistón.
Esta invención se refiere a un manguito de
pistón para un motor de combustión interna de alta compresión que
comprende: un elemento tubular que tiene una superficie superior, un
eje de elemento tubular y una superficie inferior; una superficie
de colocación radial adyacente a la superficie superior; una
superficie de colocación axial que está orientada axialmente hacia
la superficie inferior y está situada entre la superficie superior
y la superficie inferior; una superficie de contacto con
refrigerante orientada radialmente hacia fuera, entre la superficie
de colocación radial y la superficie de colocación axial; una falda
que se extiende desde la superficie de colocación axial a la
superficie inferior.
Un pistón así es conocido a partir del documento
US-A-4244330.
Los manguitos de pistón empleados en motores de
alta compresión han tenido generalmente una brida en su extremo
superior o de cabeza que está sujetada en su sitio entre el bloque y
la cabeza de cilindro. Se permite que la falda de estos manguitos
de pistón tenga una posición flotante debido a expansión y
contracción térmica. El alargamiento y la contracción de manguitos
de pistón que están secos no ha sido un problema. Sin embargo, la
capacidad de refrigeración debe ser algo mayor con manguitos secos
que con manguitos húmedos para asegurar una refrigeración
adecuada.
Los motores de alta compresión diseñados en años
recientes han tenido generalmente manguitos de pistón húmedos para
mejorar la refrigeración, reducir los requisitos de capacidad
refrigerante para sus sistemas de refrigeración y con ello reducir
el peso del vehículo.
Los manguitos de pistón con una brida superior,
como se ha descrito anteriormente, que están en contacto directo
con refrigerante de motor requieren dispositivos de cierre estanco
para el cierre estanco entre la falda de manguito y el bloque.
Tales cierres estancos tienen problemas de durabilidad. Estos
problemas de durabilidad están causados por el movimiento entre
faldas de manguito y bloques de motor debido a cambios térmicos,
vibraciones de motor, corrosión por el lado húmedo de los
manguitos, cavitación, degeneración del material del cierre estanco
y otras causas. Cualquier escape de refrigerante con anticongelante
hacia dentro de un cárter de motor es un desastre potencial. El
agua será convertida en vapor el calor del cárter y será expelida
del cárter. El anticongelante no se evaporará y por lo tanto
permanece en el motor. El anticongelante es incompatible con
sistemas de lubricación de motor y provocará que las partes móviles
se detengan. Los dispositivos de cierre estanco de manguitos de
pistón tienen generalmente una tasa de fallos moderada durante sus
primeras seis mil horas de funcionamiento, aproximadamente. La tasa
de fallos del dispositivo de cierre estanco se convierte
generalmente en inaceptable por encima de diez mil horas,
aproximadamente.
Los diseñadores de motores están diseñando ahora
motores con manguitos de pistón húmedos, cada uno de los cuales
están anclado sobre el bloque mediante una brida que se extiende
radialmente y que está a medio camino entre el extremo superior y
el cigüeñal o extremo inferior. La brida que se extiende radialmente
tiene una superficie de colocación axial en contacto directo con
una superficie de tope en el bloque del motor. El manguito está
cargado axialmente entre la cabeza de cilindro y la superficie de
tope del bloque del motor para eliminar escapes de gases y
refrigerante. Como resultado de ello, no es necesario un dispositivo
de cierre estanco entre la superficie de tope del bloque y la brida
que se extiende radialmente a medio camino entre los extremos del
manguito. Sin embargo, puede emplearse también un dispositivo de
cierre estanco apropiado si se desea.
La carga axial requerida para establecer un
cierre estanco entre un manguito de pistón y la cabeza de cilindro
y una superficie de tope de bloque es sustancial. El cierre estanco
entre el extremo superior del manguito y la cabeza de cilindro debe
evitar el paso de aire comprimido antes de la combustión y la
presión de gases calientes después de la combustión. En motores
diesel de alto rendimiento con turbocompresor, la presión en la
cámara de combustión es sustancial. El cierre estanco entre la
superficie de colocación axial y la superficie de tope del bloque
generalmente no requiere una gran carga axial. Sin embargo, ambos
cierres estancos deben mantener una estanqueidad tanto cuando el
motor está frío como cuando el motor está caliente.
La carga axial sobre un manguito de pistón con
un tope central que es necesaria para evitar un escape entre la
parte superior de un manguito y una cabeza de cilindro y para evitar
un escape entre una superficie de colocación axial sobre la brida
radial y una superficie de tope del bloque bajo todas las
condiciones de operación posibles es grande. Una carga axial sobre
el manguito de pistón que evita el escape de gas y refrigerante,
para un intervalo completo de condiciones de operación, distorsiona
las paredes interiores del manguito de pistón. Esta distorsión de
las paredes incrementa el ritmo de desgaste de las paredes del
manguito, del pistón y del anillo del pistón. Esta distorsión
incrementa también el consumo de aceite, el caudal de gases de fuga,
emisiones de materiales indeseables y resultará finalmente en
pérdida de potencia. Para minimizar el desgaste del anillo de
pistón y todos los problemas asociados, las paredes interiores de
los manguitos de pistón deben ser cilíndricas o casi cilíndricas
bajo condiciones de operación normales.
Se ha propuesto una solución al problema de
distorsión de los manguitos de pistón. Esta solución propuesta es
para proporcionar paredes de manguito más gruesas desde el borde
superior al tope central. Paredes de manguito más gruesas
incrementan el peso de cada manguito y con ello incrementan el peso
del motor. Un manguito con un diámetro exterior incrementado
requiere un taladro mayor en el bloque del motor. Un incremento en
el diámetro de los taladros en el bloque del motor hará
generalmente necesario incrementar tanto la longitud como la anchura
del bloque para contener los taladros más grandes para los
manguitos de pistón y mantener la capacidad de refrigerante.
Incrementar el tamaño de bloque obviamente incrementa el peso del
bloque y generalmente hará necesario incrementar el tamaño y el
peso de otros componentes del motor.
El manguito de pistón para un motor de
combustión interna de alta compresión es un elemento tubular. El
elemento tubular tiene una superficie superior, que es
perpendicular a un eje del elemento tubular, y una superficie
inferior. Una superficie de colocación radial es adyacente a la
superficie superior. Una superficie de colocación axial está
orientada axialmente hacia la superficie inferior y está situada
entre la superficie superior y la superficie inferior. Una
superficie de contacto con refrigerante orientada radialmente hacia
fuera está situada entre la superficie de colocación radial y la
superficie de colocación axial. Una falda se extiende desde la
superficie de colocación axial a la superficie inferior. Una
superficie perfilada orientada radialmente hacia dentro se extiende
sustancialmente desde la superficie superior a la superficie
inferior. El perfil se hace sustancialmente cilíndrico cuando el
manguito de pistón está en un bloque de motor de combustión interna
de alta compresión y se aplica una fuerza de compresión axial
predeterminada a la superficie superior y a la superficie de
colocación axial.
El manguito de pistón proporciona una unión
entre su superficie superior y una cabeza de cilindro que contiene
productos de combustión en la cámara de combustión. El contacto
entre la superficie de colocación axial del manguito de pistón y el
bloque del motor retiene el refrigerante del motor y mantiene el
refrigerante fuera del cárter sin el uso de un dispositivo de
cierre estanco. La superficie cilíndrica de pared de cilindro que
se forma dentro del manguito durante el funcionamiento normal reduce
el desgaste del anillo del pistón, el desgaste del pistón y el
desgaste del manguito. La superficie cilíndrica también reduce el
consumo de aceite, el caudal de gases de fuga y emisiones
indeseables desde el motor.
Los manguitos de pistón para motores diesel con
paredes perfiladas de cilindro como se ha descrito anteriormente
pueden ser introducidos a presión en un motor de combustión interna
y estar listos para el uso tal como se reciben de la fábrica. Se
eliminan operaciones de rectificado, pulido y cortado, caras y
costosas en tiempo, durante la instalación.
Estas y otras características y ventajas de la
presente invención se apreciarán con mayor facilidad cuando se
consideren en conexión con la siguiente descripción detallada y los
dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es una vista en corte de un
manguito de pistón montado en un motor de combustión inter-
na;
na;
la figura 2 es una vista en corte de un
manguito de la técnica anterior con una brida superior que coloca
axialmente el manguito en un motor de combustión interna y con
partes separadas;
la figura 3 es una vista en corte de un
manguito de la técnica anterior con un tope central que muestra el
perfil de la pared interior cuando está cargado y con partes
separadas;
la figura 4 es una vista en corte con el
manguito de pistón montado en un bloque de motor pero no cargado
axialmente y con partes separadas;
la figura 5 es una vista en corte con el
manguito de pistón montado en un bloque de motor, cargado axialmente
y con partes separadas;
la figura 6 es una vista en corte vertical del
manguito de pistón antes de la carga axial; y
la figura 7 es una vista similar a la figura 6
que muestra el manguito con carga axial.
Un manguito de pistón 10 para un motor de
combustión interna 12 es un elemento tubular con un eje 14. El
manguito 10 tiene una superficie superior 16, una superficie
inferior 18, una superficie radialmente interior 20 y una
superficie exterior 22. La superficie superior 16 está en un plano
que es perpendicular al eje 14. La superficie inferior 18 está
también en un plano que es perpendicular al eje 14. La superficie
superior 16 está separada de una superficie 24 sobre la cabeza de
cilindro 26 por una junta 25. Normalmente, la superficie superior
de bloque 28 del bloque de motor 30 es perpendicular al eje 14 del
manguito de pistón 10. Es conveniente tener la superficie superior
de manguito 16 en un plano que es paralelo a la superficie superior
28 del bloque de motor 30. Colocando la superficie superior 16 del
manguito de pistón 10 en un plano que es perpendicular al eje 14,
la fuerza ejercida sobre el manguito por la cabeza de cilindro 26 se
ejerce una dirección que es paralela al eje 14. No hay una fuerza
irregular sobre el manguito 10 que sea transversal al eje 14 y
tienda a doblar el manguito. La superficie inferior 18 no está en
contacto directo con ningún otro objeto o superficie. La superficie
inferior 18 del manguito 10 puede tener cualquier forma dentro de
unos límites.
La superficie exterior 22 del manguito de pistón
10 tiene una superficie de colocación radial 32 adyacente a la
superficie superior 16. Esta superficie de colocación 32 tiene un
diámetro que excede el diámetro del taladro 34 en el bloque 30 del
motor de combustión interna. Una prensa fuerza la superficie de
colocación radial 32 hacia dentro del taladro 34 formando un ajuste
a presión que evita el escape de refrigerante desde la camisa de
refrigerante 36.
Una superficie de colocación axial 38 en el
manguito de pistón 10 está situada entre la superficie superior 16
y la superficie inferior 18 y adyacentemente a la parte inferior de
la camisa de refrigerante 36. Como se muestra en el dibujo, la
superficie de colocación axial 38 está en un plano que es
transversal al eje 14. Una superficie de tope 40 del bloque de
motor está en contacto con la superficie de colocación axial 38 y
limita el movimiento axial del manguito de pistón 10 hacia el
cigüeñal 42. La superficie de tope 40 del bloque de motor está
también en un plano que es transversal al eje 14. El taladro 44 en
el bloque 30 proporciona holgura para el manguito de pistón 10, con
lo que se depende del taladro 34 en el bloque para colocar
radialmente el manguito. La presión axial sobre la superficie
superior 16 del manguito 10 fuerza a la superficie de colocación
axial 38 a acoplarse a la superficie de tope 40 del bloque y forma
un cierre estanco al refrigerante. Si se desea, puede emplearse un
dispositivo de cierre estanco de tipo mecánico tal como un anillo
tórico. No es necesario sin embargo un dispositivo de cierre
estanco mecánico.
La superficie de colocación axial 38 y la
superficie de tope 40 del bloque pueden ser superficies cónicas
complementarias que fijarían radialmente la superficie inferior 18
si se desea. El diámetro del taladro 44 también podría reducirse
para fijar radialmente la superficie inferior 18 si se desea.
Una superficie de contacto con refrigerante 46
se extiende desde la superficie de colocación radial 32 a la
superficie de colocación axial 38. El refrigerante en la camisa de
refrigerante 36 de un motor de combustión interna 12 transporta
calor retirándolo de la superficie de contacto con refrigerante 46.
Una bomba de agua (no mostrada) bombea el refrigerante a través de
la camisa de refrigerante 36 y a través de un intercambiador de
calor tal como un radiador. La superficie de contacto con
refrigerante 46 tiene preferiblemente un diámetro que es menor que
el diámetro de la superficie de colocación radial 32 de forma que la
corrosión en la superficie de contacto con refrigerante no impide
la retirada de un manguito de pistón 10 desgastado o dañado.
Una falda 48 se extiende axialmente desde la
superficie de colocación axial 38 a la superficie inferior 18. La
superficie radialmente exterior de la falda 48 puede estar en
contacto con gases y lubricante en el cárter del motor de
combustión interna 12. El diámetro exterior de la falda 48 es menor
que el de otras superficies exteriores del manguito de pistón
10.
El diámetro reducido de la falda 48 reduce el
peso del manguito de pistón 10 y expone la superficie de colocación
axial 38. La carga sobre la falda 48 es sustancialmente menor que la
carga sobre el manguito 10 por encima de la superficie de
colocación axial 38. Este requisito reducido de resistencia permite
reducir el diámetro exterior de la falda 48.
La sujeción de la cabeza de cilindro 26 al
bloque de motor 30 aplica una carga axial sustancial sobre el
manguito de pistón 10. La carga sobre la superficie superior 16 del
manguito 10 es principalmente una carga de compresión. Una
distorsión pequeña de la superficie de dentro o radialmente interior
20 del manguito de pistón 10 se produce cerca de la superficie
superior 16 y la superficie de colocación axial 38. Esta distorsión
provoca que la superficie interior 20 se mueva radialmente hacia
dentro cerca de la superficie superior 16. La carga ejercida sobre
la superficie de colocación axial 38 por la superficie de tope 40
del bloque de motor aplica cargas de flexión sobre el manguito de
pistón 10 que alabea la superficie interior 20.
El manguito de pistón 50 de la técnica anterior
mostrado en la figura 3 tiene una superficie 52 sustancialmente
cilíndrica antes de que una cabeza de cilindro 26 sea sujetada al
bloque de motor 54. Una línea ondulada 56 indica el alabeo
(exagerado) cuando el manguito 50 de la técnica anterior es sujetado
en su sitio en un bloque 54.
Los anillos de pistón 60 en un pistón 62 son
resortes radialmente comprimidos que tienden a expandirse y seguir
el contorno de la superficie interior 20 de un manguito 10. Si la
superficie interior está alabeada como se muestran mediante la
línea ondulada 56 en la figura 3, un anillo de pistón 60 está
expandiéndose o contrayéndose continuamente. Este movimiento reduce
la vida de cada anillo 60 y desgasta la ranura anular 64 en el
pistón 62. Cuando el manguito de pistón 10 cargado tiene una
superficie interior 20 sustancialmente cilíndrica, los anillos de
pistón 60 cambian poco en diámetro y se minimiza el desgaste.
El manguito de pistón 10 no cargado mostrado en
la figura 6 ha sido maquinado de forma que la superficie interior
20 será sustancialmente cilíndrica cuando esté cargado axialmente y
esté operando a la temperatura esperada de operación.
El perfil no cargado se obtiene determinando las
cantidades de material a retirar o añadir para cambiar el perfil
alabeado 56 a una línea recta. La retirada o adición de material
cambia la resistencia del manguito de pistón 10 en las zonas donde
se retira o añade material. Los cambios en resistencia requieren la
modificación del perfil final no cargado de la superficie interior
20 del manguito de pistón 10.
La temperatura de operación de un manguito de
pistón variará a lo largo de la longitud del manguito desde la
superficie superior 16 a la superficie inferior 18. La temperatura
de operación variará también en función de la temperatura ambiente,
la carga del motor y las características del combustible. El perfil
de una superficie interior 20 del manguito de pistón 10 es también
modificado para corresponder a la temperatura de operación esperada
del manguito en un motor de combustión interna 12. La superficie
interior 20 de un manguito de pistón 10 en un motor de combustión
interna 12 que está operando a la temperatura y la carga de motor
esperadas es sustancialmente cilíndrica como se muestra en la
figura 2. Si hay cambios en la carga de motor, temperatura
ambiente, u otras condiciones de operación respecto a las
condiciones de operación esperadas, la carga axial sobre el
manguito de pistón 10 cambiará y la superficie interior 20 se
alabeará ligeramente. Sin embargo, motores de alta compresión 12
grandes funcionan generalmente en un intervalo de temperaturas
relativamente estrecho. Los cambios esperados en el perfil de la
superficie interior 20 son generalmente pequeños.
Un manguito de pistón 10 fabricado como se ha
expuesto anteriormente puede ser montado en un motor 12 y el motor
puede ser ensamblado sin un maquinado, rectificado o pulido
adicionales del manguito de pistón.
El manguito de pistón 66 de la técnica anterior,
mostrado en la figura 2, tiene un borde 68 cilíndrico. Este borde
68 cilíndrico fija axialmente el manguito 66 en el bloque 70. Como
se ha explicado anteriormente, con esta disposición no hay
esencialmente cargas axiales sobre el manguito 66. Sin embargo, el
manguito 66 se expande y contrae axialmente con cambios de
temperatura. Para evitar escapes de la camisa de agua y permitir el
movimiento axial del manguito 66 con relación al bloque 70, se
proporciona un cierre estanco 72. El cierre estanco 72 puede
permitir el movimiento entre el manguito 66 y el bloque 70. Sin
embargo, los cierres estancos 72 tienen una vida limitada. Un motor
diesel con una vida larga necesita un sistema de cierre estanco
mejorado como se ha descrito anteriormente para eliminar el escape
de refrigerante que puede producirse con cierres estancos 72
después de un periodo de tiempo.
Obviamente son posibles muchas modificaciones y
variaciones de la presente invención a la luz de las enseñanzas
anteriores. Debe entenderse por lo tanto que dentro del alcance de
las reivindicaciones adjuntas, la invención puede ponerse en
práctica de modo distinto al específicamente descrito. La invención
está definida por las reivindicaciones.
Claims (8)
1. Un manguito de pistón (10) para un motor de
combustión interna de alta compresión que comprende: un elemento
tubular que tiene una superficie superior (16), un eje de elemento
tubular (14) y una superficie inferior (18); una superficie de
colocación radial (32) adyacente a la superficie superior (16); una
superficie de colocación axial (38) que está orientada axialmente
hacia la superficie inferior (18) y está situada entre la
superficie superior (16) y la superficie inferior (18); una
superficie de contacto con refrigerante (46) orientada radialmente
hacia fuera, entre la superficie de colocación radial (32) y la
superficie de colocación axial (38); una falda (48) que se extiende
desde la superficie de colocación axial (38) a la superficie
inferior (18); caracterizado porque una superficie perfilada
(20) orientada radialmente hacia dentro se extiende sustancialmente
desde la superficie superior (16) a la superficie inferior (18) que
se hace sustancialmente cilíndrica cuando el manguito de pistón
(10) está montado en el motor de combustión interna de alta
compresión y se aplica una fuerza de compresión axial
predeterminada a la superficie superior (16) y a la superficie de
colocación axial (38).
2. Un manguito de pistón (10) para un motor de
combustión interna de alta compresión como se expone en la
reivindicación 1, en que un diámetro exterior de la falda (48) es
menor que un diámetro exterior de la superficie de colocación axial
(38).
3. Un manguito de pistón (10) para un motor de
combustión interna de alta compresión como se expone en la
reivindicación 1, en que un diámetro exterior de la superficie de
colocación axial (38) es menor que un diámetro de la superficie de
colocación radial (32).
4. Un manguito de pistón (10) para un motor de
combustión interna de alta compresión como se expone en la
reivindicación 1, en que un diámetro exterior de la superficie de
contacto con refrigerante (46) orientada hacia radialmente hacia
fuera es menor que un diámetro de la superficie de colocación radial
(32).
5. Un manguito de pistón (10) para un motor de
combustión interna de alta compresión como se expone en la
reivindicación 1, en que la superficie superior (16) está en un
plano que es perpendicular al eje de elemento tubular (14).
6. Un manguito de pistón (10) para un motor de
combustión interna de alta compresión como se expone en la
reivindicación 1, en que la superficie de colocación radial (32)
tiene un diámetro que es mayor que el diámetro de un taladro en un
bloque de motor que recibe el manguito de pistón (10).
7. Un manguito de pistón (10) para un motor de
combustión interna de alta compresión como se expone en la
reivindicación 1, en que la superficie de colocación axial (38) está
en un plano que es perpendicular al eje de elemento tubular
(14).
8. Un método para hacer el pistón de manguito
(10) de la reivindicación 1, que comprende los pasos de método de:
fijar la distancia entre la superficie superior (16) y la superficie
de colocación axial (38) para proporcionar la fuerza axial
requerida sobre dicho manguito de pistón (10) para eliminar escapes
más allá de la superficie superior (16) y más allá de la superficie
de colocación axial (38) durante el uso; y formar un perfil en una
superficie interior (20) de dicho manguito de pistón (10) que
corrige sustancialmente la distorsión de la superficie interior
(20) durante el uso para una condición de operación
seleccionada.
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| ES01920214T Expired - Lifetime ES2269372T3 (es) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | Manguito de piston. |
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