ES2288735T3 - Piston de aleacion metalica de alta densidad para motor de combustion interna y procedimiento para fabricar un piston de este tipo. - Google Patents
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Abstract
Pistón de aleación metálica de alta densidad para motores de combustión interna, que comprende un cuerpo (10) principal que presenta un faldón (19) deslizante externo a lo largo de un cilindro de dicho motor y equipado con al menos un asiento (17) para insertar una banda de sellado elástica, caracterizado porque: - dicho cuerpo (10) principal está hecho de una sola pieza y comprende un rebaje (12) central que funciona como entrada de combustible y cámara de combustión y un rebaje (14) circular para refrigeración interna dispuesto entre dicho rebaje (12) central y dicho faldón (19); y - dicho pistón está además equipado con un elemento (30) de cierre adaptado para funcionar como corona de dicho pistón cuando se une a dicho cuerpo (10) principal, estando dicho elemento (30) de cierre hecho de la misma aleación metálica de alta densidad de dicho pistón.
Description
Pistón de aleación metálica de alta densidad
para motor de combustión interna y procedimiento para fabricar un
pistón de este tipo.
La presente invención se refiere a un pistón de
aleación metálica de alta densidad para motores de combustión
interna; la presente invención se refiere además a un procedimiento
para fabricar un pistón de aleación metálica de alta densidad para
motores de combustión interna.
El documento US 2004/177503 A1 da a conocer un
pistón según el preámbulo de la reivindicación 1.
Los pistones se fabrican tradicionalmente de una
sola pieza a partir de una aleación de aluminio por estampación o
fusión. Recientemente, sin embargo, ha habido un desarrollo en la
técnica de motores de combustión interna con muy alto rendimiento
caracterizado por potencias generadas específicas muy altas: este es
el caso en particular para los motores diésel, debido tanto a la
introducción de la inyección directa, tecnologías "common rail"
o "multijet", y para proporcionar una respuesta a futuros
requisitos impuestos por las leyes anticontaminación contra la
emisión de CO_{2}. En consecuencia, han aumentado
espectacularmente las tensiones térmicas y mecánicas, a las que
están sometidas las piezas del motor, y en particular los pistones.
Este es el caso en particular para los pistones de motores diésel
de inyección directa en los que las altas presiones de inyección de
gasoil dentro de la cámara de combustión y en particular contra la
corona del pistón, hacen ahora a los pistones tradicionales hechos
de aluminio frágiles y poco fiables, si no incluso inservibles.
Con el fin de resolver los problemas antes
mencionados, por lo tanto, se han introducido disposiciones para
modificar la estructura y los métodos de fabricación de pistones de
aluminio, con el fin de hacerlos compatibles con los niveles de
potencia en aumento de motores en los que tuviera que usarse; para
tal fin, se han propuesto pistones hechos de una aleación de
aluminio que están equipados con fibras de cerámica de refuerzo,
engastes de acero para reducir su expansión térmica, presentando
revestimientos externos cubiertos con depósitos con lubricantes
sólidos para reducir la fricción de deslizamiento en el cilindro,
sometidos a trabajos mecánicos particulares para realizar canales
de refrigeración para permitir la recirculación de aire o aceite con
el fin de mantener el pistón a una temperatura de funcionamiento
aceptable: está claro sin embargo que todas las disposiciones
expuestas anteriormente generan un aumento inevitable de los costes
del pistón, haciéndolas en consecuencia poco atractivas.
Una disposición alternativa es utilizar pistones
de acero que, con la misma geometría, presentan, con respecto a los
pistones tradicionales hechos de una aleación de aluminio, una mejor
resistencia a la fatiga y a las tensiones térmicas y mecánicas. Ya
en el pasado, se utilizó acero para fabricar pistones; sin embargo,
el acero era poco apropiado para realizar pistones para motores de
alto rendimiento: de hecho, debido a su mayor peso específico con
respecto al aluminio, con la misma geometría, un pistón de acero
presenta una inercia bastante más alta, haciendo el uso de pistones
hechos de una aleación de aluminio más tendentes al rendimiento,
dentro de límites de potencia compatibles. Con el fin de hacer un
pistón de acero competitivo en términos de eficacia respecto a los
pistones de aluminio, fue necesario reducir considerablemente su
masa produciendo paredes extremadamente delgadas, requiriendo tal
disposición el uso de tecnologías de forja o metalúrgicas
extremadamente costosas, en consecuencia haciendo, desde un punto de
vista económico, casi imposible el uso de pistones de acero.
Con el fin de resolver los problemas
tradicionales de pistones de acero y hacer posible usarlos de manera
técnica y económica más ventajosa con nuevos motores de combustión
interna, y en particular con nuevos motores diésel, se han
propuesto recientemente diversas disposiciones: por ejemplo, el
documento US-A-2004129243 da a
conocer un pistón de acero hecho de una sola pieza a partir de un
tocho tomado de una condición incluida entre una temperatura en la
que está en un estado sólido y una temperatura en la que está en un
estado líquido y moldeado a través de tixoforja. Esta disposición
sin embargo produce un pistón que presenta poca accesibilidad a las
herramientas necesarias para seguir los trabajos, por ejemplo para
reducir adicionalmente su masa eliminando exceso de material de su
interior, de ese modo resultando incluso peores desde el punto de
vista del rendimiento que aquellos que son los posibles potenciales
de pistones de acero asociados con motores de alto
rendimiento.
rendimiento.
Diversas patentes y disposiciones se han
propuesto también que dan a conocer pistones de acero hechos de dos
o más piezas moldeadas y forjadas por separado y a continuación
soldadas entre sí: estas disposiciones, aunque económicamente más
ventajosas y técnicamente más accesibles, permiten producir sólo
pistones con rendimiento relativamente bajo ya que las fibras de
acero de las partes individuales no pueden obviamente ser continuas
entre sí, sino que están interrumpidas y no distribuidas
uniformemente, en consecuencia dando al pistón una resistencia
mecánica y térmica bastante menor que la potencial.
Por tanto, el objetivo de la presente invención
es proporcionar un pistón hecho de una aleación metálica de alta
densidad para motores de combustión interna que puede soportar, con
respecto a los pistones tradicionales hechos de una aleación de
aluminio o a los pistones de acero conocidos, presiones y tensiones
térmicas bastante más altas con una mejora de la combustión
importante, una consecuente reducción de las emisiones contaminantes
y una fiabilidad de uso más alta.
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar un procedimiento para fabricar un pistón de aleación
metálica de alta densidad para motores de combustión interna con
alta eficacia.
Los anteriores y otros objetivos y ventajas de
la invención, tal como se deducirá a partir de la siguiente
descripción, se obtienen mediante un pistón de aleación metálica de
alta densidad para motores de combustión interna según la
reivindicación 1.
Además, los anteriores y otros objetivos y
ventajas de la invención se logran con un procedimiento para
fabricar un pistón de aleación metálica de alta densidad para
motores de combustión interna según la reivindicación 9. Las
reivindicaciones dependientes tratan de realizaciones preferidas y
variaciones no triviales de la presente invención.
La presente invención se describirá mejor
mediante algunas realizaciones preferidas de la misma,
proporcionadas con un ejemplo no limitativo, con referencia a los
dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra una vista en planta de una
realización del pistón de aleación metálica de alta densidad para
motores de combustión interna según la presente invención;
la figura 2 muestra una vista en sección del
pistón según la línea A-A de sección de la figura
1;
la figura 3 muestra una vista en sección del
pistón según la línea B-B de sección de la figura
1;
la figura 4 muestra una vista en perspectiva del
pistón según la presente invención de la figura 1;
la figura 5 muestra una vista en planta de un
componente del pistón según la presente invención; y
la figura 6 muestra una vista en sección del
componente de la figura 5 según la línea A-A de
sección.
Con referencia a las figuras, es posible
observar que el pistón de aleación metálica de alta densidad para
motores de combustión interna según la presente invención está
compuesto de un cuerpo 10 principal de una sola pieza, que presenta
un faldón 19 deslizante a lo largo de un cilindro de motor,
normalmente equipado con al menos un asiento 17 para insertar una
banda de sellado elástica (no mostrada) y con un elemento 30 de
cierre, mencionado más adelante, adaptado para funcionar como corona
de pistón cuando se une al cuerpo 10 principal. La aleación de alta
densidad de la que está hecho el pistón según la presente invención,
es preferiblemente un acero al carbono aleado equipado con
características físicas y mecánicas que son adecuadas para su uso,
pero está claro que, como alternativa, pueden usarse otras
aleaciones que presenten propiedades similares adecuadas para sus
fines.
Como es posible observar en particular a partir
de las figuras 1 a 4, el cuerpo 10 principal está equipado con un
rebaje 12 central próximo a la corona del pistón que funciona como
entrada de combustible y cámara de combustión; entre el rebaje 12
central y el faldón 19, está definido un rebaje 14 circular para
refrigeración interna; desde el rebaje 14 circular, salen dos
conductos 16a, 16b que son ortogonales a un asiento 18 para
insertar un vástago (no mostrado) y son longitudinales a la
dirección de carrera del pistón; a través del rebaje 14 circular y
de los dos conductos 16a, 16b, es posible continuar ventajosamente
con trabajos mecánicos internos del pistón después de su moldeado,
pudiendo acceder, para eliminar material, a zonas que son
inaccesibles en los pistones monolíticos conocidos, permitiendo
obtener un pistón hecho de una aleación de aluminio, pero con
características mecánicas y térmicas bastante más altas. El rebaje
14 circular y los dos conductos 16a, 16b permiten además que el
aceite pulverizado por los inyectores de la base del motor produzca
un refrigeración homogénea del mismo, haciendo de este modo posible
comprobar de manera precisa la temperatura de funcionamiento del
motor, además de una correcta lubricación del vástago de pistón y
del faldón 19.
El pistón según la presente invención puede
estar equipado adicionalmente con al menos otros dos rebajes 21a,
21b de reducción de peso que son paralelos al asiento 18 de
inserción del vástago y ortogonales a la dirección de carrera del
pistón, que define una parte 23 deslizante para fijar la propia
carrera del pistón en el paso del propio cilindro del pistón entre
los dos conductos 16a, 16b, comunicándose tales dos rebajes 21a, 21b
de reducción de peso con los conductos 16a, 16b y con los dos
rebajes 14 circulares.
El elemento 30 de cierre mostrado en las figuras
5 y 6 es un cuerpo anular que está hecho de la misma aleación
metálica con la que se produce el cuerpo 10 principal, adaptado para
unirse al propio cuerpo 10 principal para cubrir los rebajes 14
circulares y con un orificio 25 central del mismo que es concéntrico
con los rebajes 12 centrales con el fin de realizar la corona del
pistón y dejar el rebaje 12 central abierto. De manera ventajosa,
el elemento 30 de cierre puede unirse al cuerpo 10 principal una vez
que han finalizado las etapas de trabajo mecánico del propio cuerpo
10 principal, permitiendo un acceso fácil de herramientas al
interior de éste para una eliminación óptima de exceso de material,
obteniendo una reducción de peso total del pistón alta con respecto
a lo que se conoce en la técnica. Obviamente el elemento 30 de
cierre puede unirse al cuerpo 10 principal mediante las técnicas
más apropiadas, tal como por ejemplo mediante soldadura por puntos o
soldadura con cordones que son internos y/o externos al rebaje 14
circular.
El pistón según la presente invención tal como
se describió anteriormente, permite de este modo alcanzar un peso
que es igual o menor que un pistón hecho de una aleación de aluminio
con altas ventajas de funcionamiento por las siguientes
razones:
- -
- es posible optimizar las características mecánicas y térmicas del acero hasta un máximo permitiendo reducir los espesores del pistón más de un 50% con respecto a un pistón similar hecho de una aleación de aluminio;
- -
- la menor elongación del acero, que es un hecho conocido, con respecto a aleaciones de aluminio permite una mejor tolerancia entre el cilindro y el pistón, una menor distancia de acoplamiento, una consecuente mejor junta estanca de banda elástica, una junta de mayor carga durante las explosiones, y por tanto una menor fuga (blow-by) (filtración de partículas quemadas hacia la parte inferior del motor);
- -
- el pistón se descarga de masas importantes en zonas en las que sería imposible trabajar un pistón reivindicado por otras disposiciones patentadas, y/o cualquier disposición monolítica que se realice de manera diferente.
Además, el pistón según la presente invención,
dada la resistencia mecánica y térmica de la aleación metálica de
alta densidad de la que está hecho, puede permitir un aumento de la
presión de inyección de combustible sin necesitar otras
disposiciones adicionales, aunque manteniendo altos niveles de
eficacia y fiabilidad.
Además, estando el cuerpo 10 principal realizado
empezando a partir de una extrusión única de aleación metálica de
alta densidad, las fibras metálicas no están interrumpidas y pueden
distribuirse con el fin de reforzar en puntos con mayor fatiga y
tensión, permitiendo de este modo realizar un pistón equipado con
una mayor resistencia mecánica y térmica.
Debido a las altas presiones de inyección de
combustible, el pistón según la presente invención encuentra su
aplicación más amplia en el campo de los motores diésel, aunque sea
obvio que puede usarse ventajosamente en motores de combustión
interna suministrados con diferentes combustibles.
La presente invención trata además de un
procedimiento para fabricar un pistón de aleación metálica de alta
densidad para motores de combustión interna, que comprende las
etapas de:
- -
- forjar en caliente una barra extrudida de aleación metálica de alta densidad y crear un primer preformado del cuerpo 10 principal;
- -
- prensar el primer preformado en troqueles que definen la forma final del cuerpo 10 principal disponiendo las fibras de aleación metálica de alta densidad ortogonalmente a los puntos de tracción y carga máximas y realizar un segundo preformado;
- -
- desbastar el segundo preformado para definir el rebaje 12 central y/o los dos conductos 16a, 16b y/o los dos rebajes 21a, 21b reductores de peso y el asiento 18 de inserción de vástago y crear el rebaje 14 circular hasta que la corona se remache en la zona que es perpendicular a la zona 18 de inserción de vástago;
- -
- hacer el elemento 30 de cierre y unirlo al cuerpo 10 principal por ejemplo mediante soldadura, alrededor del rebaje 14 circular y de manera concéntrica al rebaje 12 central para hacer la corona del pistón.
Claims (7)
1. Pistón de aleación metálica de alta densidad
para motores de combustión interna, que comprende un cuerpo (10)
principal que presenta un faldón (19) deslizante externo a lo largo
de un cilindro de dicho motor y equipado con al menos un asiento
(17) para insertar una banda de sellado elástica,
caracterizado porque:
- -
- dicho cuerpo (10) principal está hecho de una sola pieza y comprende un rebaje (12) central que funciona como entrada de combustible y cámara de combustión y un rebaje (14) circular para refrigeración interna dispuesto entre dicho rebaje (12) central y dicho faldón (19); y
- -
- dicho pistón está además equipado con un elemento (30) de cierre adaptado para funcionar como corona de dicho pistón cuando se une a dicho cuerpo (10) principal, estando dicho elemento (30) de cierre hecho de la misma aleación metálica de alta densidad de dicho pistón.
2. Pistón según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha aleación metálica de alta densidad
está aleada con acero al carbono.
3. Pistón según las reivindicaciones 1 ó 2,
caracterizado porque desde dicho rebaje (14) circular salen
al menos dos conductos (16a, 16b), que son ortogonales a un asiento
(18) para insertar un vástago y son longitudinales a una dirección
de carrera de dicho pistón.
4. Pistón según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho
cuerpo (10) principal está equipado con dos rebajes (21a, 21b)
reductores de peso que son paralelos a dicho asiento (18) de
inserción de vástago, y ortogonales a dicha dirección de carrera de
dicho pistón, comunicándose dichos dos rebajes (21a, 21b)
reductores de peso con dichos conductos (16a, 16b) y con dichos
rebajes (14) circulares y definiendo una parte (23) deslizante para
establecer dicha carrera de dicho pistón, pasando dicha parte (23)
deslizante entre dichos dos conductos (16a, 16b).
5. Pistón según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho elemento (30) de cierre es un
cuerpo anular que cubre dicho rebaje (14) circular y que presenta
un orificio (25) central que es concéntrico con dicho rebaje (12)
central.
6. Pistón según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho elemento (30) está unido a dicho
cuerpo (10) principal mediante soldadura.
7. Procedimiento para fabricar un pistón de
aleación metálica de alta densidad para motores de combustión
interna según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque comprende las etapas de:
- -
- forjar en caliente una barra extrudida de dicha aleación metálica de alta densidad y crear un primer preformado de dicho cuerpo (10) principal;
- -
- prensar dicho primer preformado en troqueles que definen una forma final de dicho cuerpo (10) principal disponiendo las fibras de aleación metálica de alta densidad ortogonalmente a los puntos de tracción y carga máximas y realizar un segundo preformado;
- -
- desbastar dicho segundo preformado para definir dicho rebaje (12) central y/o dichos dos conductos (16a, 16b) y/o dichos dos rebajes (21a, 21b) reductores de peso y dicho asiento (18) de inserción de vástago y crear dicho rebaje (14) circular;
- -
- hacer dicho elemento (30) de cierre y unirlo a dicho cuerpo (10) principal alrededor de dicho rebaje (14) circular y de manera concéntrica a dicho rebaje (12) central para hacer dicha corona de dicho pistón.
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